Meteorolojik verileri kullanan mppt kontrollü rüzgar-güneş hibrit enerji sistemi tasarımı ve uygulaması
Design and implementation of mppt controlled wind-solar hybrid energy system using meteorological data
Yazar: GÖKSEL GÖKKUŞ
Danışman: PROF. DR. AHMET AFŞİN KULAKSIZ
Konya Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu tezde özellikle akademik çalışmalara destek olabilecek, eğitim ve araştırma maksadıyla kullanılabilecek küçük ölçekte rüzgâr-güneş enerji kaynaklarını temel alan hibrit bir enerji sistemi üzerinde tasarım ve pratik çalışma yapılmıştır. Çalışma kapsamında; rüzgâr hızı, güneş ışıması ve ortam sıcaklığı gibi meteorolojik veriler üzerinden rüzgâr türbini ve güneş paneli gibi davranan iki bileşenden meydana gelen bir enerji sistemi önerilmiştir. Ayrıca tasarlanan hibrit enerji sistemi, rüzgâr ve güneş enerji sistemlerinin verimlerine etki eden, günümüzde üzerinde akademik pek çok çalışmanın yapıldığı ve popüler olarak kullanılan maksimum güç noktası takibi algoritmaları ile de desteklenmektedir. Bu çalışmanın önemli yönlerinden biri üç farklı maksimum güç noktası takibi algoritmasının aynı mikrodenetleyici üzerine yüklenmesi ve kullanıcı tarafından seçilen algoritmanın çalıştırılmasıdır. 
Tezde ilk olarak, rüzgâr enerji kaynağı gibi davranacak olan rüzgâr türbini emülatörü üzerinde çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda bir asenkron motor ve bir doğru akım makinesi akuple edilerek motor-generatör çifti oluşturulmuştur. İkinci olarak, güneş simülatörü üzerinde çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Hem güneş dizi simülatörü hem de rüzgâr emülatörü çıkışına ayrı ayrı birer güç dönüştürme katı tasarlanmış ve iki güç dönüştürme katı da merkezi bir DA barası üzerinde birleştirilmiştir. Tasarlanan bu güç katları ile üretilen DA türündeki enerjinin bir gerilim seviyesinden başka bir seviyeye dönüştürülmesine ve maksimum güç noktası takibi algoritmalarının işletilmesine imkân sağlanmıştır. Tezde ayrıca hem rüzgâr türbini emülatörü hem de güneş simülatörünün ayrı ayrı veya birlikte kullanabileceği bir omik yük simülatörü ve mikro yapılı bir evirici tasarlanmıştır. Rüzgâr ve güneş enerji kaynakları ile alternatif akım yüklerinin beslenmesine imkân sağlayacak şekilde, çıkışlar evirici girişine bağlanmıştır. Sistemin hibrit çalıştırılması durumunda farklı yük değerleri için elde edilen sonuçlardan maksimum güç noktası takibi algoritmalarının verimlerinin ortalama %88 değerinde olduğu gözlenmiştir. 
Tasarım ve uygulaması gerçekleştirilen hibrit enerji sistemi, rüzgâr ve güneş ışığı erişimine ihtiyaç duymadan sadece ortam verilerini kullanarak laboratuvar ortamında rüzgâr ve güneş enerjisi üreteçleri gibi davranabilmektedir. Sistem sayesinde her istenildiğinde ulaşılması mümkün olmayan rüzgâr türbinleri ve güneş panellerinin akademik ve eğitim ortamında çalışmalarının gözlenebilmesi amacıyla kullanılabilmesi mümkün hale gelmiştir. Hibrit enerji sistemi, yapısı bakımından geliştirilmeye açık, yeni algoritma ve kontrol yöntemlerinin uygulamasına imkân sağlar niteliktedir.

Abstract:
In this thesis, design and practical implementation have been made on a small scale hybrid energy system based on wind-solar energy resources that can support academic studies and can be used for education and research purposes. In the scope of the study; based on meteorological data such as wind speed, solar radiation, and ambient temperature, a two-component energy system behaving as a wind turbine and photovoltaic panel has been proposed. In addition, the designed hybrid energy system is also supported by the maximum power point tracking algorithms that affect the efficiency of wind and solar energy systems, on which many academic studies have been carried out and are popularly used today. One of the important aspects of this study is that three different maximum power point tracking algorithms are loaded on the same microcontroller and the algorithm chosen by the user is run.
In the thesis, firstly, studies were carried out on the wind turbine emulator that will behave as a wind energy source. In this context, an asynchronous motor and a direct current machine were coupled to create a motor-generator pair. Secondly, studies have been carried out on the solar simulator. A power conversion stage has been designed separately for both the solar array simulator and the wind emulator output, and the two power conversion stages are combined on a central DC bus. With these designed power stages, it is possible to convert the DC type energy from one voltage level to another and to operate the maximum power point tracking algorithms. In the thesis, a resistive load simulator and a micro inverter that can be used separately or together by both wind turbine emulator and solar simulator are designed. The outputs are connected to an inverter input to allow the feeding of wind and solar energy sources and alternating current loads. When the system is operated in hybrid, from the results obtained for different load values, it has been observed that the efficiency of maximum power point tracking algorithms is 88% on average.
The designed and implemented hybrid energy system can behave as wind and solar energy generators in laboratory environment by using only meteorological data without needing access to wind and sunlight. The system makes it possible to use wind turbines and photovoltaic panels, which are not accessible at all times, and their operation in academic and educational environments can be observed. It is open to development in terms of system structure and allows the application of new algorithms and control methods.