Şebekeden bağımsız hibrit enerji sisteminin tekno-ekonomik açıdan incelenmesi ve optimizasyonu
Techno-economic investigation and optimization of the standalone hybrid energy system
Yazar: AYKUT FATİH GÜVEN
Danışman: PROF. DR. NURAN YÖRÜKEREN
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy
Dizin: Ekonomik analiz = Economic analysis ; Enerji optimizasyon modeli = Energy optimization model ; Enerji yönetimi = Energy management ; Metasezgiseller = Metaheuristics ; Yapay zeka = Artificial intelligence ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy

Özet:
Enerji, ekonomi ve çevre, bir ülkenin sürdürülebilirliğini sağlamada önemli rol oynamaktadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı, enerji sürdürülebilirliğini sağlamanın ve aynı zamanda gelecekte çevresel etkiyi azaltmanın anahtarı olacaktır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının değişken yapıları ile  tüketicilere enerji sağlamanın olası yolu, farklı yenilenebilir kaynakları tek hibrit sistemde bir araya getirmektir.  Bu tez çalışması, güneş, rüzgar, dizel jeneratör ve batarya depolamalı hibrit sistemlerin fizibilitesi ve farklı metasezgisel algoritmalarla optimizasyon sonuçlarını karşılaştırmaktadır. Hibrit yenilenebilir enerji sistemleri, yük taleplerinin karşılanması, enerji kaynaklarının değişken doğası ve birçok elektriksel problemlerin üstesinden gelmesi açısından faydalıdır, ancak belirli yük taleplerine ve tekno-ekonomik parametrelere dayalı uygun maliyetli bir sistem elde etme sürecinde en uygun boyutlandırma ana sorundur. Bu nedenle en güvenilir ve ekonomik çözümün elde edilmesi için bu sistemlerin boyutlandırma sürecine yardımcı olan bir metodoloji geliştirilmiştir. Sistemin yıllık maliyetini en aza indirecek, yenilenebilir enerji kullanımına öncelik veren bir sevk stratejisi ve enerji talebini güvenilir bir şekilde karşılayacak olan mikro şebekenin bileşenleri arasındaki güç akışı koordinasyonunu sağlayan güçlü kural tabanlı bir enerji yönetim şeması sunulmuştur. Önerilen Diferansiyel Evrim Algoritması ve optimizasyon yönteminin doğruluk ve hesaplama süresi açısından üstünlüğünü kanıtlamak için, benzer uygulamalarda kullanılan HOMER yazılımı ve farklı metasezgisel algoritma yaklaşımlarıyla karşılaştırılmıştır. Bulgular, güneş paneli/ batarya bileşenlerinden oluşan şebekeden bağımsız hibrit enerji sisteminin, seçilen yer olan üniversite merkez kampüsüne en uygun maliyetli seçenek olduğunu ve önerilen algoritmanın iyi yakınsama özelliğine ve yüksek kaliteli çıktı sağlama kapasitesine sahip olduğunu göstermektedir. Çalışma bulgularının, enerji maliyetini en aza indiren ve bu sistemlerin güvenilirliğini en üst düzeye çıkaran, şebekeden bağımsız hibrit enerji sistemlerinin boyutlandırılması ve tasarım sürecine yardımcı olması beklenmektedir. İlaveten, yenilenebilir enerji sistem planlayıcılarına ve politika yapıcılara en son tasarım kısıtlamalarını belirleme açısından da yardımcı olacaktır. Optimizasyon sürecine dahil edilen algoritmalar, MATLAB simülasyon paketi kullanılarak programlanmıştır.

Abstract:
Energy, economy, and environment play a very important role in ensuring the sustainability of a country. The use of renewable energy sources paves the way for ensuring energy sustainability and at the same time reducing environmental impact in the future. With the variable nature of renewable energy sources, one possible way of supplying energy to consumers is to combine different renewable sources in one hybrid system. This thesis study compares the feasibility of solar, wind, diesel generator, and battery storage hybrid systems and the optimization results with different metaheuristic algorithms. Hybrid renewable energy systems are useful in meeting load demands, tackling the variable nature of energy sources, and many electrical problems. However, optimal sizing is the main problem in the process of obtaining a cost-effective system based on specific load demands and techno-economic parameters. Therefore, a methodology was developed to assist the sizing process of these systems in order to obtain the most reliable and economical solution. A dispatch strategy that will minimize the annual cost of the system and that prioritizes the use of renewable energy and a powerful rule-based energy management scheme that ensures power flow coordination between the components of the microgrid that will reliably meet the energy demand were presented. In order to prove the superiority of the proposed Differential Evolution Algorithm and optimization method in terms of accuracy and computation time, they were compared with HOMER software and different metaheuristic algorithm approaches used in similar applications. The findings show that the off-grid hybrid energy system consisting of Solar panel/battery components is the most cost-effective option for the chosen location, the university central campus, and the proposed algorithm has good convergence and the capacity to provide high quality output. The study findings are expected to assist in the sizing and design process of off-grid hybrid energy systems that minimize energy cost and maximize the reliability of these systems. Moreover, they will assist renewable energy system planners and policy makers in identifying the latest design constraints. The algorithms included in the optimization process were programmed using the MATLAB simulation package.