GÜNEŞ PİLİ(PV)-DC MOTORLU SU POMPA SİSTEMİNDE OPTİMUM İŞLETME GERİLİMİNİN GENETİK ALGORİTMA DESTEKLİ TESPİTİ VE SİSTEM PERFORMANSINA OLAN KATKISI

Transkript

1 GÜNEŞ PİLİ(PV)-DC MOORLU SU POMPA SİSEMİNDE OPİMUM İŞLEME GERİLİMİNİN GENEİK ALGORİMA DESEKLİ ESPİİ VE SİSEM PERFORMANSINA OLAN KAKISI Özcan ALAM Murat KALE Feriha ERFAN KUYUMCU, Kcaeli Üniversitesi,eknik Eğitim Fakültesi-Elektrik,,İzmit,Kcaeli Kcaeli Üniversitesi,Mühendislik Fakültesi-Elektrik Mühendisliği,,İzmit,Kcaeli e-psta: e-psta: e-psta: Anahtar sözcükler: Slar Cell, Slar Pumping System, MPP, Genetic Algrithms ABSRAC In this paper a genetic algrithm based, ptimum fied perating vltage slutin t enhance the perfrmance f a Phtvltaic( PV)-DC mtr water pumping system, is presented. his vltage value is such that in a given radiatin interval it crrespnds t pints n the PV current-vltage( I-V) curves which, cnsidering als the duratin fr each curve, yield an energy value. his energy value is clsest t the maimum avaible energy f the system if maimum pwer pints were cnsidered instead. he success in apprimating the perfrmance under maimum pwer pint tracker (MPP) cnditins by the perfrmance under the selected vltage, has been tested n a real mini PV-DC mtr water pumping system. In the analysis, mdel paremeters based n eperimental data btained frm the real sample PV pumping system, have been used. In general 6- apprimatins have been pssible. he eperimental set cnsists f an SM55 slar panel and a centrifugal immersible pump with permanent magnet DC mtr. investigate the mtr-pump and system match, tw different pump mtrs were used and analyzed under the same cnditins. he daily water flw rate was chsen as the criterin t measure the perfrmance..giriş Güneş pilli(pv) ftvltaik su pmpa sistemlerinde, perfrmansı en üst seviyede tutmak için maksimum güç aktarımı açısından uyumlu karakteristikli PVmtr seçimi ptimizasynu yapılmalıdır [-]. Bu tip sistemlerde maksimum güç tarayıcısı (MPP) kullanımı da avantajlı bir yaklaşımdır. MPP cihazı, sürekli PV nin masimum güç (Pm) nktalarını tespit ederek uygun şekilde mtr giriş karakteristiklerini kntrl eder. Diğer yandan MPP nin işlevini yaklaşık larak gören, uygun bir sabit gerilim mdunda(vs) çalışma sağlayabilecek dc-dc çevirici kullanmak da pratik bir çözüm larak önerilebilmektedir []. Sabit gerilimli bir işletim sisteminde PV nin belirli bir aralıktaki ışınım enerjilerinde luşan Pm nktalarının yğunlaştığı bölge içinde uygun bir işletim gerilimi (Vs) seçilmektedir. Bu durum prensip larak, Şekil- de görülmektedir. Akım(I) Gerilim (V) Vs=? Şekil.Bir PV de Vs seçimi ma.güç (Pm) Optimum bir Vs seçimi sistemin MPP kşullarına yaklaşma derecesini belirler. Diğer yandan Pm değerleri kadar, bunları belirleyen ışınımların luşma süreleri tplam kullanılabilir enerjiyi belirlemekte ve bu enerjiler de dğrudan meterljik şartlara dayanmaktadır.böylece ptimum bir Vs tespitinde meterljik verileri dikkate almak faydalı görülmektedir. Bu bildiride, gerçek mini bir PV-dc mtr pmpa sistemi mdeli üzerinde, örneklenmiş bir meterlji veri takımı için ptimum Vs tespiti genetik algritma destekli yapılmaktadır. Oluşan perfrmansın MPP ye yaklaşma başarısı ve nrmal sisteme lan avantajı analiz edilmektedir.meterlji verileri bir gün için üç farklı şekilde örneklenmiş lup her biri için Vs tespit edilmektedir. Ayrıca sisteme lan pmpa mtru uyumu, aynı şartlarda çalışan iki farklı mtr arasında araştırılmaktadır.. GÜNEŞ PİLİ (PV) MODELİ Bu çalışmada, bir adet Siemens marka SM55 tipi pli kristal güneş paneli kullanılmaktadır. PV paneli,

2 standart test kşullarında (SC,W/m c =5 C) açık devre gerilimi V=.7 V, kısa devre akımı Isc=.5 A, maksimum gücü Pm =55 W larak etiket değerlerine sahiptir. SM55 paneli için, herhangi bir ışınım seviyesindeki I-V arasındaki ilişki denklem () ile ifade edilebilmektedir. V=,86.ln[((,5.n I ) /,. -6 )+] () () denklemindeki n katsayısı, ilgili ışınım seviyesinin, W/m lik standart ışınıma lan ranıdır(n=...). Böylece () denklemi ile herhangi bir ışınım için I terimi, (-,5.n) aralığında iterasyn yapılarak V değerleri bulunabilir. Bilindiği gibi Pm ise IV değerlerinin en büyüğüdür.. ÖRNEK SİSEM VE MODELİ Örnek bir PV- dc mtrlu su pmpa sistemi için, Şekil- ile prensip larak verilen küçük ölçekli gerçek bir su pmpa sistemi kurulmuştur. Düşü yüksekliği H=m, debi için ölçekli tankın byutları 6 cm dür. Analiz, bu kurulu örnek sistem için, W ve 5 W lık sabit mıknatıslı dc mtrlu iki dalgıç tipi santrifüj pmpa (M W, M5 W) üzerinde yapılmaktadır.her pmpa için ayarlı güç kaynağı ile sistem sürülerek girişteki akım-gerilim (I mt -V mt ), dlayısıyla güç (P mt =I mt.v mt ) ve debi (Q) değerleri kaydedilmekte lup, ölçümler SM55 panelinin çalışma aralığında yapılmaktadır. H=m 65cm Akım(I) A M5 W Gerilim (V)-vlt M W Pm Şekil-. SM55 de M W ile M5 W göre daha fazla perfrmanslı lması beklenebilir. Diğer yandan, sistemin giriş gücü-debi (P mt Q) eğrileri her iki mtr için şekil- ile verilmektedir. Debi (Q) m /s 5 - M5 W PV çalışma alanı M W 6 8 Giriş Gücü (Pmt) W. Şekil-. P mt-q Eğrileri Ayarlı güç kaynağı -pmpa Yapılan ölçümler ışığında, her bir mtrun P mt -Q ilişkisi () ve (5) denklemleriyle tanımlanabilir. Şekil-. Deney Seti Şekil- deki sistemden alınan verilere göre, I mt V mt arasındaki ilişkiler, M W ve M5 W için () ve () denklemleriyle ifade edilebilmektedir. I mt =,.(V mt ) +,8.(V mt ) () I mt5 =,7.(V mt5 ) +,.(V mt5 ) () Örnek sistemi SM55 panelinin beslediği düşünülüp, (), () ve () denklemlerinden aynı aralıkta I-V eğrileri tanımlandığında M W ve M5 W pmpalarının SM55 panelindeki çalışma nktaları tespit edilebilir. Bu durum, Şekil ile verilmektedir. Şekil- deki M W, PV nin Pm nktalarına daha yakın bölgelerde çalıştığından, nrmalde M5 W a P mt <,8 için,... Q = P mt,8 için, Q = (-,8.e [-,5.(Pmt,8)] +,) (m /s) () P mt5 <,6 için,... Q 5 = P mt5,6 için, Q 5 =(-,6.e [-,.(Pmt5,6)] +,) (m /s) (5) Yukarıdaki () ve (5) denklemleri nrmal (kntlsüz) kşullardaki pmpaların debi (Q) denklemleridir. Sistem MPP de çalışıyrsa bu denklemlerde P mt güçleri yerine ilgili ışınımdaki( PV nin Pm maksimum güç değeri yazılarak bu kşuldaki Q terimleri tanımlanabilir. Benzer şekilde, Vs sabit gerilimli çalışmada ise Vs sabit gerilimine karşılık gelen i.ışınımdaki PV gücü (Ps) terimi yazılabilir. Bir

3 günlük tplam debi (Qt), en genel ifade ile denklem (6) ile tanımlanabilir. k Qt = 6 Q( (m /gün) (6) (6) denkleminde, Q( i. Işınımdaki debi (m /s), t( ise i.ışınımın luşma süresi (saat), k ise, günlük ışınım seviyesi örnekleme sayısıdır. (6) denklemi, MPP, Vs sabit ve nrmal işletim kşulları için ilgili Q terimleri yerlerine yazılarak tanımlanabilir.. GENEİK ALGORİMALAR Genetik algritmalar (GA), arama ve ptimizasyn prblemlerinin çözümü için kullanılabilen adaptif bir yöntemdir. Biyljik rganizmalarda gerçekleşen genetik süreçlere dayalı larak çalışırlar. Pek çk nesil aracılığıyla dğal nüfuslar,ilk kez Charles Darwin tarafından açıkça ifade edilen dğal seçim ve en iyinin hayatta kalma prensibine göre evrim geçirirler. Genetik algritmalar bu süreci taklit ederek, bilgisayar rtamında prblemleri evrimden geçirerek çözerler[5]... GA Çalışma Mekanizması.Adım: Rasgele başlangıç ppülasynunun luşturulması. (Oluşturulan ppülasyndaki her bir birey prblemin lası çözümünü göstermektedir.).adım: Ppülasyndaki her bir bireyin uygunluklarının hesaplanması..adım: Seçim, çaprazlama, mutasyn işlemlerini kullanarak yeni ppülasynun luşturulması. (Seçim: Her bireyin uygunluk değerine bakılarak bir snraki nesilde var lup lmayacağına karar verilmesi. Çaprazlama: Rasgele seçilen bir nktadan iki bireyin bitlerinin birbirleriyle yer değiştirmesi. Uygunlukları yüksek lan bireylerin çaprazlama şansları daha fazladır. Mutasyn: Mutasyn lasılığına göre bireyin bir biti değiştirilir.).adım: İterasyn sayısı kadar --. adımlar tekrar edilir... GA ile Prblemin Çözümü Genetik algritmalarla prblem çözümünde ilk yapılması gereken uygunluk fnksiynunun ve sınır kşullarının belirlenmesidir. Bunların belirlenmesinde aşağıdaki verilerden faydalanılmıştır: SM55 PV paneli için, ışınım seviyesi örneklenme sayısı k=, n = [ ], Işınım güçleri Pg Pg=[ ] (W/m ),,... Bir çalışma periydu saat larak alınmaktadır. Bir çalışma periydu byunca her bir ışınım şiddetinin luşum süreleri aşağıdaki gibi saate üç farklı şekilde dağıtılmakta lup, bütün bu ışınıma ait örneklemelerin, PV panelinin yerleştirildiği eğim açısında gerçekleştiği varsayılmaktadır. t =[ ] (saat) t =[ ] (saat) t =[ ] (saat) Uygunluğuna bakılacak lan gerilimin (Vs) her bir ışınım şiddetine karşılık gelen akım değerleri denklem-7 kullanılarak bulunur. Bulunan akım değerleriyle Vs çarpılarak (denklem (8)) her bir ışınım şiddetindeki güçler hesaplanır. Denklem () kullanılarak bir çalışma periydu byunca güneş pilinden alınacak lan tplam enerji miktarı bulunur. Arama uzayının sınır kşulları; en büyük ışınım şiddetinin maksimum güç nktasındaki gerilim değeri 8., en küçük ışınım şiddetinin maksimum güç nktasındaki gerilim değeri ise 6.7 lduğundan bu iki değer arama uzayının alt ve üst sınırlarıdır. I( =.5 n(. P( = Vs I( 6 [ e (.77 Vs) ] (7) (8) E = P( () Aşağıdaki abl- de genetik algritma ile yapılan ptimizasyn snucunda, t, t, t ışınım şiddeti dağılımlarına göre bulunan sabit çalışma gerilimi Vs ve güneş pili bu çalışma gerilimlerinde çalıştırıldığında bir çalışma periydunda alınan enerji miktarları verilmektedir. abl- Genetik algritma ile yapılan ptimizasyn snucunda elde edilen sabit çalışma gerilimleri. Sabit Çalışma Gerilimi(Vs) (V) Alınan Enerji(E) (watt-saat) t dağılımları t dağılımları t dağılımları Yukarıda hesaplanan herhangi bir veri takımı için, tespit edilen Vs değerine karşılık gelen örneklenmiş ışınım aralığındaki PV güçleri (Ps(), M W için () denklemine, M5 W için (5) denklemine uygulanır ve (6) denklemiyle de ilgili günlük debi Qt (m /gün) hesaplanabilir. Bütün veri takımları, günlük saat çerçevesinde düşünüldüğünden günlük rtalama ışınım enerjisi, genel bir ifade ile () denklemi ile tanımlanabilir. P = (/) Pg( (W/m gün) () rt

4 MPP, Vs sabit işletim ve nrmal çalışma durumlarındaki Qt perfrmansları, ilgili veri takımı ve mtr için ()-() denklemleriyle belirlenmektedir. 5.SONUÇ Örnek bir PV-dc mtrlu su pmpa sisteminde, perfrmans iyileştirilmesine yönelik ptimum sabit işletme gerilimi Vs, verilen günlük ışınım veri takımı için genetik algritma destekli tespit edilmektedir. Analizde ek kntrl elemanı kayıpları, analizin asıl hedefi açısından göz önünde tutulmamıştır. Gerçekte ulaşılan Vs perfrmanslarında küçük çapta azalmalar beklenebilir. Örneklenen üç farklı ışınım verilerinden 7,5 W/m gün için Vs=7,75 V.; 65,5 W/m gün için Vs=7,7 V. ve 57,5 W/m gün için Vs=7,585 V. değerindedir. Yaz, kış ve bahar seznlarını andıracak bu verilerde günlük rtalama ışınım enerjisiyle Vs değerleri kısmen yükselmektedir. espit edilen Vs değerlerinin sağladığı perfrmansların MPP kşullarına lan yaklaşma başarısı, küçük ölçekli gerçek bir sistemden alınan temel mdel verileriyle analiz edilmiştir. Sabit basma yüksekliğinde kurulu örnek sistemdeki perfrmans karşılaştırılması Qt(m /gün) debilerine göredir. Snuçlar, üç ayrı günlük ışınım verisi için, M W ile M5 W pmpalarına göre Şekil-5, Şekil-6 ve abl- dedir. Alınan snuçlara göre, örneklenen bütün günlük ışınım rtalamalarında, pmpalar en yüksek debileri ideal lan MPP kşullarında vermektedir. Her ışınım verisi için hesaplanan Vs işletiminde luşan debiler, ilgili MPP kşullarına yaklaşık 6- ranında yaklaşmaktadır. Nrmalde her iki pmpanın da debileri daha düşük seviyelerdedir. M W için, nrmale göre yaklaşık 6 dlaylarında ek katkı sağlanırken, M5 W için bu katkı yaklaşık -6 değerlerindedir. Örneklenmiş üç verinin en düşüğü lan 65,5 W/m gün de her iki pmpa için daha fazla katkı sağlanmaktadır.yapılacak iyileştirmenin avantajı M5 W de daha belirgindir. Günlük debiler bakımından perfrmans tercih ibresi nrmalde M W da iken, MPP veya Vs kşullarında ibre M5 W a dönmektedir. Çünkü Şekil- e göre nrmalde M W, M5 W a göre PV Pm lerine daha yakın seyretmektedir. Ayrıca Şekil- deki P mt -Q eğrilerine göre düşük güç aralığında(-w) M W, M5 W dan aynı güç nktasında daha büyük debi ürettiğinden nrmal kşullarda avantajlıdır. Fakat MPP veya Vs işletimlerinde ise M5 W avantajlıdır. Çünkü Şekil- e göre PV nin Pm lerine yakın güç aralığındaki aynı güce karşılık gelen M5 W nin debileri, M W ye göre fazladır. Böylece bir PV nin Pm nktaları civarında çalıştırılması kadar, bu nktalarda daha geç dyuma ulaşan ve daha yüksek debi veren bir pmpa mtr sistemi seçiminin de önemli lduğu görülmektedir. Debi (Qt) m /gün Debi(Qt) m /gün M W M5 W M W.MPP.Vs.NORMAL 7,5 W/m gün 65,5 W/m gün 57,5 W/m gün Şekil-5. M W için Qt durumları 7,5 W/m gün 65,5 W/m gün 57,5 W/m gün DEBİ (Qt) m /gün MPP Vs M5 W.MPP.Vs.NORMAL Şekil-6.M5 W için Qt durumları abl-. Analiz Snuçları 7,5 5,55 5,5 Günlük Ortalama Işınım W/ m gün MPP 65,5 MPP 57,5,, 7,66, 55,6,5 8 MPP,56,7,58 7,6,56 NORM 8 8 7,5,5, MPP 8 8 Vs 7, 8,8,7,, NORM, 65,7,765 8,7 6,67 7 Vs (V) 7,75 7,77 7, ,5 6,5

5 KAYNAKLAR [] Akbaba. M., Matching Of Separately Ecited DC Mtrs Phtvltaic Genaratrs Fr Maimum Pwer Output, SOLAR ENERGY, Vl.6,Iss 6, pp,75-85, 8. [] Appelbaum J., he Operatin Of Permanent Magnet DC Mtrs Pwered By A Cmmn Surce Of Slar Cells, IEEE RANSACIONS ON ENERGY CONVERSION, Vl, Iss, pp 65-6, 8. [] Saied M., Optimal Slar Array Cnfiguratin And DC Mtr Field Parameters Fr Maimum Annual Output Mechanical Energy, IEEE RANSACIONS ON ENERGY CONVERSION, Vl, Iss, pp 5-65, 8. [] Mrzn M., A Study Of Optimum Operatin By Vltage Mde Cntrl Fr Slar Phtvltaic Systems, JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, Vl 6, Iss 5, 87. [5] Beasley D., Bull D.R., Martin R.R., A OVERVIEW OF GENEIC ALGORIHMS PAR I- FUNDAMENALS UNIVERSIY COMPUING, Vl 5, Iss, pp 58-6,.