The Effect of Maximum Power Point Tracking on Efficiency in Photovoltaic Solar Panel Systems

Abstract

In solar energy systems, due to the low efficiency in energy conversion, efforts to increase efficiency have gained importance today. Maximum Power Point Tracking (MPPT) systems have been developed to use solar energy systems at maximum efficiency. In this study, the effect of a frequently used maximum power point tracking algorithm on efficiency is investigated. Using Matlab/Simulink, a system that includes a solar cell module and Boost DC-DC converter is designed to detect the maximum power point in variable atmospheric conditions. This system is operated with maximum power point tracking unit and without maximum power point tracking unit, and the obtained results and their effects on efficiency are compared. The system has been studied in three different situations. In the inferences obtained, it was observed that the efficiency increased from 72.6% to 92.95% in the first working condition, the efficiency increased from 90.59% to 96.43% in the second working condition, and the yield increased from 92.27% to 94.46% in the third working condition.

Keywords

• PV panel
• Maximum power point tracking
• Efficiency
• Perturb and observe algorithm

Fotovoltaik Güneş Paneli Sistemlerinde Maksimum Güç Noktası İzleyicisinin Verime Etkisi

Abstract

Güneş enerjisi sistemlerinde, enerji dönüşümündeki verimliliğin düşük olması nedeniyle, günümüzde verimi arttırmaya yönelik çalışmalar önem kazanmıştır. Güneş enerjisi sistemlerini maksimum verimde kullanmak için, Maksimum Güç Noktası İzleyicisi (MGNİ) sistemleri geliştirilmiştir. Bu çalışmada, sık kullanılan bir MGNİ algoritmasının verime etkisi incelenmiştir. Matlab/Simulink ortamında güneş pili modülü ve yükselten DA–DA dönüştürücü içeren, değişken ortam koşullarında maksimum güç noktasını tespit eden bir sistem tasarlanmıştır. Bu sistem, MGNİ birimi olmadan ve MGNİ birimi olması durumda çalıştırılarak elde edilen sonuçlar ve verime etkileri karşılaştırılmıştır. Sistem üç farklı durumda incelenmiştir. Elde edilen çıkarımlarda maksimum güç noktası izleyicisi varken birinci çalışma koşulunda verim %72.6’dan %92.95’e, ikinci çalışma durumunda verim %90.59’dan %96.43’e ve üçüncü çalışma durumunda verim %92.27’den %94.46’ya yükseldiği gözlemlenmiştir.

Keywords

• PV panel
• Maksimum güç noktası izleyicisi
• Verim
• Değiştir ve gözlemle algoritması

References

1. Altın N., Yıldırımoğlu T., 2011. Labview/Matlab Tabanlı Maksimum Güç Noktasını Takip Edebilen Fotovoltaik Sistem Simülatörü. Politeknik Dergisi, 14,271-280.
2. Basoglu M.E., Cakir B., 2016, “Comparisons of MPPT performances of isolated and non-isolated DC-DC converters by using a new approach. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 60, 1100-1113.
3. Boukebbous S.E. et al.; 2019. High voltage gain quasi Z source DC – DC converter contribution to photovoltaic systems. 4th International Conference on Power Electronics and their Applications (ICPEA), Turkey.
4. Cristaldi L., Faifer M., Rossi M., Toscani S., 2013, “A New Approach to Maximum Power Point Tracking for Photovoltaic Panels”, International Conference on Clean Electrical Power, 461-465.
5. Deveci O., Kanakoğlu C., 2014. Bir Fotovoltaik Sistemden Değisken Güneş Işınım Değerlerinde Maksimum Güç ve Sabit DA Gerilim Elde Edilebilmesine Yönelik DA/DA Dönüstürücü ve Kontrolcü Tasarımı”, TOK Bildiri Kitabı.
6. Elgendy M.A., Zahawi B., 2009, “Dynamic Behaviour of DC Motor-Based Photovoltaic Pumping Systems under Searching MPPT Algorithms”, Int. Conference on Power Engineering, Energy and Electrical Drives.
7. Esram T., Chapman PL., 2007, “Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques”, IEEE Trans. on Energy Convers., 22, 439-449.
8. Giovanni S., Giovanni P., 2005, “Optimization of Perturb and Observe Maximum Power Point Tracking Method”, Balkan Journal of Elektrical & Computer Engineering.

9. Gupta PP., Kishore GI.; Tripathi RK., 2019, “Implementing High Gain DC-DC Converter with Switched Capacitor for PV System”, Innovations in Power and Advanced Computing Technologies (i-PACT), India.
10. Ibnelouad A.; et al.; 2017, “A Comprehensive Comparison of the Classic and Intelligent Behavior MPPT Techniques for PV Systems”, 14th International Multi-Conference on Systems, Signals & Devices (SSD), Morocco.
11. Jiang Y., Qahouq JA., Haskew TA., 2013, “Adaptive Step Size with Adaptive-Perturbation-Frequency Digital MPPT Controller for a Single-Sensor Photovoltaic Solar System”, IEEE Trans. Power Electron., 28, 3195-3204.
12. Kabala M., 2017, “Application of Distributed DC/DC Electronics in Photovoltaic Systems”, Master Thesis, Colorado State University, Fort Collins, Colorado,170.
13. Kırcıoğlu O., Yıldız AB., 2015, “Fotovoltaik Panelin Tek Diyotlu Eşdeğer Devresine Ait Büyük Sinyal Analizi”, TMMOB Elektrik Mühendisleri Odası Enerji Verimliliği ve Kalitesi Sempozyumu.
14. Koizumi H., Kurokawa K., 2005, “A Novel Maximum Power Point Tracking Method for PV Module Integrated Converter”, 36th IEEE Power Electronics Specialists Conference, (PESC'05), 2081-2086, USA.
15. Kumar S.; Sahu HS.; Nayak SK.; 2019, “Estimation of MPP of a Double Diode Model PV Module From Explicit I-V Characteristic”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol.66, Issue 9.pp.7032-4042
16. Mathew TM; Rakhee R.; 2019, “Non-Isolated High Gain DC-DC Converter for PV Applications with Closed Loop Control”,2nd Int. Conference on Intelligent Computing, Instrumentation and Control Technologies (ICICICT), India.
17. Nakir İ., 2007, “Fotovoltaik Güneş Panellerinde GTS ve MGTS Kullanarak Verimliliğin Arttırılması”, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul,75.
18. Onat N., Ersöz S., 2009, “Fotovoltaik Sistemlerde Maksimum Güç Noktası İzleyici Algoritmalarının Karşılaştırılması”, V. Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu, Diyarbakır.
19. Yadav I.; Maurya SK.; 2020, “Modelling and Analyzing of DC-DC Converter for Solar Pump Applicaitons”, Int. Conference on Power Electronics & IoT Applications in Renewable Energy and its Control, India.