Fotovoltaik Enerji Dönüşümü için Yumuşak Anahtarlama Yaklaşımı: ZVS SEPIC Tabanlı Dönüştürücü Tasarımı ve Uygulaması

Öz

Günümüzde elektrik enerjisi üretiminde çoğunlukla fosil yakıt kaynakları kullanılmaktadır. Bu kaynakların rezervlerinin sınırlı olması ve olumsuz çevresel etkileri düşünüldüğünde yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelim kaçınılmaz olmuştur. Güneş enerjisi, temiz, çevreci ve sınırsız olması yönüyle en çok tercih edilen yenilenebilir enerji kaynakları arasındadır. Bu çalışmada, güneş enerjisi tabanlı batarya şarj sisteminin laboratuvar ortamında uygulaması gerçekleştirilmiştir. Güneş enerjisinden elde edilen maksimum gücün sürekliliğinin sağlanması amacıyla PI denetleyici ile desteklenmiş Değiştir & Gözle (D&G) maksimum güç noktası takibi (MGNT) algoritması kullanılmıştır. Maksimum gücün maksimum verimle bataryaya aktarılabilmesi için yumuşak anahtarlama tekniklerinden sıfır gerilimde anahtarlama (ZVS) tekniğinin uygulandığı SEPIC DA-DA dönüştürücü kullanılmıştır. Deneysel çalışmalarda sisteme 40-60-80-100 W güç değerleri uygulanmıştır. Sonuçlar maksimum güç noktası takibi verimi ve sistem verimi açısından karşılaştırılmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Fotovoltaik Sistem
• Batarya Şarj Sistemi
• MPPT
• ZVS SEPIC Dönüştürücü

Soft-Switching Approach for Photovoltaic Energy Conversion: ZVS SEPIC-Based Converter Design and Implementation

Öz

Currently, electricity generation predominantly relies on fossil fuel sources. Considering the limited reserves of these resources and their negative environmental impacts, a shift toward renewable energy sources has become inevitable. Solar energy, being clean, eco-friendly, and practically unlimited, stands out as one of the most preferred renewable energy resources. In this study, a solar energy-based battery charging system was implemented in a laboratory environment. To ensure the continuity of maximum power obtained from solar energy, a Perturb & Observe (P&O) Maximum Power Point Tracking (MPPT) algorithm, supported by a PI controller, was employed. In order to transfer the maximum power to the battery with high efficiency, a SEPIC DC–DC converter utilizing the zero-voltage switching (ZVS) soft-switching technique was used. During experimental tests, the system was operated at power levels of 40, 60, 80, and 100 W. The results were compared in terms of maximum power point tracking efficiency and overall system efficiency.

Anahtar Kelimeler

• Photovoltaic System
• Battery Charger
• MPPT
• ZVS SEPIC Converter

Kaynakça

1. M. Teke, A. S. M. Al-Arjeeli, and F. Korkmaz, “Design and Comparison of Mppt Controller for Pv Systems,” Uluslararası Muhendislik Arastirma ve Gelistirme Dergisi, vol. 15, no. 1, pp. 1–15, Jan. 2023, doi: 10.29137/umagd.1113630.
2. Z. Özen, L. Arslan, and H. Özbay, “Elektrikli Araçlar için Yenilenebilir Enerji Destekli Akıllı Şarj Sistemleri ve Mobilite,” in 3RD International Conference On Intelligent Transportation Systems, Balıkesir,Bandırma, Nov. 2023.
3. G. N. Kozhemyakin, Y. N. Bendryshev, and A. V. Churilov, “Photovoltaic effect in metal foils and crystals of topological insulators,” CrystEngComm, vol. 25, no. 1507, Jan. 2023.
4. O. O. Yolcan and R. Köse, “Türkiye’nin Güneş Enerjisi Durumu ve Güneş Enerjisi Santrali Kurulumunda Önemli Parametreler,” Kırklareli Üniversitesi Mühendislik ve Fen Bilimleri Dergisi, vol. 6, no. 2, pp. 196–215, Dec. 2020.
5. U. Badak and A. B. Yıldız, “Maksimum Güç Noktası İzleyici Algoritmalarının Verim, Salınım Miktarı ve Yakınsama Süresi Açısından Karşılaştırılması,” European Journal of Science and Technology, Jan. 2021.
6. Y. Şahin, İ. Aksoy, and N. Süleyman Tinğ, “DC-DC Dönüştürücülerde Kullanılan Yumuşak Anahtarlama Yöntemlerinin Karşılaştırılması,” in Eleco 2014 Elektrik-Elektronik-Bilgisayar ve Biyomedikal Mühendisliği Sempozyumu, 2014, pp. 235–238.
7. A. Çalışkan, S. Ünal, and A. Orhan, “Buck-Boost Dönüştürücü Tasarımı, Modellenmesi ve Kontrolü,” Fırat Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, vol. 29, no. 2, pp. 265–268, 2017.
8. M. Kenar, “Güneş Enerjisi Üretim Sistemleri için DC/DC ve DC/AC Güç Dönüştürücülerinin Tasarımı ve Fuzzy-PI ile Kontrolü,” Yüksek Lisans Tezi, Afyon Kocatepe Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Afyonkarahisar, 2019.

9. S. Tripathi, A. Shrivastava, and K. C. Jana, “EO based fuzzy optimal controller for solar MPPT and battery charging circuit for EV charging application,” Int J Dyn Control, vol. 13, no. 2, Feb. 2025.
10. M. S. Endiz, “Design and implementation of microcontroller-based solar charge controller using modified incremental conductance MPPT algorithm,” J Radiat Res Appl Sci, vol. 17, no. 2, p. 100938, Jun. 2024.
11. C. Rao, A. Hajjiah, M. A. El-Meligy, M. Sharaf, A. T. Soliman, and M. A. Mohamed, “A Novel High-Gain Soft-Switching DC-DC Converter with Improved PO MPPT for Photovoltaic Applications,” IEEE Access, vol. 9, pp. 58790–58806, 2021.
12. L. Arslan and H. Özbay, “Elektrikli araçlar için MPPT tabanlı yüksek verimli batarya şarj sistemi tasarımı,” Journal of Innovative Engineering and Natural Science,vol. 4, no. 1, pp. 11–31, Aug. 2024.
13. R. Kara, M. Ekici, and G. Yıldırım, “Fotovoltaik Hücrelerin Panel Açılarına Göre Enerji Verimliliği,” Uluslararası Muhendislik Arastirma ve Gelistirme Dergisi, Feb. 2024.
14. N. Yılankırkan and D. İsaoğulları, “Fotovoltaik Sistem Tasarımı ve Analizi: Sivas Teknoloji Geliştirme Bölgesi Örneği,” Sivas Cumhuriyet Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, vol. 3, no. 1, pp. 14–20, Jul. 2024.
15. E. İşen and Ö. Koçhan, “Fotovoltaik Panelin Tek Diyotlu Modellenmesi,” Mühendislik Bilimleri ve Araştırmaları Dergisi, vol. 2, no. 1, pp. 1–10, Nov. 2020.
16. N. Bağ, “Denizli İli için Farklı Zemin ve Sıcaklık Koşullarında Çift Yüzlü Fotovoltaik Panellerin Performans Analizi,” Yüksek Lisans Tezi, Pamukkale Üniversitesi, Denizli, 2024.
17. K. Boudaraia, H. Mahmoudi, A. Abbou, and M. Hilal, “Buck converter MPPT control of a photovoltaic system,” in International Conference on Multimedia Computing and Systems -Proceedings, IEEE Computer Society, Apr. 2017, pp. 783–787.
18. H. Özbay, S. Öncü, and M. Kesler, “SMC-DPC based active and reactive power control of grid-tied three phase inverter for PV systems,” Int J Hydrogen Energy, vol. 42, no. 28, pp. 17713–17722, Jul. 2017.
19. S. Büyükkelek, “Fotovoltaik Uygulamalar için Model Tabanlı Hibrit Bir MPPT Yönteminin Geliştirilmesi,” Yüksek Lisans Tezi, Konya Teknik Üniversitesi, Konya, 2024.
20. M. Dayıoğlu, Y. Oğuz, and A. Yönetken, “Two-Stage Three-Phase Grid-Tied Photovoltaic System with MPPT Method,” Afyon Kocatepe Üniversitesi Uluslararası Mühendislik Teknolojileri ve Uygulamalı Bilimler Dergisi, vol. 4, no. 2, pp. 65–73, Dec. 2021.
21. H. S. Lee and J. J. Yun, “Advanced MPPT algorithm for distributed photovoltaic systems,” Energies (Basel), vol. 12, no. 18, Sep. 2019.
22. M. Barrenetxea Iñarra, I. Baraia Zubiaurre, I. Larrazabal Bengoetxea, and I. Zubimendi Azaceta, Power Electronic Converter Design Handbook. 2018.
23. D. W. Hart, Power Electronics. New York, NY, USA: McGraw-Hill, 2011.
24. A. Raj, S. R. Arya, and J. Gupta, “Solar PV array-based DC–DC converter with MPPT for low power applications,” Renewable Energy Focus, vol. 34, no. September, pp. 109–119, 2020.
25. O. Akalp, H. Ozbay, and S. B. Efe, “Design and analysis of high-efficient driver model for led luminaires,” Light and Engineering, vol. 29, no. 2, pp. 96–106, 2021.