MPPT Nedir?

Maksimum Güç Noktası Takibi (MPPT), değişen güneş ışınımı, sıcaklık ve elektrik yükü gibi değişken koşullar altında PV güneş panellerinin maksimum güç noktasında veya buna yakın bir noktada çalışmasını sağlamak için solar inverterlerde uygulanan bir algoritmadır. Solar inverter geliştiren mühendisler MPPT algoritmalarını ortam sıcaklığı, güneş ışınımı ve yük gibi değişken koşullar altında PV sistemlerinden maksimum güç elde etmek için MPPT kontrol cihaz tasarımlarına uygulayarak kullanırlar.

Maksimum güç noktası takibi yapan MPPT algoritmaların neler olduğunu, nasıl çalıştıklarını ve bu algoritmaların basitçe PV sistemlerine nasıl entegre edildiğine geçmeden önce maksimum güç noktasının ve kısaca empedansın ne olduğunu anlamamız gerekir.

Maksimum Güç Noktası (MPP) Nedir?

Güneş panellerindeki PV solar hücreler güneş ışınımına maruz kaldıklarında silikon gibi sahip oldukları yarı iletken maddeler elektrik yükü oluştururlar. Bu oluşturdukları elektrik yükü bir DC elektrik akımı oluşturur ve bu akım panel içerisindeki kablolar aracılığı ile iletilir. Bu iletilen akıma ve PV solar hücrelerin sahip olduğu voltaja bağlı olarak belirli bir değerde güç üretilmiş olur. Ancak bu güç üretimi lineer olarak gerçekleşmez. Burada ne demek istediğimizi gelin bir örnek üzerinden açıklamaya çalışalım.

Günümüzde yaygın olarak kullanılan 144 hücreli 550 Watt Half Cut solar güneş panelleri tipik olarak aşağıdaki Akım - Voltaj ve Güç - Voltaj grafiklerine sahiptir:

Örnek olması açısından ortam sıcaklığının 25˚C ve 45˚C olduğu şartlarda farklı solar ışınım (W/m2) seviyelerine göre güneş panelinin sahip olabileceği voltaj ve akım değerleri ile bu değerlere göre üretebileceği güç seviyelerini (Güç = Voltaj x Akım) grafikler üzerinde görebiliriz. Peki bu grafikler bize bir PV güneş paneli hakkında ne anlatıyor, aşağıdaki gibi özetleyebiliriz:

• Akım azaldıkça Voltaj yükselir: Sol tarafta yer alan Voltaj - Akım grafiklerine baktığımızda, akım değeri düştükçe Voltajın arttığını görebiliriz. Akım değerinin "0" olması bizi PV güneş panelinin sahip olduğu açık devre voltaj (Voc) değerine ulaştırır.
• Solar ışınım arttıkça üretilen akım ve bunun sonucu olarak üretilen güç artar: Daha yüksek güneş ışınımına maruz kalan PV güneş panelinin üreteceği akım artacağından, panelin üreteceği güç de paralel olarak artar.
• Sıcaklık arttıkça voltaj düşer: Genel beklentinin tam aksine, hava sıcaklığı arttıkça PV güneş panelinin voltajı azalır ve bunun sonucu olarak panelin ürettiği güç miktarı da düşer. 45˚C derece hava sıcaklığında bir PV paneli, 25˚C hava sıcaklığında ürettiğinden daha az güç üretir.
• PV güneş panelinin güç üretimi lineer değildir: Sağ taraftaki Güç - Voltaj grafiğine odaklandığımızda, panelin voltaj değeri belirli bir seviyeye gelene kadar güç üretimi voltaj artışı ile birlikte artar. Ancak bu voltaj seviyesinden sonra akım düşüşünün etkisi ile birlikte üretilen güç miktarı düşmeye başlar. İşte burada, PV panelinin belirli bir voltaj ve akım değerine ulaştığında sahip olduğu bu pik güç noktasına Maksimum Güç Noktası denir.

Örneğimiz için kullandığımız 550 Watt güneş panelinin farklı güneş ışınımı seviyelerinde sahip olabileceği maksimum güç noktalarını grafikler üzerinde kırmızı küçük daireler ile görebilirsiniz.

Empedans Nedir?

"Z" sembolü ile temsil edilen empedans elektrik akımına karşı olan direncin ölçüsüdür ve birimi ohm'dur. DC sistemlerde empedans ve rezistans aynı olup geleneksel direnç formülü ile bulunur: R = V / I (direnç = voltaj / akım). Ancak AC sistemlerde frekansa bağlı olarak reaktans da işin içine girer. Reaktans (tepki) bir elektrik devresinde akım artması ve azalması gibi akım değişimine karşı oluşan engelleyici kuvvete verilen isimdir. Özellikle hızlı akım değişikliklerinde devre içerisindeki komponentler (anahtarlar, dirençler, bağlantılar vs.) saptanabilir düzeyde reaktans gösterirler.

Bir enerji kaynağının bir yüke maksimum düzeyde güç transfer edebilmesi için enerji kaynağının empedansı ile yükün empedansı birbirine eşit olmalıdır. MPPT kontrol cihazları veya devreleri işte bu prensip üzerine çalışırlar.

MPPT Algoritmaları Nasıl Çalışır?

MPPT algoritmaları birçok farklı yöntem ile solar inverter ve şarj kontrol cihazlarına uygulanabilir. Yukarıda tipik bir MPPT kontrol devresinin basit bir blok diyagramını bulabilirsiniz. PV sistemi ile yük arasına entegre edilen bir DC/DC konvertör aracılığı ile DC girişi ile DC çıkışı izole edilir. Bu sayede PV sisteminin voltaj ve akım değerlerini ölçerek takip eden MPPT kontrolörü yüklere maksimum güç transferini yapabilmek adına DC çıkışını yönetebilir. Diğer bir deyişle, PV sisteminden maksimum gücü yüklere transfer edebilmek için yük tarafının empedansını optimum seviyelere ayarlar.

Yaygın olarak kullanılan 3 temel MPPT algoritması vardır:

1. Tedirgeme ve Gözlem (P&O - Perturbation and Observation)

Bu algoritma maksimum gücü sağlamak için çalışma voltajını değiştirir. Birkaç gelişmiş ve daha fazla optimize edilmiş varyantları olsa da genel olarak temel bir P&O algoritmasını aşağıdaki gibi çalışır:

V(k) ve I(k) mevcutta ölçülen PV voltaj ve akım değerlerini, V(k-1) ve I(k-1) ise bir önceki ölçülmüş PV voltaj ve akım değerlerini temsil eder. Örneğin mevcutta ölçülen güç değeri bir önceki ölçülen güç değerinden büyük ise ("P(k) – P(k-1) > 0") ve mevcut ölçülen voltaj değeri bir önceki ölçülen voltaj değerinden büyük ise ("V(k) – V(k-1) > 0"), P&O algoritması PV voltaj değerini artırır.

2. Artan İletkenlik (Incremental Conductance)

Artan iletkenlik algoritması I/V değişimini esas alarak maksimum güç noktasında sıfır değişim prensibine göre aşağıdaki gibi çalışır:

V(k) ve I(k) mevcutta ölçülen PV voltaj ve akım değerlerini, V(k-1) ve I(k-1) ise bir önceki ölçülmüş PV voltaj ve akım değerlerini temsil eder. Örneğin mevcutta ölçülen voltaj ve akım değerleri 27.72 Volt ve 13.88 Amper olsun. Bir önceki ölçülen voltaj ve akım değeri 26.34 Volt ve 13.89 Amper ise:

• I(k) / V(k) = 13.88 / 27.72 = 0.50072
• ΔV = 27.72 - 26.34 = 1.38 V
• ΔI = 13.88 - 13.89 = -0.01 A
• ΔI / ΔV = -0.00725

Bu değerlere göre yukarıdaki algoritma akış diyagramını takip eder isek, artan iletkenlik algoritmasının PV sisteminin voltajını artıracağını görebiliriz.

3. Fraksiyonel Açık Devre Voltajı (Fractional Voc)

Fraksiyonel açık devre voltajı algoritması maksimum güç noktası voltajı (Vmpp) ile açık devre voltajı arasındaki (Voc) ilişkiye dayanır. Bu algoritma maksimum güç noktası voltajının, açık devre voltajının sabit bir oranına eşit olduğu prensibine göre çalışır. Bu oran genellikle 0.7 ile 0.8 arasında değişmektedir.

• Vmpp = Voc X k
• k, 0.7 ile 0.8 arasında değişen sabit oran

Fraksiyonel açık devre voltajı algoritması aşağıdaki gibi çalışır:

Basitliği sebebi ile yaygın olarak kullanılsa da özellikle değişken sıcaklık ve hava koşullarında fraksiyonel açık devre voltajı algoritması verimsizliklere yol açabilir.