Bugünkü konumuz, doğada bulunan sürü-av psikolojisi ve stratejilerinden esinlenen "metasezgisel optimizasyon" algoritmaları ile güneş panellerinin kesişimi. Doğada bulunan parazit bir türün insanoğluna ilham olma yolculuğundaki ilk durağımız ise elektrik!
Güneş panelleri, çoğumuzun günlük hayatta karşısına çıkmasa da yıllardır ismine aşina olduğumuz bir teknoloji. Özellikle "temiz enerji" konusu son yılların popülerleşen konularından olmaya başladığından beri, devletlerin vatandaşlarını sıfır karbon emisyonu idealine ulaşabilme noktasındaki teşvikleri bir hayli arttı.
Bu bağlamda güneş panellerinin yerleşim yerlerinde su ısıtma veya elektrik üretimi amaçlarıyla kullanılması hem vatandaşın cebine tasarruf olarak yansıdı hem de geleneksel yöntemlerle elde edilen enerjiye oranla karbon emisyonunun çok düşük olması sebebiyle atmosfer sağlığını korudu.
Peki ; aslında keşfi 1839'lara dayanan bu fotovoltaik teknolojinin çalışma prensibi neye dayanıyor?
Güneşten gelen ışık nasıl elektriğe dönüşüyor?
Gökyüzünden-evimizdeki prizlere doğru ilerleyen bu yolda biraz fizik, biraz kimya metodolojileriyle ufkunuzu iyice açacağız!
Güneş paneli ışığı elektriğe çeviriyor evet ama tam olarak nasıl yapıyor?
Paneller, fiziksel yapılarında seri ve paralel bağlanmış onlarca "güneş pili hücresi"nden oluşurlar. Bu pil hücreleri, ışığı elektriğe çevirmek için kısa devre-açık devre dinamiğinden faydalanırlar.
[1]
Devre eşdeğer yapısında bir fotodiyot, iki adet direnç bulunur.
Buradaki kilit eleman, fotovoltaik enerji üreten "fotodiyot"dur. Fotodiyot içerisinde bulunan P-N Jonksiyonu tanımlı yarı-iletken teknolojisi sayesinde üzerine düşen ışık miktarına bağlı olarak gerilim üretir.
[2]
Foton enerjisi (hυ), yarı-iletken malzemeye ulaştığında, kullanılan malzemenin yasak band enerjisinden (Eg) büyük olduğunda, P bölgesindeki azınlık elektron sayısı ve n bölgesindeki azınlık delik sayısı artar. Bu azınlık taşıyıcılar P-N eklemindeki elektrik alanla
birbirlerinden ayrılarak yükten akım geçirirler. Bu arada P-N eklemindeki potansiyel
engelinde de düşme olur. Potansiyel engelindeki düşme miktarı kadar da P-N eklemi
bir gerilim üretilir. [2]
[2]
(P-N Jonksiyonunun ayrıntılarını öğrenmek isteyenler için kısa bir araştırma yapmalarını önereceğim, bu yazıda çok fazla teknik detaya girmeyeceğiz.)
Peki bu fotodiyot tarafından Voltaj-dolayısıyla elektrik direkt olarak doğrudan üretiliyorsa, neden her yere güneş panelleri koymuyoruz?
Çünkü tam da bu noktada "verim" ve "meteorolojik ihtiyaçlar" devreye giriyor.
VERİM
Öncelikle güneş panellerinin genellikle %25 civarı bir verimle elektrik ürettiğini belirtelim. Bilim insanlarımız ve mühendislerimiz bu oranı maksimize edebilme amacıyla yeni nesil güneş panelleri tasarlamaya başladılar. Bu yeni nesil güneş panellerinde sıradan yarı-iletken maddelere karşın adını nadiren duyduğumuz; amorf silikon (a-Si), kadmiyum tellür (CdTe), bakır indiyum galyum selenit (CIGS) ve organik fotovoltaik (OPV) bileşenler de tasarımda kullanılıyor. (Konuyla ilgili makale için [3])
Günümüzde çoğunlukla 1.nesil (1GEN) dediğimiz ticari olarak yerleşmiş olan geleneksel kristalin silikon teknolojisine dayalı olanlarıdır.
Şuanda 2 farklı nesilde güneş paneli (1GEN-2GEN) üretilmekte ve kullanılmaktadır. Ayrıca 3. ve 4. Nesil güneş panellerinin de inovasyon aşamasında olduğunu söyleyelim.
Ayrıca verim demişken MPPT'den bahsetmezsek olmaz! Zira Guguk Kuşunun etkisini tam olarak da burada göreceğiz.
MPPT ya da açılımıyla Maksimum Power Point Tracking (Maksimum güç noktası takibi); güneş panelinin “d” zaman aralığında ürettiği güç miktarına bağlı sürekli ölçüm yaparak ,maksimum büyüklükte gücün üretildiği noktayı bulma üzerine kodlanan bir takip algoritması tekniğidir. Aslında Voltaj-Güç eğrisini takip eder ve yerel maksimum noktalarına takılmamaya çalışır.
[4]
Şebekeye veya bataryaya ,üretilen gerilim güvenlik açısından direkt olarak verilmez,öncesinde belirli tolerans aralıkları dahilinde filtrelemeler yapılır.
MPPT tekniğinde regülatör, bataryalar şarj edilirken hücreden maksimum gücü elde etmek için güneş panelinin ihtiyaç duyduğu yükü simüle edecektir. Regülatör, hücrenin maksimum gücü hangi noktada vereceğini ve bundan maksimum güç elde etmek için gereken voltaj ve akım çıkışlarını hesaplayacaktır. Daha sonra bu gerilim ve akım seviyelerine göre simüle etmesi gereken yükü R = V / I formülünden belirleyecektir. Bu sayede de bataryanın şarj durumuna göre kendini adapte edebilen bir şarj kontrolcüsü elde edilmiş olacaktır.
Güneş enerjisi regülatörü olarak da bilinen solar şarj kontrolörü, esasen güneş panelleri ile batarya arasına bağlanan bir güneş pili şarj cihazıdır. Görevi, pilin doğru şekilde şarj edilmesini veya daha da önemlisi aşırı şarj edilmemesini sağlamak için pil şarj sürecini düzenlemektir. DC bağlantılı solar şarj kontrol cihazları, onlarca yıldır piyasadadır ve neredeyse tüm küçük ölçekli şebekeden bağımsız güneş enerjisi sistemlerinde kullanılmaktadır[5].
Peki bu MPPT de algoritma mantığı nasıl işler?
En bilinenlerden Perturb and Observe (Değiştir ve Gözle) algoritması, düzenli aralıklarla grafiği izler. Değiştir ve gözlemle metodu PV panelin çıkış terminal geriliminin artış ve azalışına göre periyodik olarak çalışmaktadır. Mevcut görev periyodunda sağlanan güç ile bir önceki görev periyodunda sağlanan güç karşılaştırılmaktadır.
Eğer çalışma gerilimi değişir ve güç artarsa kontrol sistemi çalışma noktasını o yönde değiştirir, aksi halde çalışma noktası ters yönde değiştirilmektedir. Gelecek görev döngülerinde de algoritma aynı şekilde çalışacaktır [7]
[1]
Değiştir gözlemle, artan iletkenlik vb gelenekselleşmiş olan algoritmalar haricinde,doğadan esinlenen metasezgisel algoritmalar da MPPT içinde gerek hibrit gerek solo olarak kullanılmaktadır.
Bu noktada; doğanın,sürü psikolojisinin, av ve yuva bulma stratejilerinin matematik ve elektrikle buluşarak, teknoloji çağımıza ışık olan optimizasyonlara dönüşmesini ilham verici bulacağınızı düşünüyorum.
Başlıkta bahsettiğimiz Guguk kuşuna değinme zamanı geldi.
Birçoğumuzun aklına takılması muhtemel o soru : "Guguk kuşuyla elektriğin nasıl bir bağlantısı olabilir?"
Şöyle izah edelim:
Guguk kuşları, doğada bir çeşit parazit olarak bilinir. Kuluçkaya yatmazlar,kendi yavrularını beslemez ve büyütmezler.
Sürekli uyanık ve dikkatli olan guguk kuşu, yapraklar arasında gizlenerek, yuva yapan çiftleri gözler. Daha önceden iyi tanıdığı bir kuş türünün yuva yaptığını görünce ne vakit yumurtlaması gerektiğine karar verir. Bundan böyle, yavruya bakacak kuş belirlenmiştir.
Guguk, bakıcı kuşun yumurtlamaya başladığını görür görmez harekete geçer. Kuş yumurtladıktan sonra yuvadan ayrılır ayrılmaz, hiç zaman kaybetmeden yuvaya gider ve kendi yumurtasını bırakır. Ama burada çok akıllıca bir şey daha yaparak, yuvanın gerçek yumurtalarından birini aşağı atar. bu, yuvanın sahibi olan kuşun şüphelenmesini engelleyecektir.
Dişi guguk kuşu, yumurtalarını başka bir kuşun yumurtalarının yanına bırakır. Bunun için seçtiği bir yuvayı uzun müddet gözetler. Yuvanın sahibi uzaklaşınca, derhal yuvaya gizlice bir yumurta bırakır. Bu arada yuvadaki yumurtalardan birini de aşağı atarak durumun farkedilmesini engeller.
Anne guguk kuşu, yavrusunun güvenilir bir yaşama atılması için şaşılacak kadar harika bir strateji ve zamanlama yapmaktadır. Çünkü dişi guguk bir mevsimde 1 değil tam 20 tane yumurta yapar. Buna ideal olarak, çok sayıda bakıcı ebeveyn saptayıp, bunları gözetlemesi ve yumurtlama zamanlarını iyi ayarlaması gerekir. Anne gugukların iki günde bir yumurtlamaları ve her yumurtanın yumurtalıkta beş günde oluşması bu nedenle, kuşun kaybedecek bir dakikası yoktur.
On iki günlük bir kuluçka devresi geçirip yumurtadan çıkan guguk yavrusu, 4 gün sonra gözlerini ilk kez açtığında, ona çok müşfik davranan -ama esasında kendisinin olmayan- ebeveynleri ile karşılaşır. Yumurtasından çıkar çıkmaz ilk işi de, ebeveynlerin olmadığı bir zamanda, yuvadaki diğer yumurtaları aşağı atmaktır. Bakıcı ebeveynler kendilerinin sandıkları yavruyu büyük bir itinayla beslerler. Yavrunun yuvadan ayrılacağı 6. haftaya doğru karşımıza küçük iki kuşun (ebeveynin) doyurduğu koca bir kuşun, yani guguğun enteresan görüntüsü çıkar. [6]
Bu kuluçka parazitizmi, bilim adamlarına ilham olmuştur, ve guguk kuşunun bu stratejisini optimizasyon algoritması haline getirmişlerdir. Formülize edilen bu strateji, literatürde "metasezgisel optimizasyon algoritması" başlığı altında "Guguk Kuşu Optimizasyonu (GKO)" olarak yerini almıştır.
Uygun bir ev sahibi kuş yuvası aramak, guguk kuşu üreme yönteminin önemli bir parçasıdır. Normalde, yuva arayışı, rastgele veya yarı rastgele bir biçimde gerçekleşen bir yiyecek arayışına benzer. Genel olarak,yiyecek ararken, hayvanlar belirli matematiksel fonksiyonlarda modellenebilecek yönleri veya yörüngeleri seçerler. En yaygın modellerden biri Lévy uçuşudur. GKO algoritması, yerel maksimum
noktaları elde etmesini sağlayan ve aynı zamanda global maksimum güç noktasına ulaşmak için gereken izleme süresini kısaltan Lévy uçuşunu kullanmaktadır. Matematiksel olarak, bir Lévy uçuşu adım boyutlarının belirli bir olasılık dağılımına sahip adım uzunlukları
cinsinden tanımlandığı rastgele bir yürüyüştür. Bu algoritmada yuvalardaki her yumurta bir çözümü temsil etmekte ve potansiyeli yüksek olan çözümlerin tutulması amaçlanmaktadır[9].
Aşağıda bu algoritmanın matematiksel eşitlikleri yardımıyla oluşturulmuş MPPT akış diyagramı verilmiştir .
[1]
Yani özet olarak güneş panellerinin verimi algoritmalar, yeni nesil teknolojiler ile sürekli olarak devinim halinde olsa da henüz yeterli seviyeye çıkabilmiş değil.
METEOROLOJİK İHTİYAÇLAR
Güneş panelleri her ne kadar kısmi gölgelenme altında (partial shading) test ediliyor ve optimize ediliyor olsalar da basit olarak enerjilerini güneş ışığından almaları sebebiyle ışınım miktarı fazla olan ortamlarda maksimum verimlerine ulaşabilirler.
Örneğin Karadeniz bölgesinde kurulacak olan bir güneş paneli hattının üreteceği elektrik enerjisi, Akdeniz bölgesindeki güneş panellerine oranla çok daha az olacaktır.
Bugünkü bölümde güneş panellerinin çalışma prensiplerine değindik. Çok daha detaylı bilgilere erişebilmek için aşağıda bulunan anahtar kelimeleri kullandığınızdan emin olun!
Keyifli okumalar dilerim.
ANAHTAR KELİMELER
MPPT-MGNT
GKO
P&O
PSO
WO
AO
KAYNAKÇA
[1] Gümüş Z., Demirtaş M., “Fotovoltaik sistemlerde maksimum güç noktası takibinde kullanılan algoritmaların kısmi gölgeleme koşulları altında karşılaştırılması”, Politeknik Dergisi, 24(3): 853-865, (2021).
[2] Hikmet Kangal,"FOTOVOLTAİK SİSTEM ANALİZİ VE LABVIEW TABANLI MPPT SİMÜLASYONU" ,Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi
[3] Neeraj Kant, Pushpendra Singh," Review of next generation photovoltaic solar cell technology and
comparative materialistic development"
[4]Mehmet Ali Özçelik,"FOTOVOLTAİK SİSTEMLERDE VERİM VE PERFORMANSIN ARTIRILMASINA YÖNELİK MAKSİMUM GÜÇ NOKTASI İZLEYİCİSİ TASARIMI"
[5] [https://www.odakarge.com/mppt-nedir.html](https://)
[6] [https://optisyeninsesi.com/guguk-kusu/](https://)
