Kritik alt sistemlerin güç kaynağı için güneş enerjili izole DC-DC flyback konvertör tasarımı

Abstract

Fotovoltaik güneş panelleri kullanılarak elektrik enerjisi üretimi yapılan birçok uygulamada sistemi yönetmek, güvenliği ve sürdürülebilirliği sağlamak ve veri depolamak gibi kritik öneme sahip işlevler için katma değeri yüksek elektronik sistemler kullanılmaktadır. Kritik altsistemler olarak adlandırabileceğimiz bu yapı, genel sistemde meydana gelebilecek hata durumlarından mümkün olduğunca az etkilenen, elektriksel olarak yalıtılmış, kararlı ve sürekli çalışabilen bir besleme ünitesine ihtiyaç duymaktadır. Bu çalışma kapsamında güneş temelli fotovoltaik uygulamaların önemli ve pahalı altsistemleri için geniş giriş aralığında çalışabilen, izole edilmiş, güvenilir ve verimli DC-DC güneş temelli fotovoltaik bir besleme ünitesi tasarımı hedeflenmiştir. Bu ünite mikro denetleyici veya farklı amaçlar için pahalı kontrol ve depolama elemanları içeren kontrol sistemlerini 50W güç değerine kadar kararlı ve dengeli olarak besleyebilecek özelliktedir. Bu tasarım geniş çalışma alanı ve önemli altsistemlerin emniyetinden dolayı, yüksek verimli, izole flyback konvertör topolojisi ile birlikte tasarlanmıştır. Bununla birlikte tasarım güneş panellerinde oluşabilecek enerji kesintilerine ve arızalarına karşı kendi enerji depolama birimini ve çıkış geriliminin kararlılığını sağlaması için bir yükseltici konvertör de içermektedir. Bu amaç doğrultusunda, süper kondansatör ve elektrolit kondansatör depolama elemanları kullanılarak, hibrit kondansatör temelli, hiyerarşik düzende enerji akışına göre birbirini tetikleme mantığı ile çalışan sade ve kararlı bir depolama ünitesi tasarlanmıştır. Geniş giriş gerilimi aralığına uygun transformatör ve flyback konvertör tasarımı hazırlanıp, hibrit kondansatör depolama ünitesi ile uyumlu hale getirilmiştir. Depolanan enerjinin kararlı ve verimli bir şekilde ünite çıkışına aktarılması için ayrı bir gerilim düzenleyicisi tasarlanarak üniteye dahil edilmiştir. Bu kapsamda oluşturulan sistem, bütünüyle fotovoltaik güneş enerjisi temelli sistemlere özgü izole yapıda tasarlandığı için bu sistemlere yönelik kendi depolama birimini içeren kesintisiz güç kaynağı modeli olarak literatürde yerini alacaktır. Tasarlanan ünite geniş girdi alanı, düşük maliyet ve daha az karmaşık yapıda olması dolayısıyla literatürde mevcut olan çalışmalardan daha avantajlıdır. Çalışma kapsamında tasarlanan sistem, özellikle enerji depolama ünitesi, farklı çevresel şartlar ve amaçlara uygun olarak geliştirilebilir olması nedeniyle ileriki çalışmalara ışık tutacak niteliktedir.

In many applications that produce electrical energy using photovoltaic solar panels, high-value electronic systems are used for critical functions such as managing the system, ensuring security, sustainability, and storing data. This structure, which can be defined as critical subsystems, requires a supply unit that is electrically isolated, stable and continuously operable also, that is low effected as possible as from the fault conditions that may occur in the general system. The aim of this study is to design an isolated, reliable and efficient DC-DC solar based photovoltaic supplier unit capable of operating in a wide range of inputs for the major and expensive subsystems of solar-based photovoltaic applications. This unit is capable of supplying control systems, including micro-controllers or expensive control and storage elements for different purposes, up to 50W instantaneous power level. This design has been designed in conjunction with a highly efficient, isolated flyback converter topology, due to the large work area and the safety of important subsystems. However, the design also includes a boost converter to ensure its energy storage unit and output voltage stability against power failures and faults in solar panels. For this purpose, using a super capacitor and electrolyte capacitor storage elements, a simple and stable storage unit has been designed according to the energy flow in the hierarchical order, which is based on the hybrid capacitor, with the logic of triggering each other. Transformer and flyback converter design according to wide input voltage range has been prepared and harmonized with hybrid capacitor storage unit. A separate voltage regulator is designed and included in the unit to transfer the stored energy to the unit output in a stable and efficient manner. Since the system created in this context is designed in an isolated structure unique to photovoltaic solar based systems, it will take its place in the literature as an uninterruptible power supply model containing its own storage unit for these systems. The designed unit is more advantageous than in the literature works because of its large input area, low cost and less complex structure. The system designed in the context of the study, especially the energy storage unit, can be developed in accordance with different environmental conditions and aims to shed light on future studies.