Geri Dön

Design and implementation of a sepic battery charger for automotive pv applications

Otomotiv fotovoltaik uygulamaları için sepıc batarya şarj cihazı tasarımı ve gerçekleştirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 507353
  2. Yazar: ELİF PINAR KESİK
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ECE OLCAY GÜNEŞ, DOÇ. DR. ÖZGÜR ÜSTÜN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 205

Özet

Kömür ve gaz gibi fosil yakıtlar hava, su ve doğayı kirletir. Dünya Vahşi Yaşam Fonu'na göre, fosil yakıtlardan elektrik üretmek ciddi asit yağmurlarına ve orman alanlarında hasara neden olmaktadır. Elektrik ihtiyacına olan talep her geçen gün artıyor. Aynı zamanda petrol, doğal gaz ve kömür gibi geleneksel kaynaklar için stoklar sınırlı ve azalmaktadır. Ayrıca önemli derecede fosil yakıt kaynağı olan ülkelerin sayısı sınırlı olup, bu da yüksek miktarda fosil yakıt ithalatlarına neden olmaktadır. Tüm bunlarla beraber bu kaynakların fiyatlarında sürekli bir artış söz konusudur. Dolayısıyla, elektrik enerjisi ile ilgili krizler tüm dünyada başlamıştır. İnsan, yaşamın devamlılığı için enerjinin tartışmaya açık olmayan anlamı nedeniyle yeni bir enerji kaynağı aramaktadır. Güneş enerjisi yenilenebilir, kullanımı güvenli ve daha az kirleticidir. İşte bu yüzden güneş enerjisi fosil yakıtlara iyi bir alternatiftir. Amerika Birleşik Devletleri Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı'na göre, dünyadaki tüm insanların yıllık enerji ihtiyacı, bir saat içinde dünya tarafından alınan güneş ışığı ile karşılanabilecek seviyededir. Sonuç olarak, hükümetler, işletmeler, araştırmalar, bilim insanları ve toplumlar fotovoltaik sistemlerin maliyetine rağmen, yenilenebilir enerji kaynaklarından özellikle güneş enerjisinden yararlanılmasına daha fazla önem vermeye başlamışlardır. Aslında güneş enerjisinin kullanımı teknolojisi gün geçtikçe geliştirilmekte ve bu gelişme de toplam sistem maliyetinde bir azalmaya yol açmaktadır. Amerika Birleşik Devletleri'nde 2011 yılında yapılan bir araştırmada bir fotovoltaik sisteminin maliyetinin 20 yıl içinde 2011 yılındaki teknoloji ile bile kendini amorti edeceği gösterilmektedir. Katıhal aygıtı olması nedeniyle fotovoltaik hücreleri gürbüzdür, tasarımı kolaydır ve çok az bakım gerektirir. Ayrıca bir güneş fotovoltaik sisteminin boyutu ve üretim kapasitesi fotovoltaik modül sayısının bir fonksiyonudur. Bu nedenle, güneş teknolojisinin uygulamaları mikrovatlardan megavatlara kadar kolayca ölçeklendirilebilir. Üstelik fotovoltaik sistemler taşınabilirdir ve uzak alanlarda kullanılabilirler. Eğer yeterli güneş ışığı var ise fotovoltaik sistemler daha iyi bir ömür-maliyet ilişkisine sahiptir. Fotovoltaik sistemlerinin bilinen ilk uygulama örneklerinden biri binaların çatı üstülerinde kullanılmasıdır. Çatı üstü kullanılan fotovoltaik sistemler, binanın soğutulması veya ısıtılması için güç sağlamak ve fosil yakıt bağımlılığını önemli ölçüde hafifletmek için kullanılır. Zamanla fotovoltaik sistemlerinin teknolojisinin geliştirilmesi ile çorak arazilerde büyük güneş fotovoltaik sistemleri kurulmaya başlanmıştır. Fotovoltaik hücre, fotovoltaik teorisi gereğince güneş enerjisinden doğru akım (DA) üretir. Evde kullanmak için bir invertör ile alternatif akıma (AA) dönüştürülebilir ya da gerektiğinde kullanabilmek için doğrudan bir bataryada saklanabilir. Bir fotovoltaik sistemin çıkış karakteristikleri, fotovoltaik hücrenin doğası gereği güneş ışınlarının yoğunluğu ve sıcaklığı gibi atmosferik koşullara bağlıdır. Bu nedenle fotovoltaik hücrenin verimliliği, yüke doğrudan bağlı olduğu durumlarda düşüktür. Fotovoltaik modülün daha verimli kullanımı için fotovoltaik modül maksimum verim ile çalıştığı maksimum güç noktası etrafında kullanılmalıdır. Fotovoltaik modülü maksimum güç noktası etrafında çalıştırmak amacı ile maksimum güç noktası izleme ya da diğer bir deyişle maksimum güç noktası izleyicisi kullanılır. Maksimum güç noktası izleme, herhangi bir çevresel koşul altında fotovoltaik modülden maksimum gücü çeken bir DA/DA dönüştürücü ile gerçeklenir ve fotovoltaik modül ile yük arasında empedans uyumu sağlayarak güneşten aldığı enerjiyi maksimum verim ile yüke aktarır. Otomotiv endüstrisinde fotovoltaik modüllerin yaygın kullanımlarından biri çoğunlukla kamp yapmak için kullanılan güneş enerjili karavan araçlarıdır. Güneş enerjili karavanlarda en az bir adet 12V yaşam aküsü vardır, Genellikle yaşam aküleri kurşun asit teknolojisine sahiptir. Çünkü kurşun asit aküler daha ucuz, güvenilir, daha iyi bilinen ve piyasada kolayca bulunabilen akülerdir. 12V yaşam aküsü karavanlardaki lamba, tablet, telefon şarj cihazı gibi 12V ekipman ve cihazlar için kullanılır. Kullanılan yaşam aküsü sayısı, karavanda bulunan fotovoltaik modül ya da modüllerin ürettiği güce bağlıdır. Fotovoltaik modüller portatif olabildiği gibi karavanların üzerine monte de edilebilirler. Fotovoltaik modüller tarafından üretilen güç ile aküyü en verimli şekilde şarj etmek için DA/DA şarj cihazı kullanılır. Araştırmalara göre, bir güneş enerjili karavanlarda yedek güç kaynağı olarak kurulmuş bir fotovoltaik sistem 2-4 yıl içinde kendini amorti edebilmektedir. Bu tezde otomotiv fotovoltaik uygulamaları için bir SEPIC batarya şarj cihazı donanımı tasarlanmış, gerçekleştirilmiş ve test edilmiştir. Söz konusu SEPIC batarya şarj cihazı 12V ile 25V giriş gerilimi diğer bir deyişle 12V ile 25V fotovoltaik modül çıkış gerilimi aralığında, 12V'luk bir bataryayı 8A şarj akımı ile 14V'ta şarj edebilmektedir. Bu tez dahilinde tasarlanan ve gerçekleştirilen SEPIC batarya şarj cihazının pratik uygulaması ise 14V çıkış voltajında maksimum 8A şarj akımı ile 180W fotovoltaik modüle sahip güneş enerjili bir karavanın 12V/80Ah'lik yaşam aküsünü şarj etmektir. SEPIC batarya cihazının tasarımına başlanmadan önce fotovoltaik uygulamalarındaki maksimum güç noktası izleme, maksimum güç noktası izleme amacıyla kullanılan DA/DA çeviriler, SEPIC dönüştürücü tasarımı, ve fotovoltaik sistemler için SEPIC batarya şarj cihazı tasarımı hakkında kapsamlı bir literatür incelemesi yapılmıştır. Literatür taraması sonucunda, fotovoltaik sistemin verimliliğini arttırmak için ara bir DA/DA dönüştürücüye ihtiyaç olduğu ve SEPIC'in bu tezde amaçlanan uygulama için en uygun topoloji olduğu görülmüştür. İşte bu nedenle fotovoltaik uygulamalar için tasarlanıp, gerçekleştirlen şarj cihazı için SEPIC topolojisi seçilmiştir. Ardından SEPIC topolojisinin teorisi derinlemesine incelenmiştir. Tasarım hedefleri doğrultusunda ilgili teorik denklemler kullanılarak komponentlerin tüm gerekli parametreleri hesaplanıp anahtarlama frekansı belirlenmiştir. Sonuç olarak temel bir SEPIC şarj devresi tasarımı tamamlanmıştır. İdeal komponentler kullanılarak bir simülasyon devresi hazırlanmıştır. Fotovoltaik modül modeli yerine giriş güç kaynağı olarak ideal bir voltaj kaynağı ve batarya modeli yerine çıkış yükü olarak direnç kullanılarak LTspice devre simülatörü ile simülasyonlar yapılmıştır. Simülasyon sonuçları yorumlanmış ve simülasyon sonuçları teorik hesaplamalar ile karşılaştırılmıştır. Tasarım ideal komponentler ile doğruladıktan sonra, ideal komponentler yerine markette hazır olarak bulunan gerçek kompoentler ve SEPIC kontrolcüsü seçilmiştir. Spice modelleri eğer mevcutsa üreticilerinden alınmış, eğer mevcut değilse LTspice'de bir simülasyon devresi hazırlamak için uygun modeller geliştirilmiştir. Gerçek komponentlerin diğer bir deyişle ideal olmayan komponentlerin modelleri kullanılarak LTspice'da simülasyonların gerçeklenebileceği bir SEPIC devresi hazırlanmıştır. Fotovoltaik modül modeli yerine giriş güç kaynağı olarak ideal bir voltaj kaynağı ve batarya modeli yerine çıkış yükü olarak bir direnç kullanılarak simülasyonlar tekrar gerçekleştirilmiştir. Simülasyon sonuçları yorumlanmış ve ideal komponentler ile yapılan simülasyonların sonıuçları ve teorik hesaplamalar ile karşılaştırılmıştır. İdeal olmayan komponentler kullanılarak yapılan simülasyonlar ile SEPIC şarj cihazı tasarımı doğruladıktan sonra, LTspice'da sistemi simüle etme amacı ile ideal bir voltaj kaynağı yerine 180W'lık bir fotovoltaik modülü modeli geliştirilmiş ve çıkış yükü olarak bir direnç yerine 12V batarya modeli hazırlanmıştır. Fotovoltaik modül modeli ve batarya modeli ideal olmayan komponentlerle hazırlanan simülasyon devresine ideal voltaj kaynağı ve yük direnci çıkarılarak eklenmiş ve gerekli simülasyonlar yapılmıştır. Simülasyon sonuçları yorumlanmış, ayrıca diğer simülasyon sonuçları ve teorik hesaplamalar ile karşılaştırılmıştır. Teorik hesaplamalar doğrultusunda seçilen komponentlerin doğruluğu LTspice'da yapılan simülasyonlar ile doğrulandık sonra, SEPIC şarj cihazı için baskılı devre tasarımına başlanmıştır. Altium Designer 18 kullanılarak tüm gerekli komponentlerin oluşturulmasının ardından, SEPIC şarj cihazının şematiği ve baskılı devre kartı tasarlanmıştır. Daha sonra, tasarımın malzeme listesinde yer alan tüm komponentler distribütörler aracılığıyla sipariş edilmiş ve baskılı devre tasarımı üretime yollanmıştır. Çıplak baskılı devre tasarımı üretilip geldiğinde, gerekli tüm komponentler baskılı devre kartına lehimlenmiştir. Bu sayede tasarlanmış SEPIC şarj cihazının prototipi elde edilmiş ve prototip test için hazır hale getirilmiştir. SEPIC şarj cihazı tasarımını doğrulamak için gerekli tüm testler laboratuvar ve saha testleri olmak üzere iki farklı test ortamında yapılmıştır. Başlangıçta, testler giriş güç kaynağı olarak bir güç kaynağı ve çıkış yükü olarak bir direnç kullanılarak laboratuarda gerçekleştirilmiştir. Testler laboratuvarda iki ana aşamada yapılmıştır. Her iki fazda da, giriş kaynağı olarak bir güç kaynağı kullanılmıştır. İlk aşamada, batarya yerine bir direnç yük olarak kullanılmıştır. İkinci aşamada ise yük olarak 12V/9Ah'lik bir batarya kullanılmıştır. Son olarak da saha testleri giriş güç kaynağı olarak bir 130W'lık fotovoltaik modül ve yük olarak 12V/12Ah'lik bir batarya kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak tasarım hedeflerine uygun bir şekilde çalışan bir SEPIC şarj cihazı tasarlanmış ve gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen SEPIC şarj cihazı ile 14.14V çıkış geriliminde 8.32A çıkış akımı, giriş gerilimi 12V ile 25V arasında değişirken elde edilmiştir. Gerçekleştirilen SEPIC şarj cihazı 12V giriş gerilimi için %87.6 verimlilik ile yani hedeflenen değerin üzerinde bir verim ile çalışmış ve giriş gerilimi artarken verimliliğin de arttığı gözlemlenmiştir. Örneğin 25V giriş gerilimi için %88.6 verimlilik sağlanmıştır. Ayrıca saha testlerinde tasarlanan ve gerçekleştirilen SEPIC şarj cihazının fotovoltaik modülden güç alarak bataryayı düzgün bir şekilde şarj ettiği de gözlemlenmiştir.

Özet (Çeviri)

The fossil fuels such as coal and gas pollute the air, water and nature. According to World Wildlife Fund (WWF), generating electricity from fossil fuels causes serious acid rain and damage in forest areas. Demand for electricity is growing day by day. At the same time, the stock of conventional sources such as petroleum, natural gas, coal etc. is limited, and decreasing. Moreover, there is an excessive dependence on imports of conventional sources, because the number of countries which have considerable supplies for fossil fuel are also limited. In addition, there is a continuous increase in their prices. Hence electricity crises have been already started all over the world. Humans are searching for a new energy source because of the undisputed meaning of energy for the continuity of life. Solar energy is a good alternative to fossil fuels because of being renewable, safe to use, and less pollutant. According to National Renewable Energy Laboratory in the United States of America, the annual energy needed by all the people worldwide can be met by the sunlight received by the earth in one hour. As a consequence, governments, businesses, researches, scientists, and communities have been started giving more importance of utilizing renewable energy resources especially solar energy despite the cost of photovoltaic (PV) systems. In fact solar technology is being improved day by day which leads to a decrease in total system cost. A study conducted in 2011 in the United States of America shows that the cost of a PV system redeems itself even in 20 years. Due to being a solid state device, PV cells are robust, easy to design, and require very little maintenance. Furthermore, the size and generation capacity of a solar PV system is a function of number of PV modules. Hence, the applications of solar technology can be easily scaled from microwatts to megawatts. PV systems are mobile, and are able to be used in remote areas. Additionally PV systems have a better life-cost correlation, if the amount of sunlight is enough. On-roof-tops of individual buildings is one of the common, and very first application example of PV systems. On-roof-tops are used to supply power to cool or heat the building, and to provide lighting which decrease fossil fuel dependency significantly. Over time though, the technology of PV systems have been improved, and huge solar PV systems have been beginning to be built on the wastelands. PV cell generates direct current (DC) from solar energy by means of photovoltaics. It can be converted to alternative current (AC) with an inverter to be able to use it at home, or it can be directly stored in a battery to be able to use it when needed. The output characteristics of a PV system depends on the atmospheric conditions such as intensity of solar irradiance, and temperature, due to the nature of PV cell. That is why, the efficiency of PV cell is low, when it is directly connected to the load. PV module utilization is improved by operating PV module around its maximum power point (MPP), where it works with the maximum efficiency. With the objective to operate a PV cell, or PV module around its MPP, maximum power point tracking (MPPT), i.e. maximum power point tracker is used. MPPT is a DC/DC converter which extracts maximum power from PV module under any environmental condition, and transfers it to the load efficiently by providing impedance matching between PV module and load. One of the common usages of PV modules in automotive is solar-powered recreational vehicles (RVs) which are mostly used in boondocks for camping. Solar-powered RVs have at least one 12V leisure battery, which is mostly lead-acid due to being cheap, reliable, well-understood, and easy to find. 12V leisure battery is used for 12V equipment and appliances such as a few lights, tablet, phone charger, laptop etc. which is charged from PV module during camping. The number of leisure batteries depends on the amount of power generated from PV module. PV modules can be portable or mounted on the top of the vehicle such as van, trailer etc. A DC/DC charger is used to take the power generated by PV modules and charge the battery in the most efficient way by using this power. According to the researches, a PV system setup as a backup power source for an RV can amortize itself in 2-4 years. For this thesis, a single ended primary inductance converter (SEPIC) battery charger is designed, implemented, and tested for automotive PV applications, which charges a 12V battery with maximum 8A charging current at 14V for an input voltage range, i.e. a PV module output voltage range from 12V to 25V, and with 85% efficiency. The practical application of this thesis is charging a 12V/80Ah leisure battery of a solar-powered RV, which has a 180W PV module, with maximum 8A charge current at 14V output voltage. In order to achieve thesis's purpose, in the beginning a comprehensive literature review on MMPT in PV applications, DC/DC converter topologies used as MPPT, SEPIC converter design, and SEPIC based battery charger design for PV systems is done. The literature review points out that, an intermediate DC/DC converter is needed to increase the efficiency of PV system, and SEPIC is the most promising topology for target application of this thesis. That is why, SEPIC topology is selected for charger design. Afterwards, theoretical background of SEPIC topology is deeply studied. According to design considerations, and by using theoretical equations, all necessary parameters of components are calculated, switching frequency is defined, and hence a basic SEPIC charger circuit design is completed. A simulation setup is prepared with ideal components, and simulations are performed with LTspice by using an ideal voltage source as an input supply instead of PV module model and a resistor as an output load instead of battery model. The simulation results are interpreted, and compared with theoretical calculations. After verifying design with ideal components, proper off-the-shelf components and controller of charger are selected. Their spice models are gathered from manufacturers if available, else proper models are developed in order to prepare a simulation setup in LTspice. The SEPIC design with real component models i.e. non-ideal component models are performed by again using an ideal voltage source as an input supply instead of PV module model and a resistor as an output load instead of battery model. The simulation results are interpreted, and compared with simulation results of the circuit with ideal components and theoretical calculations. After verifying design with non-ideal components, a 180W PV module model is developed and used instead of ideal voltage source as an input supply and a 12V battery model is used instead of a resistor load as output load in the simulation circuit with non-ideal components with the intention of performing system simulations in LTspice. The simulation results are interpreted, and compared with other simulation results, and theoretical calculations. After the correctness of theoretical calculations and selected components are confirmed by performing simulations in LTspice, SEPIC charger implementation is started. By using Altium Designer 18, schematic and printed circuit board (PCB) of SEPIC charger are designed, after completing the creation of libraries which include all necessary components' symbols, and footprints. Afterwards, all components included in the bill of material report of design are ordered through distributors, and PCB is manufactured. When bare PCB arrives, components are soldered onto PCB. Hence prototype of designed SEPIC charger is obtained, and made ready for testing. All necessary tests are performed in two different test environments, which are laboratory and field tests, in order to validate SEPIC charger design. In the beginning, tests are performed in the laboratory by using a power supply as an input source, and a resistor block as a load. The tests are performed in two main phases in the laboratory. In both phases, a power supply is used as an input source. In the first phase, a resistor block is used instead of battery as a load. In the second phase, a 9Ah battery is used as a load. Eventually, field tests are performed with a 130W PV module used as an input source and a 12V/12Ah battery used as a load. As a consequence, it is achieved to design, and implement a SEPIC charger as intended which provides maximum 8.32A output current at 14.14V output voltage for an input voltage range from 12V to 25V. Implemented SEPIC charger has an efficiency minimum 87.6% at 12V input voltage and maximum 88.6% at 25V input voltage. Additionally in field tests, designed and implemented SEPIC charger charges battery by getting power from PV module properly.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    323969

    Fotovoltaik panelden beslenen bir buzdolabı için elektronik kontrol sistemi tasarımı

    Electronic control system design for a refrigerator that is supplied from photovoltaic panel

    TAYYAR ÇAĞDAŞ ÇIRPAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ÖZGÜR ÜSTÜN

  2. Tez No

    521420

    Preliminary design and analysis of electrical power subsystem for a Conceptual 1U CubeSat mission

    Kavramsal 1U Küplev misyonu için elektrik gücü alt sisteminin öncelik tasarımı ve analizi

    ALI DANLADI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGaziantep Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    ASSOC. DR. AHMET METE VURAL

  3. Tez No

    466629

    Fotovoltaik sistemlerde maksimum güç noktası izleyebilen iki fazlı sepıc dönüştürücü tasarımı ve uygulaması

    Design and implementation of maximum power point tracker with two-phase sepic converter for photovoltaic systems

    ONUR KIRCIOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKocaeli Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. SABRİ ÇAMUR

  4. Tez No

    318852

    Design, application and comparison of single stage Flyback and SEPIC PFC AC/DC converters for power led lighting application

    Tek katlı Flyback ve SEPIC GKD?lerin güç LED?iyle aydınlatma uygulaması için tasarımı gerçeklenmesi ve karşılaştırılması

    HASAN YILMAZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AHMET M. HAVA

  5. Tez No

    167009

    Optimal scope of work for international integrated systems

    Uluslararası entegre sistemler için optimum iş kapsamı

    MUSTAFA ALP ERTEM

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2005

    Endüstri ve Endüstri MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ.DR. CANAN SEPİL

Geri Dön