Adaptive Reconfigurable Photovoltaic Arrays Based on Spatially Dispersed Irradiance Profiles

Abstract

This thesis intends to develop a modeling method for an increased-efficiency adaptive reconfigurable photovoltaic (PV) system. Power generation in PV systems is directly proportional to the incident solar irradiance values on PV module surfaces. High dependency of PV power generation on the incoming solar irradiance values has led the research to develop various models for irradiance estimation purposes. A good model from PV applications point of view should be able to take into account the clouds and their light interaction characteristics in order to generate reliable site-specific irradiance profiles or time-series. This thesis proposes a model for generation of Spatially Dispersed Irradiance Profiles (SDIPs) which utilizes real cloud patterns derived from sky images taken at the application sites and takes into account different cloud types and distributions in the sky together with their sunlight interaction characteristics in order to generate instantaneous irradiance profiles as well as daily irradiance time-series. Utilization of a comprehensive set of cloud types and their sunlight interaction characteristics by the model allows for a precise analysis of the effects of clouds on the incoming irradiance values. Each PV module on the Earth`s surface receives the beam irradiance through circles/ellipses formed when the existing cloud layer in the sky cuts the cones through which the PV module sees the Sun`s disk. The thickness of the circles/ellipses vary according to the variations of the position of the Sun in the sky during a day. The model assumes that the beam irradiance received by each PV module is only affected by the amount of cloud coverage enclosed within the mentioned circles/ellipses. The most appropriate circles/ellipses are determined for each PV module at each time instant and virtually located on the sky images. The beam irradiance component for each PV module is then obtained as a result of taking into consideration the attenuating effects of the cloud coverage enclosed within the mentioned circles/ellipses. Since the thickness of circles/ellipses and their position on the sky image vary with respect to variations of the Sun`s position in the sky during a day and the geographical location of the PV modules within the PV array, the Ellipse Enclosed Cloud Coverage (EECC) also differs for different PV modules and hence, different irradiance values are obtained for different PV modules. The diffuse and ground-reflected irradiance components are assumed to be identical for all PV modules. In addition to the instantaneous SDIPs, daily irradiance time-series for different PV modules within the array are simulated by the model using a set of consecutive sky images. The results have shown that the obtained instantaneous irradiance values as well as irradiance time-series incident on different geographical locations within a PV array present a dispersed characteristic where the range of dispersion depends on the existing cloud type and its distribution in the sky. The model has been validated using different performance metrics and quite satisfactory validation results have been obtained verifying the model`s capability to generate reliable site-specific irradiance profiles or irradiance time-series to be utilized for different analysis purposes in PV arrays. The results of comparison of the measured and modeled Variability Index (VI) values, as a verification method of the performance of the developed model, show statistics of mean bias error (MBE) of 0.16, root mean square error (RMSE) of 2.394, correlation coefficient of 0.94 and mean absolute error (MAE) of 1.91. The proposed model is presented as a global model, with minimum dependency on sensors or other measurement equipment, which is capable of generation of SDIPs or irradiance time-series for any geographical location on the Earth`s surface under any type and distribution of cloud coverage in the sky, with available sufficient input data. A simple model is developed in MATLAB/Simulink environment in order to simulate PV modules based on one-diode mathematical model of a PV cell. PV arrays are simulated as combinations of series and parallel connected PV modules with different interconnection architectures and their performances are compared. A novel adaptive dynamic reconfiguration algorithm is developed in this thesis in order to improve power generation in PV arrays. The proposed reconfiguration algorithm is based on irradiance equalization method aiming at creation of series-connected rows of parallel-connected PV modules in a PV array with average irradiance values similar to the array`s average irradiance value in order to prevent limiting effect of less power generating rows on power generation by the array. The reconfiguration algorithm proposed in this thesis is a simple dynamic algorithm which intends to find near-optimal array configurations, in terms of irradiance equalization principle, based on the existing irradiance profiles as a result of the existing cloud coverage and distribution in the sky. The proposed algorithm is not limited to the number of PV modules included within a PV array and best fits large-scale centralized or distributed PV arrays rather than residential PV applications. The near-optimal array configurations are obtained by considering an irradiance threshold value which is in fact a tolerance shown against current limiting effects of the less power generating rows. The rows with average irradiance values falling within the irradiance tolerance from the array`s average irradiance value are not reconfigured by the algorithm since they do not cause significant limitations on array`s power generation. In this way, the number of reconfigured rows and PV module reconfigurations along with the number of required switching actions to obtain the final array configuration is reduced. Reduction of the number of switching actions also preserves lifetimes of switching devices. Switching actions are performed by a flexible switching matrix which is capable of connecting each PV module to each row of the PV array. The proposed reconfiguration algorithm is applied to totally four different irradiance profiles or partial shading scenarios and the array`s P-V characteristic curves are obtained before and after PV array reconfiguration considering different irradiance threshold values. The results have shown that the proposed reconfiguration algorithm is able to improve array`s power generation to almost maximum possible amounts under ideal case, in terms of irradiance equalization. In addition to achieving approximately maximum possible power generation in PV arrays, the results have also put forth the smoothing effects of the considered irradiance threshold value on array`s characteristic curves. Lower values of irradiance threshold have results in smoother characteristic curves to the cost of higher number of PV module reconfigurations and switching actions to be performed by the switching matrix. The results show that the reconfiguration algorithm has been able to improve array`s power generation by 4.7%, 6.1% and 2.7%, respectively under three different non-uniform irradiance profiles considered during analysis, where the reconfiguration algorithm is applicable. Although the proposed reconfiguration algorithm is applied to a single geographical location and time instant, it is expected to improve power generation in PV arrays at any geographical location or time interval. The proposed algorithm is also expected to perform better where the existing irradiance profiles contain irradiance values with high dispersion ranges. Keywords: Renewable Energy, Solar Energy, Photovoltaic, PV Module, Partial Shading, PV Power Generation, Spatially Dispersed Irradiance Profile, Irradiance Model, Cloud Cover, PV Array Reconfiguration, Switching Matrix, Adaptive PV System

ÖZ: Bu tez çalışmasının amacı, yüksek verimli uyarlanabilir ve yeniden yapılandırılabilir güneş enerji sistemleri için bir modelleme yönteminin geliştirilmesinden ibarettir. Güneş enerji sistemlerinde güç üretimi, güneş panelleri yüzeyine ulaşan güneş ışınları ile doğrudan orantılıdır. Güneş enerji sistemlerindeki güç üretiminin güneş panellerinin yüzeyine ulaşan güneş ışınlarına olan yüksek orandaki bağımlılığı literatürde güneş radyasyon oranı tahminleri için birçok modelin geliştirilmesinde etkin rol oynamıştır. Güneş enerjisi uygulamaları açısından uygun sayılabilecek bir modelin uygulama bölgelerine özel güvenilir ve sağlıklı radyasyon haritaları veya radyasyon zaman serilerini üretebilmesi için gökyüzünde bulunan bulutları ve bulutların güneş ışınları ile olan etkileşimlerini dikkate alma kabiliyetinin bulunması gerekmektedir. Bu tez çalışması Uzaysal olarak Dağılmış Radyasyon Haritaları’nı (UDRH) oluşturmak adına anlık radyasyon haritalarının yanı sıra günlük radyasyon zaman serilerini elde etmek amacıyla uygulama alanlarında çekilmiş olan gökyüzü resimlerinden elde edilen gerçek bulut modellerini kullanan ve çeşitli bulut türleri ve gökyüzündeki dağılımları ile birlikte bulutların güneş ışınları ile etkileşim karakteristiklerini dikkate alan bir modeli tanıtmaktadır. Geniş kapsamlı bulut çeşitleri ve bunların güneş ışınları ile etkileşim karakteristiklerinin tez çalışmasında geliştirilmiş olan model tarafından dikkate alınması, bulutların güneş panellerinin yüzeyine ulaşan güneş ışınları üzerindeki etkilerinin hassas bir şekilde analiz edilmesine olanak sağlamaktadır. Direkt güneş ışınları, yeryüzündeki her bir güneş panelinin yüzeyine güneş panelinin güneşi gördüğü koninin gökyüzündeki bulut katmanı tarafından kesilmesi sonucunda oluşan dairelerin/elipslerin içinden geçerek ulaşmaktadır. Bahsi geçen dairelerin/elipslerin kalınlıkları güneşin gökyüzündeki pozisyonunun gün içerisindeki değişimlerine bağlı olarak değişmektedir. Bu tez çalışmasında önerilen model, her bir güneş panelinin yüzeyine ulaşan direkt güneş ışınlarının yalnızca ilgili dairelerin/elipslerin içinde kalan bulut oranı ve dağılımı tarafından etkilendiğini varsaymaktadır. Model tarafından her bir güneş paneli için her bir zaman aralığındaki en uygun daire/elips belirlenip sanal olarak gökyüzü resimlerinin üzerine yerleştirilmektedir. Daha sonra her bir güneş paneli için direkt güneş ışınları, bahsi geçen dairelerin/elipslerin içinde kalan bulut oranı ve dağılımının zayıflatıcı etkilerinin dikkate alınması sonucunda elde edilmektedir. Bahsi geçen dairelerin/elipslerin kalınlıkları ve gökyüzü resimleri üzerindeki konumlarının güneşin gün içerisinde gökyüzündeki pozisyonunun değişimlerine ve güneş panellerinin uygulama sahasındaki konumuna bağlı olarak değiştiğinden dolayı Elipsler tarafından Çevrelenen Bulut Örtüsü (EÇBÖ) de farklı güneş panelleri için farklı oran ve dağılımlara sahip olup dolaysıyla farklı güneş panelleri için farklı radyasyon oranlarının elde edilmesine neden olmaktadır. Yayılan ve yerden yansıyan güneş ışınlarının uygulama sahası içerisindeki tüm güneş panelleri için aynı olduğu varsayılmaktadır. Anlık UDRH’lara ilaveten günlük radyasyon zaman serileri de bir dizi ardışık gökyüzü resimleri kullanılarak model tarafından modellenmiştir. Elde edilen sonuçlar, anlık radyasyon değerleri konusunda olduğu gibi güneş enerjisi uygulama sahası içerisindeki farklı konumlarda bulunan güneş panellerine ulaşan günlük radyasyon zaman serilerinin dağınık bir karakteristik ortaya koyduğunu ve dağılma aralığının gökyüzünde bulunan bulut örtüsü ve dağılımına bağlı olduğunu ortaya koymaktadır. Tez çalışmasında önerilmiş olan modelin performansı farklı performans ölçüleri kullanılarak doğrulanmış olup güneş enerji sistemlerinde farklı analiz amaçları için kullanılmak üzere modelin uygulama bölgesine özel güvenilir radyasyon haritaları veya radyasyon zaman serilerini üretme kabiliyetini onaylayan oldukça tatmin edici doğrulama sonuçları elde edilmiştir. Geliştirilen modelin performansının doğrulanması için kullanılan bir yöntem olarak ölçülen ve modellenen Değişkenlik İndeks (Dİ) değerlerinin karşılaştırma sonuçları 0.16 düzeyinde Ortalama Eğilim Hatası (OEH), 2.394 düzeyinde Karesel Ortalama Hata (KOH), 0.94 düzeyinde Korelasyon Katsayısı ve 1.91 düzeyinde Ortalama Mutlak Hata (OMH) istatistiklerini ortaya koymaktadır. Önerilmiş olan model, sensörler veya diğer ölçüm ekipmanlarına minimum düzeyde bağımlılık oranına sahip, herhangi bit bulut türü ve dağılımı altında, yeterli girdi verilerinin mevcut olduğu yeryüzündeki herhangi bir coğrafi konum için UDRH’lar veya radyasyon zaman serilerini üretme kabiliyetine sahip olan global bir model olarak sunulmuştur. Güneş panellerinin karakteristiklerinin modellenmeleri amacıyla MATLAB/Simulink ortamında bir güneş hücresinin Bir-Diyot matematiksel modelini esas alan basit bir model geliştirilmiştir. Güneş enerji sistemleri farklı iç bağlantıları açısından farklı mimarilere sahip seri ve paralel bağlı güneş panellerinin kombinasyonları halinde modellenmiş olup performansları karşılaştırılmıştır. Bu tez çalışmasında güneş enerji sistemlerindeki güç üretiminin arttırılması için özgün bir uyarlanabilir dinamik yeniden yapılandırma algoritması geliştirilmiştir. Önerilen yeniden yapılandırma algoritması, daha az güç üreten satırların sistemin toplam güç üretimi üzerindeki sınırlandırıcı etkilerinin önlenmesi amacıyla, bir güneş enerji sisteminde, paralel olarak birbirine bağlanmış olan, ortalama güneş radyasyon değerleri tüm sistemin ortalama radyasyon değerine benzer seri olarak bağlanmış güneş panellerinden oluşan satırların oluşturulmasını esas alan Radyasyon Eşitleme prensibine dayalı olarak çalışmaktadır. Bu tez çalışmasında geliştirilmiş olan yeniden yapılandırma algoritması, gökyüzünde bulunan bulut örtüsü ve dağılımının bir sonucu olarak oluşan radyasyon haritasına dayanan ve Radyasyon Eşitleme prensibi bakış açısından optimum konfigürasyona yakın bir konfigürasyonun oluşturulmasını amaçlayan basit ve dinamik bir yeniden yapılandırma algoritmasıdır. Geliştirilmiş olan algoritma bir güneş enerji sisteminde bulunan güneş panellerinin sayıları açısından hiçbir bir sınırlamaya tabi olmayıp yerleşim alanlarında kullanılan sistemler ile karşılaştırıldığında büyük çaplı merkezi veya dağıtılmış şekilde bulunan güneş enerji sistemlerinde daha iyi bir performans ortaya koymaktadır. Optimum konfigürasyona yakın sistem konfigürasyonları, gerçek anlamda daha düşük akım üreten satırların sınırlandırıcı etkilerine karşı gösterilen bir tolerans niteliğini taşıyan bir radyasyon eşik değerinin dikkate alınması sonucunda elde edilmektedir. Ortalama radyasyon oranları sistemin ortalama radyasyon değerine göre belirlenen radyasyon eşik sınırları içerisinde kalan satırlar, sistemin güç üretimi üzerinde kayda değer ölçüde sınırlandırıcı etkiye sahip olmadıklarından dolayı, algoritma tarafından yeniden yapılandırılmamaktadır. Böylelikle nihai sistem konfigürasyonunun elde edilmesi için gerekli olan yeniden yapılandırılacak satır ve güneş paneli sayısı ile birlikte gerekli olan anahtarlama eylem sayıları da düşürülmektedir. Anahtarlama eylem sayılarının düşürülmesi aynı zamanda anahtarlama cihazlarının ömür sürelerini de korumaktadır. Anahtarlama eylemleri, her bir güneş panelini sistemin herhangi bir satırına bağlama kabiliyetine sahip olan esnek bir anahtarlama matrisi tarafından gerçekleştirilmektedir. Önerilen yeniden yapılandırma algoritması toplam 4 farklı radyasyon haritası veya kısmi gölgelenme senaryosuna uygulanmış olup sistemin Güç-Gerilim karakteristik eğrileri farklı radyasyon eşik değerleri dikkate alınarak sistemin yeniden yapılandırılması öncesinde ve sonrasında elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, önerilen yeniden yapılandırma algoritmasının sistemin güç üretimini neredeyse Radyasyon Eşitleme prensibi açısından ideal durum altında mümkün olan en yüksek değerlere yükseltme başarısını gösterdiğini ortaya koymuştur. Elde edilen sonuçlar aynı zamanda güneş enerji sistemlerinde yaklaşık olarak mümkün olan en yüksek güç üretim değerlerinin elde edilmesinin yanı sıra dikkate alınan radyasyon eşik değerinin sistemin Güç-Gerilim karakteristik eğrisi üzerindeki düzeltici etkisini ortaya koymuştur. Düşük radyasyon eşik değerleri daha yüksek sayıda güneş panelinin yeniden yapılandırılması ve anahtarlama matrisi tarafından daha yüksek sayıda anahtarlama eyleminin gerçekleştirilmesi karşılığında daha düzgün karakteristik eğrilerinin elde edilmesi ile sonuçlanmıştır. Elde edilen sonuçlar, yeniden yapılandırma algoritmasının sistemin güç üretimini analizler sırasında dikkate alınan ve yeniden yapılandırma algoritmasının uygulanabilir olduğu üç farklı homojen olmayan radyasyon haritası altında sırasıyla %4.7, %6.4 ve %2.7 oranında yükseltme başarısını gösterdiğini ortaya koymuştur. Önerilen yeniden yapılandırma algoritmasının tek bir coğrafi konuma ve zaman aralığına uygulanmış olmasına rağmen güneş enerji sistemlerindeki güç üretimini herhangi bir coğrafi konum ve zaman aralığında yükseltmesi beklenmektedir. Ayrıca önerilen algoritmanın mevcut olan radyasyon haritalarının yüksek dağınıklık aralıklarına sahip radyasyon değerlerini içerdiği durumlarda daha iyi bir performans sergilemesi beklenmektedir. Anahtar Kelimeler: Yenilenebilir Enerji, Güneş Enerjisi, Güneş Paneli, Kısmi Gölgelenme, Güneş Enerjisi Güç Üretimi, Uzaysal olarak Dağılmış Radyasyon Haritası, Radyasyon Modeli, Bulut Örtüsü, Güneş Enerji Sistemi Yeniden Yapılandırması, Anahtarlama Matrisi, Uyarlanabilir Güneş Enerji Sistemi