Yenilenebilir Enerji Sistemlerinin Tasarımında MATLAB & Simulink

Küresel enerji talebinin artması, fosil yakıt rezervlerinin azalması ve sürdürülebilirlik ihtiyacının giderek daha fazla ön plana çıkması, yenilenebilir enerji kaynaklarını enerji üretim sistemlerinin merkezine taşımaktadır. Güneş, rüzgar, hidrojen gibi yenilenebilir kaynaklar; çevreye az zarar vermeleri, enerji kesintilerini azaltmaya yardımcı oldukları ve uzun vadede maliyet avantajı sağlamaları nedeniyle endüstride ve akademide büyük bir öneme sahiptir. Ancak bu sistemlerin tasarım, kontrol, optimizasyon ve doğrulama süreçleri; karmaşık fiziksel modeller, değişken çevresel koşullar ve şebeke entegrasyonu gibi çok boyutlu mühendislik problemlerini içermektedir. Bu noktada MATLAB & Simulink, yenilenebilir enerji uygulamalarında model tabanlı tasarım yaklaşımını mümkün kılarak tasarım sürecini hızlandırır ve doğruluk seviyesini artırır.

Yenilenebilir Enerji Sistemlerinde Fiziksel Modellemenin Önemi

Yenilenebilir enerji sistemlerinde güneş radyasyonu, rüzgar hızı, sıcaklık ve yük talebi gibi parametreler zamana ve konuma göre önemli ölçüde değişiklik göstermektedir. Dolayısıyla sahada sistem performansını test etmek çoğu zaman maliyetli, zaman alıcı ve risklidir. Sistem davranışını doğru tahmin edebilmek için fiziksel modele dayalı simülasyonlar kullanılmalıdır.

Kısacası fiziksel modelleme, saha kurulumu yapılmadan önce sistem davranışının gerçekçi şekilde analiz edilmesini sağlar. Bu da:

• Geliştirme süresini kısaltır,
• Prototip ve donanım maliyetlerini azaltır,
• Tasarım hatalarının erken aşamada tespit edilmesine olanak tanır,
• Ürün doğrulama ve sertifikasyon süreçlerini hızlandırır.

Bu saydıklarımızı gerçekleştirebilmek mühendislerin yenilenebilir enerji sistemlerini hem bileşen seviyesinde hem de sistem seviyesinde bütüncül olarak tasarlamalarını MATLAB & Simulink’in Simscape ürün ailesi ile mümkün kılar.

Simscape Electrical ile Elektriksel Güç Sistemlerinin Modellenmesi

Simscape Electrical, güç sistemlerinin bileşenlerini fiziksel prensiplere dayalı olarak modellemeye imkan tanır. Transformatörler, güç elektroniği dönüştürücüleri, jeneratörler, motorlar, kablo sistemleri ve kontrol devreleri gibi geniş bir elektriksel bileşen kütüphanesi sunar. Bu sayede hem düşük gerilimli elektronik uygulamalardan hem de yüksek güçlü şebeke seviyesindeki senaryolara kadar ölçeklenebilir modeller oluşturulabilir.

Özellikle inverter tabanlı bağlantılar, güç kalitesi analizleri, yük akışı ve hata durum simülasyonları için Simscape Electrical kritik bir rol oynar. Fiziksel modele dayalı yaklaşım, sistem davranışının dinamik olarak öngörülmesini ve kontrol stratejilerinin güvenle test edilmesini sağlar.

Bu yaklaşım sayesinde:

• Güneş ve rüzgar santralleri gibi dağınık üretim kaynaklarının şebekeye entegrasyonu analiz edilebilir,
• Güç elektroniği dönüştürücülerinin verimlilik ve ısıl performans optimizasyonu yapılabilir,
• Koruma ve kontrol algoritmaları saha uygulaması öncesinde sanal ortamda test edilip doğrulanabilir.

Simscape Battery ile Batarya ve Batarya Yönetim Sistemlerinin (BMS) Modellenmesi

Hücre kimyası (ör. Li-Ion NMC, LFP), sıcaklığa bağlı performans değişimi, degradasyon (yaşlanma) etkileri ve şarj-deşarj eğrileri modele dahil edilebilir.

Bu bütünleşik modelleme yaklaşımı farklı yenilenebilir enerji teknolojilerine uygulanabilir. Bu noktada Simscape Battery, sistemin batarya tarafını fiziksel modele dayalı şekilde oluşturmada temel rol oynar. Simscape Battery, hücre seviyesinden batarya paketi seviyesine kadar ölçeklenebilir modeller sunarak enerji depolama sistemlerinin tasarım ve kontrol süreçlerini hızlandırır.

Bu yaklaşım sayesinde:

• Farklı batarya kimyalarının uygunluk ve ömür karşılaştırması yapılabilir,
• Sistem büyüklüğüne göre ekonomi ve verimlilik optimizasyonu sağlanabilir,
• BMS kontrol algoritmaları sahada test edilmeden önce simülasyon ortamında doğrulanabilir.

Simscape Multibody ile Mekanik Sistem Modelleme

Simscape Multibody, mekanik sistem bileşenlerinin 3B ortamda fizik tabanlı olarak modellenmesini sağlar. Rüzgar türbinleri, robotik mekanizmalar, taşıyıcı platformlar ve döner makinalar gibi karmaşık mekanik yapılar, kinematik ve dinamik davranışlarıyla birlikte simüle edilebilir.

Bu yaklaşım sayesinde:

• Kanat eğim açısının değişiminin rotor torkuna etkisi,
• Ani rüzgar darbesi (wind gust) karşısındaki sistem davranışı,
• Türbin kule rezonanları ve titreşim analizleri,
• Yük değişimlerinin dişli kutusu ve şaft üzerindeki gerilmelere etkisi

gerçeğe yakın biçimde analiz edilebilir.

Bu yaklaşım, yalnızca elektriksel güç üretimini değil, mekanik dayanıklılık ve kontrol kararlılığını da değerlendirme imkanı sunar.

Güneş Enerjisi Sistemlerinin Modellenmesi ve MPPT Kontrolü

Fotovoltaik (PV) sistemlerde temel amaç, güneş paneli üzerinden maksimum güç elde etmektir. Ancak güneş ışınımı ve sıcaklık değişimleri, panelin karakteristiğini ve üretilen gücü doğrudan etkiler. Bu nedenle PV sistemleri genellikle Maksimum Güç Noktası İzleme (Maximum Power Point Tracking, MPPT) kontrol algoritmaları ile çalıştırılır.

Simulink ile modellenebilecek bileşenler:

1. PV Panel Modeli: Simscape Electrical kütüphanesinde yer alan “PV Array” blokları, üretici katalog verilerine göre özelleştirilebilir.
2. DC-DC Dönüştürücü: Boost veya buck-boost topolojileri ile sistemin giriş-çıkış kontrolü sağlanır.
3. MPPT Algoritması: Perturb & Observe, Incremental Conductance veya Fuzzy Logic gibi yöntemler uygulanabilir.
4. Şebeke veya batarya bağlantısı: Inverter modeli üzerinden şebeke senkronizasyonu veya enerji depolama senaryoları test edilebilir.

Bu sayede, farklı ışınım senaryolarında panel çıkışı, dönüşüm verimi ve kontrol algoritmasının kararlılığı analiz edilebilir.

Sonuç

Yenilenebilir enerji sistemlerinin mühendislik tasarım süreçleri, değişken çevresel koşullar, karmaşık güç elektroniği yapıları ve çok yönlü kontrol gereksinimleri nedeniyle detaylı analiz gerektirir. MATLAB & Simulink, fiziksel modelleme yaklaşımı ile bu sistemlerin geliştirilmesini hızlandırmakta, doğruluk seviyesini artırmakta ve saha uygulamalarına sorunsuz geçişi mümkün kılmaktadır.

Güneş enerjisi, rüzgar türbinleri, enerji depolama ve şebeke entegrasyonu gibi alanlarda kullanılan kapsamlı modelleme ve analiz araçları sayesinde mühendisler, tasarım kararlarını güvenle verebilmekte ve daha verimli sistemler geliştirebilmektedir.