Sezgisel Optimizasyon Algoritması Kullanılarak Hibrit (Fotovoltaik-Rüzgar) Enerji Sistemi için Boyut Optimizasyonu

Abstract

Son yıllarda artan enerji ihtiyacıyla birlikte yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelim giderek artmıştır. Bu nedenle yenilenebilir enerji kaynakları üzerinde yapılan araştırmalar da bu ilgiyle birlikte artış göstermektedir. Mikro ölçekli enerji üretimi için rüzgar türbinlerinin ve fotovoltaik panellerin uygulanabilirliğinin (kurulum ve enerji kaynağı potansiyeli gibi) diğerlerine göre kolay olması sebebiyle bu sistemlerin kullandığı yenilenebilir enerji kaynakları çalışmada esas ilgi alanı olarak dikkate alınmıştır. Bu tür güç üretim sistemleri tek başlarına kullanılabildikleri gibi rüzgar enerjisi ve güneş enerjisinin aralıklı ya da kesintili olmasından dolayı birlikte de kullanılmaktadırlar. Hibrit enerji sistemi iki ya da daha fazla güç üretim sisteminden, depolama birimlerinden ve kontrol elemanlarından oluşmaktadır. Hibrit enerji sisteminin boyutunun belirlenmesi, farklı kriterleri göz önünde bulundurarak çözülmesi gereken bir problem olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu sistemlerinin boyut optimizasyonu için analitik yöntemler, dinamik programlama ve sezgisel algoritmalar gibi bir çok teknik kullanılmaktadır. Bu tez çalışması, hibrit fotovoltaik/rüzgar güç üretim sisteminin boyutunun, sezgisel optimizasyon algoritması olan Yapay Arı Kolonisi algoritması yardımı ile bulunmasını önermektedir. Çalışma alanı olarak Pınarhisar Mesleki ve Teknik Anadolu Lisesi (PMTAL) seçilmiştir. Bu bağlamda bölgenin rüzgar hızı ve güneş radyasyon verileri Meteoroloji Genel Müdürlüğü TUMAS veri tabanından alınmıştır. Elde edilen bu verilerle, PMTAL’ nin güç talebini karşılayabilecek hibrit Fotovoltaik/Rüzgar enerji sisteminin toplam maliyetini minimize edecek boyut optimizasyonu, nesne tabanlı programlama dilinde geliştirilmiştir. Güç talebini karşılayacak sistemin güvenilirlik analizi, güç kaynağı kaybı olasılığı (LPSP) yöntemi ile yapılmıştır. Bu yöntemde LPSP değerleri %0, %0.2, %1 ve %3 olarak belirlenmiş ve sistemin yük talebini karşılamak için yeterli güce sahip olması sağlanmıştır. Belirlenen LPSP değerlerine göre hibrit fotovoltaik/rüzgar enerji sisteminin yıllık toplam maliyeti en aza indirgenerek optimum rüzgar türbini, güneş paneli ve akü sayısı Yapay Arı Kolonisi optimizasyon algoritması ile belirlenmiştir. Ayrıca, sadece fotovoltaik panel ve sadece rüzgar türbininden oluşan tekil enerji sistemlerinin de boyut optimizasyonu aynı yöntem ile hesaplanarak elde edilen sonuçlar hibrit sistem ile karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak bu çalışmada, Yapay Arı Kolonisi optimizasyon algoritması ile yenilenebilir enerji kaynağının boyutunun belirlenmesi için karar verme süreci hızlandırılmış ve bununla birlikte karar kalitesinin de artırılması ile etkin ve doğru çözüme ulaşılmıştır.

With the increasing energy demand in recent years, the trend towards renewable energy sources has increased. Therefore, researches on renewable energy sources are increasing with this interest. Since the applicability of wind turbines and photovoltaic panels (such as installation and energy supply potential) for micro scale energy production is easier than the others, renewable energy sources used by these systems have been considered as the main area of interest in the study. This type of power generation systems can be used alone or used together because of intermittent or discontinuous wind and solar energy. The hybrid energy system consists of two or more power generation systems, storage units and control elements. Determining the size of the hybrid energy system is a problem that needs to be solved by considering different criteria. Many techniques such as analytical methods, dynamic programming and heuristic algorithms are used for size optimization of these systems. This thesis proposes that the size of the hybrid photovoltaic/wind power generation system is determined with the help of Artificial Bee Colony algorithm, an heuristic optimization algorithm. Pınarhisar Vocational and Technical Anatolian High School (PMTAL) was chosen as the study area. In this context, wind speed and solar radiation data of the region were obtained from TUMAS database of General Directorate of Meteorology. With these data, size optimization was developed in object oriented programming language to minimize the total cost of hybrid photovoltaic/wind energy system which can meet the power demand of PMTAL. The reliability analysis of the system that will meet the power demand was made by the power supply loss probability (LPSP) method. In this method, LPSP values are determined as 0%, 0.2%, 1% and 3% and the system is provided with sufficient power to meet the load demand. According to the determined LPSP values, the total annual cost of hybrid photovoltaic/wind energy system is minimized and optimum wind turbine, solar panel and battery number is determined by Artificial Bee Colony optimization algorithm. In addition, size optimization of single energy systems consisting only of photovoltaic panels and wind turbines was calculated by the same method and the results were compared with the hybrid system. As a result, in this study, the decision making process has been accelerated to determine the size of the renewable energy source with the Artificial Bee Colony optimization algorithm and with the improvement of the decision quality, an effective and correct solution has been reached.