GTO ile optimize edilmiş PI denetleyici kullanılarak PV su pompalamada indüksiyon motorlarının yüksek verimli öngörücü tork kontrolü

Güneş ışığını güvenilir suya dönüştürmek

Birçok kırsal ve uzak bölgede, tarlalara ve köylere su ulaştırmak hâlâ gürültülü, kirletici ve yakıtı pahalı dizel pompalarına dayanıyor. Bu çalışma, su pompalarını doğrudan güneş panelleriyle çalıştırmanın yalnızca temiz değil, aynı zamanda bulut geçişlerinde bile pürüzsüz, verimli ve güvenilir olmasını nasıl sağlayabileceğini inceliyor. Panellerden elektrik motoruna giden elektrik akışını dikkatle biçimlendirerek, yazarlar aynı güneş ışığıyla daha fazla su taşınabileceğini ve ekipman üzerindeki gerilimin azaltılabileceğini gösteriyor.

Güneşli pompalar göründüğünden daha zordur

Temel bir güneşle su pompalama sistemi, güneş ışığını alır, fotovoltaik (PV) panellerde elektriğe çevirir, elektronik bir konvertörle gerilimi yükseltir ve ardından santrifüj pompayı çalıştıran bir elektrik motoruna gönderir. Zorluk, güneş ışığının asla sabit olmamasıdır. Işık ve sıcaklık değiştikçe, bir PV dizisinin verebileceği güç dakika dakika değişir ve pompayı çalıştıran bir motor da kendi başına değişken ve zorlu bir yük oluşturur. Elektriksel kontrol yeterince akıllı değilse, pompa düzensiz çalışabilir, enerjiyi ısı olarak israf edebilir veya puslu günlerde düzgün başlamayabilir.

Güneş gücünde tatlı noktayı bulmak

Güneş ışığından en iyi şekilde yararlanmak için yazarlar, PV panellerinin yüklenme şeklini sürekli ayarlayan ve onları en üretken noktalarında çalıştıran maksimum güç noktası takip yöntemi kullanıyor. Ani ışık değişimlerine hızlı ve hassas tepki verdiği için Artımlı İletkenlik (Incremental Conductance) tekniğini seçiyorlar. Bu izleyici, paneller ile motor sürücüsü arasındaki DC–DC yükseltici içinde yer alır ve hava koşulları değişse bile panellerin işletim gerilimini zirve güçlerine yakın tutmaya iter. Bilgisayar simulasyonlarında bu modül, PV dizisinin neredeyse maksimum güç sağlamasını sağlarken sistemin geri kalanı motor ve pompaya uyum sağlıyor.

Motoru düzgün çalışmaya öğretmek

Çalışmanın özü indüksiyon motorunun nasıl kontrol edildiğinde yatıyor. Ekip üç stratejiyi karşılaştırıyor. Birincisi, doğrudan tork kontrolü, hızlı tepki vermesiyle bilinir fakat genellikle sarsıntılı tork ve gürültülü akımlar üretir. İkincisi, öngörücü tork kontrolü, farklı anahtarlama eylemlerinin tork ve manyetik akıya nasıl etki edeceğini tahmin etmek için motorun matematiksel modelini kullanır; bu yöntem zaten dalgalanmaları azaltır ve akım kalitesini iyileştirir. Üçüncü ve önerilen yöntem ise, öngörücü şemanın üzerine otomatik ayarlı bir hız denetleyici ekler. Burada, doğadan esinlenen bir arama yöntemi olan Gorilla Troops Optimization (GTO), hız döngüsünün oransal ve integral kazançlarını ayarlayarak motorun hedef hızına hızlı ve az aşım ile ulaşmasını sağlar.

Sanal bir gorilin sistemi ince ayarlamasına izin vermek

Optimizasyon adımında, hız denetleyicisi için birçok aday ayar, mümkün çözümler manzarasını keşfeden bireysel goriller gibi ele alınır. Pozisyonları, bir sürünün nasıl dolaştığını, baskın bir lideri nasıl takip ettiğini ve grup içinde nasıl rekabet ettiğini taklit eden kurallara göre güncellenir. Her aday için araştırmacılar, pompa sürücüsünün istenen hızı ne kadar iyi takip ettiğini ve motor torkunun ne kadar dalgalandığını simüle eder. Birleştirilmiş bir puan, hızlı ve hassas hız takibi ile düşük tork dalgalanmasını ödüllendirir. Birçok yineleme boyunca, sanal sürü, güneşle çalışan pompa için hızlı tepki ile pürüzsüz çalışma arasında en iyi dengeyi sağlayan denetleyici kazançlarına yakınsar.

Daha fazla su, daha az aşınma

Değişen güneş ışığı altında yapılan simülasyon sonuçları, optimize edilmiş stratejinin belirgin avantajlar sunduğunu gösteriyor. Önceki doğrudan tork yöntemine kıyasla, geliştirilmiş denetleyici tork dalgalanmalarını yaklaşık %54–66 oranında, manyetik akı değişimlerini ise neredeyse %90 oranında azaltırken, motor akımındaki elektriksel bozulmayı da yaklaşık %2,6 seviyelerine çekiyor. Pompa hedef hıza daha hızlı ve daha az salınımla ulaşıyor; bu da daha istikrarlı su akışı ve mevcut güneş enerjisinin daha iyi kullanımı anlamına geliyor—geleneksel şemaya göre yaklaşık %9–11 daha fazla faydalı çıktı. Pratik olarak bu, aynı güneş dizisiyle çiftçilerin ve toplulukların ekipmanlarına daha az mekanik stres uygulayarak daha fazla su pompalayabileceği, güneşin bol olduğu bölgelerde yakıtsız ve dayanıklı bir su temini yoluna yaklaşılacağı anlamına geliyor.

Atıf: Kechida, R., Gacem, A., Romdhane, M. et al. High-efficiency predictive torque control of induction motors in PV water pumping using GTO-optimized PI controller. Sci Rep 16, 13428 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42200-z

Anahtar kelimeler: güneşle su pompalama, fotovoltaik sistemler, motor kontrolü, yenilenebilir enerji, optimizasyon algoritmaları