Yeşil hidrojen üretiminin optimizasyonu: ayrımlı yaratıcı arama optimizasyon algoritması kullanılarak PV destekli PEM elektrolizörler için MPPT kontrol stratejilerinin karşılaştırmalı analizi

Güneş Işığını ve Suyu Temiz Yakıta Dönüştürmek

Yenilenebilir enerji ile üretilen hidrojen sıklıkla yeşil hidrojen olarak adlandırılır ve sanayi, ulaşım ve konutları besleyebilecek, iklim kirletmesini azaltabilecek temiz bir yakıt olarak ilgi çekmektedir. Bu makale, güneş panellerini özel bir su ayırma cihazı ve daha akıllı elektronik kontrol ile eşleştirerek güneşten daha fazla kullanılabilir hidrojen elde etmenin yollarını inceliyor. Güneş panellerinden su ayırıcıya elektrik akışını ince ayarlayarak araştırmacılar, aynı güneş ışığının daha fazla hidrojen üretebileceğini, daha güvenilir olabileceğini ve daha az enerji kaybıyla çalışabileceğini gösteriyor.

Güneş Panellerinden Şişelenmiş Hidrojene

Çalışma, güneş ışığının bir fotovoltaik (PV) diziye çarpmasıyla başlayan ve hidrojen gazı akımlarına ulaşan eksiksiz bir zinciri ele alıyor. PV dizisi ışığı doğru akıma dönüştürür; bu akım, bir elektronik dönüştürücü aracılığıyla proton değişim membranı (PEM) elektrolizöre yönlendirilir. Elektrolizör içinde su, bu elektrik kullanılarak hidrojen ve oksijene ayrılır. Bulutlar, sıcaklık ve günün saatiyle değişen güneş ışığı nedeniyle panellerden gelen güç nadiren sabittir. Paneller en uygun çalışma noktasından uzak çalışırsa, mevcut güneş enerjisinin büyük bir kısmı hidrojen olmak yerine ısı olarak kaybolur. Bu çalışmanın temel sorusu, elektrolizöre uygun gücü verirken panellerin tatlı noktası yakınında nasıl tutulacağıdır.

Güneş Panellerinin Tatlı Noktasında Kalmasına Yardımcı Olmak

PV dizisini yönetmek için yazarlar, panellerin çalışma voltajı ve akımını güç çıktısının en yüksek olduğu noktaya yakın oluncaya dek kademeli olarak ayarlayan maksimum güç noktası izleme (MPPT) yöntemleri ailesini kullanıyor. Yaygın olarak kullanılan perturb and observe (boz ve gözle) stratejisine odaklanıyorlar ve bunun üzerine farklı kontrolcü "beyinler" test ediyorlar. Bunlar arasında geleneksel oransal–integral (PI) kontrolcü, daha esnek bir kesirsel mertebe versiyonu ve kural tabanlı bulanık mantık kontrolcü bulunuyor. Önemli fark, kontrolcü ayarlarını elle seçmemeleridir. Bunun yerine, grup problem çözümünden ilham alan bilgisayar tabanlı arama teknikleri, ideal panel voltajı ile gerçek voltaj arasındaki hatayı zamanla en aza indirecek değerleri araştırıyor.

Daha İyi Kontrol İçin Daha Akıllı Arama

Çalışmadaki öne çıkan arama yöntemi ayrımlı yaratıcı arama optimizasyon algoritması olarak adlandırılıyor. Bu yöntem, her bir deneme kontrolcü ayar setini kendi öğrenme hızına sahip bir takım üyesi gibi ele alıyor. İyi performans gösteren adaylar yeni olasılıkları keşfederken daha zayıf olanlar arama alanındaki boşlukları doldurmaya yardımcı oluyor. Araştırmacılar bu yaklaşımı iki diğer popüler arama yöntemiyle karşılaştırıyor ve üçünü de aynı koşullar altında çalıştırıyor. Bilgisayar simülasyonlarında, yaratıcı arama algoritmasıyla optimize edilmiş geleneksel kontrolcü, PV dizisinin yaklaşık 6,99 kilovat teslim etmesini sağlıyor; bu, rakip yöntemlerden biraz daha yüksek ve bulanık mantık yaklaşımından bariz şekilde daha fazla. Bunu, güneş ışığı veya sıcaklık değiştiğinde yanıtı hızlı ve düzgün tutarken yapıyor.

Su Ayırıcının Tepkisi Nasıl Oluyor

Hidrojen tarafında çalışma, PEM elektrolizörün basınç, sıcaklık ve güç girişi değiştikçe nasıl davrandığını ayrıntılı olarak modeller. Standart koşullar altında cihaz, dakikada onlarca litre hidrojen üretirken yaklaşık üçte iki düzeyinde bir verime ulaşıyor. Sıcaklık arttıkça aynı akımı sürdürmek için gereken voltaj azalır, bu nedenle hidrojen çıktısı artar; ancak membran içindeki kayıplar da değişir. Yazarlar ayrıca PV dizisi ile elektrolizör arasına farklı dönüştürücü tiplerini de test ediyor. Voltajı düşüren bir buck dönüştürücü, güneş panelleri ile hücre yığını arasında en iyi uyumu sağladığı; hem güç elektroniğini hem de elektrolizörü rahat ve verimli bir çalışma aralığında tuttuğu ortaya çıkıyor.

Temiz Enerji Sistemleri İçin Anlamı

Uzman olmayanlar için ana mesaj, kontrol ve eşleştirmenin yeşil hidrojen sistemleri tasarlarken donanım büyüklüğü kadar önemli olduğudur. Güneş panellerinin nasıl sürüldüğünü ve güçlerinin su ayırıcıya nasıl iletildiğini dikkatlice ayarlayarak, aynı panel sahası daha az atıkla daha fazla hidrojen üretebilir. Bu simülasyonlarda, ayrımlı yaratıcı arama algoritmasıyla otomatik olarak ayarlanmış geleneksel bir kontrolcü elektrolizöre en yüksek güneş gücünü sağlarken, basit bir voltaj düşürücü dönüştürücü su ayırıcıyı verimli çalıştırıyor. Bu seçimler birlikte, güneşten hidrojene zincirinin genel performansını yükseltiyor ve güneş ışığını ve suyu temiz yakıta dönüştürmenin daha pratik ve ölçeklenebilir yollarına işaret ediyor.

Atıf: Mohamed, A.A., Ali, M.H., Omar, A.I. et al. Optimizing green hydrogen production: a comparative analysis of MPPT control strategies for PV-powered PEM electrolyzers using differentiated creative search optimization algorithm. Sci Rep 16, 15176 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46999-5

Anahtar kelimeler: yeşil hidrojen, güneş fotovoltaik, PEM elektrolizör, güç elektroniği, kontrol optimizasyonu