بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارائه روشی جدید براي مدلسازي اثر دما در توان و انرژي تولیدي پنلهاي خورشیدي
کلمات کلیدي:انرژي تولیدي پنل، بازده پنل، تأثیر دما بر پنلهاي خورشیدي، سیستمهاي فتوولتاییک، مدلسازي اثر دما
چکیده
در این مقالهروش جدیدي براي مدلسازي تغییرات دمـا بـراي محاسبه انرژي خروجی روزانـه پنلهـاي فتوولتائیـک ارائـه شـده است. بدین منظور ابتدا مـدل الکتریکـی پنـل هـاي خورشـیدي معرفی شده و تأثیر دما بر روي بازده آن بیان گردیدهسپساست. دماي محـیط از روي بیشـینه و کمینـه دمـا و نیـز طـول روز، بـه صورت تجربی و تقریبی مدل شده است. در ادامه براي سه شـهر آبادان، اسکو و جرندق انرژي تولیدي این پنـل محاسـبه گردیـده است. خطاي مدل ارائه شده با مقدار واقعی انرژي تولیدي در هـر مورد به ترتیب 21 و 42 و 8 وات ساعت؛ یعنـیحـدوداً 2 ،2 و 0.8 درصد میباشد.
مقدمه
یکی از اجزاي اصلی سیستمهـاي فتوولتاییـک، مبـدل انـرژي یعنی پنل خورشیدي میباشد. بـراي اینکـه ایـن سیسـتم تـوان و انرژي مورد نیاز بار مورد نظر را تأمین نماید، بایسـتی بـه درسـتی طراحی شود. یکـی از مـواردي کـه در تعیـین انـدازه پنـل مـورد نیاز،مؤثر است، بازده آن میباشد. بازده پنل بـه دمـاي آن ودمـاي پنل نیز ناشی از دماي محیط و شدت تابش خورشـید اسـت.[1] لذا در هر لحظه توان تولیدي پنـل بـه شـدت تـابش خورشـید و دماي محیط وابسته است. انـرژي تولیـدي پنـل نیـز جمـع تـوان تولیدي آن میباشد. لذا براي محاسبه دقیـق انـرژي تولیـدي پنـل لازم است تا در هر لحظه شـدت تـابش و دمـاي محـیط معلـوم باشد. اما اندازهگیري دما و شدت تابش در هر لحظه هزینه بالایی دارد وعملاً در بسیاري از مناطق این دادهها در دسـترس نیسـت. از طرفی استفاده از بیشینه دما و یا کمینه دما در طراحـی ظرفیـت پنل، موجب خطا در انتخاب ظرفیت پنل میشود و ممکن اسـت منجر به کمبود توان در مواردي و یا زیاد شدن هزینه پنل گـردد . این در حالی است که در بسیاري موارد شـدت تـابش متوسـط و دماي کمینه و بیشینه مناطق معلوم است و در اکثر موارد مـیتـوان از دادههاي مناطق مجاور نیز استفاده نمود.
مدلی که در این راستا بیشتر مورد استفاده قرار میگیرد، شـدت تابش خورشید را استاندارد و معادل 1000 وات بـر متـر مربـع و دما را بیشینه دماي محیط در نظر میگیرند. در این مدل طول روز معادل شدت تابش خورشید بر حسب کیلووات سـاعت بـر متـر مربع در روز میباشد1] و .[3 خطاي این روش نسبت بـه روش ارائه شده بیشتر است. براي مثال براي آبادان که دربعـداً بررسـی می شود، مقدار واقعی انرژي تولیدي 1022 وات ساعت و مقـدار انرژي تخمین زده شده با این مدل 923 وات ساعت میباشدکه. حدود 10 درصد خطا دارد.
در این مقاله رفتار دماي محیط به صورت تجربی بررسی شـده و براساس بیشینه و کمینه دما و طول روز بـه صـورت تقریبـی و البته تجربی مدل شده است. در بررسی انجام شده منحنی شـدت تابش خورشید در طول روز به صورتکـاملاً سینوسـی تقریـب زده شده است زیرا توان تابشی خورشید رفتار سینوسی دارد. امـا چون فرض بر این است که در منطقـه مـورد نظـر تـوان تابشـی، لحظه به لحظه ثبت نشده است، این مقادیر به صورت تقریبـی بـا یک تابع سینوسی شبیهسازي مـی شـوند. حسـن اسـتفاده از ایـن روش در این است که بـا تعـداد کمـی اطلاعـات ورودي شـامل شدت تابش متوسط خورشید و کمینه و بیشینه دما، توان و انرژي تولیدي پنل معلوم می شود. لذا محاسبات مورد نظر سـاده شـده و هزینه اندازهگیري دادههاي مورد نیاز به مراتب تقلیـل مـییابـداز.
طرفی انرژي تولیدي پنل با تقریبنسبتاً خوبی بـه مقـدار واقعـی نزدیک میشود.
در این مقاله ابتدا مدل الکتریکی پنلهـاي خورشـیدي معرفـی شده و تأثیر دما روي پارامترهاي آن بیان مـیشـود. سـپس رفتـار دماي محیط بررسی شده و به صورت تجربی مدل مـیگـردددر. ادامه تـوان تابشـی خورشـید در طـول روز بـه صـورت تقریبـی محاسبه می شود. در نهایت براي سه شهر اسکو، آبادان و جرنـدق انرژي تولید یک پنل 235 وات در ماههاي مختلف، با مـدل ارائـه شده محاسبه میگردد. از طرفی اطلاعات تابش و دماي ایـن سـه شهر در بازههاي 10 دقیقهاي که توسط سـازمان انـرژيهـاي نـو ایران اندازهگیري شده است، موجود است.[2] از روي این دادههـا مقدار واقعی انرژي تولید محاسبه شده و با مقدار شبیه سازي شده مقایسه گردیده است.
پیشینه تحقیق
در رابطه با دماي سلولهاي خورشیدي و بـازده آنهـا تحقیقـات زیـادي صـورت گرفتـه اسـت. از جملـهKing در سـال 2004وDuffie and Beckman در سال 2006و Skoplaki در سـال 2008 دماي سلولهاي خورشیدي را به صورت تـابعی از تـوان تابشـی خورشید و دماي محیط مدل میکنند.[4]
در سال 2009 گیلبرت و الکسـیس بـه بررسـی تـأثیر دمـا در انرژي تولیدي پنلهاي خورشیدي پرداخته اند. در مدل ارائه شـده توسط آنها بازده پنل به صورت خطی بـا تغییـرات دمـاي محـیط متناسب است. اما در دماهاي بالا بـازده پنـل افـت بیشـتري پیـدا میکند.[5]
در این مقاله به مدلسازي تأثیر دما روي بازده و انرژي تولیدي پنل پرداخته شده است.
مشخصه الکتریکی پنلهاي خورشیدي
مشخصه خروجی سلولهاي خورشیدي که با یک منبع جریان و دیود معکوس مطابق شکل1 زیر مدل میشوند، به شدت به دما بستگی دارد.[1] پارامترهاي پنلهاي خورشیدي در شـرایط STC1 بیان می شود. تحت ایـن شـرایط شـدت تـابش خورشـید W/m2 1000 دماي محـیط 25 درجـه سـانتیگراد و سـرعت بـاد 1 m/s میباشد.[1] لذا توان نامی، ولتاژ مدار باز، جریان اتصـال کوتـاه و
بازده در این شرایط به عنوان پارامترهاي هر پنـل بیـان مـیشـود. براي مثال مشخصات یک نوع پنل 235 وات در جـدول 1 آمـده است.[6]
ضرایب افت ولتاژ، جریان و توان، تغییرات این کمیتها با تغییر دماي سلول را بیان میکنند. لذا با افزایش دماي سلول، ولتاژ مدار باز افت میکند، جریان اتصال کوتاه زیاد میشود. اما توان که حاصل ضرب این دو کمیت است، با افزایش دما، کاهش مییابد. در شکل 2 مشخصه سلول خورشیدي نوعی و تأثیر دما در هر یک از پارامترهاي گفته شده نشان داده شده است.[1]
توان خروجی پنل خورشیدي در شرایط STC
یک پنل به مساحت A و بازده ماژول n در نظر بگیرید. توان خروجی این پنل در شرایط استاندارد (STC) که توان نامی نامیده یشود، برابر است با:[5] 1
براي مثال در پنلی که مشخصات آن در جدول 1 آورده شده است، توان نامی تحت شرایط STC برابر است با:
این توان همانطور که گفته شد توان نامی پنل میباشد.
دماي سلول هاي خورشیدي
دماي سلول هاي خورشیدي تابعی از دماي محیط و شدت تابش خورشید است. با افزایش دماي محیط دماي سلول نیز بیشتر میشود. از طرفی با افزایش شدت تابش خورشید نیز سلول گرم شده و دماي آن بیشتر میشود. دماي سلولهاي خورشیدي در شرایط محیطی مختلف با دماي محیط Tamb و شدت تابش R از رابطه تقریبی 2 بدست میآید.[1]
دماي سلول وقتی دماي محیط20 درجه سانتیگراد و شدت تابش 800 W/m2 و سرعت باد 1 m/s است برابر NOCT1 میباشد.[1] این کمیت به عنوان پارامترهاي پنل در برگه اطلاعات آن داده میشود، در پنل نمونه جدول 1 این مقدار 47.5 درجه سانتیگراد است.با توجه با رابطه فوق با افزایش دماي محیط، دماي سلول بیشتر میشود.
بنابراین دماي سلول به صورت مستقیم با دماي محیط و شدت تابش خورشید در ارتباط است.
توان خروجی پنل خورشیدي در حالت کلی
همانطور که گفته شد توان خروجی پنل با تغییرات دماي سلول تغییر میکند. ضریب تغییر دماي توان () براي پنلهاي مختلف متفاوت بوده و به عنوان یکی از پارامترهاي آن از طرف کارخانه سازنده اعلام میشود. توان خروجی پنل در شرایطی غیر از شرایط STC در دماي Tcell وشدت تابش R به صورت رابطه 3 قابل محاسبه است.[5]
Prated توان پنل در شرایط استاندارد است که توسط سازنده معرفی میشود و از رابطه 1 قابل محاسبه است.
بازده پنلهاي خورشیدي
بازده به عنوان یکی از پارامترهاي هر محصولی عبارت است از نسبت توان خروجی به ورودي. در مورد پنلهاي خورشیدي نیز بازده به صورت نسبت توان خروجی به توان ورودي تعریف میشود. توان ورودي پنل همان توان دریافتی از خورشید میباشد. براي پنل توصیف شده در جدول1 توان ورودي در شدت تابش R و دماي 25 درجه سانتیگراد برابر است با:[5]
که در شرایط استاندارد (STC) برابر است با:
از طرفی توان خروجی پنل در شرایط استاندارد مطابق جدول1 برابر 235 وات است. بنابراین بازده پنل توصیف شده در شرایط استاندارد، به صورت رابطه 6 قابل محاسبه است.[5]
با جایگذاري رابطه 3 و 5 در رابطه 6 داریم:
با جایگذاري روابط 4 و 2 در رابطه 7 داریم:
بازده پنل گفته توصیف شده در شدت تابش R و دماي Tamb برابر است با:
رابطه 9 در واقع بازده پنل را در دماي محیط مدل میکند.
رفتار دماي محیط
همانطور که گفته شد، دما سلول تابع دماي محیط است. دماي محیط اطراف زمین با تابش خورشید افزایش مییابد. رابطه ریاضی بین دماي محیط و شدت تابش وجود ندارد. اما چون از انتهاي شب تا موقع طلوع آفتاب، مقدار بیشتري از انرژي جذب شده توسط زمین و ذرات موجود در هوا از جو زمین خارج میشود. بعد از طلوع آفتاب، دماي محیط تحت تأثیر گرماي خورشید افزایش مییابد. بنابراین از نظر فیزیکی، کمترین دماي محیط هنگام طلوع آفتاب اتفاق میافتد. مطالعه دماي اندازهگیري شده در 24 ساعت در نقاط مختلف کره زمین نشان میدهد که دما از موقع طلوع آفتاب شروع به افزایش میکند و تا نزدیک غروب آفتاب زیاد میشود و 2 الی 3 ساعت قبل از غروب آفتاب به اوج خود میرسد و پس از آن کاهش یافته و نزدیک طلوع خورشید به کمینه خود میرسد. اما روند افزایش و کاهش دما در ساعات مختلف خطی نیست و به نوع و میزان ذرات موجود در هوا و میزان ابري بودن هوا و عوامل دیگر بستگی دارد. شکلهاي 3 و 4 و 5 رفتار دماي محیط را در سه شهر مختلف کشور نشان میدهد.[7]
با توجه به نمودارهاي زیر که دماي محیط را در یک روز مشخص از ماههاي مختلف نشان میدهد[2]، میتوان دما را به صورت شکل 6 مدل کرد.
همان طور که گفته شد کمترین دما در هنگام طلوع آفتاب اتفاق میافتد. اما بیشترین دما بعد از ظهر خورشیدي و نزدیک غروب آفتاب اتفاق میافتد. لیکن زمان آن به صورت دقیق مشخص نیست. به صورت تقریبی میتوان گفت که در زمستانها 2 الی 3 ساعت قبل از غروب خورشید و در تابستان ها 3 الی 5 ساعت قبل از غروب خورشید اتفاق میافتد و به طور میانگین توان می 3 الی 4 ساعت
قبل از غروب خورشید در نظر گرفت.
بنابراین اگر میانگین بیشینه و کمینه دماي محیط در یک ماه مشخص باشد، با توجه به اینکه طول روز در هر نقطه و در هر زمانی تابعی از زمان و مکان آن نقطه است، میتوان معادله دما بر حسب زمان را بدست آورد. اگر متوسط طول روز را در یک ماه، T و متوسط بیشینه دما را Tmax و کمینه دما را Tmin در نظر بگیریم و فرض کنیم که بیشینه دما 3 ساعت قبل از غروب آفتاب اتفاق میافتد، در این صورت منحنیبه دما در 24 ساعت صورت شکل 7 بوده و معادله آن به صورت روابطدر 10 میآید.
