بخشی از مقاله
بررسی و شناخت فنی انواع تکنولوژي مبدل هاي فتوولتائیک
چکیده
بحران انرژي در سالهاي اخیر، کشورهاي جهان را بر آن داشته که با مسائل مربوط به انرژي، برخوردي متفاوت نمایند که در این میان جایگزینی انرژيهاي فسیلی با انرژيهاي تجدیدپذیر، به منظور کاهش و صرفهجویی در مصرف انرژي، کنترل عرضه و تقاضاي انرژي و کاهش انتشار گازهاي آلاینده مورد توجه قرار گرفته است. از بین انواع مختلف انرژیهاي تجدیدپذیر، انرژي فتوولتائیک در سالهاي اخیر با رشد قابل توجهی روبرو شده است. اقبال و گسترش استفاده از این انرژي، لزوم دستیابی به دانش فنی تکنولوژیهاي مرتبط را ایجاب میکند.
یکی از مهمترین بخشها در یک سیستم فتوولتائیک، بعد از پنلهاي خورشیدي، اینورترهاي فتوولتائیک هستند که وظیفه تبدیل برق DC تولیدي پنلها به برق AC قابل تزریق به شبکه و یا قابل استفاده براي بارها و مصرفکنندگان را بر عهده دارند. باتوجه به اهمیت اینورترهاي فتوولتائیک به عنوان یکی از اجزاي کلیدي در یک سیستم فتوولتائیک و بادرنظر گرفتن گسترش روزافزون استفاده از این نوع انرژي، دستیابی به دانش فنی، بومیسازي و تجاريسازي آن در داخل کشور از اهمیت بالایی برخوردار میباشد. بررسی دقیق و ساختاري تکنولوژيهاي اینورترهاي فتوولتائیک، نخستین گام مهم درراستاي تدوین نقشه راه اکتساب فناوري مبدلهاي فتوولتائیک میباشد تا بتوان روشهاي دستیابی به این فناوري را بررسی و مناسبترین روش جهت انتقال آن به کشور را تعیین و اجرایی نمود. در این مقاله و درراستاي تدوین نقشه راه این فناوري، به بررسی و شناخت فنی انواع تکنولوژيهاي مبدل فتوولتائیک پرداخته خواهد شد.
کلمات کلیدي: فناوري، مبدلهاي فتوولتائیک، توپولوژي، بدون ترانسفورماتور، با ترانسفورماتور، اینورتر مرکزي، اینورتر رشتهاي، میکرواینورتر، کنترل اینورتر
مقدمه
کاهش چشمگیر قیمت سلولهاي فتوولتائیک در سالهاي اخیر و لذا کاهش قیمت تمامشده کل سیستم فتوولتائیک، همچنین تاکید جامعه جهانی بر کاهش تولید گازهاي گلخانهاي، ازجمله مواردي هستند که اهمیت کار بر روي سیستمهاي فتوولتائیک و دستیابی به تکنولوژيهاي مرتبط با آن را بیشتر میسازد. نصب سیستمهاي PV در کشورهاي مختلف جهان و حتی قاره آسیا در سالهاي اخیر و از سال 2012 به بعد با استقبال زیادي مواجه شده است. باتوجه به مزایا و گسترش روزافزون استفاده از این انرژي، واردات اینورترهاي فتوولتائیک از کشورها و سازندگان مختلف و استقبال از بومیسازي یا انتقال دانش فنی طراحی و ساخت آن در داخل کشور روبه افزایش است. این امر لزوم شناخت و توسعه بنیادین آن و ساماندهی به این بازار در کشور را موجب میگردد و گام نخست در این راستا، شناسایی و احاطه کامل بر ابعاد استراتژیک، فنی و کاربردي این تکنولوژي میباشد.
با وجود حجم کم محصولات تولیدي، اینورترهاي PV از سال 1980 در جمع محصولاتی قرار گرفتند که سازندگان تمایل به بهبود تکنولوژي آنها دارند. در سال 1980 اینورترها حجیم، سنگین با نصب دشوار، داراي قابلیت اطمی نان کم و بازدهی در حدود %90-%85 بودند. اولین خط تولید تجاري اینورترها در سال 1991 راه اندازي شد. این اینورترها با بازدهي حدود %90 داراي ولتاژ DC بسیار پایینی بودند . به همین دلیل یک اینورتر میتوانست فقط به یک یا دو پنل متصل شود. شکل 1، روند پیشرفت سه نسل از اینورترهاي فتوولتائیک را با توجه به نحوهي مجتمع سازي و رنج توانی نشان میدهد 1]و.[2
شکل :1 روند پیشرفت سه نسل از اینورترهاي فتوولتائیک
در سال 1995، اولین اینورتر رشتهاي (SMA SB 700 ) "Sunny Boy" با قابلیت اتصال به ماژولهاي سري شده و با بازدهی بالاتر و قابلیت اطمینان بیشتر وارد بازار شد. اینورترهاي نسل دوم با خنکسازي بهینه و جاسازي مجتمع تر در سالهاي بعد توسعه یافتند .[2 ,1]
در اواخر دههي 1990، سیستمهایی بدون نیاز به ترانسفورماتور و با طراحی فرکانس بالا (HF) با بازدهی بالاتر از %95 و قابلیت اطمینان بهبود یافته به بازار آمد [2] و این تکنولوژي روز به روز در حال پیشرفت میباشد.
عدم نیاز به سوخت و مشکلات سوخت رسانی بویژه در مناطق صعبالعبور، عدم نیاز به تعمیر و نگهداري مداوم و طول عمر مناسب، از جمله مزایایی است که در رشد و توسعه این سیستمها بهویژه در نقاط محروم کشور نقش عمده و بسزایی دارد. قابلیت اطمینان و عملکرد این سیستمها نیز موجب شده که تعداد متقاضیان آنها روز به روز افزایش یابد.
در ابتداي این مقاله تاثیر عملکردي اینورتر در سیستمهاي فتوولتائیک بیان میگردد. سپس انواع توپولوژيهاي مورد استفاده در طراحی اینورترهاي فتوولتائیک مانند مرکزي، رشتهاي و میکرو اینورتر بررسی و مقایسه میشود. در انتها پیشنهادهایی در
راستاي توسعه و افزایش بکارگیري سیستمهاي فتوولتائیک، در کاربردهاي مختلف خانگی، صنعتی و نیروگاهی ارائه خواهد شد.
-1 جایگاه اینورتر در سیستمهاي فتوولتائیک
از اینورتر که توان DC تولید شده توسط پنلهاي خورشیدي را به توان AC قابل استفاده براي شبکه و دیگر بارهاي AC تبدیل میکند به عنوان قلب سیستمهاي فتوولتائیک نام برده میشود. اینورتر همچنین به کنترل و مانیتورینگ سیستم فتوولتائیک نیز میپردازد . این امر باعث حصول اطمینان از عملکرد بهینهي پنلهاي خورشیدي از یک سو و نظارت بر شبکه از سوي دیگر میشود. به طور کلی یک اینورتر فتوولتائیک داراي مشخصههایی از قبیل داشتن بازده تبدیل بالا، ردیابی نقطهي حداکثر توان در نمودار جریان-ولتاژ پنل خورشیدي، نظارت بر شبکه و انرژي تولید شده از پنلها، دارا بودن حفاظتهاي مختلف و قابلیت ارتباط با سیستمهاي مرکزي نظارت و کنترل میباشد . [2] اینورترها نه تنها نقش بسیار مهمی در عملکرد و بازده سیستمهاي فتوولتائیک دارند بلکه میتوانند در کاهش اثراتی که سیستمهاي فتوولتائیک به دلیل عدم ثبات در تولید توان بر شبکه دارند، نیز تاثیرگذار باشند . همچنین اینورترهاي فتوولتائیک جدید قابلیت جبران سازي هارمونیکهاي جریان و توان راکتیو حتی در هنگام شب را دارا هستند. شکل 2 روند رو به رشد ظرفیت و ارزش بازار اینورترهاي فتوولتائیک از سال 2013 و پیشبینی آن تا سال 2018 را نمایش میدهد.
شکل :2 ظرفیت اینورترهاي فروخته شده و ارزش بازار آنها از سال 2013 تا پیش-بینی آن در سال [3] 2018
اینورترهاي فتوولتائیک بسته به نوع و ظرفیت سیستم فتوولتائیکی که در آن مورد استفاده قرار میگیرند، در ظرفیتها و با توپولوژيهاي گوناگونی طراحی میشوند . توپولوژيهاي مختلف به کار رفته در طراحی اینورترهاي فتوولتائیک نه تنها بر عملکرد فنی و بازده اینورتر، بلکه برقیمت تمام شده و دیگر ابعاد اقتصادي آن نیز تاثیرگذار میباشد .[3]
-2 انواع توپولوژي اینورترهاي فتوولتائیک
به طور کلی سیستمهاي فتوولتائیک به سه دستهي مستقل از شبکه، هیبرید و متصل به شبکه تقسیم میشوند. در سیستم-هاي فتوولتائیک بسته به نوع و ظرفیت آنها از انواع مختلف اینورترها استفاده میشود.
-1-2 توپولوژیهاي سیستمهاي مستقل از شبکه و هیبرید
سیستم هاي مستقل از شبکه توان DC پنل هاي خورشیدي در بانک باتري ذخیره و در صورت نیاز به توان AC این بانک به اینورتر متصل میشود. در سیستمهایی که داراي ذخیرهساز باتري میباشند، عمدتاً از اینورترهاي چند سطحی استفاده می-
شود. متداولترین توپولوژيها براي اینورترهاي چندسطحی عبارتند از: -1 مبدل -2 .NPC خازن شناور . -3 پل H آبشاري. -4 چند ترانسفورماتوري. -5 پل H آبشاري با ترانسفورماتور چند سیمپیچه. -6 پل H آبشاري با مبدل DC ایزوله. -7 چند منبعی. -8 ترانسفورماتور چند سیمپیچه. -9 توپولوژي مدولار .[4]
ازمیان توپولوژیهاي متداول براي اینورترهاي چند سطحی، سه نوع چند ترانسفورماتوري، ترانسفورماتور چند سیمپیچه و پل H آبشاري با ترانسفورماتور چند سیمپیچه براي کاربردهاي فتوولتائیک مستقل از شبکه با قابلیت اتصال به باتري، مناسب می-باشند که در ساخت نمونههاي تجاري نیز از آنها استفاده میشود. به عنوان نمونه توپولوژي ترانسفورماتور چندسیمپیچه در شکل 3 نشان داده شده است. اینورترهایی با توپولوژي ترانسفورماتور چند سیمپیچه عموماً بازده بیشتري نسبت به بقیه، دارند مشکل اصلی این توپولوژي تعداد نسبتاً زیاد کلیدها در خروجی میباشد.
شکل :3 توپولوژي ترانسفورماتور چند سیمپیچه
سیستمهاي هیبرید به ترکیبی از منابع انرژي تجدیدپذیر مانند سیستمهاي فتوولتائیک و توربینهاي بادي با موتور ژنراتورها و سیستمهاي ذخیره ساز گفته میشود. در این سیستمها نیز مانند سیستمهاي مستقل از شبکه اینورتر به خروجی سیستم ذخیرهساز (باتري) متصل شده و به همین علت توپولوژيهاي به کار رفته براي این اینورترها معمولاً شبیه اینورترهاي مستقل از شبکه میباشد.
به سیستمهاي فتوولتائیک که خروجی AC اینورتر آنها به شبکه برق متصل باشد، سیستم فتوولتائیک متصل به شبکه می-گویند. در این سیستمها، اینورتر به عنوان رابط بین پنلهاي خورشیدي و شبکه برق قرار دارد. جریان DC تولید شده توسط سلولهاي خورشیدي توسط این اینورتر براي تغذیه شبکه به AC تبدیل میشود. این سیستمها میتوانند داراي سیستمهاي ذخیرهساز (مانند باتري) نیز باشند.
-2-2 توپولوژیهاي سیستمهاي متصل به شبکه
اینورترهاي متصل به شبکه میبایست داراي مشخصههایی از قبیل خروجی سینوسی با کیفیت، پیروي از ولتاژ و فرکانس شبکه، استخراج توان ماکزیمم از پنلهاي خورشیدي و مشاهده تمام فازهاي شبکه باشند. انواع مختلفی از اینورترها با توپولوژيهاي گوناگونی در سیستمهاي متصل به شبکه استفاده میشوند .[4]
براي ایزوله کردن الکتریکی آرایههاي فتوولتائیک از شبکه میتوان از یک ترانسفورماتور در اینورترها استفاده نمود . استفاده و یا عدم استفاده از ترانسفورماتور در اینورترها آنها را به دو گروه اینورترهاي با و بدون ترانسفورماتور تقسیم میکند.
ایزولاسیون گالوانیک می تواند در طرف DC و به شکل یک ترانسفورماتور فرکانس بالاي DC به DC و یا در طرف AC و به شکل یک ترانسفورماتور بزرگ AC باشد. اگرچه هردوي این راه حلها باعث بالا رفتن ایمنی و وجود ایزولاسیون گالوانیک میشوند، اما استفاده از ترانسفورماتور داراي اشکالاتی از قبیل تلفات بالا، نیاز به فضاي بیشتر و ایجاد سر و صدا در هنگام کار میباشد. پیش تر در اینورترهاي فتوولتائیک براي ایجاد ایزولاسیون گالوانیک از ترانسفورماتورهاي فرکانس پایین 50 Hz) یا ( 60 Hz استفاده میکردند. امروزه به دلیل تلفات و حجم زیاد این ترانسفورماتورها، از ترانسفورماتورهاي فرکانس بالا (20 kHz) استفاده میشود.
الف- اینورترهاي فتوولتائیک داراي ترانسفورماتور
ازجمله توپولوژيهاي داراي ترانسفورماتور که در اینورترهاي فتوولتائیک استفاده میشوند، عبارتنداز: - اینورتر با ترانسفورماتور فرکانس بالا،
در این اینورتر از ترانسفورماتورهاي فرکانس بالا با هسته فریت استفاده میشود تا مشکلاتی ازقبیل سنگینی و هزینهبر بودن وجود ترانسهاي فرکانس پائین، مرتفع گردد. در شکل 4 یک سیستم فتوولتائیک متصل به شبکه با ترانسفورماتور فرکانس بالا نمایش داده است. در اینجا یک اینورتر PWM فرکانس بالا براي تولید یک خروجی AC با فرکانس بالا در سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور فرکانس بالا استفاده شده است. ولتاژ ثانویه این ترانسفورماتور با استفاده از یکسو کننده فرکانس بالا یکسو می-شو و ولتاژ DC به واسطه یک اینورتر تریستوري از طریق فیلتر پایین گذر سلفی به شبکه متصل میشود.
شکل :4 اینورتر فتوولتائیک با ترانسفورماتور فرکانس بالا
- اینورتر داراي مبدل فلايبک (Flyback)،
در این نوع مبدل ابتدا سطح ولتاژ سیستم فتوولتائیک به سطح باس DC میرسد، سپس توسط یک مبدل PWM به شبکه متصل می شود. این توپولوژي که در شکل 5 دیده میشود از پیچیدگی و تعداد سوییچهاي کمتري نسبت به سایر توپولوژيها میباشد. به همین خاطر می تواند گزینه مناسبی براي استفاده در مناطق دوردست باشد.
شکل :5 مبدل فلايبک
ب- اینورترهاي فتوولتائیک بدون ترانسفورماتور
اینورترهاي بدون ترانسفورماتور که به جاي ترانسفورماتور داراي یک مبدل DC بوست هستند، از اینورترهاي داراي ترانسفورماتور تلفات به مراتب کمتري دارند. امروزه اکثر ماژولهاي خورشیدي با ایمنی ردهي II (عایق دوبل) تولید میشوند. به همین خاطر نیاز به وجود یک ایزولاسیون گالوانیک اضافه که توسط یک ترانسفورماتور محقق میشود، نمیباشد. وجود یک ترانسفورماتور میتواند سبب کاهش بازده اینورتر تا %2 و افزایش قیمت تمام شده ي آن شود. در مقابل اینورترهاي بدون ترانسفورماتور با بازده بالاتر و حجم و وزن کمتر میتوانند جایگزین اینورترهاي با ترانسفورماتور شوند. مکانیزمهاي ایمنی اضافی مانند آزمونهاي مقاومت ایزولاسیون و کنترل جریان پسماند توسط کلید محافظ جان میتوانند اینورترهاي بدون ترانسفورماتور را ایمنتر از انواع با ترانسفورماتور آنها سازند. بر اساس گزارشات موسسهي تحقیقاتی انرژي خورشیدي Fraunhofer ISE، امروزه بیش از 40 توپولوژي بدون ترانسفورماتور براي اینورترهاي فتوولتائیک وجود دارد که اکثر آنها از دو نوع اینورتر پایهي پل H و NPC مشتق شدهاند.[ 10] در اینجا به توپولوژیهاي مشتق شده از پل H که در کاربردهاي تجاري بیشتر استفاده شدهاند، اشاره شده است.
- اینورتر با توپولوژي H4،
مدار اینورتر فتوولتائیک تکفاز با توپولوژي H4 یا پل H در شکل 6 مشاهده میشود. این اینورترهايمعمولاً داراي بازده بین 96% تا %97 در سطح توان زیر 10 kW میباشند.
