بخشی از مقاله
چکیده -
هدف از این پژوهش بررسی عوامل محیطی موثر بر عملکرد سیستم های فتوولتائیک با استفاده از ابزار مدل سازی ارائه شده در نرم افزار متلب می باشد. در این مقاله ابتدا سعی شده است به جزئی ترین پارامترهای موثر بر رفتار سلولهای خورشیدی اشاره شده و سپس با تغییر پارامترهای بدست آمده در چندین گام، آنالیز حساسیت کرده تا دید کاملی از رفتار و عملکرد سلولهای فتوولتائیک تحت شرایط عملیاتی گوناگون بدست آوریم. در مطالعات و مدلسازی های انجام شده به این نتیجه می رسیم که ساعات و شدت تابش، دمای محیط، سرعت باد و جنس ماژول های فتوولتائیک در انرژی تولید شده تاثیر قابل توجهی دارند.
-1 مقدمه
در جهان امروزی با توجه به محدودیت در ذخایر سوخت های فسیلی و با در نظر گرفتن افزایش روزافزون آلودگی های زیست محیطی، طی چند دهه اخیر بشر سعی کرده با توسعه منابع انرژی تجدید پذیر از آن به عنوان یک جایگزین پایدار و در دسترس برای مصارف خود به ویژه در صنعت برق قرار دهد.
رشد سریع در صنعت برق که توسط عوامل متعددی از جمله بهبود رقابت مالی تکنولوژی های تجدیدپذیر، وضع سیاست های جدید توسط دولتها، دسترسی بهتر به تامین مالی، امنیت انرژی مولدهای تجدیدپذیر و نگرانی های زیست محیطی به وجود آمده است که سبب شده در کشورهای درحال توسعه و اقتصاد های نوظهور سعی در بهره مندی از انرژی های مدرن باشند.
از مهمترین سیستم هایی که می توان به وسیله آنها انرژی پاک تولید کرد توربین های بادی، سیستم های فتوولتائیک - - PV، پیل سوختی، بیوماس، انرژی زمین گرمایی و غیره می باشد که در بین موارد ذکر شده مولدهای سلول های فتوولتائیک به دلیل سادگی در نصب، قابلیت اطمینان بالا، هزینه تعمیر و نگهداری پایین، کارکرد بی صدا و مهم تر از همه عدم نیاز به سوخت و در نتیجه عدم آلایندگی زیست محیطی دارای اهمیت بسزایی در میان مولدهای انرژی تجدیدپذیر قرار گرفته است.
در چند سال اخیر با توجه به پیشرفت تکنولوژی و کاهش هزینه ها در ساخت سلول های خورشیدی و افزایش قابل توجه در راندمان این نوع سیستم ها، افزایش چشمگیری در بهره برداری از سیستم های فتوولتائیک صورت گرفته است. شکل - - 1 بیانگر افزایش ظرفیت استفاده از سیستم های فتوولتائیک بین سالهای 2005 تا 2015 می باشد.
شکل:1 ظرفیت بهره برداری از سیستم های فتوولتائیک در کشورها
با توجه به افزایش روزافزون بهره برداری از سیستم های فتوولتائیک و به منظور کاهش هزینه های نصب و راه اندازی و افزایش راندمان آن سیستمها، باید پیش بینی دقیق از عملکرد دینامیکی سیستم PV در شرایط عملیاتی در اختیار باشد. برای اینکار تمامی پارامترهایی که بر رفتار ماژول های فتوولتائیک تاثیر مستقیم و غیر مستقیم دارند باید شناسایی شده و تاثیر هریک از پارامترها، مورد مطالعه قرار گیرد تا دید کامل و جامع از رفتار سیستم فتوولتائیک و در نتیجه پیش بینی دقیق از انرژی تولید شده توسط این سیستم ها بدست آید.
اکثر مطالعات صورت گرفته در این زمینه، یک یا حداکثر دو پارامتر از عوامل تاثیر گذار بر سیستم PV را مورد بررسی قرار داده اند ولی در این مقاله ابتدا سعی می شود مدار معادل و مدل ریاضی مناسب برای سلولهای فتوولتائیک انتخاب شده، سپس تمامی پارامترهایی که در عملکرد و انرژی تولید شده توسط سیستم فتوولتائیک موثر می باشند را شناسایی کرده و تاثیر مستقیم و غیرمستقیم این پارامترها و همچنین تاثیر متقابل آنها را با استفاده از یک شبیه سازی جامع و کامل مطالعه و در انتها بر روی هر یک از پارامترهای بدست آمده آنالیز حساسیت کنیم.
-2 انرژی تولید شده توسط سلولهای فتوولتائیک
هنگام بهره برداری از سیستم های فتوولتائیک مهمترین مسئله که باید مد نظر قرار بگیرد میزان انرژی می باشد که سیستم با توجه به ابعاد، ظرفیت و راندمان می تواند در طول روز به مصرف کننده تحویل بدهد. به همین دلیل مطالعه عوامل موثر بر انرژی تولید شده در طول روز توسط PV مهم می باشد . به منظور محاسبه این انرژی می توان از رابطه زیر استفاده کرد.
در معادله - 1 - ، EPV میزان انرژی در مدت زمان t و PPV میزان توان لحظه ای تولید شده توسط سیستم می باشد. با توجه به اینکه مطابق معادله - 2 - توان لحظه ای برابر با حاصل ضرب ولتاژ در جریان می باشد، به منظور دستیابی به دقت کافی از رفتار PV تحت شرایط عملیاتی و با درنظر گرفتن سادگی در روابط ریاضی و انجام شبیه سازی ها، از مدل پنج پارامتری برای مدلسازی ماژول های فتوولتائیک استفاده می شود که مدل ریاضی آن مطابق فرمول - 3 - بوده و به مدار معادل آن در شکل - 2 - اشاره شده است
شکل :2 مدار معادل مدل تک دیودی با مقاومت سری و موازی
همان گونه که از فرمول - 3 - استنباط می شود پارامترهای ولتاژ و جریان و در نتیجه آن توان لحظه ای و انرژی خروجی در سیستم های فتوولتائیک تحت تاثیر مسقیم تابش و دمای سلول می باشند.
-1-2 محاسبه تابش موثر خورشید بر سطح سلولهای PV
با توجه به اینکه قدرت خروجی سیستم PV عمدتا به مقدار تابش خورشید که بر روی سطح ماژول می تابد بستگی دارد، و با در نظر گرفتن این نکته که بانک اطلاعاتی جامع در مورد میزان تابش برای روزهای مختلف سال برای تمامی مناطق کره زمین وجود ندارد و به منظور اعمال دقت هرچه بیشتر در محاسبات انجام شده، سعی می شود از روشهای اثبات شده ریاضی برای محاسبه میزان تابش در ساعات مختلف روزهای سال استفاده شود. به همین منظور فرمول ها و برخی از تعاریف مهم که در محاسبات میزان تابش موثر بر روی سطح صفحات خورشیدی لازم می باشند در زیر اشاره می شود
زاویه میل خورشید: زاویه بین خط استوا و خط فرضی از مرکز خورشید می باشد و به شماره روز از سال بستگی دارد. این زاویه با فرمول - 4 - محاسبه می شود که برای شمال خط استوا مقدار مثبت و برای جنوب خط استوا مقدار منفی می باشد. در این رابطه n شماره روز می باشد.
زمان خورشیدی و زاویه ساعت: زاویه ساعت خورشیدی با استفاده از موقعیت خورشید نسبت به ظهر خورشیدی در هر ساعت از روز و هر موقعیت مکانی قابل محاسبه می باشد. زاویه ساعت به میزان 15 درجه در هر یک ساعت تغییر می کند، به عبارت دیگر تغییر یک درجه به مدت چهار دقیقه طول می کشد. موقعیت ظاهری خورشید در آسمان با استفاده از رابطه زیر قابل بیان است:
در رابطه فوق ts زمان خورشیدی واقعی می باشد.
زاویه ارتفاع خورشید و زاویه سمت: زاویه ارتفاع خورشید زاویه بین اشعه خورشید و صفحه افقی زمین است. زاویه ارتفاع خورشید - - را می تواند برای هر مکان و زمان با استفاده از زاویه عرض جغرافیایی - L - ، میل خورشیدی، و زاویه ساعت خورشیدی توسط رابطه زیر محاسبه کرد:
زاویه دیگری که موقعیت خورشید را مشخص می کند زاویه سمت خورشیدی - - است. این یک زاویه در جهت عقربه های ساعت در سطح افق و با مبدا قرار دادن سمت شمال و به طرف محور فرضی اشعه خورشید می باشد و به وسیله رابطه - 7 - قابل محاسبه است:
در شکل - 3 - نیز می توان زاویه ارتفاع خورشید و زاویه سمت خورشید را به وضوح دید.
شکل:3 نمایش ساده از زاویه ارتفاع و زاویه سمت خورشید
حال می توانیم میزان تابشی که بر سطح ماژول های فتوولتائیک می تابد را محاسبه کنیم. در این مقاله تابش موثری که بر سطح پنل های خورشیدی اتفاق می افتد از سه بخش نور مستقیم، تابش پراکنده شده و تابش منعکس شده تشکیل شده است که در زیر به نحوه محاسبه هر یک از آنها اشاره می شود:
تابش مستقیم: تابش مستقیم جزئی از پرتوهای نور خورشید می باشد که به صورت مستقیم از طرف خورشید بر پنل ها تابیده و در اتمسفر زمین پراکنده نشده است. و با استفاده از فرمول زیر می توان محاسبه کرد:
در این رابطه A مقدار تابش خورشید در خارج از جو زمین، k ضریب عمق تابش و m ضریب جرم هوا زاویه بین اشعه های خورشید و ماژول ها می باشد که هر از این پارامتر ها را می توان توسط فرمول ها قابل محاسبه است.
تابش منتشر شده و منعکس شده: تابش منتشر شده آن بخش از نور خورشید می باشد که پس از برخود به جو زمین تغییر جهت داده و در اتمسفر زمین پخش شده است و مقدار آن به پرتو های مستقیم خورشید بستگی دارد. همچنین تابش منعکس شده، آن بخش از نور می باشد که توسط محیط اطراف بر سطح ماژول منعکس می شود و بخش کوچکی از تابش را دربر می گیرد و به ضریب انعکاس محیط اطراف ماژول بستگی دارد.
با مطالعه روابط فوق به این نتیجه می رسیم که عواملی که بر تابش موثر بر سطح ماژول های فتوولتائیک و در نتیجه بر انرژی تولید شده توسط آن تاثیر مستقیم یا غیرمستقیم دارند عبارتند از: زمان - شامل شماره روز سال و ساعت روز - ، عرض جغرافیایی - که در موقعیت خورشید در آسمان اثر گذاشته - و زاویه میل و زاویه شیب پنل و ضریب انعکاس محیط.
