بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به نگرانیها در خصوص اتمام سوختهای فسیلی و همچنین آلودگیهای زیستمحیطی، برنامهریزی سیاستهای جهانی مبنی بر استفاده از انرژیهای نو میباشد. انرژی خورشیدی پیشتاز این عرصه بوده و رشد سریعی در جهان داشته است. با توجه به نصب تجهیزات نیروگاههای خورشیدی در فضای باز و پشتبامها، احتمال برخورد صاعقه وجود دارد که تنشهای الکتریکی ناشی از آن میتواند باعث تخریب سلولهای فتوولتائیک شود. ازاینرو در این مقاله با مدلسازی و شبیهسازی سیستمهای فتوولتائیک دانشگاه بیرجند در محیط EMTP-RV، تأثیربرخورد مستقیم و غیرمستقیم صاعقه در دو رویکرد بررسی و نتایج حاصل از آن با یکدیگر مقایسه میشود.
کلید واژه- سیستمهای فتوولتائیک؛ صاعقه؛ اضافهولتاژ؛ .EMTP-RV
-1 مقدمه
امروزه شبکههای قدرت در سراسر جهان با مشکلاتی نظیر کاهش تدریجی منابع سوخت فسیلی، بازده انرژی پایین و آلودگی زیستمحیطی روبهرو میباشند. لذا این مطلب موجب گرایش به تولید محلی توان در سطوح ولتاژ توزیع و فوق توزیع توسط منابع تجدیدپذیر و بهخصوص سیستمهای فتوولتائیک شده است. با توجه به اینکه سلولهای خورشیدی در فضای باز و پشتبامها نصب میشوند، احتمال برخورد مستقیم یا غیرمستقیم صاعقه به آنها وجود دارد. اصابت صاعقه به ماژولهای فتوولتائیک - PV - منجر به شکست الکتریکی و تخریب آنها میشود. ساختمان یک پنل خورشیدی شامل کریستال سیلیکون سلولهای PV در شکل 1 نشان دادهشده است .[1]
تنشهای الکتریکی صاعقه باعث شکست سلولهای سیلیکونی خورشیدی میشود .[2] اغلب، صاعقه بهوسیلهی کوپلاژ الکترومغناطیسی و یا برخورد مستقیم به سیستمهای فتوولتائیک آسیب میرساند 3] و.[4 مکان مورد اصابت صاعقه، در تعیین خسارت وارده به سیستم نقش مهمی دارد 5] و.[6 اگر میزان موج ضربه صاعقه برخوردی به ماژول فتوولتائیک مقداربالایی داشته باشد، به سیستم خسارتهای جدی وارد میکند .[7] ولتاژ القایی ناشی از برخورد غیرمستقیم صاعقه نیز میتواند باعث شکست الکتریکی در سیستمهای فتوولتائیک گردد .[8] بالا بودن پیک جریان صاعقه، مشخصه جریان- ولتاژ سلول خورشیدی را تغییر و درنتیجه خسارتهای فیزیکی به ماژول وارد میکند .[9] آزمایشها و پژوهشهای اخیر در رابطه با تخریب ماژولهای فتوولتائیک بیشتر بر روی اشعه ماورا بنفش، رطوبت، تغییرات دما، نمک و گردوغبار و شرایط آب و هوایی مانند باد، برف، باران و تگرگ متمرکز شده است .[12-10]
در ابتدا حفاظت سلولهای خورشیدی بر استفاده از میلههای صاعقهگیر و یا سیمهای زمین با کابلکشی هوایی متمرکز بود 13]و.[14 بر این اساس در [15] سطح قابلیت اطمینان سلولهای خورشیدی زمین شده و زمین نشده باهم مقایسه شدند. مرجع [16] به بررسی تأثیر شکل سازه، شکل موج صاعقه و نقطه برخورد آن بر اضافهولتاژهای القایی تولیدشده پرداخته است. هرچه فاصله سیستم حفاظت خارجی تا آرایه فتوولتائیک بیشتر شود، مقدار اضافه ولتاژ القایی ناشی از برخورد غیرمستقیم صاعقه هم کمتر خواهد شد .[17] مقایسه بین طراحی سیستم-های حفاظتی خارجی - صاعقهگیر - متصل به آرایه فتوولتائیک و بهصورت جدا از آن در [18] بررسیشده است.
نحوه زمین کردن سیستم فتوولتائیک و شکل الکترودهای زمین در کاهش اثر صاعقه در 19]و[18 بررسیشده است. تأثیر سرعت موج ضربه برگشتی در ولتاژهای القایی در نقاط مختلف سیستم فتوولتائیک در [20] بررسیشده است. مرجع [21] به بررسی کلی خسارات وتأثیر موج ضربه صاعقه بر روی نیروگاه خورشیدی میپردازد. استفاده از استاندارد [22] IEC 61024 و [23] IEC 61312 نیز در 24]و[25 بهمنظور حفاظت سیستمهای فتوولتائیک مطرح شده است.در این مقاله با یک مطالعه موردی جدید، تأثیر برخورد صاعقه به سیستمهای فتوولتائیک دانشگاه بیرجند با دو رویکرد مورد تحلیل و بررسی قرار میگیرد. در رویکرد اول، تأثیر برخورد مستقیم صاعقه و اضافه ولتاژهای تولیدی ناشی از آن در محیط EMTP-RV و در رویکرد دوم اضافهولتاژهای القایی تولیدشده ناشی از برخورد صاعقه به سیستم حفاظت خارجی متصل به آرایه فتوولتائیک و جدا از آن پرداخته میشود.
-2 معرفی نیروگاه خورشیدی دانشگاه بیرجند
ستاد توسعه فناوری انرژی های نو در راستای توسعه فناوری انرژی فتوولتائیک - خورشیدی - در کشور در سال 1389 اقدام به حمایت از طرح احداث 17 نیروگاه فتوولتائیک 20 کیلووات در مراکز دانشگاهی و پژوهشی نمود. اهداف طرح عبارتند از:
-توسعه کاربرد فناوری انرژی های تجدیدپذیر به ویژه انرژی خورشیدی - فتوولتائیک - در کشور،
-ایجاد بستری برای پژوهش و توسعه دانش و کاربرد انرژی فتوولتائیک در دانشگاهها و صنعت،
-ایجاد پایگاه داده برای تحلیل اقتصادی و فنی نیروگاههای فتوولتائیک در اقلیم های مختلف کشور.
کمیته علمی- اجرایی نیروگاه در خرداد ماه 1391 در دانشگاه بیرجند تشکیل شده و بر اساس دستورالعمل اجرایی ستاد توسعه فناوری انرژی های نو عملیات اجرایی ظرفیت مصوب را در دو فاز مجزا مصوب نمود. فاز اول 15 کیلووات به صورت متصل به شبکه - On Grid - با پایه ثابت از طریق شرکت آریاسولار صنعت با همکاری، نظارت دقیق و پیگیری کمیته علمی - اجرایی نیروگاه در مدت 3 ماه اجرا و از تاریخ 91/6/19 مورد بهرهبرداری قرار گرفته که تاکنون 88000 کیلووات ساعت انرژی الکتریکی تولید کرده است. فاز دوم شامل 3 کیلووات به صورت جدای از شبکه - Off Grid - ، 6 کیلووات متصل به شبکه، در مجموع 9 کیلووات مجهز به دنبال کننده خورشید - Tracker - با استفاده از پتانسیل موجود در دانشگاه با پیشرفت 90 درصد هم اکنون در حال اجراست. در پایان فاز دوم ظرفیت نصب شده نیروگاه فتوولتائیک دانشگاه بیرجند 24 کیلووات متشکل از 8 ماژول 3 کیلوواتی خواهد بود. شکل 2 نمای کلی نیروگاه خورشیدی موردنظر را نشان میدهد. با توجه به شرایط آب وهوایی منطقه مطابق جدول 1، نمودار متوسط شدت تابش لحظه-ای و نمودار متوسط دمای محل احداث پروژه در ماههای مختلف سال به ترتیب در شکلهای 3 و 4 آمده است.
-1-2 سیستم مورد مطالعه
در این تحقیق، مطالعه بر روی بخش متصل به شبکه 15 کیلوواتی در حال بهره برداری نیروگاه 24 کیلوواتی دانشگاه بیرجند صورت گرفته است. آرایه 15 کیلوواتی دارای 5 ماژول 3 کیلوواتی هر کدام شامل 15 پنل 200 واتی می باشند. به منظور بهرهبرداری حداکثری از توان نصب شده آرایه خورشیدی، کاهش کابل کشی و کاهش تلفات، از اینورتر سه فاز 15 KW جهت تزریق توان به شبکه استفاده شده است. پنلهای موجود در هر ماژول با یکدیگر سری شده و خروجی ماژولها به طور مجزا به ترمینالهای ورودی اینورتر متصل شدهاند.
-3 محاسبه اضافه ولتاژهای ناشی از صاعقه
در این بخش به محاسبه اضافه ولتاژهای ناشی از برخورد صاعقه به سیستم مورد مطالعه پرداخته میشود. به همین منظور دو رویکرد کلی برای محاسبه این اضافه ولتاژها در نظر گرفته می-شود. رویکرد اول ناشی از برخورد مستقیم صاعقه به آرایهی فتوولتائیک بدون سیستم حفاظتی و رویکرد دوم ناشی از برخورد غیرمستقیم صاعقه است.
-1-3 رویکرد اول
در این بخش فرض شده که صاعقه مطابق شکل 5مستقیماً به سیستم فتوولتائیک فاقد سیستم حفاظتی برخورد میکند. در این حالت جریان صاعقه به دو مسیر مختلف در طول آرایه فتوولتائیک منحرف میشود. برای بررسی این رویکرد، شبکه مقاومتی پنل خورشیدی در محیط EMTP-RV پیادهسازی شده است. سپس با اعمال یک موج ضربه صاعقه با مدل نمایی رابطه - 1 - ، اضافهولتاژهای نقاط مختلف سیستم فتوولتائیک محاسبه شده و با یکدیگر مقایسه میشوند .[22-23] شبکه مقاومتی آرایه فتوولتائیک شامل 15 عدد ماژول در محیط نرمافزار در شکل 6 نشان داده شده است.1و 2 ثوابت مدلکننده زمان پیشانی و پشت موج هستند که به ترتیب دارای مقادیر: 1/2 و 50 میکروثانیه و Ip جریان ماکزیمم 10 - کیلوآمپر - است.همانطور که در شکل 6 مشاهده میشود صاعقه به نقطه S1 برخورد کرده و اضافه ولتاژهای ناشی از جاری شدن جریان صاعقه در نقاط S1 تا S8 مربوط به پنل خورشیدی در نرمافزار EMTP-RV شبیهسازی و نتایج آن در شکلهای 7 و 8 نشان داده شده است. مقادیر ماکزیمم اضافه ولتاژ بهصورت عددی در جدول 2 آمده است.
