بخشی از مقاله
چکیده
برای صرفه جویی در سیتم های خورشیدی روش های متفاوتی وجو دارند که هر کدام به نحوی به مبحث استخراج نقطه بیشینه توان می پردازد
در واقع یکی از شیوه های افزایش راندمان سیستم های فتوولتائیک تغییر بار و میزان شدت تابش به سلول های مذکور است این مقاله در ابتدا به مروری مختصر بر انواع روش هایب بیشینه توان می پردازد سپس سه روش مرسوم و متفاوت در این مبحث بررسی و هر کدام از روش ها به تفضیل بیان می گردد یکی از جنبه های اصلی در انتخاب روش های MPPT کارآمدی الگوریتم های ارائه شده می باشد
در این مقاله نشان خواهیم داد که هریک از روش ها با چه دقت میزان عملکردی پیاده سازی گردیند،در خاتمه به عنوان معیار و مقایسه سنجش میزان عملکرد هر یک از روش ها، پارامتر میزان درصد شارز باتری % SOC را معرفی خواهیم نمود،.به کمک این معیار و مقایسه هر یک از روش ها با یکدیگراز نتایج حاصله در روش های ارائه شده برای دقت ردیابی و استخراج نقطه بیشینه توان در نرم افزار متلب ،محیط سیمولینک راست آزمایی صورت می دهیم
1 مقدمه
استفاده از انرژی های پاک - انرژی های بدون آلایندگی - امروزه به طور فزاینده افزایش پیدا کرده است .یکی از انواع این نوع جایگاه خاصی در بین کشورها برخوردار شده است و پیشتاز عرصه مصرف انرژی های نو در جهان میباشد.[1] امروزه این کاربردها تنها %5. مصرف انرژی دنیا را به خود اختصاص می دهند و پیش بینی می شود تا سال 2050 م این مقدار به حدود % 45 خواهد رسیدکشورهای اروپایی در پروژه مشترکی تا سال 2050قصد دارند با نصب ماژول های pv در صحرای بزرگ آفریقا از انرژی خورشیدی این منطقه برای تامین برق اروپا استفاده کنند.
تحقیقات نشان می دهد تنها %3 بهره گیری از این نوع انرژی برای رفع نیاز برق قاره اروپا کافی خواهد بود[2] .تجدید پذیری، پاک بودن، قابلیت دسترس پذیری، ایستا بودن و پایان ناپذیری این نوع از انرژی از محاسن اصلی آن محسوب میشود.اهمیت درک این موضوع به نحوی است که اگر انسان می توانست کل انرژی که در طول یک روز به زمین ساطع می شود را مهار کند می توانست انرژی یک سال کره زمین را تامین کند
در واقع عدم وجود سیستم انتقال و توزیع برای تهیه انرژی برای مناطق روستایی دور افتاده که شبکه برق عمومی در دسترس نمی باشد تا تولید انرژی لازم برای فضاپیماهاوماهوارهای مخابراتی پیش از پیش لزوم استفاده از این نوع تکنولوژی را ضرورتی انکارناپذیر ساخته .روشهای متفاوتی برای تبدیل انرژی نور خورشید به انرژی الکتریکی وجود دارد اما پرکاربردترین روش استفاده از سلولهای فتوولتائیک میباشد.سلول فتوولتائیک وسیله ای است که نور خورشید را به طور مستقیم به الکتریسیته تبدیل می کند به طوری که وقتی سلولها در معرض فوتونهای نور قرار میگیرند در پایانههای خروجی آن الکتریسیته تولید می-شود[4]، اما با توجه به مشخصه غیر خطی جریان - ولتاژ سلول - شکل - 2- 1 و به طبع آن مشخصه توان سلول - شکل -3 - 4 به شدت به دوعامل محیطی میزان شدت تابش و دمای سلول بستگی دارد
شکل1 مشخصه جریان, ولتاژسلول خورشیدی در شدت تابش های مختلف[6] شکل2 مشخصه جریان, ولتاژسلول خورشیدی در دماهای مختلف
انرژی ها,انرژی خورشید است که در همه جا و در اغلب طول روز در دسترس است. امروزه سیستمهای خورشیدی از شکل3 مشخصه توان, ولتاژسلول خورشیدی در شدت تابش های مختلف[6] شکل4 مشخصه توان, ولتاژسلول خورشیدی در دماهای مختلف
هنگامی که این سلولها در معرض فتون نور قرار میگیرند در پایانههای خروجی آنها ولتاژی ایجاد میشود. اگر در خروجی باری قرار نداشته باشد این ولتاژ برابر ولتاژ مدار باز است و در این حال توان جذب شده صفر است. اگر در خروجی این سلولها بار کوچکی قرار گیرد این ولتاژ تقریبا ثابت باقی میماند اما با افزایش بار و جریان خروجی، ولتاژ شروع به کاهش میکند. چنانچه بار متصل به سلول از مقداری بیشتر شود، ولتاژ خروجی سلول به صفر میرسد و مجددا توان خروجی صفر میشود. با توجه با این مطالب میتوان گفت حداکثر توانی که میشود از یک سلول خورشیدی به ازای شدت تابش و دمای خاص استخراج نمود تنها به ازای یک ولتاژ و بار مشخص رخ میدهد
با توجه به هزینه بالای خرید و راهاندازی نیروگاههای خورشیدی، لازم است که هموار بیشترین توان از آنها استخراج شود تا سیستم از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشد. توجه به این امر وجود دنبال کننده های توان بیشینه را امری ضروری در سیستم دانسته. لذا برای استفاده از این سیستم ها باید تدابیری اندیشیده شود که سیستم همواره در حال استخراج و ردیابی توان در نقطه بیشینه کاری خود در هر حالت و شرایطی باشد در غیر این صورت تلفات توان به طرز چشمگیری افزایش و کاهش شدید بازده سیستم را در پی خواهیم داست[5] لذارسیدن به این مهم لزوم استفاده از یک دنبال کننده توان بیشینه - - MPPT که بتواند همواره در شرایط مختلف سلول فتوولتائیک را درنقطه توان بیشینه قرار دهد به جزئی ضروری در سیستم های فتوولتائیک تبدیل شده اشت
.2مدل مداری سلول خورشیدی
هر سلول خورشیدی را می توان با یک مدار معادل الکتریکی مدل نمود .مدل مرسوم و رایجی که شناخته و استفاده گردیه به عنوان مدل تک دیود معرفی می شودشکل.5در این مدل ولتاژ مدار باز و جریان اتصال کوتاه به عنوان دو پارامتر کلیدی در نظر گرفته می شوند.جریان اتصال کوتاه وابسته به میزان تابش و ولتاژ مدار باز تحت تاثیر نوع ماده و دما قرار دارد. مشخصه ولتاژ ,جریان آن را نیز می توان به کمک رابطه 1 محاسبه نمود. در واقع هدف از این کارتطبیق منحنی مشخصه های مدل شبیه سازی با منحنی مشخصه های سلول واقعی تحت شرایط محیطی مختلف می باشد . متشکل شدن تعداد زیادی سلول خورشیدی به صورت سری و موازی ماژول خورشیدی را متشکل و از سری و موازی شدن ماژول ها آرایه های خورشدی تشکیل می شود.
جدول 1متغیر های معادلات سلول فتوولتائیک
.3روش های جذب حداکثر توان در سیستم های فتوولتائیک
تاکنون بیش از 19 روش و تکنیک متفاوت برای استخراج و ردیابی نقطه حداکثر توان ارائه و اجرا گردیده است .[8] به وسیله MPPT حداکثر توان DC از آرایه های فتوولتائیک قابل دستیابی خواهد بود و هر یک از تکنیک های بسته به نوع پیاده سازی , پیچیدگی و کاربرد به نحوی این مهم را میسر میسازند.در واقع سلول خورشیدی وقتی دارای بیشترین بازده می باشد که در نقطه حداکثر توان کار کند .توان تولید شده به وسیله سیستم فتوولتائیک به عوامل اصلی شدت تابش و دمای سلول خورشیدی بستگی دارد که در آن شدت تابش و دمای سلول با زمان تغییر می کند پس نقطه حداکثر توان نیز تغییر می کند
روشهای جذب حداکثر توان را در یک دستهبندی کلی میتوان به سه گروه مختلف آنلاین، آفلاین و ترکیبی تقسیم کرد.[7] روش های آفلاین معمولا برای یک سلول خورشیدی خاص طراحی میشوند و تنها برای همان سلول خورشیدی قابلاستفاده هستند. این روشها بر اساس مدل فیزیکی سلول مورد مطالعه و با اندازه گیری یکی از مقادیر سلول مانند ولتاژ حلقه باز، جریان اتصال کوتاه، ویاشدت تابش کار میکنند.
روشها آفلاین عبارتاند از روش ولتاژ مدارباز[9]، روش جریان اتصال کوتاه[10] و روش های هوش مصنوعی شامل روشهای فازی شبکه عصبی.
این روش ها هزینه پیاده سازی نسبتاکمی دارند.در گروه دو از روش های استخراج حداکثر توان از سلول خورشیدی که به روش های آنلاین معروف هستند، معمولا ولتاژ یا جریان لحظهای بهمنظور تولید سیگنال کنترل استفاده میشوند. از آنجایی که در این روشها مکان بهینه نقطهکار از پیش مشخص نیست، در روش کنترلی با ایجاد تغییرات در زمان وظیفه مبدل DC/DC و سپس بررسی روند تغییرات توان خروجی نقطه کار بهینه پیدا میشود. از آنجایی که این روشها برای سلول بخصوص طراحی نمیشوند میتوان آنها را برای هر سلولی خورشیدی بهکار بست.
مهمترین و مرسوم ترین این روشها عبارتاند از روش [12]P&O، روش,[13]ESCروش .[14]IncCond گروه سوم از روش های استخراج حداکثر توان روشهای ترکیبی میباشند که در آنها از هر دو تکنیک آنلاین و آفلاین برای پیاده سازی روش استفاده می شود .در مقالات [15-16] به این نوع روشها پرداخته شده است
.4پیاده سازی روش های مورد نظر با استفاده از توپولوژی ارائه شده
همانطور که در اشکال 1 تا 4 معین شده در مقدمه اشاره نمودیم به ازای شرایط آب و هوایی - شدت تابش و دما - تنها در یک نقطه حداکثر توان تحویل می گردد - شکل 3وشکل . - 4 از این رو در اغلب سیستم های فتوولتائیک جهت تطبیق بار با آرایه خورشیدی به منظور جذب حداکثر توان یک مبدل سوئچینگ میان این دو قرار می گیرد. .همانطور که در شکل 6 مشاهده می کنیم مدل سیمولینک مورد نظر برای این مقاله از طرح فوق پیروی میکند.
شکل 6 مدل سیمولینک استفاده شده برای مدلسازی و شبیه سازی سیستم فتوولتائیک
هدف این سیستم این است که آرایه خورشیدی مورد نظر همواره درنقطه کار بهینه - - Pmax که نقطه بیشینه توان MPP مطابق شکل 3و4 می باشد کار نماید . به وسیله MPPT حداکثر توان الکتریکی ممکن از آرایه PV حاصل می شود این کار با جابه جایی نقطه کار الکتریکی آرایه PV انجام می گیرد
