بخشی از مقاله
چکیده
از آنجائیکه توان الکتریکی تامین شده توسط سیستمهای خورشیدی به دما و میزان تابش بستگی دارد، کنترل نقاط کار برای تولید ماکزیمم توان سیستم خورشیدی، ضروری است. هدف از این مقاله ارائه روشی جدید جهت دنبال کردن نقطه ماکزیمم توان کلی یک سیستم خورشیدی تحت شرایط سایه با استفاده از الگوریتم بهبود یافته اجتماع پرندگان و بکارگیری دو ذره جدید با مقادیر تصادفی و متفاوت از مقادیر ذرات اصلی می باشد تا در صورت پیدا شدن نقطه ماکزیمم جدید، نقاط ماکزیمم قبلی را رها کند و از نقاط جدید استفاده نماید و همچنین مشخصات نقطه جدید را نیز ذخیره کند. در نتیجه با ایجاد مقادیر تصادفی، روش ازدحام ذرات گرفتار نقاط ماکزیمم محلی نخواهد شد و به سمت نقاط ماکزیمم کلی حرکت خواهد کرد. و در عین حال بدلیل امکان ذخیره سازی مشخصات نقطه ماکزیمم کلی، سرعت عمل بالا رفته و در میزان مصرف انرژی نیز صرفه جویی می گردد و همچنین سرعت همگرائی افزایش میابد.
واژه های کلیدی
الگوریتم بهبود یافته اجتماع ذرات، نقطه ماکزیمم توان کلی، سلول خورشیدی.
مقدمه
با توجه به محدودیت سوخت های فسیلی و معایب استفاده از این سوخت ها، استفاده از انرژی تجدیدپذیر به خصوص سلول های خورشیدی گسترش چشمگیری داشته است. همچنین انرژی خورشیدی یکی از مهمترین و پرکاربرد ترین منبع تامین انرژی الکتریکی در ماهواره ها و فضاپیماها نیز میباشد. باتریهای خورشیدی یا سلولهای خورشیدی ابزارهای الکترونیکی هستندکه با استفاده از پدیده فتوولتائیک، نور یا فتون را مستقیما به انرژِی الکتریکی تبدیل میکنند. توان خروجی این ماژول ها علاوه بر شدت تابش خورشید، به دمای محیط ، طول عمر، مشخصه بار و به خصوص ولتاژ خروجی آن وابسته است.[1] همچنین با توجه به اینکه حداکثر توان دریافتی از سلولهای خورشیدی وابسته به متغیرهای غیرخطی مختلفی است و دمای محیط و شدت تابش خورشید نیز متغیر است لذا یک سیستم فتوولتائیک سیستمی غیرخطی می باشد و در طراحی کنترل کننده
این نکته باید مدنظر واقع شود.[2] لذا کنترل کننده باید به صورت پیوسته حداکثر توان دریافتی از سلول خورشیدی را ردیابی کند. که این کنترل کننده سیستم دنبال کننده ماکزیمم توان سلول خورشیدی نامیده می شود. شاخص اصلی در بکارگیری این کنترل کننده ها شامل نحوه ردیابی نقطه ماکزیمم توان، زمان دستیابی، نوسانات و هزینه و پیچیدگی سخت افزاری و تجهیزات موردنیاز میباشد. [3] روشهای پیشنهادی دنبال کننده حداکثر توان را میتوان به طور کلی در 3 گروه دسته بندی کرد: -1روش مستقیم -2 روشهای هوش مصنوعی -3روشهای غیرمستقیم. درگروه اول روشهایی همچون انحراف و مشاهده [4] وزنی سه نقطه، ردیابی نقطه ی توان ماکزیمم بر اساس ولتاژ بر اساس جریان و هدایت افزایشی [5] قراردارند.
در روش های گروه اول مانند انحراف و مشاهده، سیستم دنبال کننده نقطه ماکزیمم بطور مستقیم و بطور مکرر اطلاعات خروجی آرایه های خورشیدی را دریافت و به ردیابی نقطه ماکزیمم توان می پردازد این روش ها عملکرد قابل قبولی دارند و به راحتی قابل پیاده سازی هستند، ولی از طرف دیگر روشهای دوم مانند هوش مصنوعی عملکرد بهتری از خود نشان میدهند و دارای دقت بیشتری می باشند ولی پیاده سازی پیچیده تری دارند و نسبتاً به پردازنده هایی با کارایی بالا احتیاج دارند،
در این روش، سیستم ردیاب نقطه ماکزیمم توان با استفاده از اطلاعات خروجی سیستم خورشیدی، پس از تجزیه و تحلیلات پیچیده و با استفاده از روش های هوشمند، به محاسبه نقطه ماکزیمم توان خورشیدی پرداخته و سپس تغییرات موردنیاز به مبدل الکترونیکی را اعمال می کند که بکارگیری این روش نیاز به سخت افزار پرقدرتی جهت اجرای برنامه مورد نظر دارد. کاهش قیمت و همچنین افزایش کارایی مدارات دیجیتال باعث افزایش استفاده ازاین روش ها در سالهای اخیر شده است.در روش سوم یا غیرمستقیم، سیستم ردیاب نقطه ماکزیمم توان بصورت غیرمستقیم و با استفاده از مشخصات سلول خورشیدی بکارگرفته شده، که این اطلاعات از قبل ذخیره شده است، به ردیابی نقطه ماکزیمم توان می پردازد. مزیت این روش سادگی آن و نیاز به تجهیزات ساده می باشد ولی محدود بودن آن به یک سلول مشخص وپارامترهای تعیین شده از معایب آن ها می باشد.
یکی از روش های مستقیم دنبال کردن نقطه ماکزیمم توان استفاده از روش ازدحام پرندگان می باشد که به علت سادگی و سهولت پیاده سازی به صورت گسترده برای کنترل نقطه ماکزیمم توان استفاده میشود اما در صورت تخمین نادرست این روش از محدوده بهینه سراسری، این الگوریتم گرفتار بهینه محلی شده و قادر به تعیین بهینه سراسری نمیباشد. در این مقاله با اصلاحاتی، قابلیت روش الگوریتم پرندگان را در فرار از نقاط بهینه محلی افزایش میدهیم. دراین مقاله طراحی یک سیستم کامل ردیابی حداکثر توان سلول خورشیدی با استفاده از روش بهبود یافته ازدحام پرندگان و مبدل DC/DC از نوع تمام پل مورد بررسی قرار گرفته است . یک ردیاب نقطه حداکثرتوان، یک مبدل DC/DC است که خروجی سلول خورشیدی را طوری تنظیم میکند که مستقل از بار در نقطه حداکثر توان کار کند.
ساختار کلی سیستم فتوولتائیک
وظیفه اصلی آن تنظیم ولتاژ یا جریان خروجی سلول به یک مقدار متناظر با حداکثر توان قابل تحویل به باراست. شکل - 1 - نشان دهنده ساختار کلی یک سیستم فتوولتائیک می باشد که شامل سیستم فتوولتائیک جهت تولید انرژی الکتریکی از نور می باشد، همچنین هر سیستم تولید برق از سلول های خورشیدی شامل سه بخش می باشد: آرایه های خورشیدی، مبدل الکتریکی و سیستم دنبال کننده نقطه ماکزیمم توان - مطابق شکل . - 1 همچنین شامل دو سنسور جهت اندازه گیری ولتاژ و جریان خروجی از آرایه های خورشیدی می باشد که با توجه به آن، سیستم دنبال کننده نقطه ماکزیمم توان شروع به تولید پالس مربعی نموده و بدینوسیله به کنترل مبدل الکتریکی می پردازد. شامل منبع جریان معادل تولید کننده جریان از نور، مقاومت موازی، مقاومت سری و دیود موازی با منبع جریان می باشد.[6] با اتصال سلول ها بصورت سری ولتاژ خروجی افزایش میابد و با اتصال موازی سلول ها، میزان جریان دهی خروجی افزایش میابد. در زمان قرار گرفتن تعدادی از سلول ها در سایه ناشی از درختان و یا اشیا فیزیکی، تعدادی از سلول ها در سایه قرار گرفته و توان آنها کاهش میابد و موجب کاهش توان خروجی می گردد. شکل - 3 - نحوه اتصال سری و موازی سلول های خورشیدی و قرار گرفتن برخی از آن ها در شرایط سایه را نشان می دهد.
ماکزیمم توان کلی و محلی
تغییرات شرایط محیطی همچون تغییرات میزان تابش، دما و شرایط سایه موجب پیدایش چندین نقطه ماکزیمم توان می گردد که تنها یکی از این نقاط که بیشترین مقدار را دارد، نقطه ماکزیمم توان کلی می باشد و بقیه نقاط محلی می باشند. در شکل - - 4 نقاط ماکزیمم توان کلی و محلی نشان داده شده است.
آرایه های خوشیدی
هر آرایه خورشیدی متشکل از ماژول های خورشیدی می باشد و هر ماژول خورشیدی متشکل از سلول های خورشیدی می باشد یک سلول خورشیدی همانند یک دیود از اتصال دو نیمه هادی p-n تشکیل می گردد که توانایی تبدیل نور به انرژی الکتریکی را دارد. شکل:4 نقاط ماکزیمم توان کلی و محلی [7] شکل - 2 - مدار معادل یک سلول خورشیدی را نشان می دهد که بکارگیری نقاط ماکزیمم محلی به جای نقاط ماکزیمم کلی موجب عدم استفاده از تمام ظرفیت موجود در سیستم فتوولتائیک می باشد.
مبدل الکتریکی
مبدل الکتریکی وظیفه انتقال توان الکتریکی تولیدی از آرایه خورشیدی به بار را برعهده دارد. مبدل های الکتریکی مورد استفاده در سیستم های فتوولتائیک معمولا از نوع بوک، بوست، بوک-بوست و یا مبدل های نیم پل و یا تمام پل می باشند. که عنصر سوئیچینگ میتواند از نوع ماسفت یا عناصر نیمه هادی سوئیچینگ دیگر باشد. بوسیله مبدلهای تمام پل در سیستم های قدرت می توان از منبع تغذیه با ولتاژ پایین برای کاربردهای با ولتاژ بالا استفاده نمود.[8] لذا در حال حاضر یکی از مناسبترین نوع مبدل جهت اتصال سیستم فتوولتائیک به شبکه و یا منابع ذخیره انرژی همچون باطری ها می باشند. در شکل - 5 - یک مبدل تمام پل نمونه نشان داده شده است.
شکل - 5 - یک مبدل تمام پل تکفاز را نشان می دهد که دارای چهار عنصر سوئیچینگ می باشد که جهت حفاظت هر یک از یک دیود هرزگرد استفاده شده است. سیستم ردیاب نقطه ماکزیمم جهت کنترل نقاط کار دارای چهار بازو می باشد که متصل به گیت عناصر سوئیچینگ می باشد و هر بازو شامل پالس هائی با موج مربعی شکل می باشد. با تغییر پهنای پالس های مربعی می توان جریان و ولتاژ انتقالی از ورودی به خروجی را تغییر داد و به نقاط کار مورد نظر دست یافت. شکل - 6 - تصویر سه موج مربعی با پهنای پالس های متفاوت را نشان می دهد. با توجه به شکل - 6 - موج اول با پهنای پالس زمان روشن بودن %10 دارای کمترین ولتاژ خروجی و موج دوم دارای %50 و موج سوم نیز با دارا بودن %90 پهنای پالس زمان روشن بودن دارای بیشترین مقدار خروجی نسبت به دو موج دیگر می باشد.
سیستم دنبال کننده نقطه حداکثر توان سیستم فتوولتائیک
بوسیله سیستم دنبال کننده نقطه حداکثر توان، بیشترین توان قابل دریافت از ازآرایه فتوولتائیک حاصل میشود اینکار با جابجایی نقطه کار الکتریکی آرایه انجام میگیرد. جابجایی نقطه کار با تغییر در ولتاژ و جریان و توسط مبدل اینورتری انجام می گردد. کنترل مبدل اینورتری توسط تغییر در پهنای موج مربعی و بوسیله دنبال کننده نقطه ماکزیمم توان انجام می گردد.
الگوریتم پیشنهادی
در بسیاری از مسائل بهینه سازی محدوده ای که بهینه سراسری درآن وجود دارد مشخص نیست. درصورت تخمین نادرست ازمحدوده بهینه سراسری، الگوریتم بهینه سازی اجتماع ذرات گرفتار بهینه محلی شده و قادر به تعیین بهینه سراسری نمیباشد، لذا در روش ارائه شده دراین بخش از دو عملگر تصادفی جهت تغییر قوانین حرکت هنگام نزدیک شدن به بهینه محلی استفاده میشود لذا این عملگرها کارایی الگوریتم بهینه سراسری اجتماع ذرات را در فرار از نقاط بهینه محلی افزایش میدهند.
در هر تکرار با انتخاب و پرتاب تصادفی دو ذره در صورت یافتن نقاطی بهتر، جایگزین بهترین نقطه قبلی می گردد. نکته قابل توجه در اعمال این روش این است که با توجه به حافظه دار بودن ذرات، با اعمال این عملگرها سرعت همگرایی الگوریتم بهینه سازی اجتماع ذرات حفظ خواهدشد. چنانچه با اعمال این عملگرها نقطه بهینه تری پیداشود، ذرات به سمت آن نقطه حرکت خواهند نمود. چنانچه با اعمال این عملگرها نقطه بهینه تری پیدا نشود با توجه به حافظه دار بودن ذرات، حرکت منحرف نخواهد شد و سرعت همگرایی حفظ خواهد شد .
