بخشی از مقاله
چکیده
برای بالابردن بازده سیستمهای فتوولتاییک باید یک سیستم الکترونیکی داشت تا خروجی صفحات خورشیدی را درنقطه کاری مناسب که حداکثر توان انتقالی را داشته باشد قرار دهد. به دلیل غیر خطی بودن مشخصه خروجی سلول خورشیدی و همچنین تغییر پذیر بودن این مشخصه نسبت به تابش نور و حتی دمای سلول باید سیستم کنترل الکترونیکی علاوه بر قرار دادن سلول خورشیدی در بهترین نقطه کار، در صورت تغییر این نقطه به واسطه شرایط آب و هوایی بتواند ردیابی مستمر نقطه حداکثر توان سیستم را به سرعت یافته و سلول خورشیدی را در نقطه بهینه قرار دهد. این نوع یافتن و ردیابی مستمر را ردیابی حداکثر نقطه توان مینامند. در این مقاله روش ردیابی حداکثر نقطه توان بر اساس الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذرات تحت شرایط سایه جزئی ارائه میشود.
کلید واژه- بهینه سازی ازدحام ذرات، ردیابی حداکثر نقطه توان، شرایط سایه جزئی، سیستمهای خورشیدی
-1 مقدمه
تولید الکتریسیته به وسیله سیستم فتوولتائیک - PV - ، دو مشکل عمده دارد: مشکل اول اینکه بازده سیستم بسیار پایین 9 - تا17درصد - است. به خصوص هنگامی که شدت تابش پایین میباشد .[1] مشکل دوم این است که میزان توان تولیدی توسط سیستم با تغییر شرایط آب وهوایی تغییر میکند. توان تحویلی توسط یک سیستم فتوولتائیک به شدت تابش، دما و جریان جاری در سلولها وابسته است. به طور کلی یک نقطه یکتا در مشخصههای I-V و P-V مربوط به سیستم فتوولتائیک وجود دارد که در آن شرایط، سیستم بیشترین میزان توان را به بار تحویل میدهد که این نقطه، نقطه حداکثر توان نامیده میشود .
لذا برای اینکه سیستم همواره در بهینه ترین حالت خود بوده و بیشترین توان را به بار تحویل دهد، ضروری است که سیستم در نقطه ماکزیمم توان باقی بماند. لذا همواره تلاش میشود تا با استفاده از روشهای مختلف، عملکرد سیستم را در نقطه مذکور نگه داشت که به این عمل ردیابی نقطه حداکثر توان - - MPPT گفته میشود. روشهای متعددی جهت ماکزیمم کردن توان خروجی سیستم خورشیدی وجود دارد که شامل روابط ساده ولتاژی تا الگوریتمهای هوشمند میشود. این روشها عبارتنداز:روش جریان اتصال کوتاه - SCC - ، ولتاژ مدار باز - - OCV اغتشاش و مشاهده - P&O - ، هدایت افزایشی - - IC، منطق فازی، بهینه سازی ازدحام ذرات - PSO - و روشهای هوشمندو ... . تفاوت هر یک از این روشها در سادگی، سرعت همگرایی و پایداری سیستم میباشد. چالشهایی که برای ردیابی نقطه حداکثر توان در یک سیستم خورشیدی با آن روبه رو هستیم عبارتنداز:
.سرعت رسیدن به نقطه حداکثر توان
.پایداری در نقطه حداکثر توان
.چگونگی تغییر نقطه حداکثر توان در تغییرات ناگهانی
جوی به طور کلی برای تولید توان با استفاده از سیستم فتوولتائیکنیاز به یک روش سریع و مطمئن خواهیم داشت.
-2 مدار معادل سلول خورشیدی
برای بررسی مشخصه سلول خورشیدی، بهترین راه تعیین مدار معادل الکتریکی آن میباشد. سلول خورشیدی را میتوان با یک منبع جریان که بیانگر جریان ناشی از شدت تابش خورشید است به صورت موازی با یک دیود که بیانگر پیوند p-n میباشد، مدل کرد. شکل 1 مدارمعادل یک سلول فتوولتائیک را نمایش میدهد.
-1-2 مشخصه های الکتریکی سلول خورشیدی
برای تعیین نقطه کار و ویژگیهای یک سلول فتوولتائیک، دو مشخصه I-V و P-V تعریف شده اند. مشخصه I-V یک سلول، قابلیت تبدیل انرژی آن را بر اساس شدت تابش - میزان نور - و درجه حرارت تعیین میکند . [3] از سوی دیگر منحنی P-V بیانگر میزان توان خروجی سیستم، بر حسب ولتاژ ترمینال آن میباشد. در شکل 2 میتوان منحنیهای I-V و P-V را به همراه نقاط مهم آنها مشاهده کرد.
-2-2 استخراج مشخصه توان سیستم خورشیدی
یک سیستم خورشیدی متصل به شبکه از سه قسمت تشکیل می شود : آرایه خورشیدی، مبدلهای الکترونیک قدرت و سیستمهای کنترلی. سیستم کنترلی PV شامل دو بخش میباشد : بخش اول برای ردیابی نقطه حداکثر توان و بخش دوم برای اتصال به شبکه که هر دو عملکرد از طریق مبدلهای الکترونیک قدرت حاصل میشوند. به طور کلی مبدل DC/DC عمل ردیابی نقطه حداکثر توان را انجام داده و مبدل AC/DC کنترل اتصال به شبکه را بر عهده دارد. توان استخراج شده از یک آرایه خورشیدی، توسط ولتاژ ترمینال Va و جریان خروجی آرایه Ia تعیین میشود. ولتاژ ترمینال Va به کنترل مبدل DC/DC بستگی داشته در حالیکه جریان خروجی Ia به دما، شدت تابش و ولتاژ ترمینال آرایه خورشیدی وابسته است. در طول روز شدت تابش خورشید و دما تغییر خواهدکرد که این باعث تغییر نقطه حداکثر توان آرایه فتوولتائیک میشود.
-3-2 تاثیر دما
دما از دو طریق باعث تغییر مشخصه سلول خورشیدی میشود : ابتدا مستقیما از طریق T در توان رابطه - 1 - و سپس به طور غیرمستقیم با تاثیر بر جریان اشباع معکوس I0 و جریان ناشی از تابشI L وابستگی جریان اشباع معکوس به دما در یک سلول خورشیدی در رابطه - 1 - آمده است .[5]مطابق شکل 2 در ولتاژهای کمتر از MPP می توان گفت جریان خروج سیستم تقریبا مستقل از ولتاژ آن است. در نزدیکی نقطه زانویی این مشخصه تغییر کرده تا جایی که پس از آن با افزایش ولتاژ، جریان به شدت کاهش یافته و به صفر میرسد. پارامترهای منحنی شکل2 عبارتنداز:
ISC- جریان اتصال کوتاه
Imp- جریان نقطه حداکثر توان VOC- ولتاژ مدار باز
Vmp- ولتاژ نقطه حداکثر توان که درآن K ثابت تقریبی با در نظر گرفتن دما Eg انرژی band-gap نیمه هادی - - ev، m ثابت ایده ال بودن دیود، K ثابت بولتزمن و Tدمای پیوند P-N میباشد. جریان ناشی از تابش Il همچنین به صورت رابطه - 2 - تحت تاثیر دما قرار دارد.[5]که در آن Il,n جریان ناشی از شدت تابش درشرایط نامی میباشد، T اختلاف میان دمای واقعی و دمای نامی 25 - Tn - œC، E شدت تابش برسطح سلول - - w/ m 2 وE n شدت تابش نامی - 1000 w/m2 - میباشد.
بر اساس روابط - 1 - و - - 2 مشخصه یک آرایه فتوولتائیک براساس دما و ولتاژ ترمینال آرایه در شکل 3 قابل مشاهده است. مطابق شکل 3 با افزایش دما، حداکثر توان تولیدی آرایه کاهش مییابد و ولتاژ نقطه حداکثر توان کاهش خواهد یافت که نشان دهنده این است که آرایه ی فتوولتائیک در روزهای خنک تر نسبت به روزهای گرم عملکرد بهتری خواهد داشت. شکل4 توان خروجی آرایه فتوولتائیک را بر حسب دماهای مختلف نمایش میدهد. به ازای هر دمای ثابت ولتاژ متناظر با نقطه اکسترمم، بیانگر ولتاژ نقطه حداکثر توان میباشد. شیب منحنی قبل از رسیدن به نقطه حداکثر توان مثبت بوده و پس از آن شروع به کاهش میکند. با توجه به شکل 4 میتوان دریافت که با افزایش دما، نقطه حداکثر توان به سمت چپ حرکت میکند.
-4-2 تاثیر شدت تابش
جریان IL به شدت تابش خورشید وابسته می باشد. ابتدا، بدون در نظر گرفتن تاثیر دما بر اثر سطح تابشهای متفاوت، جریان اتصال کوتاه یک سلول خورشیدی مستقیما متناسب با شدت تابش میباشد. فرض کنید که S نسبت شدت تابش فعلی به شدت تابش نامی 1000 W/m2 باشد و جریان اتصال کوتاه سلول خورشیدی در شدت تابش 1000 W/m2 را IL1 در نظر بگیریم.همچنین تاثیر شدت تابش بر دمای سلول خورشیدی به صورت معادله - 3 - میباشد . [5]که در آن یک مقدار ثابت بین 25 تا 35 میباشد . شکل 5 مشخصه آرایه خورشیدی را بر حسب ولتاژ آن به ازای شدت تابشهای متفاوت نشان میدهد. در مقایسه با شکل 4 با افزایش شدت تابش، جابجایی ولتاژ ترمینال حول نقطه اکسترمم بسیار کمتر خواهد بود.
-5-2 بررسی اثر شرایط سایه جزئی - - psc
سلولهای خورشیدی در سیستمهای فتوولتاییک، به صورت سری یا پیکربندی موازی برای تشکیل ماژولها / آرایهها و تولید مقادیر ولتاژ مطلوب، متصل شده اند. با این حال، ولتاژ خروجی ماژول PV با جریان خروجی تولید شده تعیین میشود که این امر عمدتا به شرایط تابش خورشیدی بستگی دارد. بنابراین در جایی که چندین ماژول PV متعدد تحت شرایط تابش مختلف وجود دارد، چندین نقطه توان ماکزیمم خروجی مختلف ، به جای تنها یک MPP وجود خواهد داشت. این امر منجر به کاهش قابل توجه توان خروجی برای کل سیستم میشود،که احتمالا نقطه واقعی MPP برای کنترل کننده پیدا نمیکند و کنترل کننده نمیتواند بین MPP محلی و اوج کلی - GP - تمایز ایجاد کند. این وضعیت جایی میتواند رخ دهد که شرایط سایه جزئی وجود دارد و مشخصه P-V پیچیده تر میشود. همان طور که در شکل 6 نشان داده میشود نمودار توان ولتاژP-V در دو حالت ماژول سایه دار وبدون سایه نشان داده شده است.در نمودار ماژول سایه دار چند نقطه توان ماکزیمم مشاهده میشود که P1 و P2 و P3 به عنوان MPP محلی وP4 به عنوان MPP نهایی در
