بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله روش ردیابی نقطه توان ماکزیمم بر اساس منطق فازی با استفاده از مبدل بوست درجه دوم پیشنهاد گردیده است. سیستم پیشنهادی شامل یک مبدل بوست درجه دوم و کنترلر منطق فازی می باشد. تغییر در توان و ولتاژ آرایه فتوولتاییک به عنوان ورودی های کنترلر منطق فازی و تغییر در چرخه کار به عنوان خروجی کنترلر مذکور انتخاب شده است. توابع عضویت ورودی ها و خروجی و نیز قوانین فازی با هدف ردیابی نقطه توان ماکزیمم طراحی گردیده اند. با توجه به شبیه سازی سیستم پیشنهادی در نرم افزار متلب/سیمولینک مشاهده می شود که سیستم دارای پاسخ سریع و مناسب برای تغییرات در تابش خورشید می باشد. علاوه بر این، نوسان توان خروجی مبدل، که یک مشکل عمده در ردیابی نقطه توان ماکزیمم است، نیز کاهش می یابد.
.1 مقدمه
با رشد روز افزون جمعیت جهان و نیاز مبرم آنها به انرژی و نیز دانستن این موضوع که انرژی های حاصل از سوخت های فسیلی مانند: زغال سنگ، نفت، گاز و غیره علاوه بر اتمام آنها در چندین سال پیش رو، باعث ایجاد مشکلاتی در زمینه زیست محیطی مثل آلایندگی هوا، گرمایش زمین و ... می شوند، محققان و افرادی که در این زمینه احساس مسئولیت می کنند را واداشت تا به استفاده از جایگزین هایی برای تامین انرژی بجای استفاده از سوخت های فسیلی بپردازند.
جایگزین هایی مانند انرژی خورشیدی، انرژی گرمایی زمین، انرژی باد و آب و... . در میان انرژی های نام برده شده به دلیل فراهم بودن خورشید در سراسر زمین و در تمام فصول استفاده از انرژی خورشیدی به طور چشمگیری در حال افزایش می باشد. و آن می تواند به یک راهکار مناسب برای غلبه بر مشکلات سوخت های فسیلی تبدیل گردد. در واقع انرژی خورشیدی در میان تمام منابع انرژی پایدار و قابل تجدید امکانی را برای تولید توان با رنج های کوچک تا بزرگ فراهم کرده است.[1] انرژی خورشیدی به عنوان انرژی تجدید پذیر شامل مزایایی از قبیل: دوستدار محیط زیست بودن، هزینه نگهداری پایین، هزینه عملیاتی کم و غیره می باشد.
ماژول های خورشیدی با توجه به هزینه تمام شده برای راه اندازی آنها که ممکن است بسیار بالا باشد، اما در نوع متصل به شبکه در بسیاری از کشورها با در نظر گرفتن پتانسیل منافع آن در چندین سال پیش رو بصورت تجاری درآمده اند.[2] انرژی خورشیدی شامل یک سری از ویژگی ها می باشد که آنرا به یکی از بهترین و محبوبترین انرژی ها در سال های کنونی بدل کرده است، ویژگی هایی از قبیل: قابلیت اطمینان بالا، پاک بودن، عمر خدمت طولانی، قابل تجدید بودن و... . این انرژی بی پایان امروزه در بسیاری از کاربردها مثل: شارژ باتری، سیستم گرمایشی، سیستم توان ماهواره های تحقیقاتی، برق اضطراری و مواردی از این دست استفاده شده است، در واقع آن به یکی از امید بخش ترین انرژی های تجدید پذیر و پایدار برای برای جایگزینی سوخت های فسیلی تبدیل شده است.
[3] یکی از دغدغه های حال حاضر محققان بدست آوردن توان از انرژی های پاک می باشد که آنها انرژی حاصل از نور خورشید را به عنوان یک منبع متغیر از انرژی که می تواند همراه با منابع محلی توان ادغام شود بررسی نموده اند.[4] تحقیقاتی که در زمینه کاربرد های سیستم های فتوولتاییک انجام گرفته است با تمرکز بر پایین آوردن هزینه راه اندازی و بالا بردن سود حاصل، قابلیت اطمینان و بهره وری بوده است. اما غالبا با توجه به شرایط محیطی و عملیاتی متغیر بهره وری سلول های فتوولتاییک کم می باشد و خروجی آن کاملا وابسته به شرایط فوق می باشد. از جمله این شرایط محیطی می توان به دمای محیط، وجود ابر در آسمان و شدت تابش نور خورشید اشاره کرد.
با توجه به این موضوع روشی تحت عنوان: ردیابی نقطه توان ماکزیمم - MPPT - برای استخراج ماکزیمم توان ممکن از ماژول خورشیدی پیشنهاد شده است.[5] برای استخراج ماکزیمم توان ممکن از سلول های فتوولتاییک از یک دیاگرام معمول مانند آنچه که در شکل 1 نمایش داده شده است استفاده می شود. برای بارهای مستقیم از مبدل DC-DC و برای بارهای متناوب از اینورتر استفاده می گردد. هنگامی که تابش نور و دما یکسان است، ردیابی نقطه توان ماکزیمم می تواند به آسانی انجام بگیرد اما مشکل اصلی در واقع زمانی پیش می آید که شاهد شرایط متغیری از قبیل دما و تابش می باشیم. در واقع با توجه به غیر خطی بودن خروجی سیستم فتوولتاییک در این شرایط، چندین پیک را در منحنی مشخصه توان-ولتاژ - P-V - خواهیم دید.که این خود یک موضوع پیچیده برای ردیابی نقطه توان ماکزیمم می باشد.
در واقع باید از بین چندین پیک موجود در خروجی، بزرگترین آنها را تشخیص داد و جریان و ولتاژ خروجی را با توجه به آنها تنظیم کرد.که این خود مستلزم دقت و سرعت فوق العاده بالایی می باشد.روش های مختلفی برای ردیابی نقطه توان ماکزیمم وجود دارد که با توجه به ورودی ها و خروجی های آنها قابل تفکیک هستند، ورودی ها و خروجی ها می توانند ولتاژ و جریان ماژول و چرخه کار - D - 1 باشند.[6] منطق فازی یکی از ابزارهای مفید برای چنین سیستم هایی می باشد که کنترلر آن با توجه به دانش حاصل از تجربه و کارشناسان طراحی می گردد.[7]-[9] استفاده از کنترلر منطق فازی در سیستم های تولید توان فتوولتاییک توسط محققان بسیاری بررسی شده است.
[10]-[13] اخیرا استفاده از الگوریتم های بهینه سازی برای کسب راه حل بهینه سراسری تحت شرایط دمایی و تابش متغیر توسعه داده شده است که در این میان الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذرات - PSO - 2 به دلیل آنکه برای تنظیم شدن به پارامترهای کمی نیاز دارد، بسیار محبوب شده است.[14]-[16] این مقاله در زمینه طراحی کنترلر مناسب برای ردیابی نقطه توان ماکزیمم - MPPT - 3 در سیستم فتوولتاییک - PV - 4 تحت شرایط متغیر - تابش - با استفاده از کنترل منطق فازی و مبدل بوست درجه دوم تمرکز کرده است. الگوریتم ردیابی نقطه توان ماکزیمم شامل یک کنترل منطق فازی است که ورودی های آن: تغییر در توان سیستم فتوولتاییک - dp/dt - و ولتاژ - dv/dt - و خروجی آن: تغییر چرخه کار - cD - 1 می باشد. نتایج شبیه سازی توسط نرم افزار متلب/سیمولینک انجام شده است، در نهایت آنالیز روش پیشنهادی نشان می دهد که کنترلر MPPT پیشنهادی توانایی ردیابی نقطه توان ماکزیمم را دارد.
شکل .1دیاگرام ردیابی نقطه توان ماکزیمم - MPPT - در سیستم فتوولتاییک - PV - مقاله بصورت زیر سازماندهی شده است : در بخش 2، مدار معادل سیستم فتوولتاییک ارایه شده است. در بخش 3، مبدل بوست درجه دوم بررسی گردیده است، در بخش 4، الگوریتم ردیابی نقطه توان ماکزیمم مبتنی بر کنترل کننده منطقی فازی پیشنهادی، در بخش 5، نتایج شبیه سازی و در نهایت در بخش 6، نتیجه گیری گنجانده شده است.
.2 مدار معادل سیستم فتوولتاییک
ماژول فتوولتاییک متشکل از عناصری به نام سلول فتوولتاییک می باشد، با توجه به پدیده ای تحت عنوان فتوالکتریک، سلول های فتوولتاییک قادر به تبدیل انرژی حاصل از نور خورشید به انرژی الکتریکی هستند. مدل سلول خورشیدی را می توان همانند اتصال نیمه هادی P-N دانست، با تابش نور بر سلول فتوولتائیک جریان مستقیم - DC - بوجود می آید. محققانی که در زمینه بررسی سلول های خورشیدی فعالیت داشته اند به این نتیجه رسیده اند که ارتباط نمایی و غیرخطی بین ولتاژ و جریان ماژول فتوولتاییک وجود دارد.
