بخشی از مقاله
چکیده - در سالیان اخیر استفاده از سیستم های تولید توان الکتریکی مبتنی بر انرژی های تجدید پذیر مانند سیستم های فتوولتائیک به طور روزافزونی موردتوجه قرار گرفته است. اما عواملی نظیر تغییرات بار، شرایط محیطی مختلف و در معرض سایه های موقت و جزیی قرارگرفتن پنل ها منجر به عدم دسترسی به حداکثر توان قابل تولید توسط الگوریتم های ردیابی مرسوم در این سیستم ها خواهد شد. دراین مقاله، تکنیک ردیابی هدایت افزایشی اصلاح شده با استفاده از مبدل بوست معرفی و مورد بررسی قرار گرفته است.
در این تکنیک ، روش مذکور با جستجوی سه نقطه حداکثر متوالی در یک فضای نمونه ای مشخص به مقایسه ی اطلاعات نقاط بدست آمده پرداخته و مکان نقطه ای که بیشترین مقدار را دارد مشخص و داده های آن را در خروجی قرار می دهد. این ردیابی با کنترل ولتاژ آرایه و سیکل وظیفه برای مبدل بوست انجام خواهدشد. نتایج شبیه سازیهای روش ارائه شده، با الگوریتم مرسوم و متداول هدایت افزایشی مقایسه شده و برتری روش پیشنهادی در رسیدن به مقدار حداکثر توان سراسری و کاهش نوسانات توان در آن نشان داده شده است.
-1 مقدمه
در دهه های اخیر استفاده از انرژی خورشیدی مساله ی ردیابی نقطه ی بهینه در سیستم های خورشیدی به یک امر اجتناب ناپذیر تبدیل شده است. چرا که سایه گذاری ها در پنل های خورشیدی موجب از دست رفتن بخش زیادی از انرژی می شود. همچنین به دلیل تلفات بالای توان و بروز پدیده ی خود گرمازایی آسیب های جبران ناپذیری به پنل های خورشیدی وارد می شود. پدیده ی خودگرمازایی با ظهور یک نقطه ی داغ مرکزی بر روی سلول های خورشیدی، سبب سوختن و از بین رفتن آنها می گردد[1] اما آنچه که در این میان جایگاه ویژه ای دارد،پیدا کردن روش هایی جهت ردیابی ماکزیمم توان در شرایط سایه گذاری های جزییاز مُبدل های این انرژی ها است.
از میان روشهای ارائه شده،تکنیک ردیابی هدایت افزایشی به دلیل سرعت ردیابی مطلوب،کیفیت،صحت و دقت در جستجوی نقطه ی بهینه،تنش های کم ولتاژ و جریان در حالت ماندگار،عدم پیچیدگی در پیاده سازی،تلفات سوییچینگ پایین و عدم نیاز به سنسور ها و کنترل کننده های اضافی در زمره ی بهترین تکنیک های ارائه شده قرار می گیرد.این تکنیک زمانی که هیچ سایه ای بر روی آرایه ها وجود ندارد در یافتن نقطه ی بیشینه توان با موفقیت عمل می کند اما به هنگام ایجاد سایه بر روی پنل های خورشیدی و به دنبال آن با افزایش درجه حرارت،خروجی آرایه ها در حالت مانا نوسانی شده و دریافت ماکزیمم انرژی و راندمان توسط این روش به امری غیر ممکن بَدَل می شود.
در این شرایط سیستم دچار خطا می شود و از تشخیص نقطه ی بهینه عاجز می ماند.[2]مرجع[3]تکنیک ردیابی آشفتن و مشاهده را مورد بررسی قرار داده است.این تکنیک بدلیل ساختمان ساده و همچنین آسودگی در پیاده سازی،در بیشتر پژوهش ها به عنوان تکنیک پایه مورد استفاده قرار می گیرد. روش آشفتن و مشاهده بر این اصل اساس استوار است که بصورت پریودیک ولتاژ خروجی ترمینال را کاهش و یا افزایش می دهد و در هر سیکل،توان بدست آمده را با توان مرجع مقایسه می کند.البته تکرار این پروسه،سیستم را دچار نوسان می کند و این امر جز تلفات سیستم محسوب می شود.
سرعت ردیابی در این روش پایین است. در مرجع [4] تکنیک ردیابی ولتاژ مدار باز پیشنهاد شده است. در این روش برای اندازه گیری ولتاژ مدار باز باید در دوره های زمانی مشخص مُبدل را از سیستم جدا کرده و ولتاژ دو سر پایانه را اندازه گیری نمود که این کار باعث افزایش تلفات شده و سیستم را متحمل ضرر می کند.این روش هیچگاه توانایی رسیدن به نقطه ی بهینه را ندارد و بطور مداوم باید بروز رسانی شود.
در این مقاله ابتدا مدل ریاضی برای سیستم های تولید برق فتوولتائیک مورد بررسی قرار گرفته سپس براساس الگوریتم هدایت افزایشی اصلاح شده سه نقطه کار محلی بهینه متوالی تعیین شده و این روند تا پایان ادامه می یابد. در نهایت مقادیر ذخیره شده در این الگوریتم حداکثر توان قابل استحصال از مجموعه ماژول های فتوولتائیک را می دهد. نتایج شبیه سازی ها برای مبدل بوست و در شرایط تغییرات تابش و بار در ادامه ارائه خواهد شد و با الگوریتم مرسوم هدایت افزایشی مقایسه صورت خواهد گرفت.
-2 مدل تک دیودی آرایه های فتوولتاییک
با رویکردی ساده می توان جریانی که از یک پنل خورشیدی خارج می شود را با یک منبع جریان در مدل های سلول های خورشیدی،بیان کرد. این بدین معناست که خروجی منبع جریان با شدت تابش روی سلول های خورشیدی نسبت مستقیم دارد. در واقعیت مدل های تک دیودی اولیه به تنهایی رفتار خوبی از خود نشان نمی دهند.این موضوع زمانی شدت پیدا می کند که تغییرات محیطی به همراه ولتاژ های کم اثر نامطلوبی بر راندمان کاری آنها می گذارد.به همین خاطر یک مدل پیشرفته تری شامل یک مقاومت موازی نیز بود، معرفی شد.[5] در مدل ارائه شده - Ipv - جریان آرایه های خورشیدی - ناشی از تابش - ، - Id - جریان اشباع، - VT - ولتاژ حرارتی ماژول، - q - بار الکترونی به میزان - 1.60217646×10-19 - C - ، - a - فاکتور ایده آل دیودی به میزان - 1/4 - و - Rp, Rs - معادل مقاومت سری و موازی پنل می باشد.
-3 منحنی مشخصه های یک سلول خورشیدی
منحنی های - توان - ولتاژ - و - جریان - ولتاژ - در یک سلول خورشیدی به ازای مقادیر استاندارد تابش و درجه حرارت در شکل - 2 - نشان داده شده اند.[6]
-4 مدل کامل یک سیستم فتوولتاییک
مدل کامل یک سیستم فتوولتائیک که قابلیت اتصال به بار را داراست در شکل شماره - 3 - نشان داده است. در این مدل از دو پنل خورشیدی از جنس نیمه هادی که بصورت موازی با یکدیگر بسته شده اند به همراه یک مبدل افزاینده و در انتها یک بار استفاده شده است. هر یک از ضرایب وظیفه برای کلیدزنی مبدل ها و استحصال حداکثر توان از پنل ها توسط کنترل کننده های مجزا بر اساس تکنیک های ردیابی مختلف بدست می آیند. در زیر یکی از متداول ترین الگوریتم های ردیابی حداکثر نقطه توان بررسی شده است.
-5 تکنیک ردیابی هدایت افزایشی مرسوم
ایجاد سایه بر روی سلول های خورشیدی سبب تلفات توان بر روی ماژول ها می شود. همان گونه که نمودار - جریان - ولتاژ - شکل - - 4 نشان می دهد اگر آرایش پنل در جریان - Ia - تغییر کند، ماژول تحت سایه مجبور می گردد در منطقه مقابل آن و مانند یک بار به جای یک منبع انرژی عمل نماید.این امر منجر به تلفات بالای توان و بروز پدیده خود گرما زایی می شود که آسیب های جبران ناپذیری را برای پنل های خورشیدی درپی دارد. بنابراین، به جهت دوری از بروز این مشکل از دیودهای جانبی - دیود های بای پاس - در آرایش پنل های خورشیدی استفاده می شود تا ازاستهلاک سلول ها در طول شرایط سایه گذاری ها جلوگیری به عمل آید.
در سطح تابش خورشیدی یکنواخت، دیود های جانبی در بایاس معکوس قرار گرفته و در مدار قرار نمی گیرند. اما زمانی که ماژول در سایه قرار می گیرد، دیود ها بایاس مستقیم شده و جریان به جای ماژول از این دیودها عبور می کند. به علت حضور این دیودها، نقاط متعدد و چندگانه ای از ولتاژ و به تبع آن توان در منحنی مشخصه ی - توان - ولتاژ - بوجود می آید. وجود این نقاط متعدد سبب گمراهی الگوریتم های ردیابی حداکثر توان متداول شده و در نهایت تلفات در این سیستم های خورشیدی افزایش می یابد.
[4] یکی از بهترین و موثرترین روش هایی که تاکنون برای کنترل توان تولیدی پنل های خورشیدی در برابر تغییرات جوی مورداستفاده قرار گرفته است، تکنیک ردیابی هدایت افزایش - - INC است.از بزرگترین و اساسی ترین عیوبی که عملکرد این تکنیک را تحت الشعاع قرار می دهد، نحوه ردیابی نقطه ی بهینه است. این روش پس از جستجوی اولین نقطه ای که شرط ماکزیمم توان را تضمین کند، ردیابی را متوقف و بدون در نظر گرفتن دیگر نقاط بهینه احتمالی، مقادیر جستجو شده را به عنوان خروجی به مبدل قدرت می رساند.
در تکنیک هدایت افزایشی تغییرات سیکل وظیفه - ∆D - تعیین می کند که سرعت ردیابی چقدر باشد . به منظور بهبود سرعت ردیابی دراین تکنیک می توان از کنترل کننده های تناسبی بهره برد. همچنین با استفاده ی بیشتر از سنسورها، ردیابی سریع تر اما نوسانات سیستم به دلیل افزایش استعداد نویز پذیری آن بیشتر می گردد. البته باید در نظر داشت که افزودن سنسور به سیستم سایزآن و هزینه های پیاده سازی را افزایش می دهد.[7]
