بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق چند کنترلکننده برای بهینهسازی توان تولیدی سیستم پنل خورشیدی طراحی و مقایسه شده است. توان بیشینهی قابل تولید سلول خورشیدی تحت شرایط مختلف دما، سطح تابش و بار متصل به پنل تغییر میکند، از این رو برای ردیابی نقطهی بیشینه توان از یک مبدل افزایندهی DC-DC کمک گرفته شده است. به دلیل رفتار غیرخطی پنل خورشیدی و مبدل، به نظر میرسد استفاده از کنترلکنندههای غیرخطی یا کنترلکنندههای خطی که به صورت برخط تنظیم میشوند نتیجهی بهتری نسبت به کنترلکنندههای خطی مرسوم دارد؛ در این مقاله دو روش برای تنظیم پارامترهای کنترلکنندهی PID ارائه شده است. در روش اول از سیستمهای فازی برای تنظیم کردن کنترلکنندهی PID استفاده شده است؛ این سیستمها از خطا و مشتق خطا برای تنظیم ضرایب تناسبی، انتگرالی و مشتقی کنترلکنندهی PID استفاده میکنند. در روش دوم برای بهبود عملکرد این کنترلکننده از دو سیستم فازی دیگر برای تنظیم ضرایب مقیاس ورودیهای خطا و مشتق خطا استفاده شده است. همچنین به منظور ارزیابی بهتر کنترلکنندههای طراحی شده، از الگوریتم اجتماع پرندگان برای تنظیم ضرایب کنترلکنندهی PID استفاده شده است. شبیه سازی کنترلکنندهها در سیمولینک نرمافزار متلب انجام شده و نتایج با یکدیگر مقایسه شده است. نتایج نشان میدهد که هر دو کنترلکننده عملکرد بهتری نسبت به کنترلکنندهی PID ای که با الگوریتم اجتماع پرندگان بهینه شده است، دارد.
واژههای کلیدی: سلول خورشید، مبدل افزاینده DC-DC، ،کنترل PID فازی تطبیقی، کنترل فازی تطبیقی، ردیابی بیشینه توان
مقدمه
در حال حاضر جهان با دو چالش اساسی در رابطه با انرژی مواجه است؛ یکی وابستگی اقتصاد و انرژی جهان به منابع فصلی بهخصوص نفت و دیگری تغییرات آب و هوای زمین که بخش عمدهای از تغییرات مربوط به استفاده بیشازحد از انرژیهای فسیلی است. اگرچه منابعی فسیلی رو به اتمام هستند ولی تقاضا برای این منابع به دلیل نبود جایگزین جدی رو به افزایش است. طبق مطالعهای که چند سال پیش انجام شد، پیشبینی شده مصرف برق جهان از حدود 20 تریلیون کیلو واتساعت در سال 2010 به 39 تریلیون کیلو واتساعت در سال 2040 برسد.[1] در این شرایط است که نقش استفاده از انرژیهای نو و تجدید پذیر بیشتر به چشم میآید.
بیشک مهمترین منبع تجدید پذیر انرژی خورشید است که در همه جای زمین در دسترس است. انرژی خورشید را میتوان به وسیلهی سلول خورشید به انرژی الکتریکی تبدیل کرد. بررسیها نشان میدهد که ظرفیت سلولهای خورشیدی نصب شده در سراسر جهان از سال 2010 تا 2014 بیشتر از کل ظرفیت نصبشدهی در چهار دهه قبل از 2010 بوده است. سلولهای خورشیدی دو مشکل مهم دارند؛ یکی بازدهی پایین تبدیل انرژی نور به الکتریسیته است و دیگری وابستگی میزان توان تولیدی این سلولها به شرایط محیطی - دما و سطح تابش - ، فرسودگی و میزان بار متصل به آن است.[3] ,[2] مشکل اول به تکنولوژی ساخت سلولهای خورشیدی مربوط میشود ولی مشکل دوم را میتوان با طراحی مبدل و کنترلکنندهی مناسب تا حدودی برطرف کرد. با بررسی رفتار سلولهای خورشیدی مشخص میشود که سلول در یک ولتاژ خاص در شرایط توان بیشینه قرار میگیرد. از آنجایی که رفتار سلولها تحت شرایط مختلف دما و تابش تغییر میکند، ولتاژ نقطهی بیشینه توان نیز تغییر میکند؛ بنابراین برای ردیابی نقطهی بیشینه توان، بار متصل به سلول خورشیدی را باید تغییر داد که این کار به وسیلهی مبدلها انجام میشود. روشهای مختلفی برای ردیابی نقطهی بیشینه توان ارائه شده است؛ که میتوان آنها را به چند دسته تقسیمبندی کرد.
دسته اول الگوریتمهایی هستند که به مدل سیستم و رفتار آن کاری ندارند برای نمونه میتوان به روشهای انحراف و مشاهده [6]-[4] - P&O1 - ، رسانایی افزایشی[7]2، صعود تپه نام برد.[6] در این میان روش انحراف و مشاهده به دلیل سادگی آن از سایر روشها محبوبیت بیشتری دارد، ولی این روش و روش صعود تپه، در حوالی نقطه بیشینه توان مدام نوسان میکنند که باعث کاهش توان تولیدی و بازدهی پنل میشود. دسته دوم روشهای مبتنی بر مدلسازی سلول خورشیدی هستند. در این روشها با مدل کردن سلول خورشیدی و برقراری روابط موجود در مدل ارائه شده ویژگیهای سلول خورشیدی قابل پیشبینی خواهد بود و سیستم را مبنی بر مدل طراحی و اجرا میکنند.[9] ,[8] مشکل اصلی این نوع روشها نداشتن انعطاف با تغییر سلول خورشیدی با سلول دیگر است؛ به طوری که هر پیادهسازی مختص به همان سلول خورشیدی است که از پیش برای آن طراحی شده است. همچنین شناسایی و پیدا کردن مدل دقیق و مناسب چالش دیگری است که در این روشها وجود دارد.
دسته سوم روشهای مبتنی بر رابطه موجود بین نقطه کار و پارامترهای سلول خورشیدی است. از نمونههای این روش به سه روش مطرح میتوان اشاره نمودروشی: که از رابطه تقریباً خطی موجود بین جریان اتصال کوتاه و جریان نقطه کار بهره میبرد، که به آن روش جریان اتصال کوتاه میگویند.[10] روش دیگر که به نام ولتاژ مدار باز معروف است و اساس کار آن بر وجود تابع تقریباً خطی بین ولتاژ نقطهی کار و ولتاژ مدار باز سلول است.[11] مشکل این روش قطع دورهای برای اندازهگیری ولتاژ مدار باز است که باعث از دست رفتن توان در سیستم میشود. برای رفع این مشکل روشی ارائه شده است که از یک سلول بهعنوان راهنما برای تشخیص رفتار کل پنل استفاده میگردد ولی این روش نیز مشکل جدیدی را به و جود میآورد و آن عدم قطعیت در معادل بود این سلول با کل پنل است روشی دیگر خطی سازی را به سه ناحیه تقسیم کرده تا کارایی سیستم را بهبود بخشد.[12] روش دیگری که در این دسته قرار میگیرد ذخیرهسازی نقاط کار مختلف و استفاده از جدول جستوجو است.[13]
دسته چهارم روشهای کنترل هوشمند و غیرخطی است. از آنجایی که سیستم پنل خورشیدی یک سیستم غیرخطی است و پارامترهای آن مدام با تغییر شرایط محیطی عوض میشود، روشهای غیرخطی و هوشمند برای کنترل این سیستم مناسبتر به نظر میرسند. ازجملهی آن روشها کنترل سطح لغزش است؛ این روش به دلیل پایداری ذاتی آن و مقاوم بودن آن در برابر نامعینیهای پارامتری مورد توجه قرار گرفته است.[15] ,[14] در مرجع [16] دربارهی مشکلات این روش و نحوهی غلبه بر آن بحث شده است. استفاده از شبکههای عصبی یکی دیگر از روشهای غیرخطی و هوشمند است که در این زمینه ارائه شده است,[17] .[18] دقت این روش وابسته به نحوهی آموزش نرونهای شبکه عصبی است که معمولاً از آموزشهای تکراری برای تنظیم این نرونها استفاده میشود. استفاده از سیستمهای فازی یکی دیگر از روشهای غیرخطی است ک به طور وسیع برای ردیابی نقطه بیشینه توان استفاده شده است.
سیستمهای فازی میتوانند یک رابطهی غیرخطی از ورودی به خروجی با استفاده از قوانین قابل تنظیم ایجاد کنند. دلیل محبوبیت این روش کارایی مناسب و قابلیت تحلیل پایداری و ترکیب با سایر کنترلکنندهها است. روشهای مختلفی نظیر الگوریتم ژنتیک1، الگوریتم اجتماع پرندگان2 و شبکههای عصبی هاپفیلد3 برای تنظیم توابع عضویت کنترلکنندهی فازی استفاده شده است.[21]-[19] ,[3] در این تحقیق از کنترلکنندهی فازی برای تنظیم ضرایب کنترلکنندهیPID4 استفاده میشود، سپس از دو سیستم فازی دیگر برای تنظیم ضرایب مقیاس ورودیهای سیستمهای فازی استفاده میشود.
سلول خورشیدی
پنلهای خورشیدی معمولاً از ترکیب چند ماژول ساخته میشود. این ماژولها خود از سری و موازی کردن تعدادی سلول خورشیدی ساخته میشوند. مدار معادل یک سلول خورشید در شکل - 1 - نشان داده شده است.
