بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به تناوب ذاتی و نوسانات انرزی خورشیدی یکی از منابع مهم پژوهش استفاده از توان ماکزیمم انرژی خورشیدی است که به یک پنل برخورد میکند. برای این منظور، یک ردیاب نقطه توان ماکزیمم کارآمد برای برداشت تا حد امکان انرژی میتواند یک کلید باشد که باعث بهبود کارایی و عملکرد سیستم است، در این مقاله از روش هیبریدی برای ردیابی نقطهی توان ماکزیمم استفاده میشود. روش هیبریدی دو روش انحراف و مشاهده1 و جزء به جزء را ترکیب میکند به طوری که اگر در دما و تابش خورشیدی تغییری ایجاد شود از روش جزء به جزء و در غیر این صورت از روش انحراف و مشاهده استفاده میکند. روش ارائهشده در سیمولینک متلب تجزیه و تحلیل و پیادهسازی شده است نتایج عددی ثابت میکند که با استفاده از روش هیبریدی عملکرد ردیابی بهتری میتواند به دست آید.
مقدمه
رشد تقاضا برای انرژی و نگرانیهای ناشی از اثرات زیستمحیطی استفاده بیش از حد از سوختهای فسیلی به تدریج علاقهمندی به انرژیهای تجدید پذیر را افزایش داده است. در میان منابع انرژی تجدید پذیر مانند باد، جزر و مد و حرارت گرمایی زمین انرژی خورشیدی با توجه به فراوانی و در دسترس بودن در حال تبدیل شدن به یک منبع انرژی امیدوارکننده است. سیستمهای خورشیدی به طور گستردهای مستقرشدهاند.
براساس [ 1] در سال 2011 صنعت فتوولتائیک2 پیشبینیشده به مقدار 17 گیگا وات اضافه شده بود - درمقایسه با کمتراز 7/3 گیگاوات در سال - 2009 برای آوردن ظرفیت به حدود 40 گیگاوات. نرخ رشد سالانه برای ظرفیت فتوولتائیک خورشیدی از سال 2005، 50 درصد مانده است که سریعترین رشد همهی منابع انرژی است. برای انرژی باد - %27 - ،انرژی گرمایی زمین - %4 - ،برق آبی - %3 - وتولیداتانول . - %16 - آرایه فتوولتائیک که انرژی خورشیدی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند دارای ویژگیهای غیرخطی قدرتمندی است و یک نقطه کار منحصربهفرد که نقطهی توان ماکزیمم3 نامیده میشود دارد که ماکزیمم توان را در تابش ها و شرایط دمایی مختلف سلول فراهم میکند.
هنگام اتصال پنل های خورشیدی به بار احتمال عدم تطابق بین ویژگیهای جریان و ولتاژ با تکنولوژی ردیابی نقطه ی توان ماکزیمم4 وجود دارد. بنابراین ردیابی این نقطه خیلی مهم است نه تنها برای بهرهوری سیستم بلکه برای کاهش هزینههای نصب و راهاندازی با کاهش تعداد پنل های خورشیدی مورد نیاز برای توان مورد نظر خروجی .[2] تکنولوژی ردیابی نقطه ی توان ماکزیمم به یکی از موضوعات بسیار محبوب تحقیق در دو دهه گذشته تبدیل شده است که بیش از دهها روش مختلف ردیابی نقطه ی توان ماکزیمم معرفی شده است.
ردیابی نقطه توان ماکزیمم سیستمهای فتوولتائیک آرایههای فتوولتائیک به علت ماهیت نیمههادی واحدهای سازنده خود، مشخصه ولتاژ-جریان و ولتاژ-توان خروجی آنها به شدت غیرخطی است و تابعی از دمای سلول، شدت نورتابشی خورشید، طول عمر و مشخصه باراست. در ضمن به ازای دما و شدت نور خاصی، تنها یک نقطه کار به طورخودبهخود برای آرایه فراهم نمیآید و باید سیستم کنترلی مناسب و سازگار با مبدل الکترونیک قدرت فراهم آید. این فرآیند به عنوان ردیابی نقطهی ماکزیمم توان آرایه شناخته شده است. انجام این روش در موردسیستمهای فتوولتائیک جهت افزایش بازده سیستم ضروری است و بسیار توصیه میگردد.
هر روش کنترلی ساده، سریع، دقیق و قابلاطمینان که بتواند نقطهی کار ماکزیمم توان را برای آرایه فراهم کند روش خوبی به شمار میآید و نیاز اساسی این سیستمهااست. روش کنترلی ردیابی نقطه ی توان ماکزیمم در ترکیب با تکنیکهای کنترلی مربوط به مبدلهای الکترونیک قدرتDC/AC یا DC/DC به سیستم اعمال میشود. برای ردیابی نقطه ماکزیمم توان آرایههای فتوولتائیک روشهای زیاد و متنوعی پیشنهاد و اجرا شده است.تفاوت این روشها در میزان پیچیده بودن روش، نیاز به سنسور اندازهگیری، سرعت همگرایی، هزینه و اجرای سختافزاریاست. دامنه نوسان نقطه کار سیستم حول نقطه کار ماکزیمم توان آرایه، یکی از عوامل موثر بر پایداری نقطه کار و افزایش بازده آرایه است.
روش جزء به جزء
یکی از سادهترین راهها به منظور برآورد نقطه ی توان ماکزیمم روش جزء به جزء است که دو نوع دارد، روش جزء به جزء ولتاژ مدار باز4]،[3 و روش جزء به جزء جریان اتصال کوتاه7]،6،[5 برای روش جزء به جزء ولتاژمدار باز، رابطه بین ولتاژ در نقطه ی توان ماکزیمم و ولتاژ مدار باز تقریباً خطی است بنابراین - 1 - که در آن یک ثابت است که متناسب با بهره و وابسته به آرایه
PV است که نیاز است قبل از هرPV خاص که استفاده میشود شناسایی شود.
مزایای استفاده از این روش شامل اجرای آسان آن است و تنها نیاز به یک حسگر ولتاژ دارد.این روش همچنین یک تخمین خوب میدهد اما معایب آن آشکار هستند.اول از همه به عنوان یک تخمین سیستم هرگز در نقطه ی توان ماکزیمم واقعی کار نخواهد کرد. دوم اینکه پیادهسازی نوعی از این روش نیاز دارد تا آرایه PV دورهای خاموش شود تا ولتاژ مدار باز این سیستم زیر برخی از تابشهای خورشیدی و دمای سلول مختلف محاسبه شود.این خاموش شدن حتی اگر فقط لحظهای باشد با مقدار قابلتوجهی اتلاف انرژی به پایان خواهد رسید.
یک راه حل استفاده از پنل آزمایشی به جای خاموش کردن کل آرایه به منظور کاهش اتلاف انرژی است.[3] انجام این کار،نه تنها فقط پیچیدگی نصب را افزایش میدهد بلکه سرمایهگذاری کل سیستم را نیز افزایش میدهد. با استدلال مشابه با استفاده از روش جزء بهجزء جریان اتصال کوتاه، جریان در نقطه ی توان ماکزیممتقریباً خطی و مرتبط با جریان اتصال کوتاه است بنابراین - 2 - که در آن یک ثابت است که متناسب با بهره و وابسته به آرایه PV است و مقدار آن نیاز است که قبل از هرPVخاص که استفاده میشود شناسایی شود جریان اتصال کوتاه برای اندازهگیری مشکل تراست.یک سوئیچ اضافی معمولاً برای اتصال کوتاه آرایه PV استفاده میشود تا اندازهگیری شود.یا مانند [8]یک مبدل BOOST استفاده میشود که سوئیچ در مبدل برای اتصال کوتاه پنل PV استفاده شده است.هردو روش تعداد قطعات مورد نیاز و هزینه نصب و راهاندازی را افزایش میدهند.
روش انحراف و مشاهده
به دلیل سادگی و دقت معقول آن روش انحراف و مشاهده به طور گستردهای استفاده میشود10]،[9 شکل 1 فلوچارت یک روش متداول انحراف و مشاهده را نشان میدهد با استفاده از این روش،زمانی که عملیات در سمت چپ نقطه ی توان ماکزیمم همان طور که شکل 1 نشان داده شده است افزایش ولتاژ به افزایش توان - قدرت - منجر میشود. درحالیکه در سمت راست نقطه ی توان ماکزیمم ، کاهش ولتاژ منجر به افزایش توان میشود این فرآیند مجدداً تکرار میشود تا زمانی که نقطه ی توان ماکزیمم رسیده باشد پس از آن، سیستم در اطراف نقطه ی توان ماکزیمم نوسان خواهد کرد.
واضح است که یکی از پارامترهای مهم برای انحراف و مشاهده طول انحراف است. مقادیر کوچک عملکرد ردیابی را کاهش میدهند درحالیکه که مقادیر بزرگ سرعت ردیابی را افزایش میدهند اما از سوی دیگر سبب افزایش نوسان در حالت پایدار - ماندگار - میشوند. نوسان اطراف نقطهی توان ماکزیمم در حالت پایدار سبب اتلاف انرژی و از این رو کاهش بهره وری سیستم میشود. همچنین مشخص شده است که استفاده از روش انحراف و مشاهده میتواند منجر به ردیابی در مسیر اشتباه و دور از نقطهی توان ماکزیمم تحت سرعت در حال افزایش یا کاهش سطح تابش شود.[11]
روش جدید هیبریدی
در این مقاله یک روش هیبریدی جدید تکنولوژی ردیابی نقطه ی توان ماکزیمم با انطباق اندازه انحراف ارائه شده است. فلوچارت روش هیبریدی تکنولوژی ردیابی نقطه ی توان ماکزیمم ارائهشده در نمودار شکل3 نشان داده شده است. روش کار به شرح زیر است.
تعیین نقطهی ابتدایی تحقیق
این سیستم با اندازهگیری تابش خورشیدی و درجه حرارت سلول برای تعیین نقطهی ابتدایی تحقیق شروع میشود. نقطهی ابتدایی تحقیق به وسیلهی روش جزءبه جزء ولتاژ مدارباز تخمین زده میشود. به طور مثال میبینیم که - 3 - ولتاژ مدار باز را میتوان اینچنین محاسبه نمود. - 4 - که همه پارامترهای مورد نیاز را میتوان از برگه دادههای کارخانهها به دست آورد به این دلیل از ولتاژ مدار باز به جای جریان اتصال کوتاه استفاده میشود که ولتاژ مدار باز خیلی بیشتر از جریان اتصال کوتاه تحت تأثیر درجه حرارت سلول است که میتوان در شکل 2 مشاهده نمود، بنابراین برای تشخیص نوسانات تابش خورشیدی و دمای سلول دارای حساسیت بیشتری خواهد بود.
در طول جستجو هر زمانی که سیستم تغییری در تابش انرژی خورشیدی و یا دمای سلول تشخیص دهد آن را از وضعیت فعلی جستجو خارج ومجدداً نقطهی شروع جستجو را به نقطهی شروع اولیه جدید با توجه به تغییرات محیط تنظیم میکند. این طراحی برای افزایش سرعت پاسخ به جستجو است و تضمین میکند که جستجو همیشه در نزدیکی موقعیت تکنولوژی ردیابی نقطه توان ماکزیمم با توجه به تغییرات تابش خورشید و دما شروع خواهد شد.
باید توجه داشت که سازوکار جستجو اولیه ارائه شده در اینجا بر اساس اطلاعاتی از آرایه PVکنترل میشود. یک سازگاری بهتر از مدل PV و سیستم واقعی منجر به یک تحلیل بهتر از نقطهی جستجوی اولیه خواهد شد. اگر حتی بین مدل و کارخانه عدم تطابق وجود داشته باشد عملکرد کلی کنترلر خراب نمیشود. نقطه ی جستجوی اولیه شاید کمی بیشتر و دور از نقطه توان ماکزیمم واقعی است اما در کل مراحل زیرتضمین میکند که در نهایت نقطه توان ماکزیمم یافت میشود.
اصلاح جستجوی انحراف و مشاهده
در صورتی که هیچ تغییر آشکاری در تابش خورشیدی یا دمای سلول وجود نداشته باشد پس سیستم به سازوکار اصلاح انحراف و مشاهده خواهد رفت. برای ساده کردن کار، در این روش، یک جدول درستی همان طور که در جدول 1 نشان داده شده است برای تعیین جهت جستجو - که به عنوان ضریب در فلوچارت نشان داده شده است - به وسیله مقایسه تفاوت توان و ولتاژ خروجی استفاده شده است.
تعیین اندازهی انحراف
تعیین اندازه انحراف یک سازش بین پاسخ دینامیکی و عملکرد حالت پایدار است. در عمل بهترین کار قرار دادن اندازه طول گام بزرگ در حین مرحله گذرا که منجر به پاسخ سریع و طول گام کوچک در حالت پایدار که نوسان را کاهش دهد خواهد بود و هم چنین نتیجه کارایی کلی سیستم افزایش مییابد. - 5 - طوری که - 6 - - 7 - همچنین N یک پارامتر است. در نهایت K نشاندهندهی یک نقطه نمونه است. این تنظیمات برای این است که مطمئن شویم که گامها به اندازه کافی برای کنار آمدن با تغییرات سریع تابش یا درجه حرارت سلول بزرگ خواهد بود و به تدریج هنگامی که سیستم درحالیکه به پایداری میرسد به صفر کاهش میکند. فلوچارت روش هیبریدی تکنولوژی ردیابی نقطه ی توان ماکزیمم ارائهشده در شکل 3 نشان داده شده است.
