بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله با درنظر گرفتن موقعیت مکانی پنل خورشیدی، تقویم نجومی منطقهای و همچنین مسیر حرکتی روزانه و لحظهای خورشید عملکرد سیستمهای فوتو ولتائیک ثابت و متحرک شبیهسازی شد. بدین منظور ابتدا مسیر حرکتی خورشید و عملکرد موتور پیادهسازی شد. سپس مدل ردیاب خورشیدی دومحوره پیادهسازی شد و بر اساس آن توان تولیدی و بازدهی سیستمهای فوتو ولتائیک ثابت و متحرک محاسبه گردید. محاسبات برای شهر تهران در دو روز تابستانی و پاییزی انجام شد.
منحنی توان پرتوهای خورشیدی، توان دریافتی و توان تولیدی پنلهای خورشیدی استخراج شد. نتایج حاصل نشان داد، استفاده از سیستم ردیاب موجب میشود پنلهای خورشیدی تقریبا کل توان پرتوهای خورشیدی را دریافت کنند. لذا راندمان سیستمهای متحرک به 50/6 درصد میرسد که در مقایسه با راندمان سیستمهای ثابت که 14/1 درصد است، بهبود چشمگیری دارد. از مزایای سیستم ردیاب دومحوره ارائه شده در مقایسه با سایر طرحها میتوان به دقت بالای الگوریتم تولید مسیر خورشیدی و عدم استفاده از سنسور جهت تعیین موقعیت خورشید اشاره نمود.
-1 مقدمه
با افزایش مصرف انرژی و ضرورت تامین آن از طریق منابع جدید، استفاده از سیستمهای فوتو ولتائیک به عنوان منبع انرژی پاک و تجدید پذیر مورد توجه قرار گرفت
سیستمهای فوتو ولتائیک با استفاده از پنلهای سلول خورشیدی انرژی دریافتی از خورشید را به انرژی الکتریکی تبدبل مینمایند. استفاده کارآمد از این منبع انرژی یکی از نکات کلیدی است. لذا در سالهای اخیر تلاشهای گستردهای در راستای بهبود تکنولوژی ساخت سلولهای خورشیدی و افزایش راندمان آنها صورت گرفتهاست
علاوه بر آن با توجه به حرکت روزانه و سالانه خورشید، موقعیت و جهت تابش آن نسبت به پنل خورشیدی به طور پیوسته تغییر میکند و از شرایط تابش عمود بر سطح پنل خارج میشود. این امر موجب میگردد نور تابیده شده بر سطح پنل بهطور کامل دریافت نشود. لذا استفاده از ردیابهای خورشیدی بهعنوان راهکاری جهت افزایش راندمان دریافت و در نتیجه راندمان کل سیستم فوتوولتائیک مطرح میگردد.
ردیاب خورشیدی مسیر حرکت خورشید را تعقیب میکند و بار خود را که شامل، بازتابنده ، لنز، پنل خورشیدی و سایر تجهیزات اپتیکی است، همواره به سمت خورشید و درجهت تابش عمود پرتوهای آن نگه میدارد .[ 4] سیستمهای جمعآوری انرژی خورشید را به دو دسته تابت و متحرک تقسیم میکنند که در سیستمهای متحرک از ردیاب خورشیدی استفاده شده است.
در این مقاله سیستمهای فوتو ولتائیک ثابت و متحرک را شبیه سازی کرده و راندمان آنها را با یکدیگر مقایسه نمودهایم. برای ردیابی خورشید از ردیابی دومحوره استفاده کردهایم.
-2 طراحی و پیادهسازی مدل ردیاب خورشیدی
ردیاب خورشیدی با درنظر گرفتن موقعیت مکانی پنل خورشیدی، تقویم نجومی منطقهای و همچنین مسیر حرکتی روزانه و لحظهای خورشید عمل ردیابی را انجام میدهد و موقعیت پنل خورشیدی را در دو محور ارتفاع و سمت تغییر میدهد. شکل 1 نمای بلوکی سیستم ردیابی پیادهسازی شده را نشان میدهد.
شکل:1نمای بلوکی مدل ردیاب خورشیدی
سیستم ردیاب خورشیدی از سه بلوک اصلی، تولید کننده مسیر حرکتی، واحد پردازش ردیاب و واحد کنترل ردیاب تشکیل میشود که هریک از این بلوکها بهطور مجزا طراحی و شبیهسازی شدهاند.
الگوریتم تولید مسیر حرکتی خورشید به گونهای طراحی شده است که در هر زمان دلخواه - شامل زمانهای گذشته و آینده - برای هر موقعیت جغرافیایی از زمین قابل استفاده است. واحد پردازش ردیاب برحسب نیاز میتواند عمل ردیابی را بهصورت پیوسته یا گسسته در بازههای زمانی مشخص انجام دهد
واحد کنترل ردیاب با توجه به زوایای مطلوب سمت و ارتفاع و با درنظرگرفتن زاویه کنونی هر یک از محورها، سیگنال کنترل مورد نیاز هر موتور را به آن اعمال مینماید.
-3 تولید مسیر حرکتی روزانه خورشید
در پیادهسازی مدل ردیاب خورشیدی، بلوک تولید کننده مسیر حرکتی خورشید یکی از بلوکهای اساسی است. شکل 2 نتایج حاصل از تولید مسیر حرکتی روزانه خورشید برای شهر تهران را ارائه مینماید که با نتایج ارائه شده در مرجع [5] مطابقت دارد.
شکل:2 مسیر حرکتی خورشید برای شهر تهران در تاریخ . 2017/04/14
-4 شبیه سازی موتور،گیربکس و بار مکانیکی
به منظور شبیهسازی ردیاب خورشیدی، لازم است عملکرد موتورها شبیهسازی شود. موتور الکتریکی بهکار رفته در سیستم ردیابی در هر دو محور سمت و ارتفاع، موتور جریان ثابت جاروبکدار با مشخصه 45PA720G/45ZYT75-2430 است
شکل 3 مدل مورد استفاده در شبیهسازی موتور را نشان میدهد. طبق محاسبات انجام شده گشتاور کل مورد نیاز برای حرکت دادن پنل خورشیدی معادل 10N*m است که آن را در خروجی گیربکس قرار میدهیم. مقدار 2N*m از این گشتاور معادل وزن سلول خورشیدی و 8N*m از آن برای مقابله با نیروی بادی با سرعت 36 Km/h است.
با استفاده از مدل ارائه شده در شکل 3، عملکرد موتور شبیهسازی میشود و پارامترهای مهم آن نظیر ولتاژ و جریان موتور، سرعت شفت موتور و سرعت خروجی گیربکس استخراج میشود که شکل 4 نتایج حاصل را نشان میدهد. در لحظه اول موتور بدون بار و با اعمال ولتاژ 24V راهاندازی میشود. سپس در ثانیه پنجم از زمان شبیهسازی گشتاور 10N*m در خروجی گریبکس قرار میگیرد. در لحظه اول راه اندازی به منظور تامین جریان مورد نیاز، ولتاژ تغذیه افت میکند. موتور پس از گذشت تقریبا 1S به سرعت بدون بار 3000RPM میرسد . در این زمان سرعت خروجی گیربکس 4/1RPM است - به دلیل نسبت کاهنده . - 1/720 همانگونه که ملاحظه میگردد پس از بارگذاری، جریان موتور افزایش مییابد درحالیکه ولتاژ موتور و سرعت موتور و گیربکس کاهش مییابند.
شکل:3 مدل مورد استفاده در شبیه سازی عملکرد موتور
شکل:4 منحنی های خروجی موتور
-5 نتایج شبیهسازی
در این بخش نتایج حاصل از شبیهسازی سیستمهای فوتو ولتائیک ثابت و متحرک ارائه شده و بازدهی و توان تولیدی حاصل از آنها با یکدیگر مقایسه شدهاست. شبیهسازی بر اساس موقعیت جغرافیایی شهر تهران و برای روزهای 24تیر1396 و 24 آذر 1396 انجام شدهاست.
شکلهای 5 و 6 نتایج حاصل برای روز تابستانی را بیان میکنند. در این شکلها، توان پرتوهای خورشیدی، توان دریافت شده و توان تولیدی بر حسب ساعات مختلف روز ترسیم شدهاست. بر اساس این نتایج در روز تابستانی متوسط توان پرتوهای خورشیدی 782/7 W/m2 است که در سیستم فوتو ولتائیک ثابت توان دریافت شده پنل خورشیدی 471/6 W/m2 و توان تولیدی توسط پنل 95 W/m2 است. در حالیکه برای سیستم فوتو ولتائیک مجهز به ردیاب دومحوره مقدار توان دریافت شده با توان پرتوهای خورشیدی برابر است و توان تولیدی 156 W/m2 است.
شکل:5 توان پرتوهای خورشیدی، توان دریافتی و توان تولیدی پنل ثابت برای شهر تهران در تاریخ .94/04/24
