بخشی از مقاله
چکیده
پانلهای خورشیدی در شرایط سایه جزئی ویژگیهای خروجی پیچیده ای را به نمایش میگذارند. به عنوان مثال، منحنی جریان-ولتاژ ، پلههای متعدد جریان را ارائه میدهد در حالی که منحنی توان- ولتاژ نقاط متعدد حداکثر توان را نشان میدهد. در این شرایط روشهای مرسوم ردیابی نقطه حداکثر توان از صحت و سرعت قابل قبولی برخوردار نیستند. در این مقاله ابتدا مدلی از چند پانل خورشیدی سری شده در محیط سیمولینک ارائه شده است.
با استفاده از این مدل عملکرد پانلهای سری شده در شرایط سایه جزئی بررسی و چگونگی ایجاد پلههای جریانی در منحنی جریان-ولتاژ و نیز پیکهای توان در منحنی توان-ولتاژ ارائه شده است. در ادامه الگوریتمی ارائه شده است که به کمک آن میتوان به سرعت و با دقت، نقطه حداکثر توان در شرایط سایه جزئی را تشخیص داد و سپس با استفاده از الگوریتمهای متداول نظیر "اختلال و مشاهده" یا "هدایت افزایشی" آن را ردیابی نمود.
مقدمه
سلول خورشیدی میتواند به صورت یک منبع جریان موازی با یک دیود مدلسازی شود. زمانی که هیچ نوری برای تولید جریان وجود ندارد، سلول خورشیدی به عنوان یک دیود عمل میکند. هنگامی که شدت نور تابیده به سلول افزایش مییابد، جریانی متناسب با شدت نور ورودی به وسیله سلول خورشیدی تولید میشود. در این مقاله از مدل تک دیودی که شامل یک منبع جریان، یک دیود، مقاومت سری و موازی است، جهت محاسبات و شبیه سازی پانل خورشیدی استفاده شده است. شکل 1 مدار معادل یک پانل خورشیدی را نشان میدهد.
در رابطه فوق، Iph جریان ناشی از تابش خورشید، I0 جریان اشباع معکوس دیود، Nc تعداد سلول سری شده، Rs مقاومت سری ناشی از مقاومت ماده سلول در برابر شارش جریان و Rp مقاومت موازی ناشی از جریان نشتی سلول، Vpv و Ipv به ترتیب ولتاژ و جریان خروجی پانل خورشیدی و در نهایت Vth ولتاژ حرارتی سلول میباشد. ولتاژ حرارتی برای پانلی که از سری شدن Nc سلول حاصل شده باشد از رابطه 2 بدست میآید .[1]
در رابطه بالا، I0 از معادله 3 محاسبه میشود، Eg انرژی ناحیه تهی پیوند - برابر 1/12 الکترون ولت برای سیلیکون پلی کریستال در دمای 25 درجه سلسیوس - [1]، Vth ولتاژ حرارتی در معادله2، T دمای نامی و Tref دمای مرجع در زمان محاسبه I0 میباشد. جریان اشباع معکوس یا نامیمعمولاً با استفاده از مقادیر دیتا شیت محاسبه میشود. این مقادیر برای دمای نامی و دمای مرجع از رابطه 4 داده میشود کهغالباً برابر با دمای نامی میباشد.
در رابطه5، Kv ضریب دمای ولتاژ مدار باز و Ki ضریب دمای جریان اتصال کوتاه میباشد. معادله 5 با افزودن ضرایب دما و محاسبه تفاضل دما در رابطه 3 به دست میآید. مقدار هر دو ضریب دما معمولاً در برگههای اطلاعات فنی قرار دارد. این رابطه معادله را سادهتر کرده و منجر به خطای مدل در محدوده ولتاژ مدار باز مانند معادله 4 نمیشود. از این رابطه برای محاسبه جریان اشباع در مدل سیمولینک استفاده میشود .
جریان فتوالکتریک - Iph - وابسته به دما و شدت تابش میباشد و به صورت رابطهی6 نمایش داده میشود. در رابطه6 ، Iph,ref جریان فوتوالکتریک در دما وتابش مرجع - معمولاً 1000w/m2 و - 25 C، G میزان تابش - w/m2 - و Gref تابش نامی یا مرجع - معمولاً - 1000w/m2 است. Iph,ref تقرباًی برابر با جریان اتصال کوتاه - Isc - فرض میشود. این یک فرض بسیار معمول در مدلسازی فتوولتاییک میباشد1[] زیرا معمولاً مقاومت سری بسیار کوچک و مقاومت موازی بزرگ در نظر گرفته میشود در نتیجه فرض فوق تقریب مناسبی از سیستم میدهد.
شبیه سازی
با استفاده از روابط ارائه شده در بند قبل، مدلی مطابق شکل2 در محیط نرم افزار متلب/سیمولینک تهیه و شبیه سازی گردید. خروجی مدل بازای تابش 1000w/m2 و دمای 298/15k در شکل 3 نشان داده شده است. در تابش غیر یکنواخت، از دید تلفات توان، تابش ناهمگن دریک رشته از پانلهای خورشیدی از اهمیت بیشتری در مقایسه با تابش ناهمگن بر روی سلولهای یک پانل دارد [3]،.[4] بر همین اساس در این مقاله منظور از سایه جزئی، تابش غیر یکنواخت بر روی پانلهای سری شده میباشد.
بدیهی است نقطه کار یک رشته پانل خورشیدی سری شده به منظور استخراج کافی انرژی، میبایست در نقطه حداکثر توان1 تنظیم گردد.[5] روشهای ردیابی متداول در تابش یکنواخت شامل روش اختلال و مشاهده2و هدایت افزایشی3میباشند.[1] از آنجا که منحنی توان- ولتاژ یک رشته سلول خورشیدی در تابش یکنواخت تنها یک نقطه حداکثر توان دارد، روش های مرسوم میتوانند نقطه حداکثر توان را با دقت، پیگیری نمایند.
با تابش غیر یکنواخت نظیر سایه ابر بر روی یک رشته پانل خورشیدی، منحنی توان- ولتاژ آن رشته، متفاوت از شرایط تابش یکنواخت بوده و شامل چندین نقطهی پیک توان - قله - میگردد. تنها یکی از این قلهها نقطهی حداکثر توان کلی4 و سایر نقاط، نقطهی حداکثر توان محلی5 میباشند. روشهای متداول به سختی میتواند اختلاف بین نقطهی حداکثر توان کلی و محلی را تشخیص دهند.
نتایج شبیه سازی در تابش یکنواخت در شکل نشان داده شده است. مقدار تابش بر روی هر دو پانل برابر و معادل 1000w/m2 میباشد. لازم به ذکر است که سری شدن پانلها مطابق شکل 5 میباشد. یعنی با هر پانل یک دیود موازی شده است. در تابش غیر یکنواخت مطابق شکل 5، PV1 تابش بیشتری نسبت به PV2 دریافت میکند، به طوری که جریان اتصال کوتاه و ولتاژ مدار باز PV1 بزرگتر از مقادیر مشابه PV2 هستند .[7] هنگامی که جریان رشته Istr، کوچکتر از جریان اتصال کوتاه PV2 ، Isc2 است هر دو PV1 وPV2 انرژی تولید میکنند و ولتاژ رشته برابر مجموع ولتاژهای PV1 وPV2 است. زمانی که Istr بیش از Isc2 باشد، دیودDp2 هدایت میکند، و در نتیجهPV2 بایپس شده و انرژی تولید نمیکند. لذا ولتاژ خروجی رشته برابر با ولتاژ PV1 است.
در مرحله بعد شبیه سازی، تابش غیر یکنواخت به دو پانل اعمال و نتایج مطابق شکل7 بدست میآیند. مقدار تابش برای یکی از پانل-ها برابر با 1000w/m2 و برای پانل دیگر برابر با 600 w/m2 درنظر گرفته شده است. نتیجه تابش غیر یکنواخت، کاهش توان و در نتیجه کاهش بازده کلی یک رشته پانل خورشیدی است. مطابق بررسیهای صورت گرفته از بهره برداری سیستم های خورشیدی، %41 سیستم های نصب شده تحت تاثیر سایه، با تلفات انرژی %10، قرارگرفتهاند.[8] روند جستجو در محدوده ولتاژ کامل میتواند دقت ردیابی نقطه حداکثر توان کلی را تضمین کند، با این حال، فرایند ردیابی وقتگیر است. بنابراین، لازم است روش ردیابی نقطه حداکثر توان توانایی ردیابی در شرایط سایه جزئی را داشته باشد.
تاکنون مطالب فراوانی در ارتباط با مسئله ردیابی نقطه حداکثر توان در شرایط سایه جزئی، بر اساس راه حلهای سخت افزاری و نرم افزاری ، به چاپ رسیده استاخیراَ. روش ردیابی بهبود یافته به طور خاص بر اساس الگوریتم های ردیابی معمولی ارائه شده است. این روش از ویژگیهای منحصر به فرد سیستمهای خورشیدی در سایه جزئی برای ردیابی نقطه حداکثر توان کلی استفاده میکند و میتواند به سادگی با تصحیح الگوریتم ردیابی متداول پیادهسازی شود.
