بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله به بررسی رفتار و شبیه سازی سیستم فوتوولتایی به کار رفته در یک نانو ماهواره فاقد سیستم کنترل وضعیت فعال و حسگر خورشید یاب در مدار LEO پرداخته شده است. به علت چرخش پیوسته ماهواره حول خود، منابع انرژی دریافتی تاثیر گذار بر سیستم فوتوولتایی صورت مداوم در حال تغییر است. به همین منظور ابتدا مدلسازی دقیق ورودیهای سیستم فوتوولتایی یعنی تابش خورشید و دمای سطوح آن انجام شده و با توجه به مشخصات ماهواره و ماموریت فرضی، بودجه توانی آن و براساس دیتاشیت و نمودارهای کارخانه تولید کننده سلولهای خورشیدی سه پیوندی spectrolab ، سیستم فوتوولتایی ماهواره با استفاده از ساخت رویههای سه بعدی و درونیابی آنها با روش اسپیلاین مکعبی - درجه - 3،طراحی شده است.
روش درونیابی اسپیلاین مکعبی سه بعدی به دلیل انتخاب هموارترین جواب ممکن به کار رفته است. همچنین به منظور استفاده حداکثری و بهینه از سلولهای خورشیدی برای تامین توان مورد نیاز ماهواره در زمان فاز تابش خورشید، سیستم جذب توان بیشینه بر منبای روش امپدانس افزایشی در نظر گرفته شده است. شبیه سازیهای انجام شده در محیط نرم افزار متلب بخش سیمولینک صورت گرفته است. نتایج این پژوهش بیانگر آن است که دمای آرایههای خورشیدی در مدت فاز دریافت نور خورشید و فاز سایه به ترتیب به صورت نمایی افزایش و کاهش مییابد. دما در محدوده مجاز سانتیگراد تغییر میکند و همچنین مشخصههای جریان و ولتاژ سیستم فوتوولتایی به دلیل تغییر ورودیها، دچار تغییر میشوند.
کلمات کلیدی: مدلسازی، فوتوولتایی، سلولهای خورشیدی، دما، تابش خورشید، درون یابی، رویه سه بعدی، توان بیشینه
.1 مقدمه
ماهوارهها با توجه به ماموریت تعریف شده برای آنها دارای بخشها و زیرسیستمهای ضروری برای پاسخگویی به نیازهای ماموریت میباشند. زیر سیستم تولید، مدیریت و توزیع توان الکتریکی نیز بخشی مهمی از سیستمهای سازنده تمامی ماهوارهها است. با توجه به این که در عمق فضا فقط انرژی حاصل از تابش خورشید در دسترس است؛ لذا امروزه آرایه های خورشیدی که خود متشکل از اتصال سری و موازی سلولهای خورشیدی میباشند، به منظور تولید توان الکتریکی مورد استفاده قرار میگیرند .[1]سلولهای خورشیدی ضمن تبدیل انرژی تابشی خورشید به انرژی الکتریکی، تحت عوامل و شرایط محیطی مانند زاویه تابش خورشید، دما و امواج الکترومغناطیسی قرار دارد.
نانو ماهوارهها که بیشتر در زمینههای پژوهشی و دانشگاهی به کار میروند و ابعاد کوچکی دارند، به سبب محدودیت در جرم و حجم فاقد سیستم کنترل وضعیت فعال و حسگر خورشیدیاب میباشند و به همین دلیل در آنها از پایدار سازی چرخان با فرکانس معین استفاده میشود .[2] چرخش ماهواره حول خود موجب تغییر انرژی خورشیدی و منابع حرارتی موثر بر دمای سطوح آرایههای خورشیدی میشود.از منابع حرارتی موثر بر دمای سطح آرایههای خورشیدی میتوان به انرژی دریافتی از خورشید، شارهای حرارتی زمین و شارهای حرارتی جو مطابق شکل 1 اشاره کرد. شارهای حرارتی زمین نیز به دو صورت شارهای آلبدو - بازتابش - و مادون قرمز با توجه به سطح موثر دریافت آنها بر دمای سطوح تاثیر گذارند .
[ 3] شار حرارتی بازتابش که به طور میانگین %30 تولید حرارت محیط را شامل میشود و در برخی مکانها این میزان بین 40 تا 80 درصد نیز تغییر میکند و انرژی مادون قرمز زمین که میتوان آنرا به صورت جسم سیاه که دارای دمای 255 درجه کلوین است، در نظر گرفت که از خود امواج ساطع میکند تشکیل شده است .[4]مدلسازی و درنظر گرفتن ورودیهای مناسب برای سلولهای خورشیدی سبب ایجاد درک صحیح از سیستم فوتوولتایی و بررسی میزان تولید توان در شرایط مختلف را در فضا فراهم میکند. برای سیستمهای فوتوولتایی در کاربردهای فضایی میتوان تابش خورشید و دمای سطح آرایههای خورشیدی گسترده شده در وجههای ماهواره را به عنوان ورودی فرض نمود؛ زیرا که مشخصات سلولهای خورشیدی سازنده سیستم به شدت به تغییرات تابش خورشید و دمای سطوح وابسته اند. در پژوهشهای پیشین، برای مدلسازی سلولهای خورشیدی مدار معادلی در نظر گرفته شده است.
این مدل ریاضی شامل منبع جریان متصل به یک دیود موازی معکوس، مقاومت سری و یک مقاومت موازی سلول ℎ مطابق شکل 2 نمایش داده شده است. تمامی پارامترهای این مدار معادل با توجه به مشخصههای سلول بدست میآید اما پارامتر مقاومت سری و موازی با به کار گیری روشهای مبتنی بر تکرار و حل عددی معادلات غیر خطی مدل با روشهایی نظیر روش نیوتن استخراج میشوند .[6,7]در حل معادلات غیر خطی مبتنی بر تکرار، ابتدا میبایست حدس اولیهای از پارامتر مورد نظر زده شود و در ادامه طبق یک الگوریتم به جواب نهایی آن با سرعت همگرایی مخصوص میل کند. همچنین جواب نهایی در فاصله ای معین از جواب اصلی قرار خواهد گرفت که اندکی خطا را دربر میگیرد .[8]
به منظور رفع مشکلات روشهای مدار معادل و مبتنی بر تکرار، در این پژوهش با استفاده از اعداد، منحنیها و مشخصات ارائه شده توسط یکی از کارخانههای معتبر در زمینه طراحی و ساخت سلولهای خورشیدی سه پیوندی با قابلیت اطمینان بالا، درون یابی رویههای سه بعدی از مشخصه جریان-ولتاژ سلول خورشیدی با روش اسپیلاین مکعبی، بر حسب دما و توان تابشی شبیه سازی شده در قسمت قبل، جریان و ولتاژ در هر دما و تابش بدست خواهد آمد. از میان روشهای متعدد درون یابی، از روش اسپیلاین مکعبی سه بعدی در جدول لوک آپ بهره گرفته شده است. روش درونیابی خطی به دلیل عدم مشتق پذیری و ناهمواری و روشهای تقریب چند جملهای به سبب دشواری حل و افزایش درجه دستگاه معادلات در حوزه کاربرد کمتری دارند .[8]
راندمان سلولهای خورشیدی کم است. برای به کار بردن سلولهای خورشیدی مخصوصا در ماهوارهها که محدودیت شدیدی روی جرم و حجم آن وجود دارد، از روشهایی به منظور بهینهتر کردن راندمان این سلولها استفاده میشود .[9] در این روشها سعی میشود که حداکثر توان الکتریکی تولیدی سلولهای خورشیدی با انتقال نقطه کار به نقطه کار بهینه اخذ شود. معمولا برای این کار از مبدلهای ولتاژ و جریان مستقیم بهره گرفته میشود. از میان این روشها میتوان، روش تغییر و نظاره، جریان ثابت، ولتاژ ثابت، روش ظرفیتهای پارازیتی و روش امپدانس افزایشی را نام برد. روشهای اخذ توان بیشنه را با توجه به امکان سادهتر تحقق عملی و نیاز به تجهیزات و حسگرها میتوان طبقه بندی کرد. روش امپدانس افزایشی با توجه به این که قابلیت پیاده سازی عملی دارد و در برابر تغییرات شرایط محیطی مقاوم است [10] روش پیشنهادی مناسبی برای کاربرد در ماهوارهها میباشد.
.2 مدلسازی ورودیها
توان سلولهای خورشیدی وابسته به شرایط محیطی است. از میان عوامل موثر بر مشخصه سلولهای خورشیدی میزان تابش خورشید و دمای سطح آنها بیشترین اثر را بر عملکرد سلولها ایفا میکنند. به همین دلیل به منظور بررسی رفتار دقیق سلولهای خورشیدی به کار رفته در ماهواره مورد نظر، میبایست انرژی دریافتی از خورشید و دمای سطح سلولها حین گردش مداری تعیین شود. اطلاع از میزان انرژی دریافتی خورشید و دمای سطوح در هر لحظه امکان محاسبه توان تولیدی سیستم فوتوولتایی ماهواره را فراهم میکند.
