بخشی از مقاله
چکیده –
با توجه به اهمیت استفاده از انرژي خورشیدي به عنوان اصلی ترین منبع انرژي تجدید پذیر، در این مقاله به بررسی رفتارهاي مدل شبیه سازي شده سلول خورشیدي به ازاي شرایط تابشی و دمایی متغییر پرداخته شده است. منحنی مشخصه هاي سلول فتوولتائیک نیز به منظور بررسی عوامل تاثیر گذار در توان خروجی، مورد تحلیل قرار گرفته است. در مدل ارائه شده با استفاده از ترکیب سلول هاي سري و موازي به منظور بهبود توان خروجی، شبیه سازي نرم افزاري یک آرایه خورشیدي انجام شده و در این مدل سعی شده تا توان خروجی سلول به ازاي دماي کاري بالا، افت کمتري داشته باشد و تا حدي منحنی ولتاژ - توان بهبود یابد.
-1 مقدمه
با توجه به موقعیت جغرافیایی کشور ایران براي استفاده از انرژي هاي تجدید پذیر به خصوص انرژي خورشیدي، می بایست سیستم هاي بهره برداري از آن به اندازه کافی توسعه یافته و قابل اطمینان گردند تا این امکان فراهم شود که با بکارگیري این منابع، مقداري از انرژي مورد نیاز کشور از این طریق تأمین گردد. در سال هاي اخیر با پیشرفت تکنولوژي و ارزانتر شدن سلول هاي خورشیدي، انرژي تولیدي از این سیستم ها با رشد زیادي همراه بوده است.
از آنجایی که در توان خروجی یک سلول فتوولتائیک عواملی همچون میزان شدت تابش خورشید و مقدار دماي کار سلول تاثیر گذار است، نقطه ماکزیمم توان سلول هاي خورشیدي به ازاي این پارامترها متفاوت می باشد. براي تعیین نقطه کار مناسب جهت اخذ بیشترین توان نیاز به اطلاعاتی دقیق از منحنی مشخصه ولتاژ - جریان و همچنین ولتاژ - توان داریم.
-2 مدل اساسی یک سلول خورشیدي
هر سلول خورشیدي از پیوند نیمه هادي p-n تشکیل شده است که براي مدل سازي آن می توان از مدار معادل دیودي استفاده کرد. در این مدار یک منبع جریان به منظور توان ایجاد شده در اثر تابش نور، به روي سلول خورشیدي مدل می گردد.
یک مقاومت موازي Rp و یک مقاومت سري Rs به عنوان مقاومت هاي ذاتی و درونی سلول، در این مدل جاي دارند که از نظر مقدار، مقاومت سري داراي اهم خیلی کم و مقاومت موازي داراي اهم زیاد می باشد.[4-1] لازم به ذکر است که راندمان سلول خورشیدي بوسیله اتلاف توان در مقاومت هاي داخلی از جمله مقاومت اتصالات و همچنین از طریق جریان هاي نشتی در مدار، کاهش می یابد.
شکل :1 مدار معادل تک دیودي یک سلول خورشیدي.
همانطور که در شکل 1 مشاهده می شود جریان خروجی یک سلول توسط رابطه زیر بیان می گردد:
که در این رابطه Iph جریان حاصل از شدت تابش خورشید به روي سلول می باشد و توسط رابطه - 2 - تعریف می شود. G مقدار تابش خورشید و Isc جریان اتصال کوتاه سلول و KI ضریب دمایی جریان است که T دماي کار و Tr دماي مرجع سلول می باشد. همچنین جریان دیود توسط رابطه - 3 - معرفی شده است:
در این معادله η ضریب ایده آل پیوند p-n نیمه هادي است و Vt ولتاژ گرمایی و نیز Isa جریان اشباع معکوس دیود می باشد. بنابراین با توجه به روابط بیان شده مقدار توان خروجی یک سلول خورشیدي به دما کاري و میزان تابش خورشید بستگی دارد.
-3 شبیه سازي یک سلول خورشیدي به ازاي تغییرات
دمایی و تابشی
با استفاده از یک نمونه سلول خورشیدي در نرم افزار MATLAB/SIMULINK شبیه سازي بر روي پارامتر هاي مختلف آن انجام می شود. مطابق شکل 2، یک عدد سلول خورشیدي در مدار قرار گرفته و میزان تابش خورشید بر روي آن از طریق پارامتر G اعمال می شود. همچنین با استفاده از تنظیمات داخلی، می توان میزان دما کاري سلول را تغییر داد. در مدار نشان داده شده یک ورودي رمپ در مقاوت متغییر اعمال می گردد و همانند یک بار مصرفی که مقدار آن رو به افزایش است، عمل می کند. مقدار ولتاژ و جریان سلول خورشیدي توسط سنسور هاي جریان و ولتاژ در مدار، اندازه گیري می شوند و منحنی ولتاژ - جریان و نیز ولتاژ - توان به عنوان خروجی ها به دست می آیند.
شکل :1 مدار شبیه سازي یک عدد سلول فتوولتائیک.
در بیشتر سلول هاي خورشیدي ساخته شده از عناصر نیمه هادي، ولتاژ مدار باز سلول ها حدود 0/3 تا 0/4 درصد به ازاي هر درجه افزایش دماي محیط می باشد، در حالی که افزایش جریان اتصال کوتاه، تنها حدود 0/025 تا 0/075 درصد در هر درجه افزایش دما است.[4] با توجه به شکل 3 منحنی ولتاژ - جریان به ازاي دماي ثابت 25 درجه سانتیگراد و تابش هاي 300 تا 500 وات بر متر مربع به دست آمده و مطابق با آن هرچه تابش بیشتر شود، تاثیر آن بر روي ولتاژ خروجی بسیار ناچیز بوده و تنها مقدار جریان زیاد می شود. از این رو جریان یک سلول خورشیدي به شدت تشعشع خورشید و همچنین مقدار مساحت سلول بستگی داشته و هرچه این مقادیر بیشتر شوند، جریان و در نتیجه توان سلول خورشیدي افزایش می یابد.
مطابق شکل 4 منحنی ولتاژ - توان به ازاي همان مقادیر تابش به دست آمده که مشخص می شود توان خروجی کاملا به میزان تابش بستگی داشته و هرچه میزان تابش بیشتر شود، توان خروجی افزایش پیدا می کند. با افزایش شدت تابش در هر 100 وات بر متر مربع، مقدار جریان اتصال کوتاه سلول در حدود 0/9 آمپر افزایش می یابد.
شکل :3 منحنی ولتاژ – جریان به ازاي تابش متغییر.
شکل :4 منحنی ولتاژ – توان به ازاي تابش متغییر.
در منحنی مشخصه ولتاژ - جریان که در شکل 5 نشان داده شده است، به ازاي تابش ثابت 500 وات بر متر مربع و دماي متغییر 25 تا 85 درجه سانتیگراد، بیان می کند که هر چه دما بیشتر شود ولتاژ خروجی کاهش یافته، ولی همچنان جریان سلول ثابت می ماند. زمانی که دما کاري سلول بیشتر از دماي مرجع آن شود، به ازاي هر 20 درجه سانتیگراد افزایش، ولتاژ مدار باز خروجی حدود 25 میلی ولت کاهش می یابد و به این معناست که افزایش دما تنها به عنوان یک پارامتر مخرب، موجب کاهش حداکثر توان خروجی سلول می شود و این موضوع را با توجه به منحنی ولتاژ – توان به ازاي تغییرات دما کاري، در شکل 6 می توان در نظر گرفت.
همان طور که در بحث تاثیرات دما بر منحنی ولتاژ- جریان اشاره شد، ولتاژ یک عدد سلول خورشیدي تحت دماي 25 درجه سانتیگراد برابر 0/72 ولت می باشد که ولتاژ مدار باز خروجی کل آرایه برابر 25/92 ولت است.
شکل :5 منحنی ولتاژ – جریان به ازاي دما متغییر.
جریان اتصال کوتاه هر یک از سلول ها در تابش 1000 وات بر متر مربع براي این مدل برابر 5/97 آمپر است که جریان اتصال کوتاه کل خروجی حاصل از دو ردیف موازي شده 11/94 آمپر می باشد.
شکل :6 منحنی ولتاژ – توان به ازاي دما متغییر.
-4 شبیه سازي آرایه خورشیدي
براي افزایش توان، سلول ها را به طور ترکیبی با اتصال سري و موازي در یک واحد نصب می نمایند که به این واحد، مدول فتوولتائیک - PV Module - می گویند. با نصب تعدادي از مدول هاي فتوولتائیک بر روي یک صفحه نگهدارنده واحدي بزرگتر به دست می آید، که پانل خورشیدي - solar panel - نامیده می شود. با اتصال چند پانل به یکدیگر، آرایه خورشیدي - solar Array - ایجاد می گردد.
در مدل ارائه شده، یک مدول فتوولتائیک از 18 عدد سلول، شکل :7 ترکیب سري - موازي سلول هاي پانل خورشیدي. با اتصال سري تشکیل می شود و براي یک پانل خورشیدي، دو ردیف موازي از 18 سلول سري شده، همانند شکل 7 به هم اتصال می یابند که در این نمونه، آرایش موازي جهت افزایش جریان خروجی و سلول هاي سري براي افزایش ولتاژ پانل به کاربرده شده اند و این مجموعه در مدار شبیه سازي به صورت یک - sub system - در آمده است که در نهایت با سري کردن دو عدد از آن، یک آرایه خورشیدي، شبیه سازي شده و با توجه به شکل 8، در کل 72 عدد سلول در این مدار به کار رفته است.
سلول هاي هم رنگ در این شکل داراي اتصال سري می باشند و شکل :8 مدار شبیه سازي آرایه خورشیدي با 72 عدد سلول. میزان شدت تابش به روي هر یک از سلول ها توسط پارامتر مطابق منحنی مشخصه ولتاژ – جریان در شکل 9 مشخصاستاندارد آن در نرم افزار اعمال می شود و به طور پیش فرض دما کاري سلول ها 25 درجه سانتیگراد در نظر گرفته شده است می شود که در یک ولتاژ و جریان خاص، توان خروجی به حد و استدلال می گردد که این مقدار دما در محلی که یک آرایه بیشینه خود می رسد و مقدار جریان در این نقطه حدود 10/6خورشیدي نصب می باشد، با میزان تابش خورشید نسبت آمپر می باشد که با افزایش ولتاژ، به بیش از 23 ولت مشاهده مستقیم دارد و هر چه شدت تابش بیشتر شود، میزان دما محیط می کنیم که جریان با کاهش شدیدي مواجه می شود.
همچنین و در نتیجه دماي روي سطح سلول یا همان دماي کار، افزایش با توجه به شکل 10 در نقطه توان ماکزیمم، مقدار شیب منحنی می یابد و آثار نامطلوبی بر روي مقدار توان خروجی سلول هاي برابر صفر می گردد و حداکثر توان خروجی در حدود 245 وات فتوولتائیک می گذارد که در ادامه، بررسی خواهد شد. به دست می آید که ولتاژ در این نقطه برابر با 23 ولت است.
