سلول های خورشیدی و بررسی سیستم های فتوولتائیک(PV)

در این پست قرار هست سیستم های فتوولتائیک (PV) توضیح داده شوند و سپس در متلب مدلسازی شوند.

مقدمه

روز به روز با توسعه جوامع و کشور ها نیاز به انرژی رشد یافته است و بودجه های کلانی صرف تهیه دستگاه های مولد انرژی می شود .

با این وجود انرژی های سازگار با محیط زیست از دیگر انواع انرژی ها محبوب تر بوده و دانشمندان تلاش می کنند با تولید مبدل های ارزان قیمت از این نوع، استفاده از نوع انرژی را رواج دهند.

اولین سلول خورشیدی کاربردی در سال 1951در آزمایشگاه بِل توسط سه نفر به نامهایDaryl Chapin ، Souther Fuller Calvin ، Gerald Pearson ساخته شد.

بازده این مبدل در حدود شش درصد بود و درمقایسه با مبدل های قبلی اش که درصد تبدیل حدود یک درصد و حتی کمتر داشتند، پیش رفت چشم گیری به حساب می آمد.

اگرچه بازده مبدل های خورشیدی بهبود یافته بود، ولی قیمت تمام شده تولید انبوه این مبدل ها هم چنان به عنوان چالشی در برابر دانشمندان و مهندسان قرار داشت.

برای مثال :قیمت تولید یک وات انرژی برای اولین مبدل کاربردی ساخته شده در آزمایشگاه بِل دویست وپنجاه دلار بود و این در مقایسه با قیمت دو یا سه دلاری زغال سنگ بسیار زیاد بود.

امروز با توسعه روش های تولید ارزان قیمت مبدل های خورشیدی توسط دانشمندان مختلف در سرتاسر جهان این نوع انرژی جای خود را در زندگی مردم باز کرده است و می توان به جرآت گفت تا الان به خوبی توانسته به نیاز های مردم پاسخ مناسبی دهد.

قیمت تمام شده متوسط برای تولید یک وات انرژی الکتریکی توسط این مبدل ها به یک یا دو دلار رسیده است که موجب جذب سرمایه گذاران دولتی و غیر دولتی مختلف شده است و در نتیجه این بخش با پیشرفت چشم گیری در حال توسعه است.

مبدل های خورشیدی عمدتا از چهار بخش اصلی :پنل خورشیدی، کنترل شارژر، باتری انبارنده و اینورتر)مبدل( تشکیل می شوند.

نحوه اتصال این سه بخش به صورت های مختلف وجود دارد ولی فرم معمول آن در شکل زیر آورده شده است.

سیستم تولید انرژی خورشیدی

شکل 2-8- فرم معمول سیستم تولید انرژی خورشیدی

انرژی تابیده شده به پنل های خورشیدی توسط سلول های حساس به نور به ولتاژ الکتریکی تبدیل می شود و سپس این انرژی در یک انبارنده انرژی ذخیره می شود تا تغییراتی که در نور تابیده شده به پنل خورشیدی بوجود می آید به بار متصل به سیستم منتقل نگردد.

در نهایت برای استفاده از سیستم خورشیدی لازم است تا برای بارهای الکتریکی مورد استفاده شرایط نامی آنها را ایجاد کرد، و بر همین اساس برای بارهای AC یک اینورتر DC-AC وبرای بارهای DC یک اینورتر DC-DC لازم خواهد بود.

در برخی از سیستم ها برای حفاظت باتری ها و همچنین پنل های خورشیدی از یک شارژکنترل نیز استفاده می شود که وظیفه آن جلوگیری از شارژ اضافی باتری توسط پنل و همچنین جلوگیری از تخلیه باتری ها در مواقعی که تولید برق توسط پنل ها وجود ندارد، خواهد بود.

برای تعیین مشخصات یک سیستم خورشیدی ابتدا باید مشخصات بار هایی که قرار است به سیستم متصل گردند تهیه شود و بر حسب توان مصرفی و آمپراژ بارهای مورد استفاده و دیگر پارامترهای لازم، نسبت به ساخت مبدل خورشیدی اقدام نمود.

 

انواع سلولهای خورشیدی

سلول های خورشیدی به انواع مختلفی تقسیم بندی می شوند که هر کدام به طریقه ی ساخت خودشان مربوط می شوند، سلول های از نوع amorphous silicon ,polycrystalline ,monocrystalline را می توان در بازار ایران به قیمت های مناسبی تهیه نمود.

سلول های پولی کریستال در ساختار کریستالی خود وضعیت نا همگونی دارند و این به دلیل تبلورسریع مواد سیلیکونی در هنگام خارج نمودن این سلول ها از کوره های مخصوص دیفیوژن می باشد.

شاید به مطالب زیر نیز علاقه مند باشید:

 

بر خلاف این سلول- ها، سلول های مونو کریستال دارای ساختار یکنواختی می باشند و در هنگام خنک نمودن آنها از ترفندهای مخصوصی استفاده می شود که به همین دلیل باعث گران تر شدن آنها نسبت به پولی کریستال ها می شود.

سلول های نوع amorphous دارای ساختار کربنی می باشند و بارز ترین ویژگی آنها تولید الکتریسیته در وضعیت های آب و هوایی نامناسب بارانی و ابری هست که به همین علت، از این سلول ها در مناطقی که آب وهوای غیر آفتابی دارد بیشتر استفاده می شود.

اگر بخواهیم این سه نوع سلول را از نظر بازده مقایسه کنیم، سلول مونو دارای بیشترین بازده در حدود 91 درصد و سلول های پولی دارای بازده حدود 92 درصد و سلول های amorphous حدود ده درصد، خواهند بود .

ولی باید در نظر داشته باشیم که سلول های پولی و مونو در صورتی که مانعی باعث عدم تابش نور به سطح آنها شود، منجر به کاهش شدید ولتاژ خروجی و در نتیجه توان خروجی خواهد شد.

پس در استفاده از این نوع باید همواره سطح آنها رو به سمت خورشید بوده و عاری از وجود گرد و غبار باشد.

در شکل زیر چند نمونه از این سلول ها نمایش داده شده است.

سلولهای الف) پولیکریستال، ب) مونوکریستال ج) پنل حاوی سلول های Amorphous

شکل 2-9- سلولهای الف) پولیکریستال، ب) مونوکریستال ج) پنل حاوی سلول های Amorphous

 

ساختار فیزیکی سلول های خورشیدی

با اتصال یک نیمه هادی نوع p به یک نیمه هادی نوعn ، الکترون ها از ناحیه n به ناحیه p و حفره ها از ناحیه p به ناحیه n منتقل می شوند.

با انتقال هر الکترون به ناحیهp ، یک یون مثبت در ناحیه n و با انتقال هر حفره به ناحیهn ، یک یون منفی در ناحیه p باقی می ماند.

یون های مثبت و منفی میدان الکتریکی داخلی ایجاد می کنند که جهت آن از ناحیه n به ناحیه p است.

این میدان با انتقال بیشتر باربرها )الکترون ها و حفره ها(، قوی تر و قویتر شده تا جایی که انتقال خالص باربرها به صفر می رسد. در این شرایط ترازهای فرمی دو ناحیه با یکدیگر هم سطح شده اند و یک میدان الکتریکی داخلی نیز شکل گرفته است .

اگر در چنین شرایطی، نور خورشید به پیوند بتابد، فوتون هایی که انرژی آنها از انرژی شکاف نیمه هادی بیشتر است، زوج الکترون حفره تولید کرده و زوج هایی که در ناحیه تهی یا حوالی آن تولید شده اند، شانس زیادی دارند که قبل از ترکیب، توسط میدان داخلی پیوند از هم جدا شوند .

میدان الکتریکی، الکترون ها را به ناحیه n و حفره ها را به ناحیه p سوق می دهد. به این ترتیب تراکم بار منفی در ناحیه n و تراکم بار مثبت در ناحیه p زیاد می شود.

این تراکم بار، به شکل ولتاژی در دو سر پیوند قابل اندازه گیری است.

اگر دو سر پیوند با یک سیم، به یکدیگر اتصال کوتاه شود، الکترون های اضافی ناحیهn ، از طریق سیم به ناحیه p رفته و جریان اتصال کوتاهی را شکل می دهند.

اگر به جای سیم از یک مصرف کننده استفاده شود، عبور جریان از مصرف کننده، به آن انرژی می دهد.

به این ترتیب انرژی فوتون های نور خورشید به انرژی الکتریکی تبدیل می شود .

هر چه میدان الکتریکی درون پیوند قوی تر باشد، ولتاژ مدار باز بزرگتری بدست می آید.

برای دست یافتن به یک میدان الکتریکی بزرگ، باید اختلاف ترازهای فرمی دو ماده p و n از یکدیگر زیاد باشد .

برای این منظور باید انرژی شکاف نیمه هادی بزرگ انتخاب شود.

بنابراین ولتاژ مدار باز یک سلول خورشیدی با انرژی شکاف آن افزایش می یابد.

اما افزایش انرژی شکاف سبب می شود، فوتون های کمتری توانایی تولید زوج الکترون حفره داشته باشند و بنابراین جریان اتصال کوتاه کمتری نیز تولید شود.

بنابراین افزایش انرژی شکاف، روی ولتاژ مدار باز و جریان اتصال کوتاه سلول دو اثر متفاوت دارد.

ساختار اساسی سلول PV

شکل 2-10- ساختار اساسی سلول PV

برای استفاده از سلول ها در مدارهای الکتریکی نیاز هست تا مشخصه ی الکتریکی ولتاژ-جریان یک سلول خورشیدی را داشته باشیم.

این مشخصه را می توان از طریق مدار زیر بدست آورد، کافی است چند نقطه از منحنی مشخصه را بدست آورده و آن را در نرم افزار های ریاضی ترسیم نمود.

یک نمونه مدل سلول خورشیدی

شکل 2-11- یک نمونه مدل سلول خورشیدی

مشخصه ی الکتریکی ولتاژ جریان یک سلول خورشیدی

شکل 2-12- مشخصه ی الکتریکی ولتاژ جریان یک سلول خورشیدی

در نهایت می توان برای یک سلول خورشیدی یک مدل الکتریکی از اِلمان اصلی مانند خازن، مقاومت و منابع مستقل بدست آورد و به جای سلول در مدارهای الکتریکی پیچیده قرار داده ومدار را توسط شبیه ساز های الکتریکی تحلیل کرد.

شکل 2-13- مدل الکترونیکی سلول خورشیدی

اثر تابش نور خورشید: بسته به مقدار تابش نور خورشید به سطح سلولهای خورشیدی، ویژگی های آن متفاوت می باشد.

تولید جریان متناسب با تابش نور است.

و افزایش تابش موجب افزایش تولید جریان می شود.

پس بنابراین مقدار تولید جریان وابستگی شدیدی به مقدار تابش نور خورشید دارد.

البته باید تغییرات ولتاژ را هم مد نظر داشت که تغییرات آن مقدار جزئی دارد و معمولا نادیده گرفته می شود.

شکل زیر مشخصه ولتاژ-جریان و وابستگی آن به تابش نور خورشید برای یک سلول خورشیدی را نشان می دهد.

تاثیر تغییرات روشنایی بر روی نمودار ولتاژ-جریان در سلول خورشیدی

شکل2-14- تاثیر تغییرات روشنایی بر روی نمودار ولتاژ-جریان در سلول خورشیدی

ولتاژی که یک سلول در برابر شدت نور نامی تولید می کند در حدود نیم ولت و جریان اتصال کوتاه آن می تواند از محدوده میلی آمپر تا چندین آمپر تغییر کند.

حداکثر توان تولیدی یک سلول برابر حاصل ضرب ولتاژ مدار باز در جریان اتصال کوتاه می باشد که با این حساب توان تولیدی نامی سلول مشخص می شود.

بنابراین توان تولیدی یک سلول نوعی از محدوده ی چند میلی وات تا چند وات تغییر خواهد کرد.

یکی از عواملی که در توان تولیدی سلول تاثیر گذار هست، اندازه سطح سلول می باشد و هر چه مساحت سلول بیشتر باشد، توان تولیدی نیز بیشتر خواهد بود.

توان تولیدی علاوه بر سطح به شدت نور نیز بستگی دارد و با افزایش شدت نور، توان تولیدی افزایش می یابد.

دمای سلول باعث کاهش ولتاژ پیوند دیودی سلول شده و باعث کاهش توان تولیدی میگردد ولی تاثیر آن، شدید نبوده و گاهی قابل اعماض نیز هست.

 

2-10 پنل خورشیدی

برای بدست آوردن ولتاژ مناسب برای مصارف روزانه معمولا از چندین سلول خورشیدی به جای یک سلول استفاده می کنند و بدین ترتیب توان تولیدی نیز، بیشتر می شود.

ایده این کار از سری کردن چندین سلول خورشیدی تشکیل می شود و بعد از سری شدن سلول ها با هم ولتاژ خروجی از رابطه زیر بدست می آید.

ولتاژ خروجی = تعداد سلول های سری شده * 0.5 ولت برای مثال یک پنل خورشیدی که برای چراغ های پیاده رو ها استفاده می شود از 24 عدد سلول تشکیل شده است و بنابراین ولتاژ خروجی 12 ولت خواهد بود که می تواند یک باتری 12 ولتی را شارژ نماید.

در هنگام تعیین پنل خورشیدی برای یک سیستم باید به میزان توان تولیدی آن دقت کرد و همچنین بسته به نوع سلول های سازنده بهره وری پنل نیز متغیر خواهد بود.

پنل های موجود در بازار ایران اکثرا از نوع پولی کریستالین بوده و به قیمت های مناسبی قابل تهیه می باشد.

 

2-11 نحوه ساخت پنل خورشیدی 211 واتی

پنل های خورشیدی عموما از چندین جزء تشکیل می گردند که عبارتند از: شیشه مخصوص پنل، جعبه اتصال، آرایه سلول های سری شده، محافظ پلاستیکی مخصوص، دیود های محافظ، ریبون های مخصوص برای اتصال سلول های خورشیدی، فریم محافظ پنل، کابل های مخصوص خروجی برای ساخت یک پنل خورشیدی 211 واتی نیاز به تهیه 42 سلول خورشیدی 5 واتی داریم.

با این حساب هر سلول می تواند تا ده آمپر جریان تولید نماید.

در هنگام تهیه سلول ها به کیفیت سلول ها و مقاومت آنها توجه نمایید و در زمان حمل آنها از هرگونه ضربه و تکان خودداری نمایید زیرا که به شدت شکننده می باشند و سلول های آسیب دیده توان کمتری نسبت به سلول های سالم تولید می کنند.

اگر در ساخت پنل تجربه ای ندارید از پنل های کوچکتری در رنج 10 وات و پایین تر شروع کنید.

برای شروع ساخت پنل ابتدا سلول ها را به وسیله ی ریبون مخصوص خودش به هم دیگر متصل نمایید و آرایه ی کاملی از سلول ها را بسازید.

این کار نیاز به حوصله و دقت فراوانی دارد زیرا که در صورت تکان شدید، سلول ها آسیب خواهند دید.

سپس با انتقال آرایه سلول ها به فریم و قرار گرفتن شیشه مخصوص پنل در جلو و محافظ پلاستیکی در پشت آرایه سلول ها، بدنه پنل تکمیل می گردد و در نهایت باید با نصب جعبه اتصال و دیود های محافظ پنل تکمیل می گردد.

دیود های محافظ برای جلوگیری از دشارژ باتری روی پنل مورد استفاده قرار می گیرند، به این خاطر که در هنگام شب پنل توانی تولید نمی کند و مثل یک بار مقاومتی معمولی رفتار می کند و در صورت نبود دیود ها باعث خالی شدن باتری می گردد.

نکته ای درباره شیشه مخصوص پنل وجود دارد این است که این شیشه نور خورشید با فرکانس معینی را که انرژی ای در اندازه مقدار مورد نیاز بین لایه والانس و لایه الکترون های پر شده دارد را عبور داده و فرکانس های دیگر را بلوکه می کند تا مانع داغ شدن پنل و افت توان گردد.

 

2-12 روشهای تولید انرژی خورشیدی

امروزه شش شيوه توليد برق از نور خورشيد شناخته شده است که عبارتند از:

  • آیینه خورشیدی
  • سهمی گون دریافت کننده مرکزی
  • آیینه های بشقابی- استرینگ
  • دودکش خورشیدی
  • استخر خورشیدی
  • سلولهای نوری(فتوولتائیک)

توليد برق خورشيدی امروزه در حال پيشرفت های نوید بخشی است.

فناوریهای مربوط به آن به سرعت در حال توسعه بوده و در نتیجه قیمت برق با این روشها در حال کاهش می باشد.

از طرفی توجه روز افزون به مضرات انرژی فسیلی و اینکه این نوع انرژی روزی پایان خواهد یافت مزایای انرژی خورشیدی را بیش از بیش آشکار می سازد.

اگر هزینه های خارجی سوختهای فسيلی (که عبارتست از اثر آنها به محيط زیست) به قيمت این گونه انرژی ها اضافه شود، هزینه توليد برق از روشهاي حرارتي – خورشيدی کمتراز هزینه توليد برق در نيروگاه سوخت فسیلی خواهد بود.

نیروگاههای خورشیدی کم ترین اثر را بر محیط زیست دارند.

این نیروگاهها یا اصلا گاز مخرب تولید نمی کنند یا اینکه مقدار خیلی ناچیزی تولید می کنند. مهمترین اثر زیست محیطی این نوع نیروگاهها نیاز به زمینی با وسعت کمی بیش از 60 هزار متر مربع است.

امروزه فناوری های گوناگونی برای تولید برق خورشیدی در دسترس می باشد.

برای مثال نیروگاههای خورشیدی سهمی گون در کالیفرنیای آمریکا با ظرفیت 354 مگاوات در مدت کارکرد 10 ساله پنج هزار گیگاوات ساعت برق به شبکه داده اند.

که این معادل 80 درصد کل برق تولیدی در جهان را شامل می شود.

همچنین ظرفیت تولید سالانه برق توسط سلولهای نوری(فتوولتائیک) به 80 مگاوات رسیده است.

بزرگترین مانع احداث نیروگاههای خورشیدی هزینه ویژه سرمایه گذاری نسبتا بالای آن می باشد.

در اینجا ما فقط در مورد سلول های خورشیدی و سیستم های فتوولتائیک صحبت خواهیم کرد.

 

سیستم فتوولتائیک (Photovoltaic)

سیستمی که در آن انرژی خورشید بدون بهره گیری از مکانیزم های متحرک و شیمیایی، به انرژی الکتریکی تبدیل شود، اثر آن را فتوولتایی می نامند.

عاملی که در این فرایند به کار می رود سلول خورشیدی نام دارد.

سیستم فتوولتایی دارای ویژگیهای منحصر به فردی نسبت به سایر سیستمهای خورشیدی می باشد که در ادامه به آنها اشاره خواهیم نمود و توضیحات لازم در این زمینه داده خواهد شد.

به روشهای متعددی می توان از خورشید جهت دریافت انرژی برای مصارف مختلف استفاده کرد.

یکی از روشها دریافت برق ( الکتریسیته ) از نور خورشید می باشد.

به کلیه قطعات و تجهیزاتی که در جهت تولید و استفاده از برق تولید شده توسط نور خورشید بکار رفته را یک سیستم فتوولتایی می گویند.

به طور کلی هر جا که نور خورشید باشد می توان از انرژی خورشید ( فوتونها ) الکتریسیته تولید کرد اما نکته قابل توجهی که اینجا مطرح است این است که آیا در تمام مناطق کره زمین یا حتی ایران به طور یکسان می توان از نور خورشید انرژی الکتریسیته تولید کرد؟

جواب این پرسش منفی است.

در مناطق مختلف کره زمین تابش خورشید و طول مدت روز با منطقه دیگر فرق دارد.

زمانی ما می توانیم بیشترین انرژی الکتریسیته را ازسیستمهای فتوولتایی دریافت کنیم که نور خورشید به صورت عمود به پانلها بتابد تا بیشترین انرژی جذب گردد.

حال بدیهی است که اگرنور خورشیده صورت مایل به پانلهای فتوولتایی برخورد کند بازده این سیستمها پایین می آید.

از طرفی هم ساعات روز در یک منطقه در تولید انرژی الکتریسیته بسیار موثر است.

به عنوان مثال کشوری مانند سوئد و آلمان که طول مدت روز در آنجا کم است در نتیجه انرژی کمتری توسط سیستم فتوولتایی تولید می شود.

و برعکس کشوری مثل ایران به خصوص در مناطق جنوبی آن که طول مدت روز بیشتر است، پانلها برق بیشتری می توانند تولید کنند.

بهره برداری در این مناطق از سیستمهای فتوولتایی پر ثمرتر می باشد.

همچنین وضعیت جغرافیایی یک منطقه میتواند بر روی بازده و عملکرد این سیستم تاثیر بسزایی داشته باشد.

ابری شدن هوا باعث می شود که بازده سیستم فتوولتایی پایین آید یا به عبارتی می توان بدین گونه گفت که در هوای ابری نور کمتری به سیستم فتوولتایی برخورد می کند و در نتیجه برق کمتری تولید می شود.

با این تفاسیر به این نتیجه می رسیم که در تمام مناطق می توان از این سیستم استفاده نمود ولی دریافت انرژی الکتریسیته در دو نقطه از کره زمین مانند ایران و سوئد توسط دو سیستم مشابه بکار رفته باهم فرق دارد.

ولی بیشتر وسایل برقی مانند تلویزیون، یخچال، فریزر، کامپیوتر، با برق شهر کار می کنند.

برق شهر از نوع برق دی- سی نمی باشد.

نوع دیگر برق نوع برق متناوب یا ای-سی می باشد که امروزه برق ای-سی یا متناوب کاربرد بیشتری در زندگی بشر دارد به خاطر ویژگیهای منحصر به فرد خود.

خیلی از دستگاههای الکتریکی فقط میتوانند با برق ای-سی کارکنند.

ولی اکنون برخی از وسایل برقی به گونه ای طراحی و ساخته می شوند که بتوان در حالت معمول از برق شهر استفاده کرد ( برق متناوب ) و در شرایطی که برق شهر در دسترس نبود ( درهنگام مسافرت یا موارد دیگر ) بتوان با باتری ( برق دی-سی) این وسایل را بکار انداخت.

به عنوان نمونه می توان به کامپیوترهای قابل حمل ( لپ تاپ )، رادیوهای کوچک، دوربینهای فیلمبرداری، وسایل جانبی اتومبیل مثل جاروبرقی اتومبیل و… نام برد که هم قابلیت استفاده با برق شهری را دارد و هم می توان باتری این وسایل را شارژ نمود و با برق باتری که همان نوع برق دی-سی است نیز کار کنند.

همانطور که گفته شد برق تولیدی سیستمهای فتوولتایی از نوع برق دی- سی می باشد ولی می توان به وسیله دستگاهی برق دی- سی را به برق شهر یا برق ای- سی تبدیل نمود تا اینگونه وسایل هم بتوانند از برق تولیدی سیستم های فتوولتایی استفاده کنند.

بطور کلی یک سیستم فتوولتایی از 4 عضو اصلی تشکیل یافته است:

  1. پانل خورشیدی
  2. بانک باتری
  3. تبدیل کننده برق دی-سی به ای-سی ( اینورتر)
  4. شارژ کنترل

 

1- پانل خورشیدی:

قسمتی از سیستم فتوولتایی می باشد که انرژی خورشید را به الکتریسیته تبدیل می کند.

پانل(Module) از تعدادی قطعات کوچکتری به نام سلول خورشیدی تشکیل شده است که به مجموعه بهم متصل شده آنها یک پانل خورشیدی می گویند.

به پانل خورشیدی گاه ماژول خورشیدی یا پانل فتوولتایی نیز می گویند.

بهترین شرایط برای دریافت بیشترین انرژی الکتریکی از یک سلول یا پانل فتوولتایی این است که هوا آفتابی باشد و پرتوهای خورشید به صورت عمودی به سطح سلولها بتابد.

کشورهای جهان یا در نیمکره شمالی خط استوا قرار دارند ویا در نیمکره جنوبی یا بر روی خط استوا.

برای کشورهایی که در نیمکره شمالی قرار دارند مانند ایران بایستی پانلها رو به جنوب با زاویه بین 30 تا 40 درجه تنظیم و نصب گردند.

زیرا در طول روز خورشید در جنوب ایران قرار دارد.

در ظهر هم بیشترین انرژی دریافتی از پانلها را خواهیم داشت زیرا تابش خورشید عمود بر سطح پانلها خواهد بود.

البته با توجه به اینکه زمین به دور خورشید می چرخد وموقعیت زمین نسبت به خورشید هر لحظه در حال تغییر می باشد از این رو پنل های خورشیدی باید طوری به سمت خورشید تنظیم شوند که با تغییر زاویه تابش خورشید به زمین پنل ها هم به همان اندازه تغییر کنند.

از این رو در اینجا از تکنیک ردیابی حداکثر نقطه قدرت MPPT (Maximum Power Point Tracking) استفاده می شود.

شکل زیر نشان دهنده مشخصه ولتاژ-جریان یک باتری خورشیدی در یک سطح تابش نور خورشید و در تاریکی می باشد.

ناحیه که با رنگ زرد مشخص گردیده است مقدار حداکثر قدرت خروجی باتری خورشیدی را نشان می دهد.

حداکثر توان با فلش نشان داده شده است.

مشخصه ولتاژ-جریان یک باتری خورشیدی در یک سطح تابش نور خورشید و در تاریکی

شکل 2-16- مشخصه ولتاژ-جریان یک باتری خورشیدی در یک سطح تابش نور خورشید و در تاریکی

هدف از به کاربردن تکنیک MPPT رسیدن به این نقطه و داشتن بیشترین بازدهی از باتریهای خورشیدی با توجه به زاویه تابش نور خورشید به آنها و دنبال کردن تغییر زاویه خورشید نسبت به آنها برای بدست آوردن حداکثر بازدهی از سلول های خورشیدی می باشد.

بدین صورت که پانلها در طول روز همیشه رو به خورشید خواهند بود و با تغییر موقعیت خورشید در آسمان پانلها هم تغییر موقعیت دهند به گونه ای که همیشه رو به تابش نور خورشید قرار گیرند.

یا به عبارتی تابش نور خورشید همیشه عمود بر سطح پانلها می باشد.

در این حالت تاثیر بسیار زیادی در بازدهی پانلها دارد.

و بازدهی آنها را از 5% در حالت معمولی به 25% افزایش می دهد.

بدلیل تغییر میزان الکترونهای تولید شده در سلول با تغییر شدت نور تابیده شده بر آن، مشخصه الکتریکی سلول نیز تغییرمی نماید.

در شکل صفحه بعد، منحنی مشخصه های خروجی یک سلول خورشیدی دیده می شود.

چنانچه دیده می شود، جریان تولید شده توسط سلول خورشیدی تغییرات زیادی با تغییر شدت تابش نوردارد و توان الکتریکی تولید شده توسط آن نیز تغییرات زیادی خواهد داشت.

یک سلول خورشیدی از جنس سیلیکن می تواند جریانی حدود 30 میلی آمپر برسانتیمتر مربع تولید نماید.

جریان الکتریکی تولید شده در سلول خورشیدی واقع در یک آرایه، به زاویه تابش نور خورشید برسطح سلول نیز بستگی دارد.

در شکل تغییر جریان خروجی یک سلول خورشیدی به هنگام تغییر در زاویۀ تابش نورخورشید بر آن مشاهده می شود.

جریان الکتریکی تولید شده در سلول خورشیدی

شکل 2-17- جریان الکتریکی تولید شده در سلول خورشیدی

 

2- اینورتر

اینورتر(Inverter)یا مبدل برق دستگاه الکترونیکی است که جریان مستقیم(DC)را به جریان متناوب(AC)تبدیل می کند.

جریان ACتبدیل شده می توانند بر اساس نیاز در هر ولتاژ و فرکانسی باشد که بوسیله ترانسفورماتورهای مناسب و مدارها کنترل می شود.

اینورترها قطعات متحرک ندارند و در طیف گسترده ای از ابزارهای کاربردی استفاده می شوند، از منبع تغذیه کامپیوتر گرفته تا ابزار بزرگ حمل و نقل.

اینورترها معمولا برای تامین جریان AC از منابع DCمانند پانل های خورشیدی یا باتری مورد استفاده قرار می گیرند. اینورتر نوسان ساز الکترونیکی قدرت بالا است.

دلیل این نام گذاری آن است که این دستگاه عمل عکس مبدل برق AC بهDC متداول را انجام می دهد.

درواقع اینورتر یا درایو ACبه دستگاهی گفته می شود كه به كمك آن می توان سرعت یك موتور ACسه فاز را كنترل كرد بدون آنكه قدرت و گشتاور موتور كاهش یابد.

اینورترها در ظرفیتهای مختلف ساخته می شوند مثلاً برای یك موتور با توان 20 اسب بخار باید از اینورتر 20HP استفاده كرد.

از نظر ورودی اینورترها به دو دسته تك فاز و سه فاز تقسیم می گردند.

البته خروجی همه آنها سه فاز است.

برای اینورترهای با توان بالافقط از ورودی سه فاز استفاده می گردد.

برخی از اینورتر های با توان پایین دارای هشداری مبنی بر عدم استفاده از آنها برای روشن کردن لامپهای فلورسنت معمولی هستند.

دلیل این هشدار این است که خازن تصحیح توان به صورت موازی با لامپ وصل شده است.

با برداشتن خازن مشکل رفع خواهد شد.

اگر در اینورتر ولتاژ ورودی ثابت بماند به این نوع اینورتر، اینورتر منبع ولتاژ (voltage source inverter=VSI)گفته می شود و اگر چناچه جریان ورودی ثابت نگاه داشته شود به آن اینروتر جریان(current source inverte=CSI) گفته می شود.

اینورترمنبع جریان(CSI)یا به عبارت دیگر اینورتر جریان ثابت اینورتری است که در آن جریان منبع dcتقریبا ثابت و مستقل از شرایط اینورتر می باشد.

اینورترمنبع جریان(CSI) مزدوج اینورتر منبع ولتاژ (VSI)است.

 

مزایای CSI:

1. به دلیل اینکه جریان dc ورودی کنترل شده و محدود است، آتش شدن ناخواسته تریستورها و یا اتصال کوتاه شدن مدار مسائل جدی را به دنبال نخواهد داشت.

2. به مدارهای کموتاسیون ساده تری نیاز دارد.

3. قادر هستند بارهای راکتیورا تغذیه نمایند بدون اینکه نیاز به دیودهای کموتاسیون (هرزگرد )داشته باشند.

همچنین از نظرشکل موج خروجیشان به چهار نوع زیر تقسیم می‌شوند:
خروجی به شکل موج مربعی

خروجی به شکل سینوسی اصلاح شده (معمولی)

خروجی به شکل سینوسی اصلاح شده (پله ای)

خروجی به شکل سینوسی خالص

 

3- شارژر کنترل

امروزه سیستم های فتوولتائیک علی الخصوص سیستم های فتوولتائیک جدا از شبکه در مناطق با آفتاب زیاد بسیار به چشم می خورد.

همانطور که میدانید در همه سیستم‌های فتوولتائیک جدا از شبکه که باتری ذخیره‌ کننده انرژی است، شارژ کنترلر یک جزء ضروری محسوب می شود.

هدف اصلی شارژ کنترلر، حفاظت از باتری‌ در مقابل شارژ و یا درشارژ بیش از حد توسط آرایه خورشیدی است.

شارژر کنترلر جریان و ولتاژ ورودی به باتری را تنظیم می‌کند.

بعضی از انواع شارژکنترلرها که دارای خصوصیت ردیابی ولتاژ پایین هستند، باتری را در مقابل دشارژ زیاد توسط بار محافظت می‌کنند.

سلول خورشیدی یک مبدل مستقیم انرژی نورانی به الکتریکی است که بسته به ابعاد و ضریب تبدیل در توان های مختلفی عرضه می شود.

از موارد استفاده این سلول در سیستم های روشنایی مستقل می توان نام برد که در هنگام روشنایی روز انرژی را در باتری ذخیره کرده و شب هنگام انرژی ذخیره شده را تحویل مصرف کننده یا همان لامپ می دهد.

کنترل صحیح میزان شارژ و دشارژ باتری مانع از تخریب و انهدام آن می شود لذا همواره لازم است که سلول ها خورشیدی از طریق یک مدار کنترل شارژ به باتری و بار وصل شوند.

2-13-1 مزایاي نظریه نيروگاههاي سلول نوری:

  • قطعات متحرك ندارند.
  • عمر مفيد طولاني دارند.
  • به تعمير و نگهداري اندکي نياز دارند.
  • امكان توليد متمرکز یا مجزا با این سيستمها وجود دارد.
  • تجارب طولاني در فن آوري سلول نوری و قطعات که به شكل تجاری توليد شده اند، در دسترس است.

2-13-2 معایب نظریه نيروگاههاي سلول نوری:

  • بازده نسبتأ کمي دارند.
  • با وجود ظرفیت تولید سالانه 80 مگاوات، تجهیزات سلول های خورشیدی، هزینه های سرمایه گذاری سیستم فتوولتائیک همچنان بسیار زیاد است.
  • ساعت کارکرد با تمام ظرفيت در طول سال محدود است.
  • پيوند با سيستم پشتيبان سوخت فسيلي ناممكن است. سلولهای نوری نياز به سيستم مجزای پشتيبانی یا برق شبكه برای جبران نوسازی انرژی خورشيدی دارند.
  • ذخيره سازی با باتریهای الكتروشيميایی براي این شيوه توليد بسيار گران قيمت است.

مدلسازی دینامیکی سلول خورشیدی و توربین بادی

4-1- سلول فتوولتاییک سیستمی غیرخطی میباشد که بصورت یک منبع جریان موازی با دیود مدل میشود.

مدل عملی سلول فتوولتاییک ارتباط سری و موازی میان مقاومتها شامل Rsو RP میباشد که معادلات آن بصورت زیر می باشد:

مدل مداری سلول خورشیدی

شکل 4-1- مدل مداری سلول خورشیدی

که در آن I جریان خروجی فتوولتاییک، Vt ولتاژ گرمایی آرایه با تعداد Ns سلول با اتصال سری، V ولتاژ خروجی فتوولتاییک، k ثابت بولتزمن (1.3806503 e−23J K-1)، q شار الکترون، T دمای اتصال p-n با واحد کلوین و K ثابت ایدهآلی دیود می باشد.

Ip جریان تولیدی ناشی از تابش در شرایط نامی می باشد.

(4-1)

که در آن Gn انتگرال طیف تابش گسترده در تمام نواحی طول موج می باشد و برابر است با: 1000Wm-2

تهیه شده توسط سایت متلبی

در اینحالت و I0 جریان اشباع جریان می باشد.

(4-2)

مدلی که در این پروژه استفاده شده است، مدل BP340 می باشد ویژگیهای الکتریکی آن به شرح زیر می باشد:

ویژگیهای الکتریکی سلول خورشیدی مدل BP340

جدول 4-1– ویژگیهای الکتریکی سلول خورشیدی مدل BP340

دیاگرام I-V ویژگی الکتریکی ماژول PV در شرایط نامی

شکل 4-2– دیاگرام I-V ویژگی الکتریکی ماژول PV در شرایط نامی

با توجه به شکل 4-2 با افزایش ولتاژ جریان از یک مقدار ثابت شروع و با رسیدن به یک ولتاژ مشخص(ماکزیمم ولتاژ خروجی سلول خورشیدی) به مقدار صفر می رسد.

ولتاژ خروجی این سیستم از نوع dc است.

با توجه به پایین بودن ولتاژ خروجی سیستم فتوولتاییک، جهت کاربرد در سیستم توزیع الکتریکی لازم است از یک مبدل boost (افزاینده ولتاژ) در خروجی این سیستم استفاده شود تا ولتاژ خروجی به مقدار مطلوب برسد.

توان تولیدی سیستم فتوولتاییک توان اکتیو بوده و این سیستم قادر به تولید توان راکتیو نمی باشد.

دیاگرام P-V ویژگی الکتریکی ماژول PV در شرایط نامی

شکل 4-3– دیاگرام P-V ویژگی الکتریکی ماژول PV در شرایط نامی

با توجه به شکل 4-3 با افزایش ولتاژ خروجی توان اکتیو تولیدی به مقدار نهایی خود که برای این مدل به خصوص 40 وات است رسیده و پس از ولتاژ مشخصی به صفر می گراید.

با توجه به dc بودن ولتاژ خروجی لازم است پس از افزایش ولتاژ خروجی سلول خورشیدی توسط مبدل بوست توسط یک اینورتر سه فاز 12 تریستوره ولتاژ مذکور از حالت مستقیم به سه فاز 380 ولت (از نوع متناوب) تبدیل می شود.

با توجه به عملکرد تریستورها در اینورتر و وجود فرکانس های سوییچینگ در آن مقداری هارمونیک در ولتاژ خروجی اینورتر ظاهر می شود.

. در مدل شبكه مصرفي هم مطابق شكلسعي شده است يك نوع كلي از شبكه با خطوط اين انتقال نيرو با دو پست فشار قوي، تعبيه شده كه به يك باس بينهايت )ولتاژ سه فاز كنترل پذير) ، متصل شده است.

براي مدل سازي خطوط نيرو نيز از مدل π با در نظر گرفتن مسافت خط، استفاده شده است.

در نقطه اتصال واحد به شبكه عمليات اندازه گيري اندازه و فاز ولتاژ صورت مي گيرد، كه از روي آن مقادير مؤلفه هاي مستقيم و عرضي ولتاژ استاتور ژنراتور كه مستقيماً به شبكه مصرفي متصل است، براي مدل به دست مي آيد.

بلوک MPPT نقاطی از صفحه خورشیدی را که در آن حداکثر توان الکتریکی از نور خورشید قابل دریافت می باشد را مشخص می کند که با این بیشترین توان از سیستم فتوولتاییک اخذ می شود.

همچنین الگوریتم استفاده شده در سیستم سلول خورشیدی الگوریتم P&Oمی باشد که برای تولید توان الکتریکی در هوای آفتابی به کار برده می شود که بلوک آن در سیستم شبیه سازی شده ارایه شده است.

سیستم فتوولتاییک مورد استفاده در این شبیه سازی یک مدل استاندارد بوده و در عمل نیز کاربرد دارد.

در سیستم شبیه سازی شده به منظور تامین بخشی توان بار سیستم توزیع علاوه بر سیستم فتوولتاییک و توربین بادی سرعت ثابت از یک منبع سه فاز که از طریق یک خط انتقال 63 کیلو ولت و یک ترانسفورماتور کاهنده 20/63 کیلو ولت و یک بریکیر سه فاز به بار متصل شده استفاده می شود.

برای دسترسی به اطلاعات مربوط به بار و سایر تجهیزات و المان های سیستم می توان به فایل شبیه سازی مراجعه کرد.

به علاوه به منظور ذخیره بخشی از انرژی الکتریکی تولید شده در سیستم فتوولتاییک از یک باتری شارژر استفاده می شود. وجود این باتری شارژر در شرایطی که تولید توان الکتریکی از طریق سایر منابع تولید توان الکتریکی (سیستم فتوولتاییک، توربین بادی و منبع سه فاز) با کاهش مواجه می شود ضروری است چراکه در صورت لزوم می تواند با تزریق توان ذخیره شده به شبکه انرژی الکتریکی مورد نیاز بار سیستم را تامین نماید.

با توجه به عملکرد بریکر سه فاز در هنگام قطع و وصل توان انتقالی از منابع تولید کننده به بار سیستم توزیع یک سری هارمونیک با دامنه بسیار زیاد در کل سیستم به وجود می آید.

از آنجایی که دامنه این هارمونیک ها با گذشت زمان کاهش می یابد لذا وجود چنین هارمونیک هایی در شبکه توزیع در عملکرد تجهیزات به کار رفته در سیستم و کل سیستم کم اثر بوده و از آنالیز آنها صرفنظر می شود.

همچنین در هنگام متصل شدن ژنراتور القایی به شبکه (سیستم های که برای بهبود قابلیت انتقال توان اکتریکی از خازن سری در خطوط انتقال استفاده می کنند) به دلیل پدیده زیر سنکرون نوسانات و هارمونیک هایی به وجود می آید که در صورت تداخل فرکانس نوسانات آنها با فرکانس نوسانات اصلی شبکه موجب بروز پدیده تشدید زیر سنکرون می- شود.

به این دلیل این پدیده را تشدید زیر سنکرون می نامند که فرکانس نوسانات ایجاد شده کمتر از فرکانس نوسانات اصلی سیستم (60 هرتز) می باشد.

شبیه سازی با متلب

توضیحات مربوط به شبیه سازی

پروژه:

شبیه سازی اتصال یک سیستم فتوولتاییک به شبکه برق با متلب

مفروضات شبیه سازی

 

به منظور شبیه سازی در نرم افزار matlab برنامه PV_and_Grid.m نوشته شده است که با اجرای آن برنامه سیمولینک اجرا شده و نتایج نشان داده می شود

نمای کلی برنامه در سیمولینک به اسم PV_to_Grid1.mdl

شبیه سازی اتصال یک سیستم فتو ولتاییک به شبکه برق با متلب

با اجرای برنامه PV_and_Grid.m نتایج زیر بدست می آید

شبیه سازی سیستم فتوولتاییک

با بزرگ نمایی از نتایج می توان به حالت ریپل دار بودن آنها هم رسید

شبیه سازی سیستم فتوولتاییک

توضیحات مربوط به بلوکها

بلوک های اصلی مورد استفاده در این شبیه سازی

1-شبکه قدرت

2-کانورتور تبدیل ACبهDC و بالعکس

3-بلوک کنترل ولتاژ و توان تزریقی VSC

4-بلوک کنترل توان حداکثری سلول فتو ولتاییک MPPT

5-سلول فتولتاییک

6-سیستم های نمایشی و اندازه گیری

7-فیلتر ها

در ادامه به توضیح هر یک می پردازیم

1-شبکه قدرت

شبکه قدرت در شکل زیر نشان داده شده است

شبکه قدرت

ولتاژ خروجی این سیستم با توجه به مفروضات همان 200 ولت برای حالت خط به خط می باشد که توسط ترانس تولید می شود.

سایت متلبی آماده پذیرش سفارشات انجام پروژه متلب با بهترین کیفیت است.

 

2-کانورتور تبدیل ACبهDC و بالعکس

کانورتور تبدیل ACبهDC و بالعکس در شکل زیر نشان داده شده است

انورتور تبدیل ACبهDC و بالعکس

این بلوک دارای 4 ورودی 3 تای آنها ولتاژ های خط و چهارمین ورودی سیگنال تریگر g هستش و خروجی های آن ولتاژ DC و زمین متناسب با آن می باشد

نکته مهم این است که این بلوک و درصد و قدرت خروجی آن توسط سیگنال تریگر g مشخص می شود که از کنترل کننده ولتاژ صادر می گردد و این بر اساس روش پل دیودی عمل می کند .

متخصصین سایت متلبی انجام پروژه متلب را با تضمین انجام می دهند.

 

3-بلوک کنترل ولتاژ و توان تزریقی VSC

بلوک کنترل ولتاژ و توان تزریقی VSC در شکل زیر نشان داده شده است

بلوک کنترل ولتاژ و توان تزریقی VSC

این بلوک دارای 3 ورودی و 1 خروجی می باشد ورودی های این بلوک ولتاژ خط و جریان خط شبکه و مقدار ولتاژ DC تولید شده توسط سلول فتوالکتریک بعد از افزایش می باشد و خروجی آن سیگنال تریگر کانورتور تبدیل AC بهDC می باشد

در مطالب بالا لزوم این بلوک توضیح داده شد اما به طور مختصر این بلوک با نمونه برداری از ولتاژ و جریان خط و مقدار ولتاژ dc تولید شده به کنترل توان مبادله شده بین شبکه و سلول فتو ولتاییک می پردازد.

در مبحث اتصال سلول فتو ولتاییک هم مقدار ولتاژ خروجی از دو سیستم و هم فرکانس تبدیل DC به AC اهمیت دارد و این بلوک بیشترین نقش کنترلی را ایفا می کند

4-بلوک کنترل توان حداکثری سلول فتو ولتاییک MPPT

بلوک کنترل توان حداکثری سلول فتو ولتاییک MPPT در شکل زیر نشان داده شده است

بلوک کنترل توان حداکثری سلول فتو ولتاییک MPPT

این بلوک دارای دو وردی کاه شامل ولتاژ خروجی سلول فتو ولتاییک و جریان آن می باشد

و خروجی آن پالس به سیتم افزاینده ولتاژ می باشد که تریگر این سیستم افزاینده است

در مباحث قبلی توضیح داده دلیل وجود سیستم افزاینده ولتاژ اما به اختصار دلیل آن کوچک بودن ولتاژ خروجی از سلول فتو ولتاییک و اینکه بخواهیم آن را به ولتاژ شبکه نزدیک کنیم

کاربرد mppt هم قبلا توضیح داده شده اما به اختصار جهت استفاده کردن حداکثری از توان تولیدی سلول فتو ولتاییک می باشد

این سیستم عموما با چرخش خورشید محور قرار گیری سلول های فتو الکتریکی را جوری تنطیم می کند که بیشترین بازدهی و توان را داشته باشد

در این شبیه سازی با تغییرات تریگر سیستن افزاینده ولتاژ توسط کنترل کننده MPPT می توان به یک توان مناسب جهت تبادل با شبکه اصلی رسید

5-سلول فتولتاییک

سلول فتولتاییک در شکل زیر نشان داده شده است

سلول فتولتاییک

این بلوک دارای 5 خروجی و 2 ورودی می باشد

ورودی های این بلوک انتگرال طیف تابش گسترده Ir و دمای متوسط محیط Temp می باشد.

نحوه مدل کردن سلول فتولتاییک قبلا توضیح داده شد است و در اینجا به نحوه وارد کردن مفروضات مسله در بلوک مذکور می پردازیم

با دابل کلیک کردن بر روی بلوک اطلاعات زیر نمایش داده می شود:

PV Array simulink matlab

در اینجا ما در سر برگ Array یک نوع از سلول های فتو ولتاییک استاندارد را انتحاب می کنیم که در این شبیه سازی ما First Solar انتخاب شده است .

pv array block simulink matlab

در سربرگ Modul مقادیر ولتاژ مدار باز ,جریان مدار باز و …. مقدار دهی می شوند و بقیه مواردی که جزو مفروضات مسله نیست همان مقدار پیش فرض می باشد.

6-سیستم های نمایشی و اندازه گیری

سیستم های نمایشی و اندازه گیری در شکل زیر نشان داده شده هست.

با توجه امکانات سیمولینک در شبیه سازی مدل های برقی می توان ار این امکانات استفاده کرد و به اصتلاح از تگ ها (Tag ) ها آماده استفاد کنیم که با مربع های قرمز مشخص شده اند.

قسمت پایین مسول ذخیره کردن اطلاعات ولتاژ و جریان و توان سلول فتو ولتاییک جهت نمایش می باشد.

سیستم های نمایشی و اندازه گیری

7-فیلتر ها

فیلتر ها در شکل زیر نشان داده شده اند

فیلتر ها در متلب

مقادیر هر یک از بلوک ها را بر اساس مفروضات و با دابل کلیک روی آنها وارد می کنیم به طور مثال سلف L2 رادر نظر می گیریم.

سلف L2

جهت دانلود رایگان پروژه متلب روی دکمه زیر کلیک نمایید:

 

سفارش انجام پروژه مشابه

درصورتیکه این پروژه دقیقا مطابق خواسته شما نمی باشد، با کلیک بر روی کلید زیر پروژه دلخواه خود را سفارش دهید.

0 پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟
در گفتگو ها شرکت کنید.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

برای امنیت، استفاده از سرویس reCAPTCHA گوگل مورد نیاز است که موضوع گوگل است Privacy Policy and Terms of Use.

من با این شرایط موافق هستم .