Μάθημα Ηλεκτρονικά Ισχύος ΙΙ

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Μάθημα Ηλεκτρονικά Ισχύος ΙΙ Ηλεκτρονικά ισχύος στην φωτοβολταϊκή τεχνολογία. Εξαμηνιαία εργασία Φοιτητής:Παντελεήμων Κωνσταντίνος Χαρτσιάς Ηλιακή Ενέργεια-Φωτοβολταϊκά

2 1.0 Εισαγωγή Τα ηλιακά φωτοβολταϊκά στοιχεία, γνωστά ως «φωτοβολταϊκά» ή «Φ/Β», αποτελούν μια προσέγγιση υψηλής τεχνολογίας για την άμεση μετατροπή του ηλιακού φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια. Ο όρος «φωτο» προέρχεται από το φως, το δε «βολτ» οφείλεται στον Alessandro Volta ( ), έναν πρωτοπόρο στη μελέτη του ηλεκτρισμού. Η εκμετάλλευση των φωτοβολταϊκών στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας έχει τα παρακάτω πολύ σημαντικά πλεονεκτήματα,σε σχέση με τις συμβατικές μεθόδους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας(λιγνίτης κτλπ). Πλήρης απουσία μηχανικών-κινούμενων μερών και επομένως ελαχιστοποίηση της πολυπλοκότητας και του κόστους συντήρησης. Πλήρως αθόρυβη λειτουργία και εγγύηση ικανοποιητικής απόδοσης γύρω στα χρόνια. Παντελής έλλειψη οποιασδήποτε μορφής καυσίμου. Τα φωτοβολταϊκά παρουσιάζουν ταχύτατη απόκριση σε ξαφνικές μεταβολές της τοπικής ηλιοφάνειας,ενώ εξακολουθούν να λειτουργούν και υπό νέφωση,απορροφώντας τη διάχυτη ακτινοβολία. Σε τυχόν βλάβη ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου,το υπόλοιπο συνεχίζει κανονικά τη λειτουργία του. Τα Φ/Β στοιχεία παρουσιάζουν εξαιρετικό λόγο ισχύος /βάρους και έτσι καθίστανται Ωστόσο η τεχνολογία των Φ/Β παρουσιάζει και μειονεκτήματα και αυτά είναι: Υψηλό κόστος εγκατάστασης που αγγίζει τα 6000 ανά εγκατεστημένο kilowatt και ο χαμηλός βαθμός απόδοσής τους που κυμαίνεται ανάμεσα στα 10% - 17%. Τα Φ/Β μένουν ανενεργά κατά τη διάρκεια της νύχτας και επομένως απαιτείται μηχανισμός αποθήκευσης ενέργειας(συσσωρευτές). Οι παροχές επιδοτήσεων και κινήτρων καθώς και ο νόμος προσφοράς και ζήτησης αναμένεται να αντισταθμίσουν το κόστος των Φ/Β στοιχείων ελαττώνοντάς το περαιτέρω τα επόμενα χρόνια. 1.1.Συστατικά φωτοβολταϊκών στοιχείων.

3 Το κύριο συστατικό των φωτοβολταϊκών στοιχείων είναι το πυρίτιο(si).τα πλεονεκτήματά του είναι οτί βρίσκεται άφθονο στη φύση,είναι φιλικό ως προς το περιβάλλον και έχει αρκετά καλή αξιοπιστία σε ακραίες θερμοκρασίες.αξίζει να αναφερθεί οτί οι Φ/Β μονάδες πυριτίου στην αγορά αντιστοιχούν σε ποσοστό και άνω του 90% και χωρίζονται σε 3 κύριες ομάδες(μονοκρυσταλλικό,πολυκρυσταλλικό και άμορφο πυρίτιο.άλλα υλικά από τα οποία μπορεί να αποτελείται ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο είναι το Σεληνιούχο Κάδμιο,ο Δι-σεληνιούχος Ινδικός Χαλκός,το Τελλοριούχο Κάδμιο,τα οποία ωστόσο λόγω της τοξικής τους φύσης κρίνονται ακατάλληλα για κατοικημένες περιοχές. Λωρίδες-Φύλλα κρυσταλλικού Άμορφο πυρίτιο πυριτίου 5% 3% Σεληνιούχο Κάδμιο, Δι-σεληνιούχος Ινδικός Χαλκός 2% Μονοκρυσταλλικό πυρίτιο 38% Πολυκρυσταλλικό πυρίτιο 52% 1.2 Φωτοβολταϊκο πλαίσιο

4 1.2.1 Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά Φ/Β κυττάρων. Μιλήσαμε για τα συστατικά των φωτοβολταϊκών στοιχείων,τώρα θα προχωρήσουμε στην κατηγοριοποίησή τους με βάση τα ιδιαίτερα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά που παρουσιάζουν.με βάση datasheets και τη βιβλιογραφία παρατίθενται τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά σε συνδυασμό με την χαρακτηριστική καμπύλη ρεύματος τάσης (I-V) του ηλιακού πλαισίου. Διακρίνουμε λοιπόν τα εξής μεγέθη: Το ρεύμα βραχυκύκλωσης (, short-circuit current).πρόκειται για την υψηλότερη τιμή ρεύματος που δύναται να προσδώσει το ηλιακό πλαίσιο.αντιστοιχεί στην περίπτωση κατά την οποία βραχυκυκλώνουμε τα δύο άκρα του φωτοβολταϊκού στοιχείου και συνεπάγεται μηδενική παραγωγή ισχύος. Την τάση ανοιχτού κυκλώματος( open-circuit voltage).πρόκειται για την υψηλότερη τιμή Σ.Τ. που δύναται να παρέχει το φωτοβολταϊκο πλαίσιο.σε αυτήν την περίπτωση αντιστοιχεί στην περίπτωση που τα δύο άκρα του στοιχείου είναι ανοιχτοκυκλωμένα.και σε αυτή την περίπτωση η παραγωγή ισχύος είναι μηδενική.ιδιαίτερη προσοχή απαιτείται κατά την εγκατάσταση των φωτοβολταϊκών πλαισίων αφού πριν την σύνδεσή τους βρίσκονται στην εν λόγω λειτουργία(εν κενώ). Το σημείο μέγιστης ισχύος ( maximum power point).αντιστοιχεί στο σημείο που ανιχνεύει ο M.P.P.T. Το ρεύμα και η τάση στο σημείο μέγιστης παραγωγής ισχύος ( Current at maximum power) και ( Voltage at maximum power) αντίστοιχα. Μία πρότυπη χαρακτηριστική καμπύλη ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου παρατίθεται παρακάτω. Στον κατακόρυφο άξονα παρατίθεται η τιμή του παραγόμενου ρεύματος ενώ στον οριζόντιο παρατίθεται η τιμή της τάσης που εμφανίζεται στα άκρα του φωτοβολταϊκού πλαισίου.τέλος Στο σχετικό διάγραμμα παρατίθενται παρατίθενται και τα ιδιαίτερα στοιχεία που χαρακτηρίζουν κάθε φωτοβολταϊκό πλαίσιο και τα οποία διακρίνονται στα τεχνικά φυλλάδια των κατασκευαστών. Άξια αναφοράς είναι η γεωμετρική ερμηνεία του M.P.P. που διακρίνεται στο παραπάνω διάγραμμα και αντιστοιχεί στο σημείο της χαρακτηριστικής που συνδυαζόμενο με τους δύο άξονες εγγράφει ορθογώνιο παραλληλόγραμμο με το μέγιστο εμβαδό.

5 1.2.2 Ισοδύναμο Ηλεκτρικό Κύκλωμα Φ/Β κυττάρου Το ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα ενός κοινού ηλιακού κυττάρου εκτεθειμένου στο ηλιακό φως διακρίνεται στο παρακάτω σχήμα.το μαθηματικό μοντέλο που περιγράφει την λειτουργία του κυττάρου είναι το εξής: [ ( )]

6 Όπου: = Πρόκειται για το ρεύμα εξόδου του ηλιακού κυττάρου. = Αντιστοιχεί στον όρο «φωτορεύμα» και εκφράζει το ηλεκτρικό ρεύμα που παράγει το ηλιακό κύτταρο όταν εκτεθεί στο φως.το συνδέει μια ευθέως ανάλογη σχέση με το ποσό της προσπίπτουσας ακτινοβολίας στην επιφάνεια του φωτοβολταϊκού κυττάρου. = Εκφράζει το ρεύμα κόρου της διόδου που συνδέεται παράλληλα με την πηγή ρεύματος. = Η τάση στην έξοδο του ηλιακού κυττάρου. = Εκφράζει τη συνολική αντίσταση που συναντούν τα ηλεκτρόνια κατά μήκος της κλειστής διαδρομής που διανύουν.το μεγαλύτερο ποσοστό αυτής της αντίστασης εμφανίζεται κατά τη ροή των ηλεκτρονίων στην περιοχή n(περιοχή που φωτίζεται).η συνήθης τιμή είναι μικρότερη του Ohm. = Αντιστοιχεί σε ηλεκτρικό φορτίο που χάνεται είτε λόγω ανωμαλιών του κρυστάλλου,είτε λόγω επανασυνδέσεων ηλεκτρονίων και οπών στην επαφή p-n.τέλος ένα ποσοστό οφείλεται σε επιφανειακές διαρροές φορτίων.η συνήθης τιμή της είναι της τάξης των kohm. Σταθερά 1.3 Περιγραφή Φωτοβολταϊκού συστήματος Το βασικό δομικό στοιχείο ενός φωτοβολταϊκού συστήματος είναι η ηλιακή κυψέλη (solar cell). Μια ηλιακή κυψέλη παράγει μικρή ποσότητα ισχύος που είναι 1 με 2W. Για να αυξηθεί η ισχύς στην έξοδο των κυψέλη, τοποθετούμε πολλές κυψέλες μαζί (ενώνοντας την θετική επαφή του ενός με την αρνητική του επόμενου, δηλαδή εν σειρά, αυξάνουμε την τάση, ενώ ενώνοντας τις θετικές μεταξύ

7 τους και τις αρνητικές μεταξύ τους, δηλαδή παράλληλα, αυξάνουμε το ρεύμα) και έτσι δημιουργούνται τα φωτοβολταϊκά πλαίσια. Με την συνένωση πολλών πλαισίων μαζί δημιουργούνται μονάδες μεγαλύτερης ισχύος που λέγονται συστοιχίες. Το βασικό στοιχείο στο εμπόριο είναι το φωτοβολταϊκό (PV) πλαίσιο (module). Το μέγεθος ενός PV πλαισίου χαρακτηρίζεται από την ισχύ που μπορεί να παράγει και συγκεκριμένα με βάση την ισχύ που δίνει υπό καθορισμένες συνθήκες θερμοκρασίας PV κυττάρου (25 ο C) και ακτινοβολίας (1000W/m 2 ) και είναι γνωστή ως «ισχύς αιχμής» (peak Watt, Wp). Για παράδειγμα, όταν μια φωτοβολταϊκή γεννήτρια δύναται να παράγει 10 Wp αυτό σημαίνει ότι παράγει 10W για ηλιακή ακτινοβολία 1000W/m 2 και θερμοκρασία κυττάρου 25 ο C. Συσσωρευτές, που χρησιμεύουν στην αποθήκευση ενέργειας και στην απόδοσή της όταν αυτό απαιτείται (το βράδυ ή τις βροχερές μέρες). Αντιστροφείς, που απαιτούνται για την αντιστροφή του συνεχούς ενέργεια (DC) που παράγεται στο φωτοβολταϊκό σε εναλλασσόμενη (AC). Συστήματα ρύθμισης ισχύος, που διαχειρίζονται την αποθηκευμένη ενέργεια στον συσσωρευτή και διοχετεύουν ενέργεια στο φορτίο. Κατασκευές, που απαιτούνται για την εγκατάσταση των φωτοβολταϊκών και των λοιπών συσκευών. Πρακτικά δεν είναι απαραίτητο να υπάρχουν όλες οι παραπάνω συσκευές σε όλα τα συστήματα. Για παράδειγμα, σε συστήματα συνεχούς ρεύματος δεν χρειάζεται αντιστροφέας. Για συστήματα συνδεδεμένα με το δίκτυο δεν είναι απαραίτητος ο συσσωρευτής διότι το δίκτυο χρησιμεύει και για αποθήκευση. Δηλαδή, όταν υπάρχει περίσσεια ενέργειας στο σύστημα φωτοβολταϊκών πλαισίωνφορτίου, τότε αυτή διοχετεύεται στο δίκτυο, ενώ σε περίπτωση έλλειψης ενέργειας, η επιπλέον ενέργεια που απαιτείται λαμβάνεται από το δίκτυο. Κάποια συστήματα απαιτούν συσκευές που δεν σχετίζονται άμεσα με τα φωτοβολταϊκά πλαίσια. Όπως για παράδειγμα είναι μερικά απομονωμένα συστήματα που έχουν ντιζελογεννήτρια για την παροχή ρεύματος όταν εξαντληθεί η ενέργεια των συσσωρευτών. 1.4 Εφαρμογές φωτοβολταϊκών συτημάτων Τα φωτοβολταϊκά συστήματα βρίσκουν εφαρμογή σε μία μεγάλη γκάμα περιπτώσεων. Τα συστήματα χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες: Συστήματα που είναι διασυνδεδεμένα με το δίκτυο. Συστήματα που είναι απομονωμένα από το δίκτυο. Υβριδικά συστήματα

8 1.4.1 Συστήματα Διασυνδεδεμένα με το Δίκτυο Εναλλασσομένου ρεύματος Στα διασυνδεδεμένα συστήματα η φωτοβολταϊκή συστοιχία τροφοδοτεί απευθείας με ηλεκτρική ενέργεια το δίκτυο, οπότε δεν είναι απαραίτητη η ύπαρξη συσσωρευτή. Τα συστήματα αυτά μπορούν να χωριστούν σε τρεις κατηγορίες: 1. Στα φωτοβολταϊκά εργοστάσια παραγωγής (τα οποία η ισχύς τους είναι μεγαλύτερη από 100KW). 2. Σε Φ/Β σταθμούς παραγωγής τα οποία βρίσκονται κοντά στα σημεία όπου κάνουμε χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας (20-100KW). 3. Οικιακά Φ/Β (1-10KW). Στις πρώτες δύο περιπτώσεις έχουμε ολόκληρες μονάδες παραγωγής που αποτελούνται από συστοιχίες φωτοβολταϊκών οι οποίες συνδέονται με υποσταθμούς και μετά με το δίκτυο. Αυτές αποτελούν κεντρικές μονάδες παραγωγής όπου τροφοδοτούν μεγάλες περιοχές που έχουν απαίτηση σε μεγάλα ποσά ενέργειας.. Οι μονάδες αυτές εγκαθίστανται και συνδέονται εύκολα με το δίκτυο, οπότε κατασκευάζονται πολύ πιο γρήγορα από τις συμβατικές. Ακόμα, μπορούν να τοποθετηθούν κοντά στα σημεία του δικτύου όπου υπάρχει μεγαλύτερη ανάγκη και μπορεί να αυξηθεί το μέγεθός τους προσθέτοντας συστοιχίες όταν αυξηθεί η ζήτηση. Έχουν το πλεονέκτημα ότι δεν καταναλώνουν καύσιμα, δεν παράγουν καυσαέρια ή απόβλητα και επιπλέον είναι αθόρυβες. Τέτοιου είδους μονάδες παρουσιάζουν απώλειες μεταφοράς ενέργειας λόγω της απόστασης από τη κατανάλωση της ενέργειας αλλά επίσης πρέπει να εξασφαλιστεί μεγάλος χώρος έτσι ώστε να πραγματοποιηθεί η εγκατάσταση. Τέλος, πρόβλημα δημιουργεί το ότι η παραγωγή δεν μπορεί να ακολουθήσει την ζήτηση την νύχτα ή όταν δεν έχει ηλιοφάνεια. Στην τρίτη περίπτωση ο καταναλωτής-ιδιοκτήτης που έχει τη συστοιχία, μπορεί να παίρνει και να δίνει ενέργεια κάθε χρονική στιγμή. Είναι σε θέση να παίρνει την ενέργεια που χρειάζεται από τη συστοιχία και να χρησιμοποιεί το δίκτυο μόνο όταν είναι απαραίτητο (κατά την διάρκεια της νύχτας, σε πολύ συννεφιασμένες μέρες ή όταν έχει μεγάλο φορτίο). Αυτό γίνεται εφικτό με την χρήση κατάλληλου μετρητή που έχει την ιδιότητα να είναι αμφίδρομος (διπλό ρολόι). Όταν η συστοιχία τροφοδοτεί το φορτίο του κτιρίου και της περισσεύει ενέργεια, την δίνει στο δίκτυο. Όταν το φορτίο είναι μεγαλύτερο από την παραγωγή της συστοιχίας τότε η ζήτηση ικανοποιείται με εισαγωγή ενέργειας από το δίκτυο. Έτσι, το δίκτυο δρα σαν μονάδα αποθήκευσης για το φωτοβολταϊκό σύστημα. Τυπικές τιμές για οικιακά φωτοβολταϊκά είναι 1 με 4 kwp ενώ για μεγάλα δημόσια κτίρια είναι 100kWp ή και περισσότερο. Στο επόμενο σχήμα παρατίθεται διασυνδεδεμένο σύστημα με το δίκτυο χαμηλής τάσης της ΔΕΗ.

9 Τα πλεονεκτήματα των παραπάνω συστημάτων είναι η προβλεπόμενη μείωση του κόστους παραγωγής ενέργειας και η προστασία του περιβάλλοντος. Με την παραγωγή ενέργειας κοντά στο σημείο ζήτησης μειώνεται η απόσταση που πρέπει να διανύσει το ρεύμα και επιτυγχάνεται μείωση των ενεργειακών απωλειών και των απωλειών ισχύος στο δίκτυο. Με αυτόν τον τρόπο, μπορεί να αποφευχθεί ή να αργήσει σημαντικά η ανάγκη για αναβάθμιση το δικτύου μεταφοράς αφού σε πολλές περιπτώσεις η αιχμή της ζήτησης ταυτίζεται με την μεγαλύτερη παραγωγή των φωτοβολταϊκών όπως είναι π.χ. τις ώρες 11:00-16:00 το καλοκαίρι. Επίσης, γίνεται προσπάθεια μείωσης του κόστους δομικών υλικών κτιρίων όπως είναι κεραμίδια με προσαρμογή πάνω τους φύλλων φωτοβολταϊκών πλαισίων, ώστε να γίνουν πιο συμφέροντα των συμβατικών δομικών υλικών και να χρησιμοποιηθούν ευρέως Συστήματα Απομονωμένα από το Δίκτυο Στα απομονωμένα συστήματα τo φωτοβολταϊκό δεν διασυνδέεται με το δίκτυο. Τέτοιου είδους φωτοβολταϊκά συστήματα χρησιμοποιούνται κυρίως σε περιπτώσεις όπου δεν υπάρχει AC δίκτυο είτε επειδή έχει μεγάλο κόστος να εγκατασταθεί γραμμή διασύνδεσης του φωτοβολταϊκού συστήματος μεταξύ της περιοχής και του AC δικτύου είτε τέλος η σύνδεση δεν είναι εφικτή λόγω μεγάλης απόστασης από τις μονάδες παραγωγής. Τα συστήματα αυτά είναι μικρής ισχύος, συνήθως λιγότερο από 10 kwp.

10 Από κάτω παρατίθεται σύστημα απομονωμένο από το δίκτυο-αυτόνομο. Στη περίπτωση ύπαρξης συσσωρευτή το φωτοβολταϊκό σύστημα παρέχει την ενέργεια κάθε φορά που απαιτείται ανεξαρτήτως αν έχει ήλιο ή όχι διότι οι συσσωρευτές αποθηκεύουν την περίσσεια ενέργειας όταν αυτή υπάρχει και την επιστρέφουν όταν χρειάζεται. Το πόση ενέργεια θα επιστρέψει εξαρτάται από το μέγεθος και το είδος του συσσωρευτή. Χρησιμοποιούνται για φωτισμό ή και για άλλες συσκευές, κυρίως σε τροχόσπιτα και ιστιοφόρα Υβριδικά συστήματα Τα υβριδικά συστήματα είναι συνδυασμός φωτοβολταϊκού συστήματος με άλλου είδους γεννήτρια. Η γεννήτρια μπορεί να είναι πετρελαίου ή φυσικού αερίου. Στα συστήματα αυτά η γεννήτρια και το φωτοβολταϊκό αλληλοσυμπληρώνονται. Το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος (Η/Ζ), συνήθως ενεργοποιείται αυτόματα σε έκτακτες περιπτώσεις για να υποβοηθήσει το φωτοβολταϊκό σύστημα. Αν το υβριδικό σύστημα είναι σε συνδυασμό με το κεντρικό δίκτυο, τότε το κεντρικό δίκτυο χρησιμοποιείται ως εφεδρική πηγή σε περίπτωση ανάγκης. Τα υβριδικά συστήματα απευθύνονται σε μεγαλύτερες οικιακές ή επαγγελματικές εφαρμογές. Κυρίως χρησιμοποιούνται για την αδιάλειπτη λειτουργία στρατηγικής σημασίας ηλεκτρικών φορτίων ή ευαίσθητων φορτίων, σε περιοχές όπου το κεντρικό δίκτυο παρουσιάζει προβλήματα (διακοπές ή μεταβολή τάσης). Το πλεονέκτημα των συστημάτων αυτών είναι

11 ότι για να έχουμε επάρκεια σε χρονικές περιόδους μικρής ηλιοφάνειας αντί να βάλουμε φωτοβολταϊκή συστοιχία μεγαλύτερης επιφάνειας και συσσωρευτή μεγαλύτερης χωρητικότητας, παίρνουμε την ισχύ από την γεννήτρια. Επίσης, η κατανάλωση της γεννήτριας και το κόστος συντήρησής της είναι μικρότερο σε σχέση με ένα ίδιας ισχύος συστήματος παραγωγής με μια μόνο γεννήτρια. 1.5 Τρόποι Διασύνδεσης Φωτοβολταϊκών συστημάτων με το δίκτυο Ανάλογα με τον τρόπο που συνδυάζονται τα πλαίσια, τα Φ/Β συστήματα κατηγοριοποιούνται σε τέσσερις τεχνολογικές τάσεις: α) την Κεντρικοποιημένη τεχνολογία (Centralized technology) β) την τεχνολογία Αλυσίδας (String technology) γ) την τεχνολογία Πολλαπλών Αλυσίδων (Multi-string technology) και δ) την τεχνολογία των Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Εναλλασσομένου Ρεύματος (AC-PV Module technology) Κεντρικοποιημένη Τεχνολογία Η Κεντρικοποιημένη τεχνολογία (Centralized technology) συνιστά την πρώτη προσπάθεια ένταξης Φ/Β συστημάτων μεγάλης κλίμακας (της τάξης των 400kW) στην ηλεκτροπαραγωγική διαδικασία. Το δομικό διάγραμμα των Φ/Β συστημάτων αυτής της κατηγορίας παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα.

12 Ιδιαίτερο χαρακτηριστικό αυτής της τεχνολογίας αποτελεί η χρησιμοποίηση μεγάλου αριθμού Φ/Β πλαισίων, τα οποία μέσω ενός μόνου "κεντρικού" αντιστροφέα συνδέονται στο δίκτυο χαμηλής τάσης. Τα Φ/Β πλαίσια χωρίζονται σε εν σειρά ομάδες, οι οποίες ονομάζονται "αλυσίδες". Σκοπός αυτής της ομαδοποίησης είναι η εξασφάλιση αρκετά υψηλής τιμής συνεχούς τάσης (Σ.Τ.), στα άκρα της "αλυσίδας", ώστε να είναι εφικτή η απευθείας μετατροπή της σε εναλλασσόμενη χωρίς τη διαμεσολάβηση επιπλέον μετατροπέων ανύψωσης Σ.Τ. σε Σ.Τ. ή μετασχηματιστών (Μ/Σ). Τέλος, η παράλληλη σύνδεση των "αλυσίδων" επιτρέπει την επίτευξη του επιθυμητού επιπέδου ισχύος. Μολονότι η δομή των Φ/Β συστημάτων αυτής της τεχνολογίας είναι αρκετά απλή, η αποδοτικότητα τους και η οικονομική τους βιωσιμότητα αποδυναμώνεται από ορισμένα σημαντικά μειονεκτήματα. Συγκεκριμένα, η ύπαρξη ενός κεντρικού ελεγκτή Μ.Ρ.Ρ.Τ. για το σύνολο των Φ/Β πλαισίων επιφέρει τη μειωμένη ενεργειακή παραγωγή των φωτογεννητριών σε συνθήκες ανομοιόμορφης σκίασης ή ανομοιόμορφης θερμικής καταπόνησης. Επίσης, στην περίπτωση που κάποια από τις παράλληλα συνδεδεμένες "αλυσίδες" σκιαστεί περισσότερο από τις υπόλοιπες, η τιμής της τάσης που επικρατεί στα άκρα της υπολείπεται αυτής των υπολοίπων με άμεσο αποτέλεσμα να ελλοχεύει κίνδυνος μερικής καταστροφής του Φ/Β εξοπλισμού (η "αλυσίδα" συμπεριφέρεται ως φορτίο). Για την αποφυγή αυτού του κινδύνου η σύνδεση των "αλυσίδων" πρέπει να πραγματοποιείται μέσω διόδων ισχύος οι οποίες όμως επιβαρύνουν την αποδοτικότητα του όλου συστήματος με τις απώλειες τους. Το παραπάνω φαινόμενο μπορεί να παρατηρηθεί σε μικρότερο βαθμό και μεταξύ Φ/Β πλαισίων της ίδιας "αλυσίδας", επιφέροντας παρόμοια καταστροφικά αποτελέσματα (δημιουργία hot-spot κηλίδων στα Φ/Β πλαίσια). Από την άλλη πλευρά, η αρκετά υψηλή τιμή συνεχούς τάσης διασύνδεσης μεταξύ του Φ/Β πλέγματος και του αντιστροφέα επιβάλλει την εγκατάσταση ειδικών συστημάτων προστασίας και την εφαρμογή ειδικών τεχνικών γειώσεως των επιμέρους τμημάτων του Φ/Β συστήματος, αυξάνοντας έτσι το κόστος της όλης εγκατάστασης. Επιπλέον, εφόσον οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς σχεδιάζονται κάθε φορά για διαφορετικά επίπεδα ισχύος δεν είναι εφικτή η μαζική τους παραγωγή, γεγονός που έχει άμεση επίδραση στο κόστος κατασκευής τους. Επίσης, λόγω της ύπαρξης ενός μόνο "κεντρικού" αντιστροφέα η ολοκληρωτική διακοπή της ηλεκτροπαραγωγικής διαδικασίας είναι αναπόφευκτη τόσο σε περιπτώσεις προγραμματισμένης συντήρησης όσο και σε περιπτώσεις αντικατάστασης μέρους του Φ/Β εξοπλισμού Τεχνολογία Αλυσίδας Τα Φωτοβολταϊκά συστήματα τεχνολογίας Αλυσίδας (string technology) εφαρμόστηκαν για πρώτη φορά στον Ευρωπαϊκό χώρο σε ευρεία κλίμακα το Πρόκειται ουσιαστικά για μια μικρογραφία της Κεντρικοποιημένης τεχνολογίας. Συγκεκριμένα, τα Φ/Β πλαίσια συνδέονται εν σειρά σχηματίζοντας μία μόνο "αλυσίδα" η οποία τροφοδοτεί έναν ηλεκτρονικό μετατροπέα. Λόγω του μικρότερου αριθμού Φ/Β πλαισίων η ηλεκτρική ισχύς που παρέχεται στο δίκτυο περιορίζεται στο επίπεδο των 0.7 με 3kW. Στις περισσότερες περιπτώσεις ο αριθμός των εν σειρά διασυνδεδεμένων Φ/Β πλαισίων είναι μεγάλος με αποτέλεσμα η συνεχής τάση στα άκρα της "αλυσίδας" να μπορεί να μετατραπεί απευθείας σε εναλλασσόμενη με τη χρήση ενός μόνο αντιστροφέα. Σε αντίθετη περίπτωση η διαμεσολάβηση ενός μετατροπέα ανύψωσης Σ.Τ. σε Σ.Τ. ή η χρησιμοποίηση ενός χαμηλόσυχνου μετασχηματιστή, στην έξοδο του αντιστροφέα, είναι αναπόφευκτη. Το δομικό διάγραμμα των Φ/Β συστημάτων αυτής της κατηγορίας παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα.

13 Η δυνατότητα προσαρμογής της συγκεκριμένης τεχνολογικής δομής σε μικρότερες διαθέσιμες επιφάνειες, με αντίστοιχο βέβαια περιορισμό της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας, συνέβαλε στην ευρύτατη χρησιμοποίηση της στα αστικά κέντρα. Από την άλλη πλευρά, η παράλληλη λειτουργία πολλών Φ/Β συστημάτων τεχνολογίας Αλυσίδας επιτρέπει την παραγωγή μεγάλων ποσών ηλεκτρικής ενέργειας, περιορίζοντας ταυτόχρονα αρκετά από τα μειονεκτήματα που συναντώνται σε φωτοβολταϊκά συστήματα Κεντρικοποιημένης δομής. Τα Φ/Β συστήματα αυτά επιδεικνύουν υψηλότερη αξιοπιστία. σε σχέση με αυτά της Κεντρικοποιημένης δομής, καθώς η συντήρηση και η επισκευή τους συνοδεύεται από μερική μόνο μείωση της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Επίσης, ο έλεγχος μικρότερου αριθμού Φ/Β πλαισίων από τον χρησιμοποιούμενο ελεγκτή Μ.Ρ.Ρ.Τ., επιτρέπει την καλύτερη εκμετάλλευση των φωτογεννητριών. Τέλος, η μείωση του κόστους κατασκευής των χρησιμοποιούμενων ηλεκτρονικών μετατροπέων είναι ορατή, λόγω της υπάρχουσας δυνατότητας μαζικής παραγωγής αυτών. Ορισμένα σημαντικά μειονεκτήματα που έχουν αυτά τα συστήματα είναι ότι η αρκετά υψηλή τιμή συνεχούς τάσης που εμφανίζεται στα άκρα των "αλυσίδων" απαιτεί τη χρήση ακριβού βοηθητικού εξοπλισμού και την εγκατάσταση του από ειδικευμένο προσωπικό. Επίσης, λόγω της εν σειράς διασύνδεσης μεγάλου αριθμού Φ/Β πλαισίων, εγκυμονεί ο κίνδυνος εμφάνισης hot-spot κηλίδων σε αυτά, σε περιπτώσεις ανομοιόμορφης σκίασης.

14 1.5.3 Τεχνολογία Πολλαπλών Αλυσίδων Η τεχνολογία Πολλαπλών Αλυσίδων (Multi-string technology) συνιστά την αρτιότερη πρόταση για την παραγωγή σημαντικών ποσών ηλεκτρικής ενέργειας από Φ/Β συστήματα μεγάλης κλίμακας, ενώ την τελευταία δεκαετία εφαρμόζεται, επίσης, και σε μεγάλα οικιακά Φ/Β συστήματα. Πρόκειται ουσιαστικά για ένα συγκερασμό των δύο προαναφερθέντων τεχνολογικών τάσεων. Παρέχει τη δυνατότητα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ανάλογης τάξης με αυτή της Κεντρικοποιημένης δομής, συνδυάζοντας ταυτόχρονα τα πλεονεκτήματα των Φ/Β συστημάτων τεχνολογίας Αλυσίδας. Το δομικό διάγραμμα της τεχνολογίας πολλαπλών αλυσίδων είναι το παρακάτω:

15 Ένα φωτοβολταϊκό σύστημα τεχνολογίας Πολλαπλών Αλυσίδων απαρτίζεται από πολλούς ανεξάρτητους μετατροπείς συνεχούς τάσης σε συνεχή, καθένας εκ των οποίων εμπεριέχει τον δικό του ελεγκτή Μ.Ρ.Ρ.Τ.. Η είσοδος κάθε μετατροπέα συνδέεται με μια ανεξάρτητη "αλυσίδα" εν σειρά συνδεδεμένων Φ/Β πλαισίων, ενώ οι έξοδοι τους συνδέονται σε έναν μόνο κεντρικό αντιστροφέα. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται άρτια συνεργασία μεταξύ πολλών ανεξάρτητων "αλυσίδων", οι οποίες μπορεί να απαρτίζονται τόσο από διαφορετικό αριθμό Φ/Β πλαισίων, όσο και από Φ/Β πλαίσια διαφορετικής τεχνολογίας. Επιπρόσθετα, η παράλληλη λειτουργία "αλυσίδων" με διαφορετικό γεωγραφικό προσανατολισμό ή με διαφορετικές συνθήκες σκίασης δεν δυσχεραίνουν την παραγωγικότητα του όλου συστήματος, καθώς κάθε μια τους μπορεί να δουλεύει στο δικό της σημείο μέγιστης αποδιδόμενης ισχύος. Ο συνδυασμός των παραπάνω πλεονεκτημάτων καθιστά τα Φ/Β συστήματα Πολλαπλών Αλυσίδων ως μια αρκετά ελκυστική επιλογή για διεσπαρμένη παραγωγή σημαντικών ποσών ηλεκτρικής ενέργειας από μεγάλα εμπορικά ή δημόσια κτίρια. Το μειονέκτημα που παρουσιάζεται σε αυτήν την περίπτωση είναι ότι η χρησιμοποίηση πολλών ανεξάρτητων αλυσίδων μπορεί να περιορίζει τον κίνδυνο ολικής διακοπής της ηλεκτροπαραγωγικής διαδικασίας, σε περίπτωση όμως που εμφανιστεί βλάβη σε κάποιες από αυτές, η ύπαρξη ενός και μόνο "κεντρικού" αντιστροφέα αναιρεί το πλεονέκτημα αυτό στην περίπτωση που ο ίδιος παρουσιάσει βλάβη. Τέλος δύσκολη είναι και η επέκταση της παραγόμενης ισχύος χωρίς αλλαγή του αντιστροφέα Τεχνολογία Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Εναλλασσομένου ρεύματοςmicroinverters Η πιο σύγχρονη λύση στα διασυνδεδεμένα οικιακά φωτοβολταϊκά συστήματα είναι γνωστή με τον όρο Φωτοβολταϊκά Πλαίσια Εναλλασσομένου Ρεύματος (AC-PV Modules). Πρόκειται για Φ/Β διατάξεις μικρής ισχύος, οι οποίες δημιουργούνται από την ενσωμάτωση ενός μόνο Φ/Β πλαισίου και ενός μονοφασικού αντιστροφέα σε μια αυτοτελή ηλεκτρονική διάταξη Μελετώντας την δομή των Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Εναλλασσομένου Ρεύματος γίνεται αντιληπτό ότι η μέγιστη ηλεκτρική ισχύς που μπορεί να παραχθεί από μια αυτοτελή Φ/Β μονάδα (πλαίσιοαντιστροφέας) καθορίζεται από τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του χρησιμοποιούμενου πλαισίου. Το επίπεδο ισχύος κάθε αυτοτελούς Φ/Β μονάδας περιορίζεται το πολύ στα 300W. Επίσης είναι αναγκαία η ανύψωση της τάσης του Φ/Β πλαισίου. Η συνεχής τάση που επικρατεί στα άκρα της φωτογεννήτριας δύσκολα μετατρέπεται απευθείας σε εναλλασσόμενη τάση, σύμφωνη με τις προδιαγραφές του ηλεκτρικού δικτύου των αστικών περιοχών (220V), χωρίς τη διαμεσολάβηση ενός μετατροπέα ανύψωσης Σ.Τ. σε Σ.Τ. ή τη χρησιμοποίηση ενός χαμηλόσυχνου ή υψίσυχνου μετασχηματιστή. Το δομικό διάγραμμα της τεχνολογίας πλαισίων εναλλασσομένου ρεύματος είναι το παρακάτω:

16 Η παράλληλη λειτουργία πολλών παράλληλων αυτοτελών μονάδων επιτρέπει την παραγωγή μεγαλύτερων ποσών ηλεκτρικής ενέργειας, εξασφαλίζοντας ταυτόχρονα υψηλή αξιοπιστία διότι ελαχιστοποιείται ο κίνδυνος ολικής απώλειας της ηλεκτροπαραγωγής σε περιπτώσεις προγραμματισμένης συντήρησης ή εμφάνισης βλαβών. Αξίζει να σημειωθεί ότι η χρήση πολλών ανεξάρτητων μονάδων δεν σηματοδοτεί και την αναγκαστική αύξηση του κόστους επένδυσης, διότι η διαφαινόμενη δυνατότητα μαζικής παραγωγής των Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Εναλλασσομένου Ρεύματος εκτιμάται ότι θα οδηγήσει τελικά σε σημαντική μείωση του κόστους κατασκευής των χρησιμοποιούμενων ηλεκτρονικών μετατροπέων. Επιπλέον η σύνδεση ενός μόνο Φ/Β πλαισίου ανά μετατροπέα επιτρέπει το βέλτιστο έλεγχο της φωτογεννήτριας από τον ελεγκτή M.P.P.T., οδηγώντας έτσι σε μεγιστοποίηση της παραγωγικότητας της κάτω από οποιοσδήποτε περιβαλλοντικές συνθήκες. Τα μειονέκτημα που εμφανίζονται σε αυτή τη κατηγορία είναι ότι οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς στα εν λόγω Φ/Β συστήματα είναι ενσωματωμένοι είτε στο πίσω μέρος του πλαισίου είτε στο μηχανισμό στήριξης αυτού με άμεση συνέπεια την έκθεση του μετατροπέα σε μεγάλες θερμοκρασίες, ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια των καλοκαιρινών μηνών. Η ανεπαρκής απαγωγή θερμότητας από τα ημιαγωγικά στοιχεία του μετατροπέα, καθώς και η χρήση ηλεκτρολυτικών πυκνωτών (η γήρανση των οποίων επηρεάζεται σημαντικά από τις υψηλές θερμοκρασίες) μπορούν να οδηγήσουν σε μείωση της προσδόκιμης διάρκειας ζωής τους. Δεύτερον, λαμβάνοντας υπόψη ότι η θερμοκρασία ενός Φ/Β πλαισίου εξαρτάται τόσο από τις κλιματολογικές συνθήκες της

17 περιοχής στην οποία είναι εγκατεστημένο (θερμοκρασία περιβάλλοντος, συνθήκες ηλιοφάνειας, υγρασίας και αιολικό δυναμικό) όσο και από τις θερμικές ιδιότητες του, είναι εύλογο ότι ο τρόπος με τον οποίο ο μετατροπέας εδράζεται στο πλαίσιο μπορεί να προκαλέσει την τοπική του υπερθέρμανση. Η ενσωμάτωση του ηλεκτρονικού μετατροπέα στην Φ/Β γεννήτρια μειώνει τη ροή του αέρα στην επιφάνεια έδρασης του τελευταίου. Σε ακραίες περιπτώσεις το γεγονός αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει ακόμα και σε μερική καταστροφή του Φ/Β πλαισίου. Επιπρόσθετα, η θερμότητα που εκλύεται από το πλαίσιο επιβαρύνει ακόμα περισσότερο τη ψύξη του μετατροπέα. Τα παραπάνω επηρεάζουν αρνητικά την αξιοπιστία του συστήματος. Ηλεκτρονικοί μετατροπείς φωτοβολταϊκών πλαισίων Εναλλασσομένου Ρεύματος Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια παρέχεται υπό τη μορφή συνεχούς τάσης και ρεύματος. Για να καταστεί λοιπόν εφικτή η τροφοδότηση του ηλεκτρικού δικτύου εναλλασσομένου ρεύματος (Ε.Ρ.) με την ενέργεια που παράγεται από τις φωτογεννήτριες, απαιτείται η διαμεσολάβηση κατάλληλων ηλεκτρονικών διατάξεων, των αναστροφέων. Πρόκειται ουσιαστικά για στατικούς (χωρίς κινούμενα μέρη) μετατροπείς ισχύος (Static Power Converters, CPS), οι οποίοι εμπεριέχουν ενσωματωμένα συστήματα ελέγχου, προστασίας και φιλτραρίσματος του ρεύματος εξόδου τους. Η προσαρμογή της παραγόμενης, από τα Φ/Β πλαίσια, ηλεκτρικής ενέργειας στα επιθυμητά χαρακτηριστικά του εναλλασσόμενου ηλεκτρικού δικτύου, είναι δυνατόν να πραγματοποιηθεί με πολλές διαφορετικές κυκλωματικές τοπολογίες μετατροπέων. Όμως οι μετατροπείς αυτοί μπορεί να ομαδοποιηθούν, βάσει ορισμένων κοινών χαρακτηριστικών τους, σε διάφορες κατηγορίες. Βάσει του αριθμού βαθμίδων Οι κατηγορίες είναι οι ακόλουθες: α)μιας βαθμίδας(single stage) β)δύο βαθμίδων(two stages) γ)πολλαπλών βαθμίδων(multi stages) Στο παρακάτω σχήμα παρατίθενται οι μετατροπείς ισχύος,μίας βαθμίδας,δύο βαθμίδων και πολλαπλών βαθμίδων.

18 Χαρακτηριστικό γνώρισμα των τοπολογιών μίας βαθμίδας (ή ενός σταδίου) είναι η χρησιμοποίηση ενός μόνο μετατροπέα, ο οποίος επωμίζεται αφενός μεν την ανύψωση της χαμηλής τάσης εξόδου των φωτογεννητριών στα επίπεδα της τάσης του ηλεκτρικού δικτύου εναλλασσόμενου ρεύματος, αφετέρου δε τη μετατροπή της συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη. Συνεπώς, στις διατάξεις μιας βαθμίδας, η κυκλωματική τοπολογία του χρησιμοποιούμενου μετατροπέα δεν μπορεί παρά να είναι ένας αντιστροφέας. Το σημείο σύνδεσης αυτών διαφοροποιείται ανάλογα με τον αν στη διάταξη υπάρχει χαμηλόσυχνος ή υψίσυχνος μετασχηματιστής. Προκειμένου να επιτυγχάνεται ο εναρμονισμός των ηλεκτρικών μεγεθών εξόδου του αντιστροφέα με τα πρότυπα ηλεκτρονικής συμβατότητας, απαιτείται η χρησιμοποίηση κατωδιαβατών φίλτρων. Ο σχεδιασμός του κυκλώματος ελέγχου των μετατροπέων αυτής της κατηγορίας είναι σχετικά πολύπλοκος, αφού ένας μόνον ελεγκτής αναλαμβάνει τόσο τον έλεγχο του κυκλώματος ισχύος όσο και τους ελέγχους ανίχνευσης του σημείου μέγιστης αποδιδόμενης ισχύος. Από την άλλη πλευρά, λόγω της χρησιμοποίησης αρκετά περιορισμένου πλήθους ημιαγωγικών στοιχείων (συγκριτικά με τις τοπολογίες δύο ή περισσοτέρων βαθμίδων), ο βαθμός πολυπλοκότητας του κυκλώματος ισχύος είναι ιδιαίτερα

19 μικρός, συμβάλλοντας έτσι στην υψηλή αξιοπιστία και στο χαμηλό κόστος κατασκευής των μετατροπέων αυτών Στους μετατροπείς τοπολογίας δύο βαθμίδων (σταδίων), χρησιμοποιούνται δύο ανεξάρτητοι ηλεκτρονικοί μετατροπείς, εκ των οποίων ο μεν πρώτος (προς την πλευρά της φωτογεννήτριας) είναι ένας μετατροπέας Σ.Τ./Σ.Τ., ενώ ο δεύτερος είναι ένας αντιστροφέας. Στην πλειονότητα των περιπτώσεων στο πρώτο στάδιο είτε πραγματοποιείται ανύψωση της συνεχούς τάσης των Φ/Β γεννητριών σε μια σταθερή και αρκετά υψηλή τιμή (τουλάχιστον 350V), είτε παράγεται ανορθωμένο ημιτονοειδές ρεύμα. Στη δεύτερη βαθμίδα, στη μεν πρώτη περίπτωση ο αντιστροφέας ελέγχεται με τη βοήθεια τεχνικών ημιτονοειδούς διαμόρφωσης του εύρους των παλμών (Sinusoidal Pulse Width Modulation, S.P.W.M.), ώστε στην έξοδο του (μετά το κατωδιαβατό φίλτρο) να εξασφαλίζεται ρεύμα ημιτονοειδούς μορφής, ενώ στη δεύτερη περίπτωση χρησιμοποιούνται αντιστροφείς οδηγούμενοι από το δίκτυο (συχνότητα λειτουργίας 50Hz), οι οποίοι αναλαμβάνουν τη μετατροπή του ανορθωμένου ημιτονοειδούς ρεύματος σε εναλλασσόμενο. Βέβαια, εκτός των δύο προαναφερθέντων τοπολογιών, υπάρχει πληθώρα εναλλακτικών λύσεων, η οποία έγκειται κυρίως στη μεταφορά της προχωρημένης τεχνογνωσίας των διακοπτικών τροφοδοτικών συνεχούς ρεύματος (Switch Mode Power Supplies) στο σχεδιασμό των μετατροπέων της πρώτης βαθμίδας. Η διαφοροποίηση των τοπολογιών πολλαπλών βαθμίδων (σταδίων) από αυτές των δύο σταδίων, εστιάζεται στη χρησιμοποίηση περισσότερων ενδιάμεσων μετατροπέων Σ.Τ./Σ.Τ. Βασικό πλεονέκτημα αυτών των τοπολογιών είναι η αποσύνδεση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών της Φ/Β γεννήτριας από τη χαμηλόσυχνη κυμάτωση που προκαλείται από τη δημιουργία μονοφασικής εναλλασσόμενης τάσης. Όμως η εν σειρά σύνδεση πολλών βαθμίδων επεξεργασίας της ισχύος εξόδου των φωτογεννητριών επιφέρει σημαντική μείωση του συνολικού βαθμού απόδοσης και δραματική αύξηση του κόστους κατασκευής. Οι δύο προαναφερθέντες λόγοι είναι οι κύριες αιτίας που οδήγησαν στον παραγκωνισμό αυτών των τοπολογιών από το ενδιαφέρον τόσο της επιστημονικής κοινότητας, όσο και της βιομηχανίας. Επιπλέον η χρησιμοποίηση πολλών μετατροπέων έχει αρνητική επίδραση στην αξιοπιστία του συστήματος.

20 2.0 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ Θα ασχοληθούμε όπως είπαμε με φωτοβολταϊκό δύο βαθμίδων με χρήση dc-dc μετατροπέα και ανιστροφέα. 2.1 Γενικά περί μετατροπέων Σ.Τ.-Σ.Τ. τύπου PWM. Πρόκειται για μετατροπείς συνεχούς τάσης σε συνεχή τάση,για τον έλεγχο των οποίων χρησιμοποιείται η τεχνική της διαμόρφωσης του εύρους παλμών(p.w.m).η τεχνική αυτή συνίσταται στο να διατηρείται σταθερή η συχνότητα έναυσης και σβέσης των ημιαγωγικών στοιχείων(συχνότητα λειτουργίας του μετατροπέα) και να μεταβάλλεται ο χρόνος αγωγής των στοιχείων αυτών.ο χρόνος αγωγής του ημιαγωγικού στοιχείου προς τη διακοπτική περίοδο λειτουργίας ονομάζεται λόγος κατάτμησης δ(duty cycle) και παίρνει τιμές από 0 έως 1.Τελικά αποτέλεσμα της λειτουργίας είναι η δημιουργία παλμικών τάσεων μεταβλητού χρονικά εύρουχς.η παλμική τάση εξομαλύνεται με τη βοήθεια ενός φίλτρου,στην έξοδο του οποίου παίρνουμε συνεχή τάση.έτσι,με τη μεταβολή του λόγου κατάτμησης επιτυγχάνεται ρύθμιση της συνεχούς τάσης εξόδου του μετατροπέα. Η κατηγορία των dc-dc μετατροπέων τύπου P.W.M. περιλαμβάνει πολλές διαφορετικές τοπολογίες,κάθε μία από τις οποίες έχει κάποια ιδιαίτερα χαρακτηριστικά.οι τεχνολογίες αυτές μπορούν να χωριστούν σε δύο μεγάλες κατηγορίες. Μετατροπείς DC-DC χωρίς μετασχηματιστή απομόνωσης(single-ended DC-DC converters) Είναι απλές διατάξεις με μικρό κόστος κατασκευής,τα οποία διαθέτουν διακοπτικά στοιχεία,πυκνωτές,πηνία,διόδους ισχύος.κυριότεροι εκπρόσωποί τους είναι οι Boost,Buck,Buck- Boost. Μετατροπείς DC-DC με μετασχηματιστή απομόνωσης. Η ηλεκτρονική απομόνωση στα διακοπτικά τροφοδοτικά επιτυγχάνεται με τη χρήση ενός μετασχηματιστή υψηλής συχνότητας.οι υψίσυχνοι μετασχηματιστές παρουσιάζουν μειωμένες απώλειες πυρήνα,ενώ το μέγεθός τους μπορεί να είναι αρκετά μικρότερο σε σχέση με τους μετασχηματιστές σιδήρου μιας και οι διαστάσεις τους είναι αντιστρόφως ανάλογες της συχνότητας λειτουργίας.

21 Η χρήση μετασχηματιστή απομόνωσης προσφέρει αρκετά πλεονεκτήματα: Παρέχει γαλβανική απομόνωση μεταξύ εισόδου και εξόδου,ιδιότητα ιδιαίτερα χρήσιμη σε εφαρμογές που απαιτείται διασύνδεση με το ηλεκτρικό δίκτυο. Παρέχει τη δυνατότητα υλοποίησης περισσοτέρων εξόδων προσθέτοντας επιπλέον δευτερεύοντα τυλίγματα στο μετασχηματιστή.μάλιστα,ανάλογα με τη φορά περιελίξεως,μπορεί να επιλεγεί και η πολικότητα των εξόδων. Το εύρος των τάσεων που επιτυγχάνεται στις εξόδους είναι αρκετά μεγάλο και άμεσα εξαρτώμενο από το λόγο μετασχηματισμού του μετασχηματιστή. Η ύπαρξη όμως μετασχηματιστή στο μετατροπέα φέρει και μειονεκτήματα.η αύξηση του όγκου,του βάρους,του κόστους κατασκευής και των απωλειών ισχύος είναι αναπόφευκτες.επιπλέον οι επαγωγές σκεδάσεων δημιουργούν υπερτάσεις που θέτουν σε κίνδυνο τα ημιαγωγικά στοιχεία.μερικοί τυπικοί μετατροπείς με Μ/Σ απομόνωσης είναι οι Flyback,Forward,Push-Pull. Στη συγεκριμένη εργασία θα δείξουμε περιληπτικά έναν μετατροπέα από κάθε κατηγορία,συγκεκριμένα τον boost και τον flyback και έπειτα θα προχωρήσουμε στον προτεινόμενο μετατροπέα. 2.2 Πρώτη βαθμδία ηλεκτρονικών ισχύος - DC-DC μετατροπείς ανύψωσης τάσης Μετατροπέας BOOST Ο πιο διαδεδομένος μετατροπέας dc-dc για ανύψωση τάσης είναι ο boost.το κέρδος τάσης ενός μετατροπέα boost είναι ανάλογο του λόγου κατάτμησης δ και θεωρητικά μπορεί να επιτευχθούν μεγάλα κέρδη τάσης στην έξοδο μεγαλώνοντας το δ.ανίθετα όμως με την ιδανική λειτουργία στην πράξη ο λόγος μειώνεται καθώς πλησιάζει τη μονάδα,εξαιτίας των απωλειών στα στοιχεία του κυκλώματος.οι απώλειες αυτές οφείλονται στα παρασιτικά στοιχεία που υπάρχουν στο πηνίο,τον πυκνωτή,το διακοπτικό στοιχείο και τη δίοδο.

22 Η σχέση που μας δίνει το θεωρητικό κέρδος τάσης του μετατροπέα στη συνεχή αγωγή είναι η ακόλουθη:, όπου Επίσης ισχύους οι παρακάτω γραφικές παραστάσεις η μία για το κέρδος τάσης και η άλλη για την απόδοση του μετατροπέα.

23 Όπως βλέπουμε από το διάγραμμα κέρδους τάσης και απόδοσης του μετατροπέα δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί μεγάλη τιμή του λόγου κατάτμησης δ,εξαιτίας των αυξημένων απωλειών στο τρανζίστορ.αυτό μας δίνει ένα ασφαλές ενώ με κάποιες παραχωρήσεις στην απόδοση μπορούμε να φτάσουμε μέχρι και 4.Το αντίστοιχο D για την αύξηση τάσης κατά 3 φορές ειναι γύρω στο 0.7. Από όλα αυτά καθίσταται σαφές οτί περιορίζονται δραματικά οι εφαρμογές στις οποίες επιθυμούμε μεγάλη ανύψωση της τάσης εξόδου. Μετατροπέας Flyback Υψηλό κέρδος τάσης μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση του μετατροπέα flyback χωρίς μεγάλο λόγο κατάτημησης. Η σχέση που δίνει το λόγο της τάσης εξόδου προς την τάση εισόδου είναι:

24 Όπου n=,ο λόγος μετασχηματισμού.ο μετατροπέας επιτυγχάνει καλή ανύψωση τάσης.για D από 0.4 έως 0.7 προκαλεί μια αύξηση της τάσης εισόδου από 10 έως περίπου 20 φορές.για D μεγαλύτερο του 0.7 έχουμε υπερβολικά μεγάλες απώλειες και δεν μπορούμε να τον λειτουργήσουμε. Παρόλα αυτά έχει ένα σημαντικό μειονέκτημα.παρουσιάζονται υπερτάσεις στον ημιαγωγικό διακόπτη εισόδου.η αιτία των υπαερτάσεων είναι κατά κυριο λόγο οι σκεδάσεις του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος του μετασχηματιστή.πιο συγκεκριμένα οφείλεται στον συντονισμό της σκέδασης του πρωτεύοντος του μετασχηματιστή με την παρασιτική χωρητικότητα του τρανζίστορ,μειώνοντας έτσι την απόδοση του μετατροπέα.αναφορικά με το δευτερεύον οι σκεδάσεις δημιουργούν μικρότερο πρόβλημα,αφού σε αυτή την περίπτωση η σκέδαση έχει μόνιμο δρόμο προς το φορτίο. Προτεινόμενος υβριδικός μετατροπέας boost-flyback(reboost) Ο προτεινόμενος μετατροπέας είναι ένας συνδυασμός μετατροπέα boost με μετατροπέα flyback.συγκρινόμενο με τον μετατροπέα boost παρατηρούμε οτί έχει αντιακατασταθεί το πηνίο με το πρωτεύον ενός μετασχημαστιστή.ω ς αποτέλεσμα μπορούμε να πάρουμε στην έξοδο μεγάλη ανύψωση της τάσης εξόδου.επιλέον περιορίζεται σημαντικά η παρουσία υπερτάσεων στο τρανζίστορ μιας και η ενέργεια σκέδασης του πρωτεύοντος αποδίδεται μέσω της διόδου του boost στον πυκνωτή,γεγονός που βελτιώνει την απόδοση του μετατροπέα. Το σχήμα του συγκεκριμένου μετατροπέα είναι το εξής

25 Βασική λειτουργία του κυκλώματος: O μετατροπέας έχει έναν διακόπτη(mosfet,igbt) που άγει κατά χρονικά διαστήματα.ο έλεγχος του διακοπτικού στοιχείου γίνεται με τη βοήθεια ενός μικροεπεξεργαστή και αφορά την παραγωγή παλμών ώστε να ελέγχεται το διάστημα αγωγής του στοιχείου.στη συνέχεια θα περιγραφεί εν συντομία η λειτουργία του κυκλώματος κατά τη διάρκεια μιας περιόδου.διακρίνουμε 3 χαρακτηριστικές περιόδους. 1)Για 0 < t < έχουμε Σε αυτή τη χρονική περίοδο άγει ο διακόπτης.η ροή ρεύματος φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Λόγω του ρεύματος αυτού το πηνίο του πρωτεύοντος του μετασχηματιστή συσσωρεύει ενέργεια.παράλληλα,όπως δείχνει και το σχήμα η έξοδος διαρρέται από ρεύμα από την ενέργεια που είχε συσσωρευτεί στους πυκνωτές και τις προηγούμενες περιόδους. 2)Για < t < ΔΤ έχουμε Αυτή τη χρονική περίοδο ο διακόπτης είναι ανοιχτός.η ροή ρεύματος είναι όπως δείχνει το παρακάτω σχήμα

26 Το πηνίο του πρωτεύοντος του μετασχηματιστή απελευθερώνει ενέργει γιατί προσπαθεί ναδιατηρήσει τη ροή ρεύματος και μαζί με την ενέργεια που δίνει μεταφέρονται μέσω του μετασχηματιστή στην έξοδο.με τη φόρτιση του Μετασχηματιστή τα δύο πηνία αποκτούν θετική τάση με αποτέλεσμα οι δίοδοι και να άγουν. 3)Για ΔΤ < t < T έχουμε: Αυτή τη χρονική περίοδο ο διακόπτης είναι επίσης ανοικτός.η ροή του ρεύματος είναι όπως δείχνουν τα βέλη.

27 Το πηνίο του δευτερεύοντος συνεχίζει να απελευθερώνει ενέργεια όπως και προηγουμένως μέσω τώρα της διόδου.το κύκλωμα στο πρωτεύον του μετασχηματιστή δεν διαρρέεται από ρεύμα.η ενέργεια απελευθερώνεται μέσω του πάνω κυκλώματος.έτσι στο διακοπτικό στοιχείο δεν εφαρμόζεται κάποια τάση κατά την χρονική διάρκεια αυτή. Λόγος τάσης εξόδου προς τάση εισόδου: n=, D = Παρακάτω είναι ο λόγος του Duty cycle σε σχέση με την ανύψωση τάσης

28 Λόγω της μεγάλης ανύψωσης που δημιουργεί ο μετατροπέας boost-flyback,είναι ιδανικός για εφαρμογές microinverter,στις οποίες ένα φωτοβολταϊκό συνδέεται με το δίκτυο.προς το παρών οι microinverters καλύπτουν μόνο το 1% της παγκόσμιας αγοράς,όμως στο μέλλον αναμένεται να έχουν όλο και μεγαλύτερη απήχηση. Μετατροπέας BUCK-BOOST To κύκλωμα ενός μετατροπέα ανύψωσης-υποβιβασμού φαίνεται παραπάνω.όταν ο διακόπτης είναι κλειστός,το ρεύμα στο πηνίο αυξάνεται και αποθηκεύεται ενέργεια σε αυτό,ενώ η δίοδος πολώνεται ανάστροφα.όταν ο διακόπτης ανοίξει,το ρεύμα του πηνίου ρέει μέσω της διόδου προς το φορτίο,μεταφέροντας έτσι μέρος της αποθηκευμένης του ενέργειας προς αυτό. Η σχέση που συνδέει τη μέση τιμή της τάσης εισόδου με την τιμή της τάσης εξόδου προκύπτει: Διαπιστώνουμε οτί για D>0.5 η τάση εξόδου είναι μεγαλύτερη από την τάση εισόδου και για D<0.5 η τάση εξόδου είναι μικρότερη από την τάση εισόδου.στην έξοδό του επίσης πρέπει να προσέξουμε οτί μας δίνει τάση αντίστροφης πολικότητας.

29 a) Όταν ο διακόπτης είναι κλειστός,το ρεύμα στο πηνίο αυξάνεται και αποθηκεύεται ενέργεια σε αυτό,ενώ η δίοδος πολώνεται ανάστροφα. b) Όταν ο διακόπτης ανοίξει,το ρεύμα του πηνίου ρέει μέσω της διόδου προς το φορτίο,μεταφέροντας έτσι μέρος της αποθηκευμένης του ενέργειας προς αυτό. c) Κυματομορφές λειτουργίας του dc-dc buck-boost converter.

30 Μετατροπέας υποβιβασμού τάσης-buck converter

31 Ο μετατροπέας υποβιβασμού τάσης παράγει μέση τάση εξόδου μικρότερη από την DC τάση εισόδου του, Κατά τη διάρκεια που ο διακόπτης S είναι κλειστός(,το πηνίο διαρρέται από το ρεύμα και η δίοδος πολώνεται ανάστροφα.σε αυτό το χρονικό διάστημα στα άκρα του πηνίου εφαρμόζεται τάση,η οποία προκαλεί γραμμική αύξηση του ρεύματος του και η ενέργεια που εισέρχεται στο κύκλωμα αποθηκεύεται στο πηνίο.όταν ο διακόπτης ανοίξει,λόγω της αποθηκευμένης στο πηνίο ενέργειας,το πηνίο συνεχίζει να διαρρέεται από ρεύμα το οποίο όμως διέρχεται από τη δίοδο.λόγω αγωγής της διόδου,το πηνίο συνέεται παράλληλα με τον πυκνωτή εξόδου και η τάση του γίνεται Η τάση εξόδου υπολογίζεται ως Όπου D =, ο χρόνος κατά τον οποίο άγει ο διακόπτης και η περίοδος. Ακολουθούν τα διαγράμματα λειτουργίας του buck μετατροπέα.

32 MPP-Ανίχνευση τουμεγίστου Σημείου Ισχύος Η ηλιακή ενέργεια είναι άμεσα εκμεταλλεύσιμη, όπως είναι ήδη γνωστό, μέσω των φωτοβολταϊκών Στοιχείων. Ωστόσο, η εξαγωγή της ενέργειας από τα φωτοβολταϊκά στοιχεία δεν είναι απλή διαδικασία και παρουσιάζει αρκετές δυσκολίες. Μια από τις πιο σημαντικές δυσκολίες είναι η ανίχνευση του Μέγιστου Σημείου Ισχύος των φωτοβολταϊκών (Maximum Power Point). Για να γίνει κατανοητό το τι ακριβώς είναι το Μέγιστο Σημείο Ισχύος, να αναφερθεί ότι μια συστοιχία φωτοβολταϊκών κάτω από σταθερή και ομοιόμορφη ακτινοβολία λειτουργεί σύμφωνα με μια χαρακτηριστική καμπύλη ρεύματος - τάσης.σε αυτήν την καμπύλη υπάρχει ένα σημείο στο οποίο η συστοιχία φωτοβολταϊκών λειτουργεί με τη μέγιστη απόδοση και παράγει τη μέγιστη ισχύ. Αυτό είναι και το Μέγιστο Σημείο Ισχύος της φωτοβολταϊκής συστοιχίας. Να σημειωθεί ότι το σημείο αυτό δεν μπορεί να είναι γνωστό γιατί δεν είναι σταθερό, αφού η χαρακτηριστική καμπύλη λειτουργίας της φωτοβολταϊκής συστοιχίας αλλάζει με την αλλαγή της ηλιακής ακτινοβολίας. Έτσι το Σημείο Μέγιστης Ισχύος είναι διαφορετικό κατά τις πρωινές σε σχέση με τις απογευματινές ώρες. όπου και η ηλιακή ακτινοβολία είναι ασθενέστερη. Σύμφωνα με τα παραπάνω και δεδομένου ότι κατά την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι επιθυμητή η μέγιστη απόδοση των διατάξεων και η παραγωγή μέγιστης δυνατής ισχύος, γίνεται αντιληπτό ότι υπάρχει ανάγκη κατασκευής διατάξεων, οι οποίες θα ανιχνεύουν το Μέγιστο Σημείο Ισχύος και θα εξαναγκάζουν τη φωτοβολταϊκή συστοιχία να λειτουργεί σε αυτό το σημείο.επίσης να σημειωθεί οτί το MPP επηρέαζεται τόσο από την ακτινοβολία,όσο και από τη θερμοκρασία. Διατάξεις ανίχνευσης του Μέγιστου Σημείου Ισχύος ονομάζονται Ανιχνευτές Μέγιστου Σημείου Ισχύος (Maximum Power Point Trackers MPPT). Αυτές οι διατάξεις εντοπίζουν το Μέγιστο Σημείο Ισχύος και επιδρούν στη φωτοβολταϊκή συστοιχία, έτσι ώστε αυτή να λειτουργεί σε αυτό το σημείο.ο έλεγχος MPPT πραγματοποιείται στον DC-DC μετατροπέα.ο ελεγκτής MPPT μετράει την τάση και το ρεύμα του φωτοβολταϊκού στοιχείου.αυτά τα δύο σήματα είναι τα σήματα ελέγχου και χρησιμοποιούνται για τον καθορισμό του σημείου λειτουργίας από τον ελεγκτή.η προσέγγιση του μεγίστου σημείου ισχύος πραγματοποιείται με τη σταδιακή μεταβολή της διάρκειας αγωγής του ημιαγώγιμου διακόπτη S της διάταξης. Το MPPT είναι ένα μη γραμμικό και χρονικά μεταβαλλόμενο σύστημα,το οποίο πρέπει να λυθεί. Υπάρχουν διάφοροι αλγόριθμοι MPPT και όλοι βασίζονται στο οτί αριστερά από το MPP το,στα δεξιά του MPP ισχύει και στο MPP ισχύει.

33 Έπειτα παρατίθενται βασικά σχήματα MPPT για τους 3 βασικούς dc-dc μετατροπείς,buck boost,buck και boost.

34 Από κάτω έχουμε μία χαρακτηριστική καμπύλη ρεύματος και τάσης για ένα φωτοβολταϊκό.

35 ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ MPPT 1)Διατάραξης και παρατήρησης(perturb & Observe P&O) Ο αλγόριθμος Διατάραξης και Παρατήρησης είναι αυτός που εφαρμόζεται σε πολλές περιπτώσεις συστημάτων φωτοβολταϊκών στοιχείων,λόγω της εύκολης εφαρμογής του.η λειτουργία του αλγορίθμου μπορεί να περιγραφεί με μεγαλύτερη ευκολία αν λάβουμε υπόψη μας τη χαρακτηριστική καμπύλη P-V ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου. Αν εφαρμοστεί ο αλγόριθμος διατάραξης και παρατήρησης,το ΜΣΙ θα ανιχνευθεί με μεταβολή της τάσης των φωτοβολταϊκών στοιχείων και με έλεγχο της μεταβολής της ισχύος ΔP.Πιο συγκεκριμένα,έστω οτί η φωτοβολταϊκή συστοιχεία λειτουργεί στο σημείο Α της καμπύλης, το οποίο βρίσκεται πιο αριστερά από το ΜΣΙ.Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία σε αυτό το σημείο λειτουργίας θα λειτουργούν με μία ορισμένη τάση και θα δίνουν μια συγκεκριμένη ισχύ μικρότερη της δυνατής μέγιστης.ο αλγόριθμος διατάραξης και παρατήρησης ακολουθεί μια απλή διαδικασία για να ανιχνεύσει το MPP.Προκαλεί μια διαταραχή στην τάση και ελέγχει τη μεταβολή ισχύος.εφόσον έχει

36 υποτεθεί οτί το σημείο λειτουργίας είναι πιο αριστερά από το MPP,αν αυξηθεί η τάση το σημείο λειτουργίας θα μετατοπιστεί σε περιοχές καμπύλης με μεγαλύτερη ισχύ και άρα η μεταβολή της ισχύος θα είναι θετική.επομένως,το επόμενο βήμα του αλγορίθμου θα είναι να αυξήσει την τάση μέχρι η μεταβολή της ισχύος να γίνει αρνητική, κάτι που σημαίνει ότι το σημείο λειτουργίας μετατοπίζεται προς περιοχές χαμηλότερης ισχύος. Μόλις η μεταβολή της ισχύος γίνει αρνητική, ο αλγόριθμος αλλάζει φορά μεταβολής της τάσης και άρα μειώνει την τάση ενώ ελέγχει το Ρ. Η διαδικασία επαναλαμβάνεται αντίστροφα αυτή τη φορά. δηλαδή η τάση μειώνεται μέχρι η μεταβολή ισχύος να ξαναγίνει θετική. Ο αλγόριθμος όπως φαίνεται είναι απλούστατος και δε βασίζεται σε πολύπλοκες εξισώσεις και πράξεις αλλά σε μια απλή παρατήρηση. Αν γίνει όμως μια πιο καλή ανάλυση της διαδικασίας που ακολουθεί ο αλγόριθμος, θα γίνει αντιληπτό ότι η μέθοδος είναι δύσκολο να εντοπίσει με ακρίβεια το ΜΣΙ και ακόμη και αν το εντοπίσει, δε θα μπορεί να διακρίνει ότι αυτό είναι το ΜΣΙ ώστε να σταματήσει τις διαταραχές της τάσης. Επομένως, με τη μέθοδο διατάραξης και παρατήρησης, δεν εντοπίζεται το ΜΣΙ αλλά γίνεται μια ταλάντωση του σημείου λειτουργίας των φωτοβολταϊκών στοιχείων σε μια περιοχή κοντά στο ΜΣΙ. Υπάρχουν όμως και κάποια μειονεκτήματα αυτής της μεθόδου.όσο μικρότερη είναι η ηλιακή ακτινοβολία, τόσο πιο επίπεδηγίνεται η καμπύλη Ρ - V. Το γεγονός αυτό εισάγει μια δυσκολία εντοπισμού του ΜΣΙ με το συγκεκριμένο αλγόριθμο, γιατί λόγω της μικρής κλίσης της καμπύλης, η μεταβολή της ισχύος είναι πολύ μικρή σε σχέση με τη μεταβολή της τάσης. Αυτό σημαίνει ότι για να παρατηρηθεί αξιοσημείωτη μεταβολή στην ισχύ, θα πρέπει να γίνει μια πολύ μεγάλη αλλαγή στην τάση.

37 Έστω ότι ο Ανιχνευτής ΜΣΙ που χρησιμοποιεί τον αλγόριθμο διατάραξης και παρατήρησης ταλαντεύεται σε μια περιοχή πολύ κοντά στο ΜΣΙ, δηλαδή μεταξύ των σημείων Β και Γ. Αν για οποιοδήποτε λόγο, αυξηθεί η ηλιακή ακτινοβολία, αυτόματα τα φωτοβολταϊκά στοιχεία θα λειτουργούν με βάση κάποια άλλη καμπύλη που βρίσκεται πιο πάνω από την πρώτη. Άρα, οποιαδήποτε αλλαγή της τάσης οδηγεί σε θετική μεταβολή ισχύος. Αυτό συμβαίνει επειδή αλλάζει το σημείο λειτουργίας των φωτοβολταϊκών στοιχείων και βρίσκεται σε καμπύλη μεγαλύτερης ισχύος από την προηγούμενη. Συγκεκριμένα, έστω ότι το νέο σημείο λειτουργίας μετά τη μεταβολή της ηλιακής ακτινοβολίας είναι το Δ. Τότε όπως φαίνεται και από το παραπάνω σχήμα, η λειτουργία μεταφέρεται από τα σημεία της πρώτης καμπύλης σε αυτά της δεύτερης. Επομένως, αν το προηγούμενο σημείο λειτουργίας ήταν το Γ, τότε ο αλγόριθμος θα έπρεπε να μειώσει την τάση μέχρι η μεταβολή ισχύος να γίνει αρνητική. Καθώς γίνεται η μείωση της τάσης, αλλάζει η ακτινοβολία και το νέο σημείο λειτουργίας είναι το Δ, στο οποίο τα φωτοβολταϊκά στοιχεία παράγουν μεγαλύτερη ισχύ σε σχέση με το Γ. Επομένως, η μεταβολή της ισχύος ΔΡ = είναι θετική και άρα ο αλγόριθμος θα συνεχίσει τη μείωση της τάσης. Αυτό οδηγεί σε νέο σημείο λειτουργίας Ζ, το οποίο όμως είναι πιο μακριά από το ΜΡΡ2 από ότι το Δ.Δηλαδή, με την τελευταία μεταβολή τάσης που έγινε από τον αλγόριθμο, το σύστημα απομακρύνθηκε από το καινούργιο μέγιστο σημείο ισχύος ΜΡΡ2. Αυτή η διαδικασία θα μπορούσενα συνεχίζεται και σε άλλες καμπύλες, αν αυξανόταν κι άλλο η ηλιακή ακτινοβολία και ο ΑΜΣΙ θα απομακρυνόταν ακόμη περισσότερο από το ΜΣΙ. Για παράδειγμα από το, θα μπορούσε το σημείο λειτουργίας να μετακινηθεί στο Ε και μετά στο Α. Επομένως, η προσέγγιση του μέγιστου σημείου ισχύος θα γινόταν μόνο αν οι καιρικές συνθήκες σταθεροποιούνταν. Το πρόβλημα αυτό μπορεί να προκύψει τις μέρες που έχει συννεφιά, λόγω της συχνής και απότομης αλλαγής του καιρού και να προκαλέσει σημαντικές απώλειες ισχύος. Για την αντιμετώπιση αυτών των προβλημάτων έχουν προταθεί κάποιοι τρόποι βελτίωσης του αλγορίθμου. Μια απλή τροποποίηση είναι η εισαγωγή μιας συνάρτησης καθυστέρησης, η οποία θα διακόπτει τις αλλαγές της τάσης σε περίπτωση που το πρόσημο της μεταβολής ισχύος εναλλάσσεται διαδοχικά πολλές φορές. Όταν παρατηρείται δηλαδή μια έντονη ταλάντωση γύρω από ένα σημείο, σημαίνει ότι το σύστημα λειτουργεί κοντά στο μέγιστο σημείο ισχύος και οπότε η συνάρτηση καθυστέρησης θα επιτρέπει στο σύστημα ελέγχου αντιλαμβάνεται ότι εντόπισε το ΜΡΡ ώστε να διακόπτει τις διαταραχές. Η τροποποίηση αυτή συμβάλλει στη μείωση των ταλαντώσεων και στην αύξηση της απόδοσης του αλγορίθμου κάτω από σταθερές καιρικές συνθήκες. Το μειονέκτημα της τροποποίησης είναι ότι επιβραδύνει την ανίχνευση του ΜΣΙ σε περίπτωση μεταβαλλόμενων συνθηκών.

38 Από κάτω παρατίθεται το λογικό διάγραμμα του αλγορίθμου Διατάραξης και Παρατήρησης. Αρχή Μέτρηση V(k),I(k) P(k)-P(k-1)=0 Οχι Οχι P(k)-P(k-1)>0 Ναι Ναι V(k)-V(k-1)>0 Οχι Οχι V(k)-V(k-1)>0 Ναι Ναι Vref=Vref-ΔV Vref=Vref+ΔV Vref=Vref-ΔV Vref=Vref+ΔV Επιστροφή dp>0 και dv>0 dp>0 και dv<0 dp<0 και dv>0 dp<0 και dv<0 αύξηση του V μείωση του V μείωση του V αύξηση του V Συμπερασματικά: Πλεονέκτημα:Εύκολη υλοποίηση Μειoνέκτημα:Ταλάντωση γύρω από το σημείο μέγιστης λειτουργίας και δυσκολία προσαρμογής σε γρήγορα μταβαλλόμενες καιρικές συνθήκες.

39 2)Αλγόριθμος αυξητικής αγωγιμότητας(incremental Conductance- INC) Ο αλγόριθμος της αυξητικής αγωγιμότητας βασίζεται σε μια απλή μαθηματική ανάλυση.η ισχύς μπορεί να θεωρηθεί οτί είναι συνάρτηση της τάσης του ρεύματος.άρα να να βρούμε τη μέγιστη τιμή της ισχυος μπορούμε να παραγωγίσουμε την ισχύ ως προς κάποια από τις δύο μεταβλητές,δηλαδή ως προς την τάση ή ως προς το ρεύμα και να θέσουμε την εξίσωση που θα προκύψει ίση με το μηδέν. Παραγωγίζουμε ως προς την τάση και προκύπτει ότι στο ΜΣΙ ισχύει: Στο σημείο αυτό να σημειωθεί ότι ο πρώτος όρος της παραπάνω σχέσης εκφράζει την αυξητική αγωγιμότητα της φωτοβολταϊκής συστοιχίας και ο δεύτερος είναι η αρνητική στιγμιαία αγωγιμότητα της φωτοβολταϊκής συστοιχίας, δηλαδή η στιγμιαία αγωγιμότητα με αρνητικό πρόσημο. Επομένως, προκύπτει η σχέση ελέγχου για την ανίχνευση του ΜΣΙ, όπου στο σημείο αυτό, σύμφωνα με την παραπάνω σχέση,πρέπει τα δύο μεγέθη που αναφέρθηκαν παραπάνω να είναι ίσα. Από την παραπάνω σχέση προκύπτουν επίσης κάποιες ανισοτικές σχέσεις, οι οποίες δίνουν τη δυνατότητα στον αλγόριθμο να διακρίνει αν το σημείο λειτουργίας είναι αριστερά ή δεξιά του ΜΣΙ και επομένως να κάνει τις κατάλληλες ρυθμίσεις για να προσεγγιστεί το ΜΣΙ. Παρακάτω παρουσιάζονται όλες οι σχέσεις ελέγχου που χρησιμοποιούνται από τον αλγόριθμο αυξητικής αγωγιμότητας : ( ) ( ) ( ) Οι δύο τελευταίες ανισώσεις χρησιμοποιούνται από τον ΑΜΣΙ για να διαπιστωθεί αν η τάση λειτουργίας είναι μικρότερη ή μεγαλύτερη από την τάση στο ΜΣΙ ενώ παράλληλα ελέγχεται και η τιμή του ρεύματος της φωτοβολταϊκής συστοιχίας. Επομένως, οι δύο αυτές ανισώσεις καθορίζουν τον τρόπο μεταβολής της τάσης, δηλαδή αν πρέπει να αυξηθεί ή να μειωθεί, έτσι ώστε να προσεγγιστεί το ΜΡΡ. Η τάση μεταβάλλεται συνέχεια, έτσι όπως ορίζεται από την ανίσωση που ισχύει κάθε φορά για τη φωτοβολταϊκή συστοιχία, μέχρι να ικανοποιείται η πρώτη εξίσωση. Σε περίπτωση που ισχύει η πρώτη σχέση, έχει επιτευχθεί το ΜΣΙ και ο ΑΜΣΙ ρυθμίζει και κρατάει τη