ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΝΕΚΤΑΡΙΟΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΥ ΚΟΖΑΝΙΤΗΣ Α.Μ.: 6279 ΜΕΛΕΤΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΜΟΝΑΔΑΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΗΣ ΤΑΣΗΣ ΓΙΑ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑ ΧΑΜΗΛΗΣ ΙΣΧΥΟΣ Επιβλέπων: Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Αναπληρωτής Καθηγητής Ν ο /2012 Πάτρα, Φεβρουάριος 2012

2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: "ΜΕΛΕΤΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΜΟΝΑΔΑΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΗΣ ΤΑΣΗΣ ΓΙΑ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑ ΧΑΜΗΛΗΣ ΙΣΧΥΟΣ του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: ΝΕΚΤΑΡΙΟΥ ΑΘΑΝΑΣΙΟΥ ΚΟΖΑΝΙΤΗ (Α.Μ.6279) Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις / /2012 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Εμμανουήλ Τατάκης Αναπληρωτής Καθηγητής Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής

4

5 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: /2012 ΤΙΤΛΟΣ: "ΜΕΛΕΤΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΜΟΝΑΔΑΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΗΣ ΤΑΣΗΣ ΓΙΑ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑ ΧΑΜΗΛΗΣ ΙΣΧΥΟΣ" Φοιτητής: Επιβλέπων: Νεκτάριος Κοζανίτης του Αθανασίου Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Αναπληρωτής Καθηγητής Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη, την προσομοίωση και την κατασκευή ενός αντιστροφέα για τη μετατροπή της συνεχούς τάσης της εξόδου ενός φωτοβολταϊκού σε εναλλασσόμενη τάση, ενεργού τιμής και συχνότητας ίδιας με αυτή του δικτύου χαμηλής τάσης. Ο συγκεκριμένος αντιστροφέας είναι ένας νέος τύπος μετατροπέα που συνδυάζει στοιχεία διάφορων ήδη υπάρχοντων μετατροπέων, όπως του μετατροπέα Boost-Flyback με ένα διακοπτικό στοιχείο και του αντιστροφέα Flyback. Η ιδέα είναι να ανυψώσουμε την τάση εξόδου του φωτοβολταϊκού μέσω του μετατροπέα Boost ανύψωσης τάσης και στη συνέχεια να πραγματοποιηθεί η αντιστροφή της και η περαιτέρω ανύψωσή της μέσω του Flyback. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Από την αναλυτική διερεύνηση της λειτουργίας των δύο μετατροπέων επιλέχθηκε η κατάσταση στην οποία θα λειτουργεί ο αντιστροφέας Boost-Flyback. Προσαρμόζοντας τις ήδη γνωστές εξισώσεις στην περίπτωσή μας εξήχθησαν οι εξισώσεις του αντιστροφέα Boost- Flyback. Με βάση τις εξισώσεις αυτές επιλέχθησαν οι τιμές των στοιχείων που χρησιμοποιήσαμε αρχικά στις προσομοιώσεις και στη συνέχεια στην κατασκευή της διάταξης. Οι προσομοιώσεις, που έγιναν με το πρόγραμμα PSpice αλλά και η συνολική λειτουργία του προτεινόμενου αντιστροφέα επιβεβαιώθηκαν στη συνέχεια από μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν στην πειραματική διάταξη.

6

7 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια των ερευνητικών δραστηριοτήτων του Εργαστηρίου Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός της είναι η μελέτη, η προσομοίωση και η κατασκευή ενός μετατροπέα συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διασύνδεση ενός φωτοβολταϊκού με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Στο 1 ο κεφάλαιο γίνεται μια σύντομη αναφορά στα φωτοβολταϊκά συστήματα. Περιγράφονται τα βασικά στοιχεία ενός τέτοιου συστήματος, όπως οι τεχνολογίες και οι βαθμίδες των μετατροπέων, οι τεχνολογίες των φωτοβολταϊκών στοιχείων που χρησιμοποιούνται σήμερα κατά κόρον κ.α.. Επίσης αναλύεται ο τρόπος λειτουργίας των φ/β κυττάρων, κάνοντας αναφορά στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Στο 2 ο κεφάλαιο περιγράφεται η λειτουργία του αντιστροφέα Boost-Flyback. Αρχικά περιγράφονται ξεχωριστά οι μετατροπείς από τους οποίους αποτελείται ο αντιστροφέας αυτός ώστε στο τέλος ο αναγνώστης να κατανοήσει πλήρως τη λειτουργία αυτού του νέου μετατροπέα. Το 3 ο κεφάλαιο είναι αφιερωμένο αποκλειστικά στον αντιστροφέα Boost-Flyback. Αρχικά παρουσιάζεται η μέθοδος που ακολουθήθηκε για να επιλεχθούν οι κατάλληλες τιμές για κάθε στοιχείο του κυκλώματος για το επιθυμητό επίπεδο ισχύος. Ακολουθούν οι προσομοιώσεις (με ιδανικά στοιχεία) που έγιναν με το πρόγραμμα PSpice και οι οποίες από τη μία επιβεβαιώνουν την ορθότητα της μεθοδολογίας που ακολουθήθηκε και από την άλλη αποδεικνύουν ότι η λειτουργία του συγκεκριμένου αντιστροφέα είναι εφικτή, στις επιλεγμένες συνθήκες λειτουργίας. Στο 4 ο κεφάλαιο περιγράφεται αναλυτικά η κατασκευή του αντιστροφέα, που χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα. Συγκεκριμένα, ως πρώτο βήμα επιλέγουμε τα ημιαγωγικά στοιχεία τα οποία θα είναι ικανά να αντέξουν την επιθυμητή ισχύ και διακοπτική συχνότητα. Παράλληλα περιγράφεται και η διαδικασία ψύξης αυτών των στοιχείων. Το κύκλωμα οδήγησης των MOSFET αναλύεται παρακάτω. Στη συνέχεια γίνεται εκτενής περιγραφή του τρόπου κατασκευής των μαγνητικών στοιχείων του μετατροπέα. Ακολουθεί η κατασκευή των τροφοδοτικών που χρησιμοποιήθηκαν. Το κεφάλαιο αυτό τελειώνει με την παρουσίαση του κύκλωματος παλμοδότησης, ενώ παρατίθενται και μερικά στοιχεία του μικροεπεξεργαστή που χρησιμοποιήθηκε. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων που έγιναν στο εργαστήριο φαίνονται στο 5 ο κεφάλαιο. Στο κεφάλαιο αυτό επίσης περιλαμβάνονται τα συμπεράσματά που προέκυψαν από την όλη μελέτη του θέματος όπως επίσης και προοπτικές της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας. Τέλος καταγράφεται η βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε ενώ τα φυλλάδια των κατασκευαστών των στοιχείων που χρησιμοποιήθηκαν ενσωματώνονται στο αντίστοιχο παράρτημα. Σε άλλο παράρτημα επισυνάπτονται τα σχέδια PCB των πλακετών που χρησιμοποιήθηκαν, οι οποίες έγιναν με το πρόγραμμα KiCad. Στο χώρο των παραρτημάτων υπάρχει επίσης και το πρόγραμμα που αναπτύχθηκε για την παλμοδότηση του ημιαγωγικού στοιχείου που βρίσκεται στο πρωτεύον του μετασχηματιστή. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα Αναπληρωτή Καθηγητή της διπλωματικής μου εργασίας Δρ.-Μηχανικό Εμμανουήλ Τατάκη για την καθοριστική συμβολή του στην εκπόνηση της διπλωματικής μου εργασίας. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω το μεταπτυχιακό φοιτητή Αν. Νανάκο για την παραχώρηση της πλακέτας ελέγχου καθώς και για

8 τις συμβουλές του στα θέματα του Flyback inverter. Παράλληλα θα ήθελα να ευχαριστήσω το μεταπτυχιακό φοιτητή Γ. Χρηστίδη για την πολύτιμη βοήθειά του σε διάφορα σημεία της εργασίας. Θέλω τέλος να ευχαριστήσω τους γονείς μου για την υλική και ηθική στήριξη που μου παρείχαν όλα αυτά τα χρόνια. Κοζανίτης Νεκτάριος

9 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Φωτοβολταϊκά Συστήματα ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ 1.1 Εισαγωγή Μετατροπή ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική Δομή και λειτουργία των Φ/Β στοιχείων Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο Κατηγορίες φωτοβολταϊκών κυττάρων Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά φωτοβολταϊκών κυττάρων Περιγραφή φωτοβολταϊκού συστήματος Φωτοβολταϊκά Πλαίσια a) Συστήματα επίπεδων φωτοβολταϊκών στοιχείων b) Συστήματα συγκεντρωτικών φωτοβολταϊκών πλαισίων Μηχανισμός κίνησης Συσσωρευτές Συστήματα ρύθμισης ισχύος Τεχνολογίες φωτοβολταϊκών συστημάτων Κεντρικοποιημένη τεχνολογία Τεχνολογία αλυσίδας Τεχνολογία πολλαπλών αλυσίδων Τεχνολογία φ/β πλαισίων εν/σομένου ρεύματος (AC-PV Modules) Κατηγορίες Μετατροπέων Βάσει του αριθμού βαθμίδων Μετατροπείς μίας βαθμίδας Μετατροπείς δύο βαθμίδων Μετατροπείς πολλαπλών βαθμίδων Βάσει της ύπαρξης μετασχηματιστή απομόνωσης Χαρακτηριστικά μετατροπέων Πλεονεκτήματα φωτοβολταϊκών συστημάτων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο αντιστροφέας Boost-Flyback 2.1 Περιγραφή του αντιστροφέα Boost-Flyback Ο μετατροπέας Boost I

10 2.3 Ο μετατροπέας Flyback Ο DC/DC μετατροπέας Boost-Flyback Λειτουργία DC/DC μετατροπέων σαν αντιστροφείς Ο Flyback inverter Ο αντιστροφέας Boost-Flyback ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Προσομοίωση της σύνδεσης του Boost-Flyback αντιστροφέα με το δίκτυο 3.1 Γενικά Προδιαγραφές του αντιστροφέα Boost-Flyback Μεθοδολογία Παρατηρήσεις πάνω στον Boost με SPWM Προσομοιώσεις Boost-Flyback inverter ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Κατασκευή του αντιστροφέα Boost-Flyback 4.1 Γενικά Επιλογή ελεγχόμενου ημιαγωγικού στοιχείου Επιλογή διόδων ισχύος Επιλογή διαστάσεων ψυκτικού σώματος Υπολογισμός και κατασκευή πηνίων και μετασχηματιστή Κύκλωμα οδήγησης του ημιαγωγικού στοιχείου Optocoupler 6N Driver ICL Σχεδιασμός και κατασκευή τροφοδοτικών Κύκλωμα παλμοδότησης A. Ο μικροελεγκτής Γενικά Ανάλυση του μικροεπεξεργαστή Τα αναπτυξιακά του dspic30f Σύνδεση αναπτυξιακού μικροεπεξεργαστή Διαδικασία προγραμματισμού Προετοιμασία σήματος για είσοδο στον μικροεπεξεργαστή B. Αναλογικός έλεγχος ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Πειραματικά αποτελέσματα συμπεράσματα 5.1. Γενικά Αποτελέσματα πειραμάτων II

11 5.3. Συμπεράσματα - Προοπτικές ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΤΗΜΑΤΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ Πρόγραμμα ελέγχου ΜOSFET πρωτεύοντος Σχέδια PCB και φωτογραφίες Φυλλάδια κατασκευαστών Φυλλάδιο κατασκευαστών για το MOSFET πρωτεύοντος Φυλλάδιο κατασκευαστών για τα MOSFET δευτερεύοντος Φυλλάδιο κατασκευαστών διόδων ισχύος 10A-1200V Φυλλάδιο κατασκευαστών διόδων ισχύος 30A-600V Φυλλάδιο κατασκευαστών για τον optocoupler Φυλλάδιο κατασκευαστών για τον driver Φυλλάδιο κατασκευαστών για τις πύλες AND Φυλλάδιο κατασκευαστών για τις πύλες XOR για το ψυκτικό για τον optoisolator III

12 IV

13 - 1 - ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα τελευταία χρόνια έχει παρατηρηθεί στην αγορά της ενέργειας μία στροφή προς νέες μορφές ενέργειας τις λεγόμενες Ανανεώσιμες Μορφές Ενέργειας (Α.Π.Ε.). Αυτή η στροφή έγινε λόγω του ότι οι μέχρι πρότινος γνωστές μορφές άρχισαν να εξαντλούνται και το μέλλον να διαγράφεται δυσοίωνο [11]. Οι πιο γνωστές Α.Π.Ε. και οι πιο υποσχόμενες είναι η αιολική και η ηλιακή. Άλλες ανανεώσιμες πηγές είναι η γεωθερμική, η ενέργεια από τη βιομάζα και η υδροηλεκτρική. Η αγορά αυτή τη στιγμή προσανατολίζεται πιο πολύ στην αιολική και ηλιακή ενέργεια. Η αιολική συλλέγεται μέσω των ανεμογεννητριών στα αιολικά πάρκα ενώ η ηλιακή μέσω των φωτοβολταϊκών συστημάτων. Στην παρούσα διπλωματική εργασία ασχολούμαστε με τα φωτοβολταϊκά συστήματα (Φ/Β συστήματα). Λόγω της πλειάδας των πλεονεκτημάτων που αυτά προσφέρουν, έχουν γίνει έρευνες για τη βελτιστοποιήση αυτών των συστημάτων καθώς και έχουν αναπτυχθεί διάφορες τεχνολογίες ώστε τα φωτοβολταϊκά συστήματα να είναι εφαρμόσιμα σε πολλές εφαρμογές. Αναλυτικά οι τεχνολογίες των φωτοβολταϊκών συστημάτων και γενικότερα αυτά τα συστήματα θα αναλυθούν στο 1 ο κεφάλαιο. Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με την ανάλυση, μελέτη και κατασκευή ενός μετατροπέα που δύναται να χρησιμοποιηθεί σε σύστημα διασύνδεσης ενός φωτοβολταϊκού συστήματος με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Ο μετατροπέας αυτός ειναι ο Boost-Flyback αντιστροφέας, η τοπολογία του οποίου φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Ο συγκεκριμένος αντιστροφέας είναι ένας μετατροπέας μίας βαθμίδας, ο οποίος παίρνει την DC τάση εξόδου του Φωτοβολταϊκού, την ανυψώνει αρχικά μέσω του Boost μέρους του και στη συνέχεια μέσω του Flyback την αντιστρέφει προκειμένου να είναι δυνατή η σύνδεση με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Ο Boost-Flyback αντιστροφέας είναι ένα νέο είδος μετατροπέα για αυτό στην αρχή μελετάται η θεωρητική του ανάλυση και στη συνέχεια πραγματοποιείται η κατασκευή του. Όσον αφορά τη θεωρητική του ανάλυση αυτό που θα γίνει αρχικά είναι η διερεύνηση του τρόπου λειτουργίας του. Κατόπιν θα εξαχθούν οι εξισώσεις που τον διέπουν όταν αυτός είναι στην κατάσταση λειτουργίας CCM-DCM. Προκειμένουν να γίνει αυτό έγινε η υπόθεση ότι ο αντιστροφέας Boost-Flyback αποτελείται από ένα DC/DC μετατροπέα τύπου Boost σε σειρά συνδεδεμένο με ένα DC/AC μετατροπέα τύπου Flyback.

14

15 - 1 - ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 1.1 Γενικά Ετυμολογικά η λέξη «φωτοβολταϊκό» προέρχεται από το «φως» και το «βολτ». Αυτό δείχνει ότι η ηλεκτρική ενέργεια, εξ ου και το συνθετικό βολτ (Alessandro Volta), προέρχεται από το φως. Ως μία πολύ απλή φωτοβολταϊκή διάταξη θα μπορούσε να θεωρηθεί μία μπαταρία που τροφοδοτείται από τον ήλιο και μία αντίσταση. Το μόνο αναλώσιμο σε αυτή τη διάταξη είναι το άφθονο φως του ηλίου. Επίσης, στην απλούστατη αυτή μορφή, η διάταξη δεν περιλαμβάνει κινούμενα μέρη, είναι φιλική προς το περιβάλλον και αν προστατεύεται από τις διάφορες επιδράσεις του περιβάλλοντος δεν υφίσταται καμία φθορά. Αυτό το απλό παράδειγμα συνοψίζει τα πλεονεκτήματα ενός φωτοβολταϊκού συστήματος. Λόγω του ότι το φως του ηλίου είναι διαθέσιμο παντού οι Φ/Β διατάξεις είναι εφαρμόσιμες και αποδεκτές στις περισσότερες από τις χώρες. Ένα άλλο χαρακτηριστικό τους είναι η πλειάδα εφαρμογών που μπορεί να έχουν. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν από εφαρμογές χαμηλής ισχύος, όπως για παράδειγμα σε ηλιακά ρολόγια, μέχρι σε εφαρμογές υψηλής ισχύος όπως είναι η ηλεκτροπαραγωγή σε κεντρικούς σταθμούς των επιχειρήσεων ηλεκτρισμού. Επίσης ένα Φ/Β σύστημα είναι εύκολο να προστεθεί σε μία γραμμή παραγωγής σε αντίθεση με τις συμβατικές μεθόδους όπου για να γίνει οικονομικά εφικτή μία τέτοια προσθήκη θα πρέπει να είναι της τάξης αρκετών MWatt. Τέλος ένα Φ/Β σύστημα ανταποκρίνεται πιο γρήγορα σε μεταβολές φορτίου σε σχέση με τις συμβατικά εργοστάσια παραγωγής ενέργειας. 1.2 Μετατροπή ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική Η ηλιακή ακτινοβολία που παράγεται από τον ήλιο είναι η θεμελιώδης προϋπόθεση για την ύπαρξη ζωής στη γη. Όταν αυτή η ακτινοβολία εισέλθει στην ατμόσφαιρα της γης ένα μέρος χάνεται λόγω σκέδασης, απορρόφησης από τον αέρα και τα σύννεφα ή λόγω ανάκλασης πίσω στο διάστημα. Η ακτινοβολία που φτάνει τελικά στην επιφάνεια της γης μπορεί να διαχωριστεί σε δύο συνιστώσες την άμεση και τη διαχεόμενη ακτινοβολία. Η διαχεόμενη είναι αυτή που προέρχεται από τις διαθλάσεις που δέχθηκε η αρχική δέσμη από τα σύννεφα και από άλλα μέσο. Η ποσότητα της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στη γη είναι ένα μεταβλητό μέγεθος. Η μεταβολή οφείλεται στη διαφορετική κάθε μέρα θέση του ήλιου με τη γη, στις κλιματολογικές συνθήκες καθώς και στη γενικότερη σύνθεση της ατμόσφαιρας. Για να εγκατασταθεί ένα ηλιακό σύστημα σε μία περιοχή απαιτούνται λεπτομερείς καθημερινές και σε βάθος μετρήσεις της ακτινοβολίας έτσι ώστε ο μελετητής να προσεγγίσει την ποσότητα αυτή. Η χρήση της ηλιακής ενέργειας δεν περιορίζεται μόνο στα Φ/Β. Γενικότερα οι εφαρμογές της θα μπορούσαν να χωριστούν στις παρακάτω κατηγορίες: Μετατροπή ηλιακής ενέργειας για θέρμανση, που περιλαμβάνει τη θέρμανση του νερού για οικιακή ή βιομηχανική χρήση, π.χ. ηλιακοί θερμοσίφωνες Μετατροπή με ενδιάμεσο θερμοδυναμικό κύκλο, που περιλαμβάνει κυρίως παραγωγή μηχανικής ή ηλεκτρικής ενέργειας από θερμότητα. Υπάρχουν εργοστάσια ανά τον κόσμο και έχουν αναπτυχθεί αρκετοί τρόποι για την μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική μέσω θερμότητας, εμείς όμως εδώ θα περιοριστούμε σε απλή αναφορά.

16 - 2 - Απ ευθείας μετατροπή σε ηλεκτρική ενέργεια, που περιλαμβάνει τα ηλιακά κύτταρα και το φωτοβολταϊκό φαινόμενο και θα ασχοληθούμε στη συνέχεια του κεφαλαίου. Σχήμα 1.1: (α) Θερμικό ηλιακό πάρκο στο Oakland της Καλιφόρνια [15] (β) Άποψη του ηλιακού πάρκου Waldpolenz στη Γερμανία[16] Στα φωτοβολταϊκά στοιχεία δεν είναι δυνατή η μετατροπή σε ηλεκτρική ενέργεια του συνόλου της ηλιακής που δέχονται στην επιφάνειά τους. Αρχικά ένα μέρος της ανακλάται στην επιφάνεια του στοιχείου και επιστρέφει πάλι στο περιβάλλον. Από το μέρος της ακτινοβολίας που θα διεισδύσει πάλι δεν είναι εκμεταλλεύσιμο το 100%. Φωτόνια που έχουν ενέργεια μικρότερη από την ενέργεια του διακένου του ημιαγωγού, απλώς τον διαπερνούν και απορροφούνται από το μεταλλικό ηλεκτρόδιο που βρίσκεται στην πίσω επιφάνεια του στοιχείου, δηλαδή για αυτά τα φωτόνια ό ημιαγωγός συμπεριφέρεται σαν διαφανές σώμα. Αποτέλεσμα αυτού είναι η θέρμανση της πίσω επιφάνειας. Από τα φωτόνια τώρα που έχουν μεγαλύτερη ενέργεια από την ενέργεια του διακένου, απορροφάται μόνο το ποσό της ενέργειας που είναι ίσο με αυτή. Το υπόλοιπο μεταφέρεται στο ηλεκτρόνιο που ελευθερώθηκε από το δεσμό σαν κινητική ενέργεια, που τελικά και αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας. Η αύξηση αυτή της θερμοκρασίας έχει επιπτώσεις στην απόδοση του φωτοβολταϊκού κυττάρου. 1.3 Δομή και λειτουργία των Φ/Β στοιχείων Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία αποτελούνται από ημιαγωγούς όπως για παράδειγμα το πυρίτιο. Γενικά η διαδικασία της απευθείας μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική είναι η εξής. Όταν το φως προσπίπτει στην επιφάνεια του ηλιακού κυττάρου απορροφάται από αυτό μία συγκεκριμένη ποσότητα. Η ενέργεια αυτή στην ουσία απορροφάται από μερικά ηλεκτρόνια του πυριτίου τα οποία αποδεσμεύονται από τον πυρήνα και κινούνται πλέον σαν ελεύθερα ηλεκτρόνια. Επίσης μέσα στο στοιχείο υπάρχουν ηλεκτρικά πεδία, όπως θα εξηγηθεί και παρακάτω, τα οποία προσανατολίζουν αυτή την κίνηση των ηλεκτρονίων. Η προσανατολισμένη κίνηση των ηλεκτρονίων όμως ως γνωστόν αποτελεί το ηλεκτρικό ρεύμα, το οποίο είναι δυνατόν κανείς να εκμεταλλευτεί βάζοντας μεταλλικές επαφές στο πάνω και κάτω μέρος του στοιχείου. Το ρεύμα αυτό μαζί με την τάση του στοιχείου, η οποία είναι αποτέλεσμα του εσωτερικού ηλεκτρικού πεδίου, καθορίζουν την ισχύ του φωτοβολταϊκού στοιχείου. Παρακάτω εξηγείται πιο αναλυτικά η παραπάνω διαδικασία. Κατ αρχας να πούμε ότι η όλη η διαδικασία στηρίζεται στις ιδιότητες των ημιαγωγών, δηλαδή των στοιχείων της 14 ης ομάδας του περιοδικού πίνακα. Ο πιο γνωστός εκπρόσωπος αυτής της ομάδας είναι το πυρίτιο με 14 ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια αυτά κατανέμονται σε 3 στοιβάδες ακολουθώντας την αρχή του Pauli. Δύο ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν την πρώτη, 8

17 - 3 - τη δεύτερη και στην εξωτερική στοιβάδα έχουμε 4 (τα ηλεκτρόνια της εξώτατης στοιβάδας είναι γνωστά και σαν ηλεκτρόνια σθένους). Για να συμπληρωθεί και η εξωτερική στοιβάδα το άτομο χρειάζεται ακόμα τέσσερα ηλεκτρόνια. Αυτό το επιτυγχάνει δημιουργώντας ομοιοπολικούς δεσμούς με 4 ηλεκτρόνια της εξωτερικής στοιβάδας τεσσάρων γειτονικών ατόμων πυριτίου. Με αυτόν τον τρόπο δημιουργείται η κρυσταλλική δομή του πυριτίου. Αυτή δεν είναι καλός αγωγός του ρεύματος αφού δεν έχει ελεύθερα ηλεκτρόνια. Οι ομοιοπολικοί δεσμοί αυτοί όμως σπάνε πολύ εύκολα αν τους προσδοθεί ένα ποσό ενέργειας. Αποτέλεσμα του σπασίματος του δεσμού είναι να μείνει ελεύθερο ένα ηλεκτρόνιο και στη θέση του να μείνει μία οπή. Το ελεύθερο πια ηλεκτρόνιο κινείται μέσα στον κρύσταλλο μέχρι να επανασυνδεθεί, δηλαδή να καλύψει τη θέση μίας οπής που άφησε κάποιο άλλο ηλεκτρόνιο. Η κίνηση αυτή συνιστά ρεύμα το οποίο είναι πολύ μικρό για να το εκμεταλλευτούμε. Όμως έχουν αναπτυχθεί τεχνικές ώστε αυτό το ρεύμα να είναι μεγαλύτερο και αξιοποιήσιμο. Αυτό επιτυγχάνεται εισάγοντας ατέλειες στην κρυσταλλική δομή του πυριτίου, που έχει σαν αποτέλεσμα να αλλάξει λίγο τις ιδιότητές του. Η διαδικασία εισαγωγής ατελειών λέγεται ντόπινγκ ή νόθευση του ημιαγωγού. Εισαγωγή ατελειών σημαίνει ότι στον κρύσταλλο προστίθενται και στοιχεία διαφορετικής ομάδας του περιοδικού πίνακα. Οι ομάδες που προσφέρονται για ντόπινγκ είναι η 13 η και η 15 η. Γνωστότεροι εκπρόσωποι των δύο αυτών ομάδων είναι το βόριο (B) με 3 ηλεκτρόνια σθένους και ο φώσφορος (P) με 5 ηλεκτρόνια σθένους αντίστοιχα. Ντοπάροντας το πυρίτιο με φώσφορο (1 άτομο φωσφόρου ανά 1 εκατομμύριο ατόμων πυριτίου είναι συνήθως η αναλογία), τα 4 από τα ηλεκτρόνια σθένους του φωσφόρου θα αναπτύξουν ομοιοπολικούς δεσμούς με τα γειτονικά άτομα πυριτίου. Όμως το άλλο ηλεκτρόνιο δεν έχει που να συνδεθεί και απελευθερώνεται από το άτομο του φωσφόρου προσδίδοντας του ελάχιστη ενέργεια. Με αυτόν τον τρόπο εισήχθη ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο στον ημιαγωγικό κρύσταλλο (σχήμα 1.2). Τώρα σε ένα κρύσταλλο έχουμε αρκετά ελεύθερα ηλεκτρόνια για αυτό ο κρύσταλλος αυτός αποκαλείται n-τύπου ημιαγωγός. Σχήμα 1.2: Άτομα φωσφόρου αντικαθιστούν άτομα πυριτίου δημιουργώντας n-τύπου ημιαγωγό [2]

18 - 4 - Το βόριο εισάγει οπές (σχήμα 1.3). Δηλαδή τα τρία ηλεκτρόνια σθένους του θα κάνουν δεσμούς με τα γειτονικά άτομα πυριτίου αλλά θα μείνει ένα κενό (οπή). Αυτή την οπή θα έρθει να την καλύψει ένα ηλεκτρόνιο από γειτονικό στοιχείο αφήνοντας πίσω του και αυτό μία οπή κ.ο.κ.. Ένας τέτοιος ημιαγωγός ονομάζεται p-τύπου. Σχήμα 1.3: Άτομα βορίου αντικαθιστούν άτομα πυριτίου δημιουργώντας p-τύπου ημιαγωγό [2] Αν τώρα ενωθεί ένας ημιαγωγός τύπου-p με έναν τύπου-n θα γίνει η εξής διαδικασία. Αρχικά στον ημιαγωγό τύπου-n, ο πλεονάζων αριθμός ηλεκτρονίων ισορροπεί με τους πυρήνες που χρησιμοποιήθηκαν για ντόπινγκ (εν προκειμένω τους πυρήνες φωσφόρου), ενώ στον ημιαγωγό τύπου-p οι οπές ισορροπούν με το πρωτόνιο που λείπει από τον πυρήνα του βορίου. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια αναζητούν οπές για να συνδεθούν και το αντίστροφο. Με την ένωση όμως των ημιαγωγών τα ελεύθερα αυτά φορτία βρίσκουν στον αντιθέτου τύπου ημιαγωγό το αντίστοιχο φορτίο που θέλουν για σύνδεση. Στο σημείο επαφής συνδέονται σχεδόν όλα τα ηλεκτρόνια με τις διαθέσιμες οπές κι έτσι στον ημιαγωγό τύπου-n, χάνεται η ηλεκτρική ουδετερότητα που υπήρχε πριν αφού χάθηκαν μερικά ηλεκτρόνια, οπότε στο συγκεκριμένο σημείο έχουμε θετικό δυναμικό. Αντίστοιχα στον ημιαγωγό τύπου-p χάνονται οι οπές στο σημείο επαφής κι έχουμε αρνητικό δυναμικό. Αποτέλεσμα αυτής της διατάραξης της ηλεκτρικής ουδετερότητας είναι η εμφάνιση ενός φράγματος δυναμικού με την πολικότητα που φαίνεται στο σχήμα 1.4. Το φράγμα αυτό δυναμικού καθιστά πλέον δύσκολη τη μεταφορά ηλεκτρονίων και οπών, όπως γινόταν μέχρι τώρα και τέλος αποκαθίσταται η ισορροπία. Με αυτόν τον τρόπο δημιουργείται μία δίοδος. Σχήμα 1.4: Ημιαγωγοί τύπου n και p ενωμένοι μεταξύ τους δημιουργώντας ένα ηλεκτρικό πεδίο [12]

19 Το ηλεκτρικό πεδίο αυτό για να ξεπεραστεί απαιτείται να προσδοθεί στο υλικό ενέργεια. Μπορούμε να συνδέσουμε στα άκρα του υλικού μία τάση. Αν αυτή η τάση έχει την κατάλληλη πολικότητα και μέτρο (το + στο υλικό τύπου-p) τότε η περιοχή τύπου-p γεμίζει με επιπλέον οπές και η περιοχή τύπου-n με επιπλέον ηλεκτρόνια. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τα νέα φορτία που προστίθενται να ενώνονται με τα φορτία της p-n επαφής που δημιουργούν το φράγμα δυναμικού και να τα εξαφανίζουν. Μ αυτόν τον τρόπο το φράγμα μειώνεται. Έτσι είναι πιο πιθανό ένα ηλεκτρόνιο από την πλευρά p να βρεθεί μέσα στο ηλεκτρικό πεδίο. Εκεί λόγω του ότι η φορά του ηλ. πεδίου είναι τέτοια το ηλεκτρόνιο θα επιταχυνθεί και θα περάσει απέναντι. Το αντίστοιχο θα συμβεί με τις οπές. Αυτή η κίνηση έχει ως αποτέλεσμα τη ροή ρεύματος μέσα στον p-n ημιαγωγό. Σχήμα 1.5: Κατασκευή μιας p-n διόδου [2] Αν τώρα πάνω σε αυτό το σημείο πέσει φως με τη μορφή φωτονίων, η ενέργειά του θα απελευθερώσει ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών [2]. Κάθε φωτόνιο θα απελευθερώσει ακριβώς ένα ηλεκτρόνιο και άρα θα δημιουργήσει μία οπή, ανάλογα με το αν η ενέργειά του είναι αρκετή για να διεγείρει το άτομο. Αυτή η διαδικασία είναι το φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Εάν ελευθερωθεί ηλεκτρόνιο (ή οπή) που βρίσκεται κοντά στην p-n επαφή ή μέσα σ αυτό τότε το ηλεκτρόνιο θα επιταχυνθεί από το πεδίο και θα περάσει στη n-περιοχή και η οπή θα επιταχυνθεί προς την p-περιοχή. Αυτό με τη σειρά του διαταράσσει την ηλεκτρική ισορροπία που είχε επέλθει. Αν ενωθεί τότε εξωτερικά το p με το n ηλεκτρόνια θα κινηθούν προς την p πλευρά για να ενωθούν με τις οπές και το αντίστροφο. Αυτή η κίνηση μας δίνει ηλεκτρικό ρεύμα ενώ ο χωρισμός των φορτίων μέσω του προαναφερθέντος ηλεκτρικού πεδίου δημιουργεί τάση. Αυτός είναι ο τρόπος που λειτουργεί ένα φωτοβολταϊκό κύτταρο. Η τάση και το ρεύμα που αναφέρθηκαν πιο πριν καθορίζουν την ισχύ του κυττάρου καθώς P=V I. Η τυπική απόδοση ενός ηλιακού κυττάρου είναι της τάξης του 15% [11]. Τέλος θα μπορούσαμε να πούμε ότι ένα φωτοβολταϊκό κύτταρο σε συνθήκες σκότους είναι μία δίοδος. Σχήμα 1.6: Δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος και τάσης [12] - 5 -

20 - 6 - Πάνω στο ηλιακό κύτταρο πέφτει όλο το φάσμα του φωτός. Η ακτινοβολία άρα που δέχονται δεν είναι μονοχρωματική αλλά αποτελείται από πολλά διαφορετικά μήκη κύματος που αντιστοιχούν σε διαφορετικά επίπεδα ενέργειας. Δηλαδή τα φωτόνια που δέχεται δεν είναι μίας συγκεκριμένης ενέργειας. Πολλά από αυτά είναι αρκετά ασθενή για να διασπάσουν τον ομοιοπολικό δεσμό των στοιχείων που αποτελείται το κύτταρο και άρα δεν μπορούν να δημιουργήσουν ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών. Πολλά επίσης φωτόνια έχουν μεγαλύτερη ενέργεια από ότι χρειάζεται με αποτέλεσμα αυτό να μεταφράζεται σε θερμότητα. Μόνο ένα συγκεκριμένο μέρος της ακτινοβολίας, όπως αναφέρθηκε και πιο πριν, θα απορροφηθεί από το στοιχείο και θα προκαλέσει το φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Αυτή η ποσότητα ονομάζεται ενεργειακό χάσμα. Για τον κρύσταλλο του πυριτίου η ποσότητα αυτή είναι περίπου 1.1eV. Οι δύο παραπάνω απώλειες που αναφέρθηκαν είναι υπεύθυνες για το χάσιμο του 70% της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Μία λύση που θα μπορούσε να προταθεί θα ήταν να χρησιμοποιηθούν στοιχεία που έχουν μικρότερο ενεργειακό χάσμα έτσι ώστε να είναι εκμεταλλεύσιμα και τα φωτόνια χαμηλότερης ενέργειας. Μικρότερο ενεργειακό χάσμα σημαίνει και μικρότερο φράγμα δυναμικού δηλαδή μικρότερο πεδίο και άρα χαμηλότερη τάση. Ακολουθώντας αυτό το συλλογισμό ναι μεν θα είχαμε υψηλότερο ρεύμα μέσα από το στοιχείο αλλά λόγω του ότι η τάση μειώθηκε η ισχύς που μπορούμε να αντλήσουμε παραμένει στα ίδια επίπεδα. Έχει βρεθεί ότι το ιδανικό χάσμα για ένα απλό στοιχείο είναι της τάξης των 1.4eV. 1.4 Κατηγορίες φωτοβολταϊκών κυττάρων Τα φωτοβολταϊκά κύτταρα κατασκευάζονται από διάφορα υλικά με δημοφιλέστερο το πυρίτιο (Si) για λόγους υψηλότερης απόδοσης και ευκολότερης επεξεργασίας. Τα κύτταρα του πυριτίου χωρίζονται κατασκευαστικά σε τρεις μεγάλες κατηγορίες: τα μονοκρυσταλλικά, τα πολυκρυσταλλικά και τα άμορφα. Τα μονοκρυσταλλικά κύτταρα πυριτίου διαθέτουν ένα κρυσταλλικό πλέγμα που πλησιάζει τη μορφή του τέλειου κρυστάλλου. Κατασκευάζονται από καθαρό πυρίτιο με ειδικές μεθόδους τήξης και μορφοποίησής του σε πλάκες. Σε σχέση με τις άλλες δύο κατηγορίες παρουσιάζουν το μεγαλύτερο βαθμό απόδοσης και είναι της τάξης 15-18% [11]. Τα μονοκρυσταλλικά κύτταρα είναι ευρέως διαδεδομένα στη βιομηχανία των τρανζίστορ και στις περιπτώσεις των διαστημικών εφαρμογών. Η δεύτερη κατηγορία φωτοβολταϊκών κυττάρων είναι τα πολυκρυσταλλικά κύτταρα πυριτίου. Η διαφορά με την πρώτη κατηγορία έγκειται στον τρόπο που κατασκευάζονται τα κύτταρα, αφού σε αυτή την κατηγορία λόγω της μαζικής και λιγότερο ελεγχόμενης ψύξης του πυριτίου παρατηρείται στο τελικό πλέγμα να υπάρχουν κρύσταλλοι διαφόρων προσανατολισμών. Η ύπαρξη τέτοιων κρυστάλλων έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της εσωτερικής αντίστασης στα σημεία σύνδεσής τους πράγμα που μειώνει το συνολικό βαθμό απόδοσής τους. Ο μέγιστος βαθμός απόδοσης εδώ είναι 13-15%. Ακριβώς όμως επειδή δεν έχουμε ειδικές μεθόδους ψύξης και κοπής του πυριτίου το κόστος κατασκευής τους είναι πιο χαμηλό σε σχέση με την προηγούμενη κατηγορία. Τέλος υπάρχουν τα άμορφα κύτταρα πυριτίου και ονομάζονται έτσι καθώς δεν παρουσιάζουν κρυσταλλική μορφή. Εδώ η διαδικασία παραγωγής είναι πιο απλή και γρήγορη καθώς το μόνο που γίνεται είναι εφαρμογή του πυριτίου σε κατάλληλο υπόστρωμα γυαλιού. Η ποσότητα ημιαγωγού που απαιτείται για την κατασκευή τους είναι αρκετά μικρότερη σε σχέση με τις δύο προηγούμενες περιπτώσεις. Η ευκολία στην εγκατάσταση και στην συναρμολόγηση τα κάνουν ιδανικά για μαζική παραγωγή. Ο αρκετά χαμηλός όμως βαθμός απόδοσης (5-8%) αποτελεί σοβαρό μειονέκτημά τους. Αυτό γίνεται λόγω της απουσίας από τη δομή τους του

21 - 7 - κρυσταλλικού πλέγματος [11]. Τέτοιες τεχνολογίες συναντούνται σήμερα μόνο σε τεχνολογίες υβριδικών φωτοβολταϊκών πλαισίων και σε Thin Film. Μία άλλη κατηγοριοποίηση που θα μπορούσε να γίνει είναι βάσει ποιου υλικού βρίσκεται στην επιφάνεια που βλέπει προς τον ήλιο [2]. Εδώ υπάρχουν δύο κατηγορίες: η n/p κατηγορία και η p/n. Στην πρώτη το υλικό τύπου-n τοποθετείται από πάνω ενώ στη δεύτερη το αντίστροφο. Τα ηλιακά κύτταρα δεν βγαίνουν σε ένα μόνο σχήμα, αλλά τα σχήματα ποικίλουν ανάλογα με τη χρήση και το σκοπό που θα εξυπηρετούν. Έτσι υπάρχουν τετράγωνα, ημικυκλικά, κυκλικά καθώς και ορθογώνια κύτταρα. Στις επίγειες εφαρμογές συνήθως χρησιμοποιούνται ορθογώνια και κυκλικά κύτταρα χωρίς να έχουν τυποποιηθεί ακριβώς οι διαστάσεις τους. Τέλος το πάχος τους κυμαίνεται από μm, έχοντας επικρατήσει σήμερα περισσότερο αυτά που βρίσκονται στα μm. Η ειδική αντίσταση των κυττάρων κυμαίνεται από Ω cm [11], ενώ γενικά ισχύει ότι όσο μεγαλύτερη είναι η ειδική αντίσταση του υλικού του κυττάρου τόσο μεγαλύτερη είναι η απόδοσή του. 1.5 Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά φωτοβολταϊκών κυττάρων Η ηλεκτρική ισχύς που παράγεται από ένα μόνο φωτοβολταϊκό κύτταρο είναι αρκετά μικρή για να είναι χρησιμοποιήσιμη. Για να μπορέσουμε να φτάσουμε τα επίπεδα ισχύος που απαιτούν οι περισσότερες εφαρμογές απαιτείται η ηλεκτρική σύνδεση αρκετών κυττάρων. Αφού συνδεθούν τοποθετούνται σε ένα ενιαίο δομικό στοιχείο με κοινή ηλεκτρική έξοδο δημιουργώντας το φωτοβολταϊκό πλαίσιο. Τα κύτταρα μπορούν να συνδεθούν σε σειρά ή παράλληλα. Η μέγιστη τάση που μπορεί να παράγει το φ/β πλαίσιο καθορίζεται από τον αριθμό των εν σειρά συνδεδεμένων κυττάρων ενώ το μέγιστο ρεύμα από τον αριθμό των κυττάρων που είναι συνδεδεμένα παράλληλα. Σε αυτό το σημείο να πούμε ότι είναι σύνηθες τα ηλιακά κύτταρα να οργανώνονται σε ομάδες και αυτές μετά να συνδέονται με σκοπό την επίτευξη του επιθυμητού επιπέδου της ισχύος εξόδου. Με την τάση και το ρεύμα εξόδου καθορίζεται η ισχύς εξόδου ενός φ/β πλαισίου. Με την ισχύ εξόδου μπορούν να κατηγοριοποιηθούν τα φωτοβολταϊκά πλαίσια βάσει των ηλεκτρικών τους χαρακτηριστικών. Τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά ενός πλαισίου μπορούμε να τα αντλήσουμε από τους πίνακες που το συνοδεύουν. Σ αυτούς τους πίνακες μπορούμε να βρούμε τις τιμές P mp, V mp, I mp. Η πρώτη αναφέρεται στη μέγιστη ισχύ που μπορεί να αποδώσει το φ/β πλαίσιο και μετράται σε Wp. Αυτή υπολογίζεται όταν όλα τα κύτταρα είναι σε θερμοκρασία 25 o C και προσπίπτει πάνω τους ακτινοβολία 1000Wb/m 2. Στην πραγματικότητα όμως αντλείται λίγο μικρότερη ισχύ της P mp καθώς είναι πολύ δύσκολο να επιτύχουμε τις παραπάνω ιδανικές συνθήκες. Τα άλλα δύο μεγέθη αναφέρονται στην τάση και ρεύμα που αντλούμε από το φωτοβολταϊκό όταν αυτό αποδίδει μέγιστη ισχύ. Επίσης στους πίνακες βρίσκουμε πληροφορίες για την τάση ανοιχτού κυκλώματος V oc, που αναφέρεται στην τάση που αναπτύσσεται στα άκρα του όταν αυτό είναι ανοιχτοκυκλωμένο, καθώς και για το ρεύμα βραχυκύκλωσης I oc, που περιγράφει το ρεύμα που διέρχεται από το εσωτερικό του κυττάρου όταν αυτό είναι βραχυκυκλωμένο. Η ηλεκτρική συμπεριφορά ενός φωτοβολταϊκού κυττάρου περιγράφεται από την εξίσωση [2]: I = I I = I I e 1 (1.1) όπου λ = I L : φωτόρευμα

22 - 8 - Ι ο : ρεύμα κόρου διόδου I : ρεύμα στην έξοδο του κυττάρου V : τάση στην έξοδο του κυττάρου Τ : απόλυτη θερμοκρασία Α : ένας συντελεστής με τιμές 1-2 Κ : σταθερά Boltzmann ( Joule/Kelvin) Η παραπάνω εξίσωση προκύπτει αν θεωρηθεί ότι το φ/β κύτταρο είναι μία πηγή ρεύματος παράλληλη με μία δίοδο όπως φαίνεται στο σχήμα. Σχήμα1.7: Ιδανικό ισοδύναμο κύκλωμα ηλιακού κυττάρου [2] Ο συντελεστής Α αναφέρεται στα φαινόμενα επανασύνδεσης που συμβαίνουν στην περιοχή της επαφής. Για να εξομοιωθεί ακόμα καλύτερα η συμπεριφορά του κυττάρου θα πρέπει να εισαχθούν στην παραπάνω εξίσωση οι έννοιες της R S και της R SH. Και οι δύο υποδηλώνουν την ύπαρξη δύο αντιστάσεων μία σε σειρά (series) και μία παράλληλα (shunt) αντίστοιχα. Η σε σειρά αντίσταση παριστάνει συγκεντρωτικά όλα τα κατανεμημένα στοιχεία αντίστασης κατά τη ροή φορέων στον κυρίως ημιαγωγό, στον ημιαγωγό που βρίσκεται στην πλευρά που πέφτει το φως, την ενδοεπιφάνεια μεταξύ ημιαγωγού επαφής και την ωμική επαφή. Η παράλληλη αντίσταση αναφέρεται σε διαρροές φορτίων που συμβαίνουν είτε στην p-n επαφή είτε στην εξωτερική παράπλευρη επιφάνεια είτε σε άλλες ανωμαλίες του κρυστάλλου και δεν είναι ομοιόμορφα κατανεμημένες σε όλη την επιφάνεια του κρυστάλλου ούτε μεταξύ δύο όμοιων κρυστάλλων. Βάσει των παραπάνω η εξίσωση του κυττάρου καθώς και το ισοδύναμο κύκλωμα γίνονται [2]: I = I I = I I e λ ( ) 1 (1.2) Σχήμα 1.8: Πραγματικό ισοδύναμο κύκλωμα ηλιακού κυττάρου [2]

23 - 9 - Στο σχήμα 1.9 παρουσιάζονται για σύγκριση οι χαρακτηριστικές καμπύλες μιας p-n και ενός ηλιακού κυττάρου. Απ ότι φαίνεται η καμπύλη ενός ηλιακού κυττάρου είναι όμοια με αυτής της διόδου, μετατοπισμένης στον άξονα των y κατά -I L. Έτσι προκύπτει η καμπύλη του ηλιακού κυττάρου να βρίσκεται στο τέταρτο τεταρτημόριο που σημαίνει παραγωγή ισχύος. Σχήμα 1.9: Χαρακτηριστική καμπύλη διόδου, όταν φωτίζεται και όταν δεν φωτίζεται [2] Ωστόσο για λόγους κυκλωματικής ανάλυσης έχει επικρατήσει για το ηλιακό κύτταρο η αναπαράσταση της I-V χαρακτηριστικής να ανάγεται στο πρώτο τεταρτημόριο και η μορφή της πλέον έχει τη μορφή του σχήματος Σχήμα 1.10: I-V και P-V χαρακτηριστικές ενός ηλιακού κυττάρου Στο ίδιο σχήμα απεικονίζεται επίσης και η καμπύλη τάσης ισχύος (χαρακτηριστική P-V). Πάνω στο σχήμα φαίνονται επίσης τα χαρακτηριστικά ηλεκτρικά μεγέθη που μιλήσαμε

24 παραπάνω για διάφορες συνθήκες λειτουργίας. Για δεδομένες συνθήκες ακτινοβολίας και θερμοκρασίας η μέγιστη τιμή της τάσης στα άκρα του φ/β πλαισίου συμβολίζεται με V OC και εμφανίζεται όταν τα άκρα του είναι ανοιχτοκυκλωμένα, δηλαδή όταν I PV =0. Η μέγιστη τιμή του ρεύματος που μπορεί να παραχθεί συμβολίζεται με I SC και εμφανίζεται σε συνθήκες βραχυκυκλώματος δηλαδή όταν V PV =0. Σ αυτά τα δύο σημεία άρα έχουμε μηδενική παραγωγή ισχύος. Από την άλλη μεριά μέγιστη παραγωγή ισχύος έχουμε, όπως αναφέρθηκε και πιο πάνω, για ένα συγκεκριμένο ζεύγος τιμών τάσης και ρεύματος. Από την περεταίρω μελέτη του προηγούμενου σχήματος προκύπτει ότι οι φωτογεννήτριες παρουσιάζουν μία αρκετά ιδιόμορφη συμπεριφορά συγκριτικά με τις συνήθεις πηγές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Συγκεκριμένα, σε αντίθεση με τις κοινές πηγές που διατηρούν περίπου σταθερή την τάση τους στο εύρος κανονικής λειτουργίας, η τάση των φωτογεννητριών μεταβάλλεται δραστικά. Η μεταβολή αυτή συναρτήσει του ρεύματος είναι μη γραμμική ακόμα και για σταθερές συνθήκες ακτινοβολίας και θερμοκρασίας. Αριστερά του γονάτου της καμπύλης η ένταση του ρεύματος που παρέχεται από το πλαίσιο σε ένα εξωτερικό κύκλωμα είναι σχεδόν σταθερή για μεγάλες μεταβολές της τάσης ενώ δεξιά το ρεύμα μεταβάλλεται δραστικά για μικρές μεταβολές τάσης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα αριστερά του γονάτου η φωτογεννήτρια να λειτουργεί σαν πηγή ρεύματος ενώ δεξιά σαν πηγή τάσης. Για την εξάρτηση της λειτουργικής συμπεριφοράς των φωτογεννητριών από την ακτινοβολία και τη θερμοκρασία μπορούμε να πούμε τα εξής. Το ρεύμα που δύναται να παράσχει σε ένα εξωτερικό κύκλωμα είναι σχεδόν ευθέως ανάλογο προς την ένταση της ακτινοβολίας ενώ η τάση εξαρτάται από τις ιδιότητες κατασκευής του υλικού κατασκευής του. Υπό την προϋπόθεση τώρα ότι η θερμοκρασία διατηρείται σταθερή τότε η παραγόμενη ισχύς καθώς και η τιμή του ρεύματος βραχυκύκλωσης I SC μεταβάλλονται ευθέως ανάλογα με την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας ενώ η τάση ανοιχτού κυκλώματος δεν επηρεάζεται αξιοσημείωτα. Άρα η μορφή των παραπάνω χαρακτηριστικών δεν εξαρτάται από της μεταβολές της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Αυτό που συμβαίνει είναι μία παράλληλη μετατόπιση των χαρακτηριστικών προς τον κατακόρυφο άξονα. Η αύξηση της θερμοκρασίας υπό σταθερή ηλιακή ακτινοβολία έχει αρνητικές συνέπειες στην απόδοση των φωτοβολαταϊκών γεννητριών. Συγκεκριμένα η αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί μείωση του ενεργειακού χάσματος του ημιαγωγικού υλικού και αύξηση του αριθμού των επανασυνδεδεμένων φορέων φορτίου. Έτσι μειώνεται η τάση ανοιχτού κυκλώματος V OC ενώ παράλληλα έχουμε μικρή αύξηση του I OC. Αποτέλεσμα αυτών είναι η μείωση της ισχύος εξόδου και αλλοίωση της I-V χαρακτηριστικής καθώς το γόνατο της καμπύλη αποκτά μια πιο στρογγυλεμένη μορφή. Η επίδραση της θερμοκρασίας πάνω στις τιμές τάσης και ρεύματος του φ/β πλαισίου προσδιορίζεται από τρεις συντελεστές οι οποίοι συνήθως δίνονται στα φυλλάδια των κατασκευαστών. Οι δύο πρώτοι εκφράζουν σε απόλυτα μεγέθη τη μείωση της V OC και την αύξηση του I OC αντίστοιχα για μεταβολή της θερμοκρασίας λειτουργίας της φωτογεννήτριας ανά βαθμό κελσίου ενώ ο τρίτος εκφράζει την επί τοις εκατό μεταβολή του P MP για την ίδια μεταβολή θερμοκρασίας. Μετά από μία μικρή έρευνα αγοράς βρέθηκε ότι η πλειοψηφία των φωτοβολταϊκών πλαισίων που βρίσκονται στην αγορά είναι στην γκάμα των 15-19V ενώ ένα αρκετά μεγάλο ποσοστό βρίσκεται στην περιοχή 33-37V [11]. Για την παρούσα διπλωματική εργασία ο μετατροπέας που κατασκευάστηκε είναι για τάση εξόδου 25V και ισχύος 100Wp [13]

25 Σχήμα 1.11: Κατηγοριοποίηση φωτοβολταϊκών πλαισίων βάσει της τάσης εξόδου τους [11] 1.6 Περιγραφή φωτοβολταϊκού συστήματος Μέχρι τώρα παρουσιάσθηκε ο τρόπος λειτουργίας ενός φωτοβολταϊκόυ κύτταρου και πως αυτά κατηγοριοποιούνται βάσει διαφόρων παραγόντων. Σε αυτή την παράγραφο θα ασχοληθούμε με το φωτοβολταϊκό σύστημα δηλαδή τι άλλες συσκευές χρησιμοποιούνται μαζί με το φωτοβολταϊκό πλαίσιο ώστε να μπορούμε να εκμεταλλευτούμε την ηλιακή ενέργεια. Το βασικό στοιχείο ενός φωτοβολταϊκού συστήματος είναι η ηλιακή κυψέλη που όμως είναι μικρής ισχύος. Για να επιτευχθούν μεγαλύτερες ισχείς, όπως αναφέρθηκε, ενώνονται μερικές κυψέλες μεταξύ τους δημιουργώντας το φωτοβολταϊκό πλαίσιο (PV module) ή ακόμα μπορούν να ενωθούν πολλά πλαίσια μαζί δημιουργώντας κατ αυτόν τον τρόπο τις φωτοβολταϊκές συστοιχίες. Επιγραμματικά τα άλλα στοιχεία που απαρτίζουν το φωτοβολταϊκό σύστημα είναι: Συσσωρευτές, που χρησιμεύουν για την αποθήκευση ενέργειας και στην απόδοσή της όταν αυτό απαιτείται όπως για παράδειγμα τις βροχερές μέρες. Αντιστροφείς, που απαιτούνται για την αντιστροφή του ρεύματος από συνεχές σε εναλλασσόμενο. Συστήματα Ρύθμισης Ισχύος, που διαχειρίζονται την αποθηκευμένη ενέργεια στο συσσωρευτή και διοχετεύουν ενέργεια στο φορτίο. Κατασκευές, που απαιτούνται για την εγκατάσταση των φωτοβολταϊκών και των άλλων συσκευών. Σ αυτό το σημείο να πούμε ότι ένα φωτοβολταϊκό σύστημα δεν είναι απαραίτητο να περιέχει όλα τα παραπάνω στοιχεία. Ως παράδειγμα μπορούμε να αναφέρουμε τις εφαρμογές που απαιτούν συνεχές ρεύμα όπου δεν χρειάζεται ο αντιστροφέας ή τα συστήματα που είναι διασυνδεδεμένα στο δίκτυο οπότε δεν χρειάζονται οι συσσωρευτές. Στην τελευταία περίπτωση το δίκτυο χρησιμεύει και για αποθήκευση. Δηλαδή όταν υπάρχει περίσσεια ενέργειας στο φ/β σύστημα τότε αυτή διοχετεύεται στο δίκτυο ενώ όταν υπάρχει έλλειψη η απαιτούμενη ενέργεια λαμβάνεται από αυτό.

26 Φωτοβολταϊκά Πλαίσια Ένα τυπικό φ/β πλαίσιο πυριτίου αποτελείται από 36 ηλιακά κύτταρα σε σειρά, έχει έξοδο με συνεχές ρεύμα και συνεχή τάση. Συνήθως τροφοδοτεί συσσωρευτή τάσης 17V. Η επιφάνεια που είναι προς τον ήλιο καλύπτεται από γυάλινο κάλυμμα που είναι ανθεκτικό στις καιρικές συνθήκες και στην υπεριώδη ακτινοβολία, προφυλάσσοντας έτσι τις κυψέλες και τις ηλεκτρικές επαφές από τη βροχή, το χιόνι κτλ. Κάτω από το γυάλινο κάλυμμα υπάρχει μία αντιανακλαστική μεμβράνη ώστε να μειωθεί κατά το δυνατόν η ακτινοβολία που επιστρέφει στο περιβάλλον μέσω ανάκλασης. Πάνω και κάτω από την επιφάνεια του πυριτίου υπάρχου οι ηλεκτρικές επαφές από υλικό μικρής θερμικής αντίστασης που το συνδέουν με το εξωτερικό κύκλωμα. Τέλος το φωτοβολταϊκό πλαίσιο ασφαλίζεται μέσα σε μια θήκη αλουμινίου. Σχήμα 1.12: Τυπική δομή φωτοβολταϊκού πλαισίου Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: a) στα επίπεδα συστήματα και b) στα συστήματα συγκεντρωτικών συλλεκτών [12] a) Συστήματα επίπεδων φωτοβολταϊκών στοιχείων Πρόκειται για τον πιο συνηθισμένο τύπο φ/β πλαισίων. Τα πλαίσια μπορούν να είναι είτε ακίνητα σε μία σταθερή γωνία ως προς τον ήλιο ή να ακολουθούν την κίνησή του. Απορροφούν και την άμεση αλλά και τη διάχυτη ακτινοβολία. Η σημαντικότητα αυτής της ιδιότητας είναι ότι η διάχυτη ακτινοβολία είναι το 10-20% της συνολικής ακτινοβολίας ακόμα με καθαρό ουρανό ενώ το ποσοστό αυτό αυξάνεται σε περίπτωση που στον ουρανό υπάρχουν σύννεφα. Τα ακίνητα πλαίσια έχουν το πλεονέκτημα ότι δεν περιλαμβάνουν κινητά μέρη κι έτσι δεν υπάρχει ανάγκη από επιπλέον εξοπλισμό και συντήρηση ενώ είναι και σχετικά ελαφριά. Αυτά τα χαρακτηριστικά τα καθιστούν ιδανικά για εφαρμογές όπως στις στέγες των σπιτιών. Ο προσανατολισμός των πλαισίων έτσι ώστε αυτά να λειτουργούν ικανοποιητικά πρέπει να είναι προς Νότο και η κλίση τους να ικανοποιεί τον τύπο φ+15 ο ±5 ο, όπου φ το γεωγραφικό πλάτος της περιοχής. Τα κινούμενα πλαίσια έχουν το πλεονέκτημα της μεγαλύτερης απορρόφησης ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια της ημέρας αφού μπορούν και έχουν τη βέλτιστη γωνία κλίσης και προσανατολισμού κάθε χρονική στιγμή. Ωστόσο όμως το επιπλέον κόστος που απαιτείται για αγορά και συντήρηση καθώς και το βάρος του είναι τρεις παράμετροι που θα πρέπει να ληφθούν σοβαρά υπόψη από ένα σχεδιαστή φωτοβολταϊκών συστημάτων προκειμένου να επιτευχθεί η οικονομικότερη και αποδοτικότερη λύση.

27 b) Συστήματα Συγκεντρωτικών Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Ο κύριος λόγος χρήσης συστημάτων συγκεντρωτικών φωτοβολταϊκών στοιχείων είναι η ικανότητά τους να διαχειρίζονται λιγότερες ηλιακές κυψέλες σε σχέση με την προηγούμενη κατηγορία και αυτό είναι σημαντικό καθώς οι κυψέλες αποτελούν το ακριβότερο τμήμα ενός συστήματος μετρώντας το κόστος ανά μονάδα επιφάνειας. Για τη συγκεκριμένη κατηγορία φ/β πλαισίων χρησιμοποιούνται φθηνά υλικά όπως τα πλαστικά κάτοπτρα και οι μεταλλικές θήκες που συλλέγουν την ηλιακή ενέργεια από μία μεγάλη επιφάνεια και την εστιάζουν σε μία μικρότερη όπου και βρίσκεται η ηλιακή κυψέλη. Για τη συγκέντρωση του φωτός χρησιμοποιούνται ανακλαστήρες και φακοί οι οποίοι έχουν πολύ μικρή διατομή (σαν δόντι πριονιού). Η απόδοση του συστήματος φακών περιορίζεται στο 90-95% καθώς δεν υπάρχει φακός που να μεταφέρει το 100% του φωτός που δέχεται. Η μείωση της απόδοσης συμβαίνει λόγω ανάκλασης και απορρόφησης. Καθώς όμως τα συστήματα συγκεντρωτικών φ/β πλαισίων είναι μία σχετικά καινούρια τεχνολογία έχει αρκετά μειονεκτήματα που θα πρέπει να λυθούν στο μέλλον για να μπορέσουν να επικρατήσουν στην αγορά. Τα οπτικά συστήματα που χρησιμοποιούν (φακοί) είναι πια ακριβά από τα καλύμματα των επίπεδων συστημάτων. Επίσης δεν μπορούν να διαχειριστούν τη διάχυτη ακτινοβολία, η οποία όπως ήδη αναφέρθηκε αποτελεί σημαντικό ποσοστό της συνολικής. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τα συγκεντρωτικά πλαίσια να ακολουθούν την κίνηση του ήλιου με ό,τι αυτό συνεπάγεται. Τέλος πρόβλημα εντοπίζεται και με την υπερθέρμανση των κυψελών καθώς πάνω σε μία κυψέλη συγκεντρώνεται μεγάλη ποσότητα ακτινοβολίας. Για να διατηρηθεί χαμηλή η θερμοκρασία η ιδέα είναι να ελαχιστοποιηθεί η ηλεκτρική αντίσταση των επαφών που μεταφέρουν το ηλεκτρικό ρεύμα στο εξωτερικό κύκλωμα. Αυτό επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας επαφές μεγαλύτερης επιφάνειας που όμως προκαλεί σκίαση στην κυψέλη. Για να ξεπεραστεί και αυτό το εμπόδιο υπάρχουν δύο λύσεις. Η πρώτη είναι η τοποθέτηση πρισματικού καλύμματος πάνω από την επαφή οπότε το φως που θα προσέπιπτε στην επαφή τώρα πέφτει στο πρίσμα, εκτρέπεται και διοχετεύεται στην κυψέλη. Και η δεύτερη είναι να τοποθετηθούν και οι δύο επαφές πίσω από την κυψέλη πράγμα όμως που απαιτεί το πυρίτιο να είναι πολύ καλής ποιότητας Μηχανισμός Κίνησης Ο μηχανισμός κίνησης του φωτοβολταϊκού πλαισίου μπορεί να επιτρέπει την κίνηση του σε ένα ή δύο άξονες. Τα συστήματα ενός άξονα είναι σχεδιασμένα να ακολουθούν την πορεία του ήλιου από την ανατολή στη δύση. Χρησιμοποιούνται κυρίως σε επίπεδα συστήματα φ/β πλαισίων και σε λίγες περιπτώσεις και σε συγκεντρωτικά συστήματα Τα συστήματα δύο αξόνων ακολουθούν τον ήλιο από την ανατολή στη δύση αλλά επιπλέον παρακολουθούν και τη μεταβολή της απόκλισης του ήλιου κατά τη διάρκεια του έτους. Χρησιμοποιούνται κυρίως στα συγκεντρωτικά πλαίσια. Τα συστήματα δύο αξόνων είναι πιο πολύπλοκα, πιο ακριβά και χρειάζονται μεγαλύτερη συντήρηση σε σχέση με αυτά του ενός άξονα Συσσωρευτές Σε συστήματα απομονωμένα από το δίκτυο, το φ/β σύστημα πρέπει να παρέχει την ενέργεια κάθε φορά που απαιτείται ανεξαρτήτως αν έχει ήλιο ή όχι. Γι αυτό το λόγο χρησιμοποιούνται μπαταρίες που αποθηκεύουν την περίσσεια ενέργειας. Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενοι τύποι μπαταριών είναι οι μολύβδου-ασβεστίου και μολύβδου-αντιμονίου. Για περιπτώσεις όπου ο συσσωρευτής είναι εκτεθειμένος σε μεγάλο εύρος μεταβαλλόμενης

28 ηλιακής ακτινοβολίας και φορτίου χρησιμοποιείται τότε ο νικελίου-καδμίου. Εξαιτίας της συνεχώς μεταβαλλόμενης τιμής της ηλιακής ακτινοβολίας και του φορτίου, οι συσσωρευτές θα πρέπει να περνούν από πολλούς κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης χωρίς να χάνουν γρήγορα τις ιδιότητές τους. Το ποσοστό χωρητικότητας που μπορεί ένας συσσωρευτής να εκφορτιστεί χωρίς να καταστραφεί ονομάζεται βάθος εκφόρτισης (Depth Of Discharge, DOD). Αυτό εξαρτάται κυρίως από τον τύπο του συσσωρευτή. Για παράδειγμα οι μολύβδου ασβεστίου έχουν μικρό DOD και σε κάθε κύκλο φόρτισης-εκφόρτισης αντέχουν περίπου 20% εκφόρτιση. Αντιθέτως οι νικελίου-καδμίου έχουν 80% DOD για αυτό άλλωστε χρησιμοποιούνται στις εφαρμογές που αναφέραμε παραπάνω. Γενικά ένας συσσωρευτής χρειάζεται αλλαγή κάθε 5-10 χρόνια ανάλογα με τον αριθμό κύκλων φόρτισης-εκφόρτισης που κάνουν. Οι συσσωρευτές παρέχουν αυτονομία στο σύστημα από μερικές μέρες μέχρι δύο εβδομάδες. Η χρονική διάρκεια εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του κάθε συστήματος δηλαδή από την τοποθεσία του, την ύπαρξη ή όχι γεννήτριας καθώς και από το φορτίο. Οι συσσωρευτές χαρακτηρίζονται από την τάση τους που είναι συνήθως πολλαπλάσιο των 12V και που τη χωρητικότητά τους που μετριέται σε αμπερώρια (Ah). Οι συσσωρευτές πέρα από τη μείωση της απόδοσης που προκαλούν χρειάζονται περιοδική συντήρηση (έλεγχο υγρών) καθώς και χώρο για αποθήκευση. Ο σωστός υπολογισμός του συσσωρευτή είναι καθοριστικός για την επίτευξη μεγάλης διάρκειας ζωής του, μέγιστη απόδοση και για την επίτευξη του ελάχιστου κόστους κατά τη διάρκεια του κύκλου ζωής του συστήματος Συστήματα Ρύθμισης Ισχύος Υπάρχουν αρκετά ηλεκτρονικά συστήματα που χρησιμεύουν στον έλεγχο και στη ρύθμιση της ηλεκτρικής ισχύος που παράγει το φωτοβολταϊκό. Πιο συγκεκριμένα αυτά είναι: Οι ρυθμιστές φόρτισης μπαταριών που ρυθμίζουν τους κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης του συσσωρευτή. Όταν ο συσσωρευτής είναι τελείως φορτισμένος, ο ρυθμιστής δεν αφήνει άλλο ρεύμα να πάει από το φ/β στη μπαταρία. Αντίστοιχα όταν η εκφόρτιση του συσσωρευτή φτάσει σε ένα συγκεκριμένο σημείο, ο ρυθμιστής αποτρέπει τους συσσωρευτές να δώσουν ρεύμα μέχρι να φορτιστούν ξανά. Με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνουμε επιμήκυνση του χρόνου ζωής του συσσωρευτή. Ο ανιχνευτής σημείου μέγιστης ισχύος (Maximum Power Point Tracking, MPPT) είναι μία συσκευή που στόχος της είναι το φ/β να λειτουργεί πάντοτε στο σημείο μέγιστης ισχύος. Το σημείο λειτουργίας του φ/β καθορίζεται από το σημείο που τέμνεται η I-V χαρακτηριστική της συστοιχίας φ/β με την καμπύλη φορτίου. Μεταβολή κάποιας από τις παραμέτρους που επηρεάζουν την I-V χαρακτηριστική, όπως για παράδειγμα της θερμοκρασίας, έχουν ως αποτέλεσμα να μετακινούν το σημείο λειτουργίας. Ο MPPT ακολουθώντας διάφορους αλγορίθμους επεξεργάζεται την τάση και το ρεύμα εξόδου του φωτοβολταϊκού ώστε στο νέο σημείο λειτουργίας να έχουμε μέγιστη απορρόφηση ισχύος από το φωτοβολταϊκό. 1.7 Τεχνολογίες Φωτοβολταϊκών συστημάτων Όπως έχουμε ήδη αναφέρει το φωτοβολταϊκό σύστημα είναι ένα σύστημα αποτελούμενο από φ/β κύτταρα, οργανωμένα είτε σε μικρότερες δομικές μονάδες (πλαίσια) είτε σε μεγαλύτερες (πάνελς) ανάλογα με την ισχύ που θέλουμε να πετύχουμε. Οπότε μπορούμε να βρούμε φ/β συστήματα από μερικά κιλοβάτ (kw) μέχρι μερικά μεγαβάτ (MW). Για να

29 επιτευχθούν οι ισχείς αυτές, υπάρχουν τεσσάρων ειδών τοπολογίες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν [11]. Είναι η κεντρικοποιημένη (centralized) τεχνολογία, η τεχνολογία αλυσίδας (string), η τεχνολογία πολλαπλών αλυσίδων (multistring) και η τεχνολογία φωτοβολταϊκών πλαισίων εναλλασσομένου ρεύματος (AC-PV Modules). Η ύπαρξη διαφόρων τεχνολογιών οφείλεται στον αριθμό των φ/β πλαισίων που συνδέονται ανά ηλεκτρικό μετατροπέα (επίπεδο ισχύος μετατροπέα) καθώς και στον τρόπο που συνδέονται τα πλαίσια μεταξύ τους (σε σειρά ή παράλληλα ή συνδυασμός αυτών των δύο) Κεντρικοποιημένη τεχνολογία Η κεντρικοποιημένη τεχνολογία (Centralized technology) αποτελεί την πρώτη προσπάθεια ένταξης φ/β συστημάτων μεγάλης κλίμακας, της τάξης των 400 kw, στην ηλεκτροπαραγωγική διαδικασία. Το δομικό διάγραμμα της συγκεκριμένης τοπολογίας φαίνεται στο επόμενο σχήμα. Σχήμα 1.13: Η κεντρικοποιημένη τεχνολογία [11] Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας πραγματοποιείται από ένα πλέγμα φ/β πλαισίων τα οποία είναι οργανωμένα σε εν σειρά ομάδες (αλυσίδες) με σκοπό να επιτύχουν υψηλή τιμή συνεχούς τάσης. Η απαιτούμενη τιμή του ρεύματος επιτυγχάνεται με παράλληλη σύνδεση των παραπάνω ομάδων. Σκοπός αυτής της τεχνολογίας είναι η εξασφάλισης αρκετά υψηλής τάσης στα άκρα της αλυσίδας. Με αυτόν τον τρόπο είναι εφικτή η απευθείας μετατροπή της συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη χωρίς τη διαμεσολάβηση μετατροπέα ανύψωσης τάσης η την ύπαρξη μετασχηματιστών, δηλαδή ο μετατροπέας που χρησιμοποιείται είναι μίας βαθμίδας. Η παρούσα διάταξη χρησιμοποιεί μόνο ένα MPPT για την ανίχνευση του σημείου μέγιστης λειτουργίας, ενώ η ύπαρξη διόδων ισχύος αποτρέπει τη λειτουργία μερικών ομάδων ως φορτία λόγω του ότι έχουν σκιαστεί.

30 Η απλότητα που διακρίνει τη δομή αυτής της τοπολογίας αντισταθμίζεται από ορισμένα σημαντικά μειονεκτήματα. Η ύπαρξη ενός και μόνο MPPT για όλο το σύστημα συνεπάγεται μειωμένη παραγωγή ενέργειας σε συνθήκες ανομοιόμορφης σκίασης ή ανομοιόμορφης θερμοκρασίας, ρίχνοντας κατ αυτόν τον τρόπο τον βαθμό απόδοσης. Στην περίπτωση που κάποια από τις παράλληλα συνδεδεμένες αλυσίδες σκιαστεί περισσότερο από τις υπόλοιπες, η τάση στα άκρα της υπολείπεται αυτής των άλλων με αποτέλεσμα να υπάρχει κίνδυνος καταστροφής του εξοπλισμού (συμπεριφορά αλυσίδας σαν φορτίο). Για να ξεπερασθεί αυτό τοποθετούνται αντιπαράλληλες διόδοι εισάγοντας όμως έτσι στο σύστημα επιπλέον απώλειες. Ο αριθμός των διόδων που θα χρησιμοποιηθούν καθώς και η διάταξή τους ποικίλουν. Αποτέλεσμα όμως είναι η αύξηση του κόστους. Το φαινόμενο αυτό μπορεί να παρατηρηθεί σε μικρότερη κλίμακα και μεταξύ πλαισίων της ίδιας αλυσίδας επιφέροντας εξίσου καταστροφικά αποτελέσματα (δημιουργία hot-spot). Η αρκετά υψηλή τιμή της συνεχούς τάσης εξόδου του φωτοβολταϊκού πλέγματος αυξάνει τον κίνδυνο της ηλεκτροπληξίας για τον άνθρωπο. Για να αποφευχθεί αυτό απαιτείται υψηλό κόστος για την καλωδίωση και το σύστημα προστασίας. Ένα τέτοιο σύστημα απαιτεί εξειδικευμένο προσωπικό για την υλοποίηση και συντήρησή του ώστε να αποφευχθούν ατυχήματα. Παράλληλα εφόσον οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς σχεδιάζονται κάθε φορά για τα διαφορετικά επίπεδα ισχύος δεν είναι δυνατή η μαζική παραγωγή τους, αυξάνοντας έτσι επιπλέον το κόστος της εγκατάστασης. Τέλος η ύπαρξη ενός μόνο αντιστροφέα συνεπάγεται ολική παύση λειτουργίας του συστήματος σε περιπτώσεις συντήρησης ή αλλαγής μέρους του εξοπλισμού, πράγμα που δεν συμβαίνει σε άλλες τοπολογίες Τεχνολογία Αλυσίδας (String technology) Τα φωτοβολταϊκά συστήματα αλυσίδας εμφανίστηκαν για πρώτη φορά στην Ευρώπη σε ευρεία κλίμακα το 1995 [21]. Στο επόμενο σχήμα φαίνεται το δομικό διάγραμμα της τοπολογίας αυτής. Σχήμα 1.14: Η τεχνολογία αλυσίδας [11]

31 Η τεχνολογία αλυσίδας είναι νεότερη από την κεντρικοποιημένη την οποία και έχει αντικαταστήσει. Εδώ τα φ/β πλαίσια συνδέονται σε σειρά σχηματίζοντας μόνο μία αλυσίδα η οποία τροφοδοτεί ένα ηλεκτρονικό μετατροπέα. Λόγω του μικρότερου αριθμού φ/β πλαισίων η ισχύς που παρέχεται στο δίκτυο περιορίζεται στα 0.7 έως 3kW τιμή σαφώς μικρότερη από αυτή της προηγούμενης κατηγορίας. Στις περισσότερες των περιπτώσεων ο αριθμός των σε σειρά συνδεδεμένων πλαισίων είναι μεγάλος, με αποτέλεσμα η τάση στα άκρα της αλυσίδας να είναι αρκετά υψηλή ώστε να μετατραπεί απευθείας σε εναλλασσόμενη χωρίς την παρουσία DC/DC μετατροπέα ή ενός χαμηλόσυχνου μετασχηματιστή. Επιπλέον εδώ ο MPPT έλεγχος είναι αποδοτικότερος καθώς εφαρμόζεται για λιγότερα πλαίσια. Αυτό σε συνάρτηση με το ότι στην τεχνολογία αλυσίδας δεν έχουμε διόδους ισχύος, όπως είχαμε πριν, αυξάνει τον βαθμό απόδοσης του συστήματος. Σε σύγκριση με τα φ/β συστήματα κεντρικοποιημένης τεχνολογίας, τα συστήματα αλυσίδας προσφέρουν μεγαλύτερη αξιοπιστία καθώς η συντήρηση και η αντικατάσταση του εξοπλισμού δεν συνεπάγεται πλήρη παύση λειτουργίας του συστήματος. Η υψηλή τάση που αναπτύσσεται στο σημείο διασύνδεσης των φ/β πλαισίων και του ηλεκτρονικού μετατροπέα αυξάνει τον κίνδυνο ηλεκτροπληξίας καθιστώντας απαραίτητη την εγκατάσταση βοηθητικού (ακριβού) εξοπλισμού από εξειδικευμένο προσωπικό. Εξαιτίας της σε σειρά διασύνδεσης πολλών φ/β πλαισίων ελλοχεύει και εδώ ο κίνδυνος εμφάνισης hot-spot κηλίδων σε περιπτώσεις ανομοιόμορφης σκίασης. Τέλος η ανάγκη χρήσης αντιστροφέων περισσότερων του ενός αυξάνει το συνολικό κόστος της εγκατάστασης Τεχνολογία Πολλαπλών Αλυσίδων (multi-string technology) Η τεχνολογία πολλαπλών αλυσίδων συνιστά την αρτιότερη μέχρι στιγμής πρόταση για την παραγωγή σημαντικών ποσών ενέργειας από μεγάλης κλίμακας φ/β συστήματα ενώ την τελευταία δεκαετία άρχισε να εφαρμόζεται και σε μεγάλα οικιακά συστήματα. Η τεχνοτροπία αυτή παρέχει τη δυνατότητα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας της τάξης της κεντρικοποιημένης τεχνολογίας χωρίς όμως να «κουβαλάει» τα μειονεκτήματά της. Στην ουσία είναι μία μίξη των δύο προηγούμενων τεχνολογιών. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται το δομικό της διάγραμμα. Σχήμα 1.15: Η τεχνολογία πολλαπλών αλυσίδων [11]

32 Ένα φ/β σύστημα τεχνολογίας πολλαπλών αλυσίδων περιέχει πολλούς ανεξάρτητους μετατροπείς DC/DC για ανύψωση της τάσης. Κάθε ένας από αυτούς έχει και τον δικό του MPPT ελεγκτή. Η είσοδος του κάθε αντιστροφέα συνδέεται με μία ανεξάρτητη αλυσίδα ενώ οι έξοδοί τους συνδέονται σε ένα μόνο κεντρικό αντιστροφέα. Σ αυτού του είδους τα συστήματα κάθε αλυσίδα μπορεί να έχει το δικό της γεωγραφικό προσανατολισμό. Λόγω όμως του ότι η κάθε μία έχει τον δικό της ελεγκτή καθίσταται δυνατή η λειτουργία τους στο εκάστοτε σημείο μέγιστης ισχύος. Αυτό συμβαίνει και στις περιπτώσεις ανομοιόμορφης σκίασης. Το υψηλό κόστος της τεχνολογίας αλυσίδας εξακολουθεί να υπάρχει κι εδώ εξαιτίας των πολλών ηλεκτρονικών μετατροπέων. Η πιθανότητα μερικής σκίασης και η εμφάνιση hot-spot συνεχίζουν να υπάρχει. Αν και το σύστημα πολλαπλών αλυσίδων είναι αξιόπιστο σε περίπτωση που εμφανιστεί βλάβη σε κάποια από τις αλυσίδες, εν τούτοις όταν το πρόβλημα εμφανιστεί στον κεντρικό αντιστροφέα θα σταματήσει όλη η παραγωγή. Τέλος δύσκολη είναι και η επέκταση της παραγόμενης ισχύος χωρίς αλλαγή του αντιστροφέα [11] Τεχνολογία Φ/Β πλαισίων εν/σομένου ρεύματος (AC-PV Modules) Η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών πλαισίων εναλλασσομένου ρεύματος είναι από της πιο σύγχρονες λύσεις που υπάρχει για τις εφαρμογές των οικιακών φωτοβολταϊκών. Πρόκειται για φ/β διατάξεις χαμηλής ισχύος όπου ένα μόνο φ/β πλαίσιο και ένας μονοφασικός αντιστροφέας ενσωματώνονται σε μία αυτοτελή ηλεκτρονική διάταξη [14]. Από κατασκευαστικής άποψης ο αντιστροφέας είναι ενσωματωμένος είτε στην πίσω μεριά των πλαισίων είτε στο μηχανισμό στήριξής των. Η δομή αυτής της τεχνολογίας φαίνεται παρακάτω. Σχήμα 1.16: Το AC-PV module [11] Στα σημεία διασύνδεσης του μετατροπέα με το πλαίσιο η τάση που παρατηρείται είναι αρκετά χαμηλή ώστε να μην υπάρχει ο κίνδυνος της ηλεκτροπληξίας και άρα να είναι περιττή μία επιπρόσθετη μόνωση. Η απουσία διασυνδέσεων τύπου πλέγματος μεταξύ των πλαισίων και η δυνατότητα καλύτερου ελέγχου κάθε αυτόνομης διάταξης έχουν σαν αποτέλεσμα την μεγαλύτερη απόδοση του συστήματος. Αυτό συμβαίνει επειδή πλέον έχουμε ένα MPPT για

33 κάθε πλαίσιο γεγονός που οδηγεί όλα τα πλαίσια να παράγουν τη μέγιστη δυνατή ισχύ κάθε φορά. Για να επιτευχθούν μεγάλες ισχείς λειτουργούν ταυτόχρονα πολλές αυτοτελείς μονάδες που είναι συνδεδεμένες παράλληλα. Με αυτό τον τρόπο η αξιοπιστία του συστήματος είναι πολύ υψηλή καθώς ελαχιστοποιείται ο κίνδυνος ολικής απώλειας της ηλεκτροπαραγωγής σε περιπτώσεις προγραμματισμένης συντήρησης ή σε συνθήκες βλάβης. Ως πλεονεκτήματα των ac-pv modules σε σχέση με τις προηγούμενες τεχνολογίες μπορούν να αναφερθούν τα εξής: η συγκεκριμένη τεχνολογία παρουσιάζει χαμηλότερο κόστος κατασκευής και μεγαλύτερη ευκολία εγκατάστασης γεγονός που δεν καθιστά απαραίτητο εξειδικευμένο προσωπικό για την εγκατάστασή του. Όσον αφορά το κόστος θα μπορούσε ίσως κάποιος να περίμενε να είναι αυξημένο λόγω των ξεχωριστών μετατροπέων για κάθε διάταξη. Το κόστος όμως ελαττώνεται επειδή τα ac-pv modules παράγονται μαζικά που σημαίνει ότι είναι και πιο φθηνά. Οι απαιτήσεις επιφάνειας ανά μονάδα διατάξεως είναι ελάχιστες πράγμα που καθιστά τη συγκεκριμένη τεχνολογία ιδανική για αστικές εφαρμογές. Η προσθήκη τέλος των και άλλων πλαισίων είναι μία αρκετά εύκολη διαδικασία καθώς δεν απαιτείται επανασχεδιασμός του συστήματος. Από την άλλη πλευρά η ενσωμάτωση των ηλεκτρονικών μετατροπέων στο φωτοβολταϊκό αποτελεί σημαντικό μειονέκτημα καθώς οι μετατροπείς είναι εκτεθειμένοι στις υψηλές θερμοκρασίες που αναπτύσσονται στο φ/β. Η ανεπαρκής απαγωγή της θερμότητας από τα ημιαγωγικά στοιχεία του μετατροπέα καθώς και η χρήση ηλεκτρολυτικών πυκνωτών, των οποίων ο χρόνος ζωής εξαρτάται από τη θερμοκρασία, μπορούν να μειώσουν τη διάρκεια ζωής τους. Επιπλέον πρόβλημα μπορεί να αντιμετωπίσει και το φωτοβολταϊκό σε περιπτώσει που ο μετατροπέας εδράζεται στο πλαίσιο επειδή με αυτόν τον τρόπο μειώνεται η ροή αέρα και άρα η ψύξη του. Ως ηλεκτρικό μειονέκτημα θα μπορούσε να αναφερθεί το ότι χρησιμοποιείται και διάταξη ανύψωσης τάσης. Λόγω αυτού μειώνεται ο βαθμός απόδοσης του μετατροπέα, όπως θα δούμε και παρακάτω. 1.8 Κατηγορίες Μετατροπέων Ως γνωστόν στην έξοδο ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου παράγεται συνεχής τάση και ρεύμα. Για να συνδεθεί άρα το φωτοβολταϊκό με το δίκτυο χαμηλής τάσης μιας αστικής περιοχής θα πρέπει αυτή η συνεχής τάση να μετατρέπεται σε μονοφασική ή τριφασική εναλλασσόμενη ανάλογα με το ποσό της ισχύος που απαιτεί το σύστημα. Αυτό γίνεται μέσω κατάλληλων ηλεκτρικών μετατροπέων. Ανάλογα με την εφαρμογή ο ηλεκτρικός μετατροπέας θα είναι είτε μόνο ένας αντιστροφέας είτε ένας αντιστροφέας που ακολουθεί ένα μετατροπέα συνεχούς τάσης σε συνεχή. Ο DC/DC μετατροπέας χρησιμοποιείται για την ανύψωση της τάσης εξόδου του φωτοβολταϊκού ώστε να γίνει εφικτή η διασύνδεση των φ/β με το δίκτυο μέσω του αντιστροφέα. Οι μετατροπείς αυτοί μπορούν να ομαδοποιηθούν βάσει ορισμένων χαρακτηριστικών σε διάφορες κατηγορίες Βάσει του αριθμού των βαθμίδων [14] Οι μετατροπείς ανάλογα με τον αριθμό βαθμίδων που διαθέτουν χωρίζονται σε μετατροπείς μίας βαθμίδας, δύο βαθμίδων ή πολλαπλών βαθμίδων. Ο αριθμός των βαθμίδων καθορίζει την πολυπλοκότητα του μετατροπέα και το είδος του. Αν ο μετατροπέας είναι μίας βαθμίδας και το φ/β συνδέεται στο δίκτυο τότε δεν μπορεί αυτός παρά να είναι ένας αντιστροφέας Μετατροπείς μίας βαθμίδας Γνωστότεροι εκπρόσωποι αυτής της κατηγορίας είναι οι αντιστροφείς είτε μισής (halfbridge) είτε πλήρους γέφυρας (full-bridge). Χαρακτηριστικό γνώρισμα αυτής της κατηγορίας

34 είναι ότι ο ένας μόνο μετατροπέας αφενός ανυψώνει την τάση εξόδου των φ/β και αφετέρου τη μετατρέπει σε εναλλασσόμενη. Επίσης η ανύψωση της τάσης στα επιθυμητά επίπεδα του δικτύου μπορεί να γίνει και με ένα μετασχηματιστή σιδήρου που βρίσκεται στην έξοδο του μετατροπέα. Τέλος οι συγκεκριμένοι μετατροπείς πρέπει να ικανοποιούν τα πρότυπα ηλεκτρονικής συμβατότητας γι αυτό και στην έξοδο τοποθετούνται κατωδιαβατά φίλτρα. Σχήμα 1.17: Μετατροπέας μίας βαθμίδας [11] Για αυτούς τους μετατροπείς μπορούμε να πούμε αρχικά ότι ο έλεγχος τους είναι αρκετά πολύπλοκος καθώς ένας μόνο ελεγκτής αναλαμβάνει τόσο των έλεγχο του κυκλώματος ισχύος όσο και τον έλεγχο ανίχνευσης του σημείου μέγιστης αποδιδόμενης ισχύος. Η ανίχνευση και ο έλεγχος του σημείου μέγιστης ισχύος δυσχεραίνει από την έντονη κυμάτωση που παρατηρείται στο ρεύμα εισόδου του μετατροπέα. Η μείωση της κυμάτωσης αυτής απαιτεί ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές και ενεργά φίλτρα που απαιτούν αρκετό όγκο. Επιπλέον ο μετασχηματιστής σιδήρου, ως μετασχηματιστής χαμηλής συχνότητας, καταλαμβάνει πολύ όγκο και βάρος. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να επιβαρύνεται η κατασκευή και να παρατηρείται περιορισμός της πυκνότητας ισχύος. Λόγω του ότι οι απώλειες σιδήρου του μετασχηματιστή εξαρτώνται αποκλειστικά από την τιμή της εφαρμοζόμενης τάσης, ο βαθμός απόδοσης του μετατροπέα ελαττώνεται σε συνθήκες μειωμένης ακτινοβολίας. Ο όγκος οι απώλειες του μετασχηματιστή σιδήρου είναι οι λόγοι που οι μετατροπείς αυτής της κατηγορίας δεν είναι τόσο δημοφιλείς. Εν τούτοις ο μικρός αριθμός των ηλεκτρονικών στοιχείων που απαιτούνται για την κατασκευή των μετατροπέων μίας βαθμίδας μειώνει το κόστος, ελαττώνει την πολυπλοκότητα του κυκλώματος ισχύος συμβάλλοντας έτσι στην αύξηση της αξιοπιστίας του συστήματος Μετατροπείς δύο βαθμίδων Σε αυτή την κατηγορία οι μετατροπείς αποτελούνται από δύο τμήματα. Ένα μετατροπέα συνεχούς τάσης σε συνεχή που στόχος του είναι η ανύψωση της τάσης εξόδου του φ/β και από ένα αντιστροφέα, ο οποίος με τη βοήθεια ενός κατωδιαβατού φίλτρου επιτυγχάνει την ημιτονοειδή μορφή του ρεύματος που απαιτείται για τη σύνδεση του φ/β με το δίκτυο. Ο μετατροπέας DC/DC μπορεί να είναι boost, buck-boost, forward ή ακόμα push-pull αν η εφαρμογή είναι εφαρμογή ισχύος. Στην έξοδο της πρώτης βαθμίδας έχουμε τη δυνατότητα να παίρνουμε ανορθωμένο το ρεύμα και με τη δεύτερη βαθμίδα, τον αντιστροφέα, να παίρνουμε την εναλλασσόμενη συνιστώσα. Σχήμα 1.18: Μετατροπέας δύο βαθμίδων [11]

35 Ο αντιστροφέας ελέγχεται με τη μέθοδο ημιτονοειδούς διαμόρφωσης του εύρους των παλμών, την SPWM. Και σε αυτή την κατηγορία μετατροπέων χρησιμοποιείται μετασχηματιστής ο οποίος εδώ συμβάλλει στην ηλεκτρική απομόνωση του φωτοβολταϊκού από το δίκτυο. Σ αυτήν όμως την κατηγορία ο μετασχηματιστής είναι υψίσυχνος πράγμα που σημαίνει ότι είναι μικρότερου όγκου και βάρους από αυτόν της προηγούμενης κατηγορίας. Μεγάλο μειονέκτημα αυτής της τοπολογίας σε σχέση με την προηγούμενη είναι η απόδοση του συστήματος. Αυτή πέφτει από δύο κυρίως λόγους. Αρχικά επειδή η ενέργεια που παράγεται από τη φωτογεννήτρια μετασχηματίζεται δύο φορές αλλά και επειδή αυτό το σύστημα χρησιμοποιεί περισσότερα ημιαγωγικά στοιχεία. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα οι διακοπτικές απώλειες όσο και οι απώλειες αγωγής να αυξάνονται. Επίσης στους συγκεκριμένους μετατροπείς ο συνολικός έλεγχος κατανέμεται τώρα σε δύο ελεγκτές διευκολύνοντας έτσι το σχεδιασμό του κυκλώματος ελέγχου αλλά ο παραπάνω ελεγκτής αυξάνει επιπλέον το κόστος. Οι μικρότερης όμως χωρητικότητας ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές που χρησιμοποιούνται για την εξάλειψη της κυμάτωσης του ρεύματος εξόδου έχουν ως αποτέλεσμα την αύξηση του χρόνου ζωής του μετατροπέα Μετατροπείς πολλαπλών βαθμίδων Στην κατηγορία αυτή πριν τον αντιστροφέα τοποθετείται μεγάλο πλήθος σε σειρά συνδεδεμένων DC/DC μετατροπέων οι οποίοι χρησιμοποιούνται και εδώ για την ανύψωση της τάσης που παράγει η φωτογεννήτρια. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η τοπολογία ενός τέτοιου μετατροπέα. Σχήμα 1.19: Μετατροπέας πολλαπλών βαθμίδων [11] Το σημαντικότερο πλεονέκτημά του σε σχέση με τις άλλες τοπολογίες είναι η εξαφάνιση της χαμηλόσυχνης ταλάντωσης του ρεύματος εισόδου του μετατροπέα, συμβάλλοντας έτσι στη βέλτιστη ανίχνευση του σημείου μέγιστης ισχύος. Όμως λόγω του ότι η συγκεκριμένη κατηγορία αποτελείται από πολλές βαθμίδες μετατροπέων μοιραία αυξάνει το κόστος κατασκευής. Αναμενόμενο είναι επίσης το γεγονός ότι ο βαθμός απόδοσης μειώνεται πάρα πολύ λόγω των πολλών σταδίων που διέρχεται η ισχύς. Επιπλέον εξαιτίας των ανεξάρτητων βρόχων ελέγχου του κάθε μετατροπέα σημειώνεται μια επισφαλής απόκριση του συστήματος στις μεταβατικές καταστάσεις. Κάνοντας μία ανασκόπηση στις τρεις παραπάνω κατηγορίες βγάζουμε το συμπέρασμα ότι η τοπολογία που συγκεντρώνει τα περισσότερα πλεονεκτήματα, έχοντας μάλιστα κι ένα σχετικά μεγάλο βαθμό απόδοσης είναι αυτή των δύο βαθμίδων. Γι αυτό άλλωστε και η συγκεκριμένη κατηγορία είναι η πιο διαδεδομένη αυτή τη στιγμή Βάσει της ύπαρξης μετασχηματιστή απομόνωσης Οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς, όπως ίσως έγινε κατανοητό και από την προηγούμενη παράγραφο μπορούν να ομαδοποιηθούν ανάλογα με το αν κάποια από τις βαθμίδες τους περιέχει μετασχηματιστή. Οι μετασχηματιστές μπορεί να είναι είτε υψίσυχνοι (φερρίτη) είτε χαμηλόσυχνοι (σιδήρου).

36 Η χρησιμοποίηση μετασχηματιστή προσφέρει στο σύστημα μερικά πλεονεκτήματα. Ένα από αυτά είναι η γαλβανική απομόνωση του φ/β εξοπλισμού από το εναλλασσόμενο ηλεκτρικό δίκτυο. Ένα άλλο είναι η αποδοτική ανύψωση της χαμηλής τάσης εξόδου των φωτοβολταϊκών χωρίς πολύπλοκες κυκλωματικές τοπολογίες. Ως μειονέκτημα θα αναφέρουμε αυτό που είπαμε και παραπάνω καθώς ένας μετασχηματιστής, ιδιαίτερα αν είναι χαμηλόσυχνος, αυξάνει πάρα πολύ τον όγκο της κατασκευής. 1.9 Χαρακτηριστικά μετατροπέων Ένας μετατροπέας εκτός από τα κατασκευαστικά του χαρακτηριστικά, χαρακτηρίζεται και από άλλα μεγέθη που καθορίζουν τη λειτουργικότητα και την απόδοσή του. Τέτοια μεγέθη είναι η ισχύς εξόδου του, ο βαθμός απόδοσής του, πόσα ημιαγωγικά στοιχεία χρησιμοποιεί καθώς και το σύστημα ελέχου του. Ένα από τα βασικότερα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά ενός μετατροπέα είναι προφανώς η ισχύς εξόδου του. Είναι απαραίτητη προκειμένου να γνωρίζει ο μελετητής που θα τον χρησιμοποιήσει μέχρι ποιο φορτίο μπορεί να εξυπηρετήσει. Στα βασικά ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του μετατροπέα περιλαμβάνονται επίσης οι τάσεις και τα ρεύματα εισόδου και εξόδου. Η λειτουργική ικανότητα ενός μετατροπέα καθορίζεται από το βαθμό απόδοσής του που ορίζεται ως ο λόγος της ισχύος εξόδου προς την ισχύ εισόδου. = Το πλήθος των ημιαγωγικών στοιχείων που υπάρχουν στη διάταξη καθώς και ο τρόπος με τον οποίο είναι συνδεδεμένα είναι άλλη μία σημαντική πληροφορία για το μετατροπέα. Αν τα στοιχεία είναι ανεξάρτητα μεταξύ τους τότε το πλήθος τους είναι αντιστρόφως ανάλογο της απόδοσης καθώς όσο περισσότερα ημιαγωγικά στοιχεία χρησιμοποιούνται τόσο υψηλότερες είναι οι διακοπτικές απώλειες και οι απώλειες αγωγής. Αν όμως τα στοιχεία αυτά είναι συνδεδεμένα παράλληλα τότε οι απώλειες αγωγής μειώνονται με αποτέλεσμα να αυξάνεται ο βαθμός απόδοσης. Το σύστημα ελέγχου του μετατροπέα είναι σημαντικό λόγω της ιδιομορφίας που παρουσιάζουν η τάση και το ρεύμα μιας φωτογεννήτριας. Παρόλο που για ένα μεμονωμένο φωτοβολταϊκό κύτταρο η τάση και το ρεύμα στην περιοχή κανονικής λειτουργίας είναι συνεχή μεγέθη με συνεχή τιμή, η τάση των φωτογεννητριών μεταβάλλεται μη γραμμικά συναρτήσει της εντάσεως που αυτές παρέχουν στο εξωτερικό κύκλωμα, όταν η ακτινοβολία ή η θερμοκρασία περιβάλλοντος μεταβληθεί. Γι αυτό το λόγο απαιτείται έλεγχος των μετατροπέων ώστε κάτω από οποιαδήποτε συνθήκη ακτινοβολίας ή θερμοκρασίας να αποδίδεται από το φωτοβολταϊκό η μέγιστη δυνατή ηλεκτρική ισχύς. Για να επιτευχθεί αυτό πρέπει ένας ελεγκτής να μετράει το ποσό της αποδιδόμενης κάθε φορά ισχύος. Αυτό γίνεται μέσω της μέτρησης της τάσης και του ρεύματος. Ο MPPT χρησιμοποιεί τις μετρήσεις αυτές και οδηγεί το φ/β στο σημείο μέγιστης αποδιδόμενης ισχύος. Για την άρτια λειτουργία ενός διασυνδεδεμένου με το δίκτυο φωτοβολταϊκού συστήματος το κύκλωμα ελέγχου του μετατροπέα θα πρέπει να ανταπεξέρχεται και στις μεταβατικές καταστάσεις, όπως αυτή του φαινομένου νησίδας (islanding). Το φαινόμενο αυτό λαμβάνει χώρα κατά τη διάρκεια διακοπής του ηλεκτρικού δικτύου κα μπορεί να επιφέρει καταστροφικά αποτελέσματα τόσο στον ίδιο το μετατροπέα όσο και στους συντηρητές του ηλεκτρικού δικτύου. Για τον έλεγχο των αντιστροφέων που χρησιμοποιούνται στα φ/β έχουν αναπτυχθεί αρκετές μέθοδοι παλμοδότησης. Αυτές μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες. Σε αυτές που αναγκάζουν το μετατροπέα να συμπεριφέρεται σαν πηγή ρεύματος και σε αυτές που τον κάνουν να λειτουργεί σαν πηγή τάσης. Όταν ένας αντιστροφέας συμπεριφέρεται σαν πηγή (1.3)

37 ρεύματος, θέλουμε στην έξοδό του να έχουμε ρεύμα ημιτονοειδούς μορφής στα 50 Hz και συμφασικό με την τάση του δικτύου. Αντίστοιχα στην δεύτερη κατηγορία θέλουμε ημιτονοειδή τάση στην ίδια συχνότητα. Επίσης η τάση στην έξοδο θα πρέπει να προπορεύεται της βασικής αρμονικής της εναλλασσόμενης τάσης του δικτύου προκειμένου να έχουμε μεταφορά ενεργού ισχύος προς αυτό. Οι τεχνικές παλμοδότησης της πρώτης κατηγορίας χρησιμοποιούνται πιο πολύ στην πράξη, επειδή ο έλεγχος ρεύματος περιορίζει τη μέγιστη τιμή του ρεύματος βραχυκύκλωσης. Στις περιπτώσεις που εφαρμόζεται έλεγχος της τάσης το ρεύμα βραχυκύκλωσης αποκτά ανεξέλεγκτα μεγάλη τιμή, πράγμα αρκετά επικίνδυνο όχι μόνο για το μετατροπέα αλλά και για ολόκληρο το σύστημα Πλεονεκτήματα φωτοβολταϊκών συστημάτων Μέχρι τώρα παρουσιάσθηκαν τα χαρακτηριστικά ενός φωτοβολταϊκού συστήματος. Σ αυτή την παράγραφο θα δούμε γιατί έχουν μπει αυτά τα συστήματα τόσο πολύ στη ζωή μας σε σχέση με τα ηλεκτρικά συστήματα άλλων Α.Π.Ε.. Ο λόγος είναι η πληθώρα πλεονεκτημάτων που προσφέρουν. Κατ αρχήν λειτουργούν χωρίς κινητά μέρη απαιτώντας έτσι ελάχιστη συντήρηση, πράγμα που αυξάνει την αξιοπιστία τους. Η αθόρυβη λειτουργία τους τα καθιστά φιλικά προς το περιβάλλον, ενώ σχετικά εύκολα μπορεί να επιτευχθεί οποιαδήποτε ηλεκτρική ισχύς από λίγα mw έως και μερικά MW. Επίσης η ενέργεια αυτή μπορεί να μας παρέχεται κατευθείαν χωρίς να είναι απαραίτητη η διαμεσολάβηση του δικτύου της Δ.Ε.Η.. Ένα άλλο καλό στοιχείο τους είναι ότι μπορούν να λειτουργήσουν και υπό νεφελώδη ουρανό λόγω τις ικανότητάς τους να αξιοποιούν και τη διάχυτη ακτινοβολία. Η μεγάλη διάρκεια ζωής τους (πάνω από 20 χρόνια) τέλος καθιστά ένα φωτοβολταϊκό σύστημα ελκυστική επένδυση[1, 11].

38 - 24 -

39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ BOOST-FLYBACK 2.1 Περιγραφή του αντιστροφέα Boost Flyback Σε αυτό το κεφάλαιο θα περιγραφεί η λειτουργία του αντιστροφέα Boost-Flyback, η μελέτη και η κατασκευή του οποίου αποτελεί και το κύριο αντικείμενο της διπλωματικής αυτής εργασίας. Αρχικά γίνεται μια γρήγορη αναφορά στο πως λειτουργεί το κύκλωμα και στη συνέχεια γίνεται η μελέτη της λειτουργίας των συνιστούντων μετατροπέων που θα συμβάλλουν στην καλύτερη κατανόηση των αρχών λειτουργίας του παρόντος αντιστροφέα. Σχήμα 2.1: Ο Boost Flyback αντιστροφέας Ο αντιστροφέας Boost-Flyback περιλαμβάνει τρία ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία, τέσσερις διόδους, ένα πηνίο, ένα μετασχηματιστή και ένα πυκνωτή. Το πηνίο Lb, που βρίσκεται στην είσοδο του αντιστροφέα, εξομαλύνει το ρεύμα που έρχεται από το φωτοβολταϊκό και παράλληλα μπορεί να αποθηκεύσει ενέργεια για ένα χρονικό διάστημα, κατά το οποίο το διακοπτικό στοιχείο δεν άγει. Το αν θα περάσει ή όχι ισχύς προς τα δευτερεύοντα τυλίγματα καθορίζεται από την κατάσταση του διακόπτη και των διόδων που βρίσκονται συνδεδεμένα στο πρωτεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή. Η οριζόντια δίοδος, D1, όταν πολώνεται ορθά επιτρέπει τη διέλευση ρεύματος προς το μετασχηματιστή ενώ την εμποδίζει όταν πολώνεται ανάστροφα. Όταν η D1 πολώνεται ανάστροφα, η κάθετη δίοδος D2 πολώνεται ορθά και κατευθύνει το ρεύμα μέσω του ημιαγωγικού στοιχείου. Το ημιαγωγικό στοιχείο δεν διαρρέεται από ρεύμα όταν η D2 είναι πολωμένη ανάστροφα. Οι δίοδοι και οι διακόπτες στο δευτερεύον ρυθμίζουν τη ροή ισχύος από το μετασχηματιστή προς το φορτίο. Ο μετασχηματιστής χρησιμοποιείται για την ηλεκτρική απομόνωση της εισόδου από την έξοδο. Ο πυκνωτής C b (πυκνωτής εισόδου) εξομαλύνει την τάση που αναπτύσσεται στα άκρα του πρωτεύοντος του μετασχηματιστή. Τέλος κατά τη διάρκεια εκφόρτισής του, το πηνίο L b φορτίζει το μετασχηματιστή. Ο πυκνωτής C f και το πηνίο L ac αποτελούν ένα φίλτρο τη λειτουργία του οποίου θα περιγράψουμε στη συνέχεια. Η λειτουργία του αντιστροφέα για ένα κύκλο λειτουργίας είναι η εξής: για όσο χρονικό διάστημα ο διακόπτης άγει (σχήμα 2.2), το ρεύμα που παράγει το φωτοβολταϊκό περνάει αφ ενός από το πηνίο L b, τη δίοδο D2 και το ελεγχόμενο ημιαγωγικό στοιχείο και αφ ετέρου διαρρέει τον πυκνωτή C b και το πρωτεύον του μετασχηματιστή. Σε αυτό το χρονικό διάστημα το πηνίο εισόδου αποθηκεύει ενέργεια, ενώ το ρεύμα που διαρρέει το πρωτεύον του Μ/Σ προέρχεται από την εκφόρτιση του πυκνωτή C b. Οι δίοδοι εξόδου είναι πολωμένες ανάστροφα οπότε δεν έχουμε ροή ενέργειας από το φ/β στο φορτίο.

40 Σχήμα 2.2: Ισοδύναμο κύκλωμα του αντιστροφέα για t ON Τη χρονική στιγμή που ανοίγει (σχήμα 2.3) ο ημιαγωγικός διακόπτης, η δίοδος D2 πολώνεται ανάστροφα ενώ η δίοδος D1 ορθά. Οπότε τώρα ο βρόχος ρεύματος στην είσοδο περιλαμβάνει το πηνίο L b, τη δίοδο D1 και τον πυκνωτή C b. Το πηνίο L b «αντιδρά» στην απότομη αλλαγή του ρεύματος και προσπαθώντας να διατηρήσει την προηγούμενη κατάσταση λειτουργεί ως πηγή τάσης με αντίθετη πολικότητα σε σχέση με πριν. Η ενέργεια που ελευθερώνει φορτίζει τον πυκνωτή C b, παρατηρείται δηλαδή ένας βρόχος LC κατά τον οποίο εκφορτίζεται το πηνίο L b και φορτίζεται ο πυκνωτής C b. Ανάλογα τώρα σε ποιο από τα δύο ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία εξόδου δώσουμε παλμό, η αντίστοιχη δίοδος θα πολωθεί ορθά. Αυτό συμβαίνει επειδή και ο μετασχηματιστής, αφού δεν διαρρέεται πλέον από ρεύμα, προσπαθώντας να διατηρήσει την προηγούμενη κατάσταση, δρα ως πηγή τάσης με ανεστραμμένη πολικότητα. Έτσι παρατηρείται ένα ρεύμα το οποίο μέσα από τα ενεργά ημιαγωγικά στοιχεία του δευτερεύοντος περνάει στην έξοδο. Σχήμα 2.3: Ισοδύναμο κύκλωμα του αντιστροφέα για το χρονικό διάστημα t off Ένας αντιστροφέας Boost-Flyback, που ελέγχεται με ένα διακοπτικό στοιχείο στην είσοδο, είναι δυνατόν να αναλυθεί αν θεωρήσουμε ότι αποτελείται από την σε σειρά σύνδεση ενός μετατροπέα Boost και ενός αντιστροφέα Flyback. Προκειμένου να γίνει κατανοητή η θεωρητική ανάλυση του αντιστροφέα Boost-Flyback αναλύονται αρχικά οι συνιστούντες μετατροπείς του, έτσι ώστε σταδιακά να προκύψουν και τα συμπεράσματα για τον DC/AC μετατροπέα Boost-Flyback. 2.2 Ο μετατροπέας Boost Ο μετατροπέας Boost είναι ένας DC/DC μετατροπέας ανύψωσης τάσης. Αυτό που κάνει είναι ότι δέχεται μία συνεχή τάση στην είσοδο και ανάλογα με το λόγο κατάτμησης βγάζει μία συνεχή τάση στην έξοδο υψηλότερη της εισόδου. Το κύκλωμα ενός μετατροπέα τύπου Boost φαίνεται στο σχήμα 2.4.

41 Σχήμα 2.4: Ο Boost μετατροπέας [4] Ο συγκεκριμένος μετατροπέας έχει μόνο ένα ελεγχόμενο ημιαγωγικό στοιχείο. Όταν αυτό άγει η δίοδος Do είναι πολωμένη ανάστροφα και παρατηρούνται δύο βρόχοι(σχήμα 2.3). Ο βρόχος εισόδου φορτίζει το πηνίο μέσω της πηγής ενώ ο βρόχος εξόδου τροφοδοτεί το φορτίο μέσω του πυκνωτή εξόδου. Όταν σταματήσει να άγει ο διακόπτης η δίοδος Do πολώνεται ορθά και το ρεύμα εισόδου ρέει προς την έξοδο(σχήμα 2.4). Δηλαδή σ αυτή την περίπτωση η πηγή και το πηνίο μεταφέρουν την ενέργειά τους προς στην έξοδο. Έτσι η τάση εξόδου έχει υψηλότερη τιμή από αυτή της εισόδου. Σχήμα 2.5: Ισοδύναμο κύκλωμα Boost όταν άγει το MOSFET [4] Σχήμα 2.6: Ισοδύναμο κύκλωμα Boost όταν δεν άγει το MOSFET [4] Γενικά υπάρχουν σ αυτού του είδους τους μετατροπείς δύο καταστάσεις λειτουργίας. Η κατάσταση συνεχούς αγωγής (Continuous Conduction Mode, CCM), κατά την οποία όταν

42 είναι ανοιχτός ο διακόπτης η ενέργεια στο πηνίο δεν μηδενίζεται μέχρι να ξανακλείσει και η κατάσταση ασυνεχούς αγωγής (Discontinuous Conduction Mode, DCM), κατά την οποία μέχρι να ξανακλείσει ο διακόπτης η ενέργεια του πηνίου έχει μηδενιστεί και δεν ρέει πια ρεύμα από μέσα του. Για τον μετατροπέα τύπου Boost όταν αυτός βρίσκεται σε κατάσταση συνεχούς αγωγής ρεύματος ισχύει [3]: = (2.1) όπου δ είναι ο λόγος κατάτμησης (duty cycle) δηλαδή το ποσοστό της διακοπτικής περιόδου κατά την οποία το διακοπτικό στοιχείο άγει. Όταν ο Boost είναι στην κατάσταση της ασυνεχούς αγωγής ισχύει[3]: = (2.2) όπου το I nb δηλώνει το, κανονικοποιημένο ως προς τον παράγοντα, ρεύμα εξόδου του μετατροπέα. Η V i είναι η τάση εισόδου, T s η διακοπτική περίοδος και L b η τιμή της επαγωγής εισόδου. Η τιμή του ρεύματος η οποία αν ξεπεραστεί ο Boost μετατροπέας πηγαίνει στην άλλη κατάσταση αγωγής δίδεται από τον τύπο: I, = ( ), όταν V = σταθ. (2.3) όπου I o,b είναι το όριο συνεχούς-ασυνεχούς αγωγής. Στο παρακάτω σχήμα φαίνονται οι χαρακτηριστικές καμπύλες εξόδου του μετατροπέα Boost υπό την προϋπόθεση ότι η τάση εισόδου παραμένει σταθερή.

43 Σχήμα 2.7: Χαρακτηριστικές καμπύλες του Boost [4] Στον κατακόρυφο άξονα τοποθετείται ο λόγος της τάσεως εξόδου προς την τάση εισόδου. Στον οριζόντιο είναι το κανονικοποιημένο ρεύμα εξόδου ως προς τον παράγοντα που αναφέρθηκε προηγουμένως. Η καμπύλη στο κέντρο οριοθετεί τις περιοχές συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής. Αριστερά της ο μετατροπέας λειτουργεί στην ασυνεχή αγωγή ενώ δεξιά στη συνεχή. Παράμετρος των παραπάνω καμπυλών είναι ο λόγος κατάτμησης δ. Από τις καμπύλες αυτές φαίνεται ότι στην περιοχή ασυνεχούς αγωγής το κανονικοποιημένο ρεύμα τείνει να γίνει κάθετο στον οριζόντιο άξονα, οπότε ο μετατροπέας λειτουργεί κατά προσέγγιση σαν πηγή ρεύματος ενώ αντίστοιχα στην περιοχή συνεχούς αγωγής ο μετατροπέας λειτουργεί σαν πηγή τάσης.

44 Ο μετατροπέας Flyback Ο μετατροπέας τύπου Flyback είναι και αυτός ένας DC/DC μετατροπέας. Η διαφορά του είναι ότι περιλαμβάνει και μετασχηματιστή απομόνωσης. Ο μετασχηματιστής αυτός απομονώνει την είσοδο από την έξοδο του μετατροπέα σε περίπτωση βλάβης ή βραχυκυκλώματος ώστε να μην καταστραφεί το ημιαγωγικό στοιχείο ή το φωτοβολταϊκό σύστημα της εγκατάστασης. Η τοπολογία του φαίνεται στο επόμενο σχήμα. Σχήμα 2.8: Ο μετατροπέας Flyback [4] Ο Flyback ανήκει και σε μία άλλη κατηγορία μετατροπέων τους ασύμμετρους μετατροπείς ή μονοκατευθυντικής διέγερσης, στους οποίους το σημείο μαγνητικής λειτουργίας του μετασχηματιστή βρίσκεται πάντα στο πρώτο τεταρτημόριο του βρόχου υστέρησης B-H. Αυτό σημαίνει ότι δεν έχουμε πλήρη εκμετάλλευση του μετασχηματιστή. Η μαγνητική ροή και το μαγνητικό πεδίο δηλαδή δεν αλλάζουν ποτέ πρόσημο. Πλήρης εκμετάλλευση θα υπήρχε αν το σημείο μαγνητικής λειτουργίας βρίσκεται είτε στο πρώτο είτε στο τρίτο τεταρτημόριο, πράγμα που συμβαίνει στους συμμετρικούς μετατροπείς. Κατά τη λειτουργία του μετατροπέα όταν ο διακόπτης είναι κλειστός (άγει) η δίοδος είναι ανάστροφα πολωμένη και δεν άγει. Άρα κατά τη χρονική περίοδο t on η ενέργεια συσσωρεύεται στο μετασχηματιστή, αφού δεν μπορεί να διοχετευθεί στην έξοδο. Το φορτίο τότε τροφοδοτείται από την ενέργεια που έχει αποθηκευτεί στον πυκνωτή. Όταν ανοίξει ο διακόπτης η ενέργεια που αποθηκεύτηκε στο μετασχηματιστή διοχετεύεται στην έξοδο μέσω της διόδου που πλέον η ορθή της πόλωση την επιτρέπει να άγει. Αυτή η ενέργεια πάει και στο φορτίο αλλά και φορτίζει τον πυκνωτή εξόδου. Στο σημείο αυτό να σημειωθεί ότι η τάση στην έξοδο είναι ανεστραμμένη σε σχέση με την τάση εισόδου. Τέλος ο μετασχηματιστής του Flyback μπορεί να θεωρηθεί ως ένα πηνίο με πολλαπλά τυλίγματα τα οποία διαρρέονται από ρεύμα σε διαφορετικά χρονικά διαστήματα της διακοπτικής περιόδου και αποθηκεύουν ενέργεια στο εσωτερικό του πυρήνα. Στη συνεχή κατάσταση αγωγής (CCM) ισχύει η σχέση [3]: = δ δ (2.4) όπου n είναι ο λόγος μετασχηματισμού.

45 Όταν ο Flyback είναι στην κατάσταση ασυνεχούς αγωγής (DCM) η εξίσωση γίνεται [3]: = (2.5) όπου και εδώ το I nf υποδηλώνει το κανονικοποιημένο ρεύμα εξόδου ως προς τον παράγοντα αυτή τη φορά. Το L f υποδηλώνει την τιμή της επαγωγής του πρωτεύοντος τυλίγματος ενώ το L n είναι η ανηγμένη τιμή του L f ως προς το δευτερεύον. Ο μετατροπέας Flyback είναι παρόμοιος με τον Buck-Boost μόνο που αντί για πηνίο έχει το μετασχηματιστή. Οπότε οι χαρακτηριστικές τους καμπύλες είναι ίδιες. Σχήμα 2. 9 Χαρακτηριστικές καμπύλες του Flyback [4] Στον κάθετο άξονα είναι ο λόγος της ανηγμένης στο πρωτεύον τάσης εξόδου προς την τάση εισόδου και στον οριζόντιο είναι το κανονικοποιημένο ρεύμα εξόδου του μετατροπέα. Παράμετρος των καμπυλών είναι ο λόγος κατάτμησης δ, ενώ το όριο συνεχούς και ασυνεχούς περιοχής φαίνεται από τη γραμμή και δίνεται από τον τύπο: I, = ( δ) (2.6)

46 Ο DC/DC μετατροπέας Boost Flyback Ο Boost Flyback είναι ένα ακόμα είδος μετατροπέα συνεχούς τάσης σε συνεχή. Η λειτουργική του συμπεριφορά μπορεί να αναλυθεί θεωρώντας ένα μετατροπέα Boost σε σειρά με ένα μετατροπέα Flyback. Ο εν λόγω μετατροπέας χρησιμοποιείται κυρίως για επιδιόρθωση του συντελεστή ισχύος (Power Factor Corrector, PFC), χωρίς να δίνεται τόσο σημασία στην θεωρητική του ανάλυση και στη λειτουργία του ως απλός ανυψωτής της DC τάσης εισόδου. Η αρχή λειτουργίας ενός DC/DC μετατροπέα ως PFC συνοπτικά είναι: πριν τον μετατροπέα υπάρχει μία γέφυρα η οποία ανορθώνει πλήρως το ημίτονο του οποίου ο συντελεστής ισχύος πρέπει να μεταβληθεί. Αλλάζοντας τον πυκνωτή εισόδου από ένα μεγάλο ηλεκτρολυτικό σε ένα κατά πολύ μικρότερο, ο οποίος μόνο σκοπό έχει να κόβει τις υψίσυχνες συντιστώσες, η τάση εισόδου του DC/DC μετατροπέα δεν είναι σταθερή αλλά έχει μία κυμάτωση. Μέσω του κατάλληλου ελέγχου των ημιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων επιτυγχάνεται τελικά η βελτιστοποίηση του συντελεστή ισχύος. Συγκεκριμένα μεταβάλλοντας λόγο κατάτμησης δ επιτυγχάνεται ανύψωση ή υποβιβασμός της τάσης, που έχει ως αποτέλεσμα το ρεύμα εισόδου να γίνει συμφασικό της τάσης. Επειδή επιπλέον τα ελεγχόμενα διακοπτικά στοιχεία του Boost και του Flyback έχουν κοινό έλεγχο μας δίνεται η δυνατότητα αν είναι συνδεδεμένα μεταξύ τους κατάλληλα να αντικατασταθούν με ένα μόνο ελεγχόμενο στοιχείο. Ο τρόπος με τον οποίο πρέπει οι δύο διακόπτες να είναι συνδεδεμένοι καθώς και το κύκλωμα που προκύπτει φαίνονται στο σχήμα 2.8 και 2.9 αντίστοιχα. Σχήμα 2.10: Δύο διακόπτες σε ένα [7] Στον μετατροπέα Boost Flyback συνεπώς μπρούν οι δύο διακόπτες να αντικατασταθούν από ένα κοινό. Έχει αποδειχθεί κιόλας [8] ότι η λειτουργία του Boost Flyback είτε έχει δύο διακόπτες είτε έχει μόνο ένα διακόπτη είναι ακριβώς η ίδια κάτι που μας βολεύει καθώς πλέον μπορούμε να έχουμε χαμηλότερο κόστος και υψηλότερη απόδοση. Από εδώ και πέρα όταν αναφερόμαστε στον μετατροπέα Boost Flyback θα εννοείται ότι στην είσοδο έχει μόνο ένα ελεγχόμενο ημιαγωγικό στοιχείο.

47 Σχήμα 2.11: Ο DC/DC Boost-Flyback μετατροπέας Ο συγκεκριμένος μετατροπέας έχει 4 δυνατές καταστάσεις λειτουργίας ανάλογα με το σε ποια κατάσταση είναι ο Boost και σε ποια ο Flyback [8,9]. Οπότε αυτές οι καταστάσεις είναι CCM-CCM, CCM-DCM, DCM-CCM, DCM-DCM. Παρακάτω θα παρουσιάσθούν οι εξισώσεις που διέπουν τον Boost Flyback σε κάθε κατάσταση λειτουργίας. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι οι εξισώσεις αυτές είναι άμεσα αποτελέσματα των εξισώσεων αν θεωρηθεί ότι η τάση και το ρεύμα εξόδου του Boost είναι είσοδος στον Flyback, ο λόγος κατάτμησης δ είναι κοινός αφού ο έλεγχος είναι ενιαίος και η ισχύς εισόδου είναι ίση με την ισχύ εξόδου, δηλαδή ο βαθμός απόδοσης η είναι μονάδα. Συνεπώς για κάθε μία από τις προαναφερθείσες καταστάσεις λειτουργίας ισχύουν οι παρακάτω τύποι [9]: a) Στην κατάσταση CCM-CCM ισχύει: = ( ) (2.7) b) Στην κατάσταση CCM-DCM ισχύει: = (2.8) όπου I = c) Στην κατάσταση DCM-CCM ισχύει: = + k (2.9) όπου I = και k =. d) Στην κατάσταση DCM-DCM ισχύει:

48 = (k + k ) (2.10) όπου I =, k = και k =. Στη συνέχεια προσδιορίζονται οι οριακές καταστάσεις του συνολικού μετατροπέα. Όταν ο μετατροπέας Boost-Flyback λειτουργεί σε CCM-CCM, η μία κατάσταση είναι αυτή όπου ο μετατροπέας τύπου Flyback περνάει από την περιοχή συνεχούς λειτουργίας στην ασυνεχή και η άλλη είναι όταν ο Boost μπαίνει στην ασυνεχή λειτουργία ενώ είναι στη συνεχή. Το γεγονός ποιος από τους δύο μετατροπείς θα μπει πρώτος στην ασυνεχή αγωγή εξαρτάται τόσο από την τιμή του λόγου κατάτμησης όσο και από την τιμή του k L, δηλαδή από το λόγο του πρωτεύοντος τυλίγματος του μετασχηματιστή προς το πηνίο του Boost. Έστω ότι πρώτος αλλάζει περιοχή λειτουργίας ο Flyback. Τότε θα ισχύει: I = ( ) I = ( δ) δ ( δ) (2.11) και κανονικοποιώντας το ρεύμα εξόδου αυτό προκύπτει I = (2.12) Όταν αλλάζει κατάσταση πρώτος ο Boost οι οριακές εξισώσεις του ρεύματος είναι οι παρακάτω: = ( ) ( ) = ( ) (2.13) και κανονικοποιώντας πάλι το ρεύμα εξόδου προκύπτει: I = ( ) k (2.14) Στη συνέχεια διερευνάται για ποιες τιμές του λόγου κατάτμησης, δ, και λόγου πηνίων, k L, μπαίνει πρώτα ο Boost σε DCM και για ποιες μπαίνει πρώτος ο Flyback. Σχηματίζοντας τον λόγο: I I = V n T L n L L V (1 δ) n T L n (1 δ) 2 δ (1 δ) 2 (1 δ) = δ μπορεί να ελεγχθεί πότε αυτός γίνεται μεγαλύτερος της μονάδας έτσι ώστε να βγει το συμπέρασμα ποιος από τους δύο μετατροπείς θα μπει πρώτος σε ασυνεχή λειτουργία. Ο λόγος k

49 αυτός εξαρτάται από δύο μόνο παραμέτρους το δ και το k L. Διατηρώντας σταθερό το λόγο κατάτμησης τότε το αποτέλεσμα εξαρτάται μόνο από τον λόγο των πηνίων. Οπότε αν ( δ) k > 1 πρώτος εισέρχεται στην ασυνεχή αγωγή ο Boost ενώ αν ( δ) k < 1 πρώτος δ εισέρχεται ο Flyback. Για δεδομένο τώρα λόγο πηνίων το δ θα μας καθορίσει ποιος μετατροπέας θα αλλάξει πρώτος κατάσταση αγωγής. Όταν δ < πρώτος σε DCM ενώ αν δ > ο Flyback θα αλλάξει πρώτος κατάσταση. ο Boost μπαίνει Έχει βρεθεί ότι ο συγκεκριμένος μετατροπέας δεν μπορεί να λειτουργήσει διαδοχικά και στις τέσσερις καταστάσεις λειτουργίας. Αυτό συμβαίνει διότι αν ένας μετατροπέας μεταβεί από τη μία κατάσταση αγωγής στην άλλη, μετά δεν μπορεί να επανέλθει στην προηγούμενη κατάσταση αγωγής. Για παράδειγμα αν ο μετατροπέας Boost μεταβεί πρώτος στην κατάσταση ασυνεχούς αγωγής, τότε θα εξακολουθεί να λειτουργεί σε DCM, ανεξάρτητα από την κατάσταση λειτουργίας του Flyback [8]. Τέλος για να ολοκληρωθεί η μελέτη του Boost Flyback DC/DC μετατροπέα παρατίθενται οι χαρακτηριστικές του καμπύλες. δ Σχήμα 2.12: Χαρακτηριστικές καμπύλες του Boost-Flyback μετατροπέα για k L =4 [9] Στον κατακόρυφο άξονα βρίσκεται το κέρδος τάσης κανονικοποιημένο ρεύμα εξόδου ως προς τον παράγοντα και στον οριζόντιο το. Και σε αυτές τις

50 χαρακτηριστικές παράμετρος είναι ο λόγος κατάτμησης δ. Μελετώντας το σχήμα προκύπτει το κέρδος τάσης παραμένει σταθερό, έστω και αν το ρεύμα εξόδου μειώνεται όταν και οι δύο μετατροπείς ξεχωριστά βρίσκονται σε περιοχή συνεχούς αγωγής. Αν έστω ένας από τους δύο μετατροπείς δεν είναι στην περιοχή συνεχούς τότε ο παραπάνω λόγος αυξάνεται. Το τείνει στο άπειρο όταν το ρεύμα μηδενίζεται ενώ αν θέλουμε να το μειώσουμε μειώνουμε το duty cycle. 2.5 Λειτουργία DC/DC μετατροπέων σαν αντιστροφείς Ο Flyback inverter Ένας μετατροπέας συνεχούς τάσης σε συνεχή με μετασχηματιστή απομόνωσης μπορεί να λειτουργήσει και σαν αντιστροφέας. Ο μετασχηματιστής όμως τώρα απαιτείται να έχει δύο δευτερεύοντα τυλίγματα. Με κατάλληλο έλεγχο των ημιαγωγικών διακοπτών που τοποθετούνται σε κάθε ένα από τα δευτερεύοντα τυλίγματα, το ρεύμα διοχετεύεται διαδοχικά από τον ένα κλάδο στον άλλο δημιουργώντας τελικά αντιστροφή της ισχύος εξόδου. Για να γίνει αυτό κατανοητό, στη συνέχεια της παραγράφου θα παρουσιασθεί η λειτουργία του Flyback inverter. Σχήμα 2.13: αντιστροφέας Flyback [17] Κατ αρχήν να σημειωθεί ότι η αποδοτικότερη λειτουργία του συγκεκριμένου αντιστροφέα γίνεται όταν αυτός είναι στην περιοχή ασυνεχούς αγωγής. Αυτό συμβαίνει για δύο κυρίως λόγους. Επειδή όπως είναι γνωστό το μέγεθος των μαγνητικών στοιχείων ενός κυκλώματος είναι γενικά ένα μειονέκτημα των μετατροπέων με μετασχηματιστή απομόνωσης, πρέπει να μειωθεί η αυτεπαγωγή του μετασχηματιστή. Μειώνοντας όμως το L f από τη σχέση 2.6 προκύπτει ότι μεγαλώνει το I o,b και συνεπώς και η περιοχή ασυνεχούς αγωγής. Άρα για να επιτευχθεί η ελαχιστοποίηση των διαστάσεων του αντιστροφέα θα πρέπει να αποφύγουμε τη λειτουργία του σε CCM. Ο άλλος λόγος είναι ότι όταν ο μετατροπέας είναι σε CCM ο μετασχηματιστής δεν εκφορτίζεται πλήρως κατά τη διάρκεια μίας διακοπτικής περιόδου, έχοντας ως αποτέλεσμα ο αντιστροφέας να λειτουργεί σαν μία πηγή τάσης η τιμή της οποίας είναι ανεξάρτητη του φορτίου [7]. Στη συνέχεια θα αναλύσουμε τη λειτουργία του Flyback inverter στην περιοχή ασυνεχούς αγωγής αφού πρώτα εξηγήσουμε πως ακριβώς λειτουργεί.

51 Για να είναι εφικτή η μεταφορά στο δίκτυο μόνο πραγματικής ισχύος θα πρέπει να εξασφαλίζεται στην έξοδο του αντιστροφέα ρεύμα ημιτονοειδούς μορφής, συχνότητας 50Hz και συμφασικό με την τάση του δικτύου. Όλα αυτά επιτυγχάνονται με τον κατάλληλο έλεγχο των τριών διακοπτών. Ο διακόπτης του πρωτεύοντος δημιουργεί την κατάλληλη μορφή του ρεύματος εξόδου ενώ οι διακόπτες στο δευτερεύον άγουν εναλλάξ κατά τη διάρκεια μίας περιόδου δικτύου δημιουργώντας έτσι την ταλάντωσης στα 50Hz. Συγκεκριμένα για να είναι εφικτή η δημιουργία ημιτονοειδούς ρεύματος εξόδου, στον διακόπτη του πρωτεύοντος εφαρμόζεται μία τεχνική ελέγχου κατά την οποία οι μέγιστες τιμές του διακοπτικού ρεύματος εισόδου εξαναγκάζονται να διαμορφώνονται σύμφωνα με την ημιτονοειδή τάση του δικτύου (τεχνική SPWM). Αυτή η τεχνική γίνεται πιο κατανοητή από το σχήμα Σχήμα 2.14: Απεικόνιση του ρεύματος που διαρρέει το μετασχηματιστή στην περιοχή της ασυνεχούς αγωγής (οι τιμές του ρεύματος των δευτερευόντων τυλιγμάτων έχουν αναχθεί στην πλευρά της Φ/Β γεννήτριας) [17] Όταν ο διακόπτης του πρωτεύοντος δεν άγει τότε η ενέργεια περνάει από το δευτερεύον του μετασχηματιστή στην έξοδο. Ανάλογα με την πολικότητα της τάσης του δικτύου εκείνη τη στιγμή δίνεται ο παλμός έναυσης στο κατάλληλο τρανζίστορ του δευτερεύοντος επιτυγχάνοντας με αυτό τον τρόπο συμφασικότητα με το δίκτυο. Ακολουθεί η αριθμητική ανάλυση. Κατά το χρονικό διάστημα όπου το τρανζίστορ του πρωτεύοντος άγει, το ρεύμα που διαπερνάει το πρωτεύον του μετασχηματιστή υπολογίζεται από τη σχέση: V = L ( ) (2.15) όπου V DC είναι η τάση εισόδου το μετατροπέα και L f είναι η επαγωγή του πρωτεύοντος του μετασχηματιστή.

52 Από την παραπάνω εξίσωση προκύπτει ότι η μέγιστη τιμή του ρεύματος σε κάθε διακοπτικό κύκλο είναι: i, = t (t) (2.16) όπου t [(i-1)t S, it S ], i=1,2,,w Βάζοντας το λόγο κατάτμησης (δ = ) στην προηγούμενη εξίσωση και χρησιμοποιώντας τη διακοπτική συχνότητα f S αυτή παίρνει τη μορφή: i, = L δ(t) (2.17) Λόγω του οι μέγιστες τιμές του ρεύματος στο μετασχηματιστή πρέπει να ακολουθούν ένα ημίτονο, το ρεύμα μπορεί να γραφεί ως εξής:, ( ) =, sin, ωt [0,π] (2.18) όπου I, = t, είναι η μέγιστη τιμή του ρεύματος που διαρρέει το πρωτεύον του μετασχηματιστή και εμφανίζεται όταν ωt = π 2. t on,p είναι η τιμή του χρονικού διαστήματος κατά την οποία άγει ο διακόπτης στο πρωτεύον. Ο λόγος κατάτμησης άρα μπορεί να εκφραστεί σαν: δ(t) = δ sin ωt (2.19) όπου δ p είναι η τιμή του λόγου κατάτμησης τη χρονική στιγμή που έχουμε μέγιστο ρεύμα δηλαδή τη χρονική στιγμή ωt = π 2. Συνδυάζοντας τις δύο τελευταίες εξισώσεις (2.18 και 2.19) το μέγιστο ρεύμα I DC,p προκύπτει: I, = δ (2.20) Για να είναι ο αντιστροφέας Flyback σε DCM θα πρέπει το ρεύμα που διαρρέει το δευτερεύον του μετασχηματιστή να μηδενίζεται πριν το ξεκίνημα της επόμενης διακοπτικής περιόδου δηλαδή θα πρέπει να ισχύει: t T t, (2.21) Κατά τη διάρκεια που ο διακόπτης του πρωτεύοντος δεν άγει, αν n είναι ο λόγος μετασχηματισμού (n = ) ισχύει: u (t) = [ ( )] (2.22)

53 Η διακοπτική περίοδος (~khz) είναι πολύ μικρότερη από αυτή του δικτύου (~Hz) οπότε μπορεί να θεωρηθεί ότι η u AC (t) παραμένει σταθερή κατά τη διάρκεια μίας διακοπτικής περιόδου. Επίσης στην περίπτωση όπου το ρεύμα μηδενίζεται ακριβώς στο τέλος του διαστήματος t off, το t off εκφράζεται ως εξής: t (t) =, ( ) (2.23) ( ) Από την εξίσωση 2.20 και επειδή ( ) =. sin η προηγούμενη εξίσωση γίνεται: t (t) =, δ (2.24) Αν θεωρήσουμε ότι, = λ τότε η 2.24 γίνεται ( ) = λ δ (2.25) Αφού το δ p είναι σταθερό όπως και το n, προκύπτει ότι ο παραπάνω λόγος κατά τη διάρκεια μιας περιόδου δικτύου, για οποιαδήποτε διακοπτική περίοδο παραμένει σταθερός, αρκεί και το λ να είναι σταθερό. Από την 2.25 η 2.21 πλέον γίνεται [17]: δ (2.26) Άρα η οριακή τιμή του λόγου κατάτμησης κατά την οποία ο αντιστροφέας μένει στην κατάσταση ασυνεχούς αγωγής για το μέγιστο επίπεδο ισχύος της φωτογεννήτριας είναι: d, = λ (2.27)

54 Ο αντιστροφέας Boost Flyback Ο αντιστροφέας Boost Flyback είναι μία μίξη των μετατροπέων που περιγράφηκαν παραπάνω. Η αρχή λειτουργίας του είναι όμοια με δύο Boost Flyback DC/DC μετατροπείς που άγουν συμπληρωματικά όπως περιγράφει ο Flyback inverter. Οι εξισώσεις που διέπουν το συγκεκριμένο αντιστροφέα είναι παρόμοιες με αυτές του Flyback αντιστροφέα αν αλλάξουμε την είσοδο. Άρα αν στις παραπάνω σχέσεις βάλουμε όπου V DC το V o,boost έχοντας ως είσοδο V i την είσοδο του Boost προκύπτουν τα παρακάτω: δ λ δ δ, δ ( δ) ( δ), n δ δ + δ V V, n + n δ δ 2 n + V V, δ + n 0 (2.28) Ο τύπος 2.28 μας δίνει την έκφραση που πρέπει να έχει ο λόγος κατάτμησης του Boost- Flyback αντιστροφέα, ώστε ο Flyback να λειτουργεί στην ασυνεχή αγωγή. Τέλος το φίλτρο που χρησιμοποιεί στην έξοδό του ο αντιστροφέας Boost-Flyback (είναι το ίδιο με αυτό του Flyback αντιστροφέα) αποτελείται από ένα πυκνωτή C και ένα πηνίο. Το πηνίο έχει μία αρκετά μεγάλη τιμή, πράγμα που μεγαλώνει πάρα πολύ την εμπέδησή του. Από την άλλη πλευρά ο πυκνωτής λαμβάνει μία πολύ μικρή τιμή, μειώνοντας έτσι την εμπέδησή του. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τα υψίσυχνα ρεύματα που ακολουθούν το δρόμο με την μικρότερη εμπέδηση να περνάνε μέσα από τον πυκνωτή και να μην φτάνουν στην έξοδο.

55 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΣΥΝΔΕΣΗΣ ΤΟΥ BOOST-FLYBACK ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ 3.1 Γενικά Στο κεφάλαιο αυτό παρατίθενται οι προσομοιώσεις που έγιναν για τον αντιστροφέα Boost- Flyback. Με αυτόν τον τρόπο επιβεβαιώθηκε η ισχύς της θεωρητικής ανάλυσης που έγινε στο προηγούμενο κεφάλαιο. Καθώς ο απώτερος σκοπός της συγκεκριμένης διάταξης είναι η σύνδεσή της με το δίκτυο χαμηλής τάσης, οι προσομοιώσεις έγιναν έχοντας ως έξοδο το δίκτυο και όχι μία αντίσταση. Επίσης παρατίθεται η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε προκειμένου να επιλέξουμε τα μεγέθη των στοιχείων που χρησιμοποιήθηκαν. 3.2 Προδιαγραφές του αντιστροφέα Boost-Flyback Η μελέτη του αντιστροφέα έγινε για ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο που έχει ως μέγιστη τάση εξόδου V m =23.2V, ενώ η τάση ανοιχτού κυκλώματός του είναι V oc =26.6V. Το μέγιστο ρεύμα εξόδου ισούται με I m =4.31A που σε συνδυασμό με την μέγιστη τάση εξόδου παράγουν P m =100W μέγιστη ισχύ εξόδου [13]. Με βάση αυτά τα χαρακτηριστικά εισόδου ο αντιστροφέα Boost-Flyback θα πρέπει στην έξοδό του να παράγει V rms =220V στα 50Hz με ιδανικό βαθμό απόδοσης η=1. Παράλληλα και ο συντελεστής ισχύος θα πρέπει να είναι μονάδα. Ως διακοπτική συχνότητα επιλέχθηκαν τα 100kHz. Η επιλογή της συγκεκριμένης διακοπτικής συχνότητας έγινε ώστε να μειωθεί κατά το δυνατόν ο όγκος των μαγνητικών στοιχείων. Ο αντιστροφέας Boost-Flyback επιλέχθηκε να λειτουργεί σε CCM-DCM. Ο μετατροπέας Boost που βρίσκεται στην είσοδο θα πρέπει να διατηρεί την τάση εισόδου του Flyback όσο το δυνατόν σταθερότερη. Έτσι θα πρέπει να λειτουργεί σαν πηγή τάσης δηλαδή να είναι στη CCΜ κατάσταση αγωγής. Λειτουργώντας όμως σε CCM και το ρεύμα που διαρρέει το κύκλωμά του είναι σταθερό. Έτσι το ρεύμα εισόδου στον Boost, δηλαδή το ρεύμα εξόδου του φωτοβολταϊκού είναι σταθερό. Με αυτόν τον τρόπο διευκολύνεται η εύρεση του μέγιστου σημείο λειτουργίας του φ/β. Όπως αναφέρθηκε και πριν ο Flyback πρέπει να λειτουργεί σε DCM ώστε από τη μία να μικρύνει το μέγεθος του μετασχηματιστή και από την άλλη να λειτουργεί σαν πηγή ρεύματος. Η πηγή ρεύματος, εφόσον ο αντιστροφέας συνδέεται με το δίκτυο, εξασφαλίζει μία σταθερή ισχύς στην έξοδου του μετατροπέα. Αυτό είναι λογικό, αφού η τάση του δικτύου είναι σταθερή και αμετάβλητη. 3.3 Μεθοδολογία Αρχικά να υπενθυμίσουμε ότι ο μετατροπέας μας θέλουμε να είναι σε CCM-DCM λειτουργία. Οι εξισώσεις που διέπουν έναν DC/DC τέτοιον μετατροπέα είναι οι 2.8. = δ δ = δ δ

56 = δ δ Από την εξίσωση 3.1 αποδεικνύεται ότι ο λόγος μετασχηματισμού n δεν παίζει κανένα ρόλο στο ποια κατάσταση αγωγής θα είναι ο μετατροπέας. Στο σημείο αυτό θα πρέπει να επιλεχθούν τα μεγέθη των μαγνητικών στοιχείων (πηνίο Boost και μετασχηματιστής Flyback) ώστε ο αντιστροφέας να είναι στην επιθυμητή κατάσταση λειτουργίας. Καθώς η μέθοδος παλμοδότησης θα είναι η SPWM θα πρέπει για το μέγιστο duty cycle ο Flyback να παραμένει σε DCM και για το ελάχιστο ο Boost να είναι σε CCM. Άρα θα μπορούσαμε ποιοτικά να πούμε ότι θα θέλαμε το πηνίο του Boost να είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερο χωρίς παράλληλα να επιβαρύνει τη διάταξή μας. Θεωρώντας αρχικά ότι τα μεγέθη των μαγνητικών στοιχείων προκύπτουν σαν να έχουμε τους δύο μετατροπείς ξεχωριστά, διευκολύνεται αρκετά η διαδικασία επιλογής της κατάλληλης τιμής τους. Αφού επιλεγούν οι τιμές για το πηνίο του Boost και του μετασχηματιστή του Flyback γίνεται ένας έλεγχος αν αυτές οι τιμές είναι αποδεκτές (δηλαδή αν είναι δυνατόν να κατασκευαστεί ένα τέτοιο μαγνητικό στοιχείο) και τι αποτελέσματα έχει ο λόγος τους (k L ) στον αντιστροφέα Boost-Flyback. Επειδή όμως το μεταβλητό duty cycle δημιουργεί προβλήματα στην κατανόηση της αλληλεπίδρασης των δύο μετατροπέων σε σχέση με το k L, δημιουργήθηκε ένα πρόγραμμα στο Microsoft Excel, που βοηθάει να γίνει κατανοητό σε σε θεωρητικό επίπεδο, τί γίνεται στο κύκλωμά όταν μεταβάλλεται ο λόγος κατάτμησης. Με αυτόν τον τρόπο προκύπτουν οι χαρακτηριστικές καμπύλες του Boost- Flyback και μπορεί πια κανείς να δει σε ποια ακριβώς κατάσταση λειτουργίας βρίσκεται το κύκλωμα σε στιγμή. Η γενική ιδέα πάνω στην οποία βασίστηκε το πρόγραμμα που δημιουργήθηκε στο Excel ήταν η εξής: όπως αναλύθηκε και στο κεφάλαιο 2 υπάρχει μία τιμή του λόγου κατάτμησης η οποία και καθορίζει ποιος από τους δύο μετατροπείς θα μπει πρώτος σε ασυνεχή αγωγή. Ως πρώτο βήμα άρα ελέγχεται ποιο είναι το δ σε σχέση με τις επιλεγείσες τιμές των πηνίων [9] (3.1) (δ = ). Χρησιμοποιώντας μετά τις εξισώσεις 2.12 και 2.14 προκύπτουν οι οριακές τιμές των κανονικοποιημένων ρευμάτων εξόδων των δύο μετατροπέων ξεχωριστά. Αλλάζοντας το δ πλέον φαίνεται παραστατικά (σχήμα 3.1) σε ποια κατάσταση λειτουργίας είναι ο αντιστροφέας κάθε φορά.

57 Σχήμα 3.1: I-δ καμπύλες Boost και Flyback για k L =4 Από το παραπάνω σχήμα γίνεται εμφανής η εξάρτηση των ρευμάτων από το λόγο κατάτμησης. Επιλέγοντας δ τα οποία είναι κάτω από το όριο του Flyback, o Flyback θα είναι σε DCM. Το αντίστοιχο ισχύει για τον Boost. Δοκιμάζοντας διάφορους λόγους πηνίων προέκυψε ότι το καλύτερο θα ήταν ο λόγος k L να είναι μικρότερος της μονάδας δηλαδή για αυτές τις τιμές k L ο αντιστροφέας είναι πιο εύκολο να λειτουργήσει σε CCM-DCM. Επίσης αυτό το συμπέρασμα προκύπτει και από το σχήμα 4.2 όπου απεικονίζονται οι χαρακτηριστικές του αντιστροφέα Boost-Flyback.

58 Σχήμα 3. 2: - I N χαρακτηριστικές καμπύλες του B-F για k L =4 Από το σχήμα 3.2 φαίνεται ότι ο αντιστροφέας μπαίνει σε κατάσταση CCM-DCM για ένα πολύ μικρό εύρος ισχύος (γραμμοσκιασμένη περιοχή). Άρα επιλέγοντας λόγο πηνίων k L =4, είναι δυνατόν, για μια μεταβολή φορτίου, ο αντιστροφέας να μεταβεί σε άλλη μη επιθυμητή κατάσταση λειτουργίας. Συνεπώς θα ήταν πιο ασφαλές για την ορθή λειτουργία του κυκλώματος η γραμμοσκιασμένη περιοχή να ήταν κατά το δυνατόν μεγαλύτερη. Χρησιμοποιώντας λόγους πηνίων μικρότερους από τη μονάδα, όντως αυτή η περιοχή αυξανόταν. Επιθυμώντας άρα λόγο πηνίων k L <1 επιλέγησαν για τα μαγνητικά στοιχεία οι τιμές: για τον μεν πηνίο του Boost L Boost =900μΗ, για το δε πρωτεύον του μετασχηματιστή του Flyback L Flyback =100μΗ. Οι χαρακτηριστικές καμπύλες I-δ και n V V - I N φαίνονται στο σχήμα 4.3.

59 Σχήμα 3.3: Χαρακτηριστικές καμπύλες I-δ και - I N του B-F για kl=0.11 Παρατηρώντας το σχήμα 4.3a προκύπτει ότι για να είναι ο αντιστροφέας σε CCM-DCM θέλουμε επίσης και μεγάλο m a. Για αυτό το λόγο επιλέχθηκε m a =0.8 (δηλαδή δ max =0.76). Στο το σχήμα 4.3b μπορεί κανείς να δει ότι πλέον η περιοχή που ο αντιστροφέας Boost-Flyback είναι σε CCM-DCM έχει μεγαλώσει πάρα πολύ, πράγμα αναγκάζει τον αντιστροφέα να λειτουργεί στην επιλεγείσα κατάσταση λειτουργίας ανεξάρτητα από τις διάφορες μεταβολές του φορτίου. Παράλληλα η συγκεκριμένη μεταβολή του m a έχει το πλεονέκτημα ότι γίνεται μία αρκετά καλή εκμετάλλευση των ημιαγωγικών στοιχείων χωρίς αυτά να φτάσουν σε οριακές τιμές του λόγου κατάτμησης. Το επόμενο που θα πρέπει να ελεγχθεί είναι αν με τις συγκεκριμένες τιμές ο Flyback inverter τώρα μπορεί να λειτουργήσει σε DCM. Από την εξίσωση 2.26 προκύπτει ότι: λ δ n (1 δ) λ, V ( δ) δ V, (3.2) Οπότε πρέπει να βρεθεί η μέγιστη τιμή του δ για την οποία ικανοποιείται η παραπάνω ανισότητα. Στόχος τελικά είναι να υπολογισθεί η τιμή του λόγου μετασχηματισμού. Για να γίνει αυτό θα πρέπει πρώτα να βρεθεί ποια είναι η τάση εισόδου στον Flyback, δηλαδή ποια είναι η τάση εξόδου του Boost. Καθώς δεν κατέστη δυνατόν να βρεθεί με αναλυτικό τρόπο ποια είναι αυτή κάναμε μία προσομοίωση του μετατροπέα Boost από την οποία βρήκαμε ποια είναι αυτή η τιμή. Η τοπολογία που χρησιμοποιήθηκε είναι η εξής:

60 Σχήμα 3.4: Τοπολογία Boost με έλεγχο SPWM Να σημειωθεί ότι ο έλεγχος SPWM στο ημιαγωγικό στοιχείο γίνεται καθώς κατόπιν στον αντιστροφέα Boost-Flyback υπάρχει ένα MOSFET που ελέγχει και τους δύο μετατροπείς. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης φαίνονται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 3.5 Προσομοίωση Boost για Co=2mF. Από πάνω προς τα κάτω απεικονίζονται (α) Τάση εξόδου, (β) Ισχύς εισόδου, (γ) Ρεύμα πηνίου Η τάση εξόδου του Boost άρα είναι V out,b =V DC 96.5V. Θεωρώντας τώρα ότι η τάση εξόδου του Flyback θα είναι ίση με 400V, από την 3.1 προκύπτει ότι πρέπει: 96.5 (. ) Τώρα θεωρώντας την τάση εισόδου στον Flyback σταθερή και ίση με 97V και τη rms τάση εξόδου τα 220V του δικτύου προκύπτει για το λόγο μετασχηματισμού:.

61 - 47 -, = δ δ n = δ ( δ), =. (. ) = 1.03 Η τιμή n=1 επιπλέον προσφέρει και αρκετά πλεονεκτήματα στην κατασκευή του μετασχηματιστή. Τα πλεονεκτήματα αυτά θα αναλυθούν στο επόμενο κεφάλαιο. 3.4 Παρατηρήσεις πάνω στον Boost με SPWM Οι καμπύλες ρεύματος λόγου κατάτμησης για L Boost =900μΗ και L Flyback =100μH παρουσιάστηκαν στο σχήμα 4.3a. Όπως εξηγήθηκε και παραπάνω, υπάρχουν δ για τα οποία ο μετατροπέας Boost μπαίνει στην περιοχή της ασυνεχούς αγωγής. Κοιτώντας όμως την προσομοίωση παρατηρεί κανείς ότι κάτι τέτοιο δεν υφίσταται. Αυτό συμβαίνει για τον εξής λόγο: στην έξοδο του Boost υπάρ-χει ένας πολύ μεγάλος πυκνωτής, 2mF, για να διατηρεί την τάση εισόδου στον Flyback όσο το δυνατόν σταθερότερη. Αυτό όμως έχει σαν αποτέλεσμα το RC κύκλωμα που δημιουργείται στην έξοδο να έχει πολύ μεγάλη σταθερά χρόνου σε σχέση με τις διακοπτικές συχνότητες. Άρα τα μικρά duty cycle δεν γίνονται αντιληπτά από το κύκλωμα. Η CCM κατάσταση λειτουργίας επιβεβαιώνεται αν κάνουμε zoom στο ρεύμα του πηνίου. Σχήμα 3.6: Ρεύμα πηνίου του Boost σε μεγένθυνση. Αποδεικνύεται ότι είμαστε σε CCM Παρατηρώντας όμως το ρεύμα του πηνίου στο σχήμα 3.5(γ) διακρίνεται ένα «παράδοξο» το οποίο δεν είχε ληφθεί υπόψη στην αρχή. Ενώ στην αρχή είχε υποτεθεί ότι το ρεύμα του Boost δεν θα μηδενίζεται ποτέ, ιδανικά ίσως να ήταν σταθερό, προκύπτει τώρα ότι υπάρχουν μεγάλα χρονικά διαστήματα κατά τα οποία το ρεύμα στο πηνίο μηδενίζεται. Αυτό που θα μπορούσε να βγει σαν συμπέρασμα είναι ότι ο μετατροπέας, σε αυτά τα διαστήματα, φαίνεται να παύει τελείως να λειτουργεί και την απαιτούμενη ισχύ στην έξοδο να τη δίνει ο πυκνωτής. Αυτό το διάστημα μάλιστα κατά το οποίο δεν λειτουργεί ο Boost είναι αρκετά μεγάλο, περίπου 6.6ms για κάθε ημιπερίοδο του δικτύου (10ms). Δηλαδή ο μετατροπέας λειτουργεί μόνο για το 34% της συνολικής λειτουργίας που υπολογίζαμε. Κάτι τέτοιο ίσως να αποδεικνύει τελικά ότι ένας Boost ελεγχόμενος με SPWM είναι στην ουσία άχρηστος. Στο κύκλωμα ρέει ρεύμα μόνο μέχρι να φορτιστεί ο πυκνωτής δηλαδή για 4ms περίπου. Το χρονικό αυτό διάστημα είναι αναμενόμενο καθώς 5 RC = m = 3.8s. Για να έχει ο αναγνώστης μία πιο ολοκληρωμένη άποψη, στο επόμενο σχήμα παρουσιάζεται τι αποτέλεσμα θα προέκυπτε αν στην έξοδο υπήρχε ένας μικρότερος πυκνωτής (με μικρότερη άρα σταθερά χρόνου) π.χ. ίσος με 2μF.

62 Σχήμα 3.7: Προσομοίωση Boost για Co=2μF. Από πάνω προς τα κάτω απεικονίζονται (α) Τάση εξόδου μαζί με το ανορθωμένο ημίτονο του δικτύου, (β) Ρεύμα πηνίου, (γ) Τάση εξόδου Με τον μικρό πυκνωτή πλέον η τάση εξόδου (V c1 ) δεν είναι σταθερή, όπως άλλωστε αναμενόταν αλλά έχει μία περίεργη μορφή η οποία ναι μεν φαίνεται να έχει κάποια συνιστώσα στη βασική αρμονική, η οποία προκύπτει από την SPWM, αλλά η φόρτιση και εκφόρτιση του πυκνωτή κάθε t=5rc «καταστρέφει» την κυματομορφή. Επιπλέον δεν υπάρχει και ουσιαστικό κέρδος καθώς πάλι υπάρχουν διαστήματα μη λειτουργίας του μετατροπέα, όπως φαίνεται από την κυματομορφή του ρεύματος του πηνίου I L1.. Τέλος ο μικρός πυκνωτής δεν φιλτράρει τα μικρά duty cycle με αποτέλεσμα ο μετατροπέας να μπαίνει σε DCM, έστω και για μικρά χρονικά διαστήματα.

63 Προσομοιώσεις Boost-Flyback inverter Στην παράγραφο αυτή παρατίθενται οι προσομοιώσεις του αντιστροφέα Boost-Flyback. Το κύκλωμα και οι τελικές τιμές των στοιχείων που χρησιμοποιήθηκαν φαίνονται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 3.8 O Boost-Flyback inverter Παρακάτω θα παρατεθούν οι προσομοιώσεις του αντιστροφέα Boost-Flyback για δύο ισχύς, την ονομαστική (100W, 220V). Για τις προσομοιώσεις αυτές επιλέγησαν στο PSpice, Step ceiling=0.1us και Print step=0.5us. Επίσης η προσομοίωση ορίστηκε να τελειώνει στα 1450ms, χρόνος αρκετός ώστε να έχουν παρέλθει τα μεταβατικά φαινόμενα.

64 Σχήμα 3.9: Τάσεις του αντιστροφέα Boost-Flyback. Από πάνω προς τα κάτω απεικονίζονται (α) η τάση του πυκνωτή του Boost (C b ), (β) οι παλμοί στα MOSFET του δευτερεύοντος, (γ) η τάση εξόδου Στο σχήμα 3.9(α) φαίνονται τα αποτελέσματα τις χρήσης ενός μεγάλου πυκνωτή στην έξοδο του Boost. Τα 2mF που χρησιμοποιούνται είναι αρκετά μεγάλη χωρητικότητα κι έτσι ο συγκεκριμένος πυκνωτής δεν εκφορτίζεται, διατηρώντας την τάση του σχεδόν σταθερή στα 81V. Η τάση εξόδου αναμενόμενα έχει αυτή τη μορφή (σχήμα 3.9(γ)) καθώς είναι τάση του δικτύου. Παράλληλα στο ίδιο σχήμα φαίνεται η συμπληρωματική αγωγή των διακοπτών του δευτερεύοντος που ωθεί τελικά την τάση εξόδου να είναι εναλλασσόμενη στα 50Hz. Σχήμα 3.10: Τάσεις του αντιστροφέα Boost-Flyback. Από πάνω προς τα κάτω απεικονίζονται (α)η τάση V GS του M3 διακόπτη, (β) η τάση στη δίοδο D1, που βρίσκεται δίπλα του, (γ) η τάση V DS του ίδου MOSFET

65 Το σχήμα 3.10 απεικονίζει τις τάσεις σε δύο στοιχεία που βρίσκονται στο δευτερεύον του Μ/Σ. Συγκεκριμένα φαίνονται οι τάσεις της διόδου D1 και του MOSFET M3. Παρατηρώντας τις παραπάνω προσομοιώσεις προκύπτει το εξής παράδοξο. Όταν το MOSFET άγει, ενώ θα έπρεπε και η δίοδος D1 να άγει και άρα η τάσης πάνω της να είναι μηδενική, κάτι τέτοιο δεν γίνεται. Αυτό συμβαίνει λόγω της μοντελοποίησης που κάνει το πρόγραμμα PSPice στα διάφορα στοιχεία. Το πρόγραμμα θεωρεί ότι μόλις παίρνει παλμό το τρανζίστορ, άγει. Όμως για 0.1ms το τρανζίστορ δέχεται συνεχώς παλμό, αλλά κανονικά δεν άγει καθ όλη τη διάρκεια αυτού. Άρα η τάση που φαίνεται στη δίοδο είναι η διαφορά της τάσεως εξόδου με την τάση που έρχεται από το πρωτεύον του μετασχηματιστη. Όλα αυτά γίνονται πιο κατανοητά και στο σχήμα 3.11 που φαίνοται οι ίδιες κυματομορφές σε μεγέθυνση. Σχήμα 3.11: Τάσεις του αντιστροφέα Boost-Flyback σε μεγένθυνση. Από πάνω προς τα κάτω απεικονίζονται (α)η τάση V GS του M5 διακόπτη, (β) η τάση στη δίοδο D1, που βρίσκεται δίπλα στον M3, (γ) η τάση V DS του M3 διακόπτη Στο παραπάνω σχήμα φαίνεται ότι τη στιγμή που ο διακόπτης πρέπει να είναι σε αποκοπή πέφτουν πάνω του μερικά mv. Το όλο αυτό θέμα μπορεί να λυθεί, αν εισαχθούν στις προσομοιώσεις πραγματικά στοιχεία που πλέον το PSPice θα γνωρίζει ποιες είναι οι αντιστάσεις αποκοπής και θα κάνει τους κατάλληλους υπολογισμους.

66 Σχήμα 3.12: Ρεύματα του αντιστροφέα Boost-Flyback. Από πάνω προς τα κάτω απεικονίζονται (α) το ρεύμα στο πηνίο του Boost, (β) το ρεύμα στο πρωτεύον του Μ/Σ του Flyback, (γ) το ρεύμα στο δευτερεύον του Μ/Σ, (δ) το ρεύμα στο MOSFET M5. Στο σχήμα 3.12 απεικονίζονται τα ρεύματα του Boost-Flyback. Μπορεί κανείς να δει ότι το ρεύμα του Boost εξακολουθεί να έχει τη μορφή που είχε και στην προηγούμενη παράγραφο. Παράλληλα οι κορυφές του ρεύμα στο πρωτεύον του Μ/Σ ακολουθούν ημιτονοειδή μορφή ως αποτέλεσμα της SPWM που εφαρμόζεται. Επίσης φαίνεται ξεκάθαρα ο τρόπος λειτουργίας των δευτερευόντων τυλιγμάτων, δηλαδή ότι άγουν για μισή περίοδο του δικτύου, ακολουθώντας τη μορφή του ρεύματος του πρωτεύοντος. Τέλος επιβεβαιώνεται ότι το ρεύμα στον ημιαγωγικό διακόπτη είναι το άθροισμα του ρεύματος που διαρρέει το πηνίο του Boost με το ρεύμα που διαρρέει το πηνίο του Flyback. Σχήμα 3.13: Ρεύματα του αντιστροφέα Boost-Flyback σε μεγέθυνση. Από πάνω προς τα κάτω απεικονίζονται (α) το ρεύμα στο πηνίο του Boost, (β) το ρεύμα στο πρωτεύον του Μ/Σ του Flyback, (γ) το ρεύμα στο δευτερεύον του Μ/Σ, (δ) το ρεύμα στο MOSFET S1. Από το σχήμα 3.13 επιβεβαιώνεται η DCM κατάσταση αγωγής του Flyback. Επίσης φαίνεται ότι, για όσο διάστημα λειτουργεί, ο Boost είναι σε CCM.

67 Σχήμα 3.14: Ισχείς του αντιστροφέα Boost-Flyback. Από πάνω προς τα κάτω απεικονίζονται (α) η ισχύς εισόδου, (β) η ισχύς εξόδου, (γ) ο βαθμός απόδοσης. Στο τελευταίο σχήμα παρατίθενται οι ισχείς που προκύπτουν από την προσομοίωση. Η ισχύς εισόδου προκύπτει τελικά ότι είναι ίση με την ισχύ εξόδου και ίση με 100W, όπως απαιτούσαν οι προδιαγραφές που τέθηκαν από την αρχή. Παρατηρώντας όμως λίγο προσεκτικότερα το σχήμα 3.14 φαίνεται ότι ο βαθμός απόδοσης γίνεται σε κάποια σημεία μεγαλύτερος της μονάδας. Αυτό σημαίνει ότι η ακρίβεια των προσομοιώσεων που επιλέχθηκε εξ αρχής δεν είναι ικανοποιητική. Αυξάνοντάς την τα αποτελέσματα θα είναι λογικότερα. Από τις παραπάνω προσομοιώσεις γενικά βγαίνει το συμπέρασμα ότι με τις τιμές των μαγνητικών στοιχείων που επιλέχθησαν για το συγκεκριμένο μέγιστο λόγο κατάτμησης (δ max =0,76), ότι από τη μία πλευρά η λειτουργία του Boost μετατροπέα είναι η ίδια όπως αν λειτουργεί μόνος του και από την άλλη ότι ο Flyback είναι σε ασυνεχή αγωγή καθ όλη τη διάρκεια λειτουργίας του αντιστροφέα. Επίσης με τον SPWM έλεγχο που εφαρμόζεται, στην έξοδο προκύπτει το επιθυμητό ημίτονο στην επιθυμητή ισχύ. Το ρεύμα στον Flyback ακολουθεί τη μορφή της θεωρητικής μελέτης που έγινε (σχήμα 2.12). Η αρνητική τιμή που παίρνει σε μερικά σημεία, είναι αποτέλεσμα της R6 αντίστασης που τοποθετήθηκε για λόγους ακρίβειας της προσομοίωσης (χωρίς αυτήν το PSpice δεν συνέκλινε).

68 - 54 -

69 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ BOOST-FLYBACK 4.1 Γενικά Στο κεφάλαιο αυτό αναλύεται ο τρόπος με τον οποίο επιλέχθηκε το κάθε στοιχείο της τοπολογίας. Επίσης παρουσιάζεται αναλυτικά ο υπολογισμός της τιμής του κάθε στοιχείου. Σ αυτό το κεφάλαιο επίσης θα περιγραφεί το κύκλωμα οδήγησης του μετατροπέα μας καθώς και το κύκλωμα παλμοδότησής του. Σ αυτό το σημείο καλό θα ήταν να παρατεθούν οι τιμές των διάφορων μεγεθών που θα χρησιμοποιηθούν στους υπολογισμούς παρακάτω, όπως αυτοί προκύπτουν από τις προσομοιώσεις: V in =25V, d pmax =0.76, f s =100kHz, n=0.1 V DS,S1 =540V, I D,rms,S1 =7.5A V DS,S2 = V DS,S3 =900V, I D,rms,S2 = I D,rms,S3 =0.9A V D1 =378V, I D1,rms =4A V D2 =455V, I D2,rms =6A V D3 =V D4 =652V, I D3,rms =I D4,rms =0.76A I Lb,peak = 16.5A, I Lb,rms =7.2A I L1,peak =6.2A, I L1,rms =2.1A I L2,peak = I L3,peak =5.6A, I L2,rms = I L3,rms =0.8A I Lfilter,peak =0.5A, I Lfilter,rms =0.4A 4.2 Επιλογή ελεγχόμενου ημιαγωγικού στοιχείου Η τοπολογία του αντιστροφέα Boost Flyback απαιτεί, όπως φάνηκε και παραπάνω τη χρήση 3 ημιαγωγικών στοιχείων. Αυτά τα στοιχεία είναι συνήθως τρανζίστορ BJT ή IGBT είτε τέλος MOSFET. Για αυτή την εργασία επιλέχθηκαν ως ελεγχόμενα στοιχεία τα MOSFET. Τα πλεονεκτήματα που μας προσφέρουν σε σύγκριση με τα άλλα στοιχεία είναι ότι κατ αρχήν είναι στοιχεία που η έναυσή τους ελέγχεται από παλμούς τάσης. Δηλαδή για να ανάψει και να σβήσει αρκεί να φορτιστεί εκφορτιστεί ένας πυκνωτής. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ταχύτατους χρόνου έναυσης και σβέσης. Παράλληλα αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να απλοποιείται εξαιρετικά και το κύκλωμα ελέγχου τους. Ως αντιπαράδειγμα αναφέρονται τα θυρίστορ GTO που για να σβήσουν χρειάζονται ξεχωριστό κύκλωμα που απαιτεί ρεύμα της τάξεως 1/3 του ρεύματος ισχύος. Παρόμοια πλεονεκτήματα όμως έχουν και τα IGBT τρανζίστορ. Όμως τα MOSFET δουλεύουν σε υψηλότερες συχνότητες. Καθώς όμως ο αντιστροφέας Boost-Flyback καθορίστηκε να λειτουργεί σε συχνότητα f S =100kHz, η επιλογή των MOSFET ήταν η ιδανικότερη. Ένα MOSFET υψηλής ισχύος μοιάζει στη συμπεριφορά με ένα χαμηλής ισχύος. Δηλαδή η χαρακτηριστική καμπύλη ρεύματος τάσης είναι ποιοτική η ίδια όπως μπορεί να διαπιστωθεί και από το σχήμα 4.1. Άρα σε χαμηλές τιμές της V ds το MOSFET είναι στη γραμμική περιοχή Αυξάνοντας αυτή την τιμή σταδιακά κάποια στιγμή μπαίνει στον κόρο, όπου το στοιχείο λειτουργεί πια σαν μία πηγή ρεύματος. Στις εφαρμογές όπου το στοιχείο το χρησιμοποιείται σαν διακόπτης, αυτό είναι πολωμένο στη γραμμική περιοχή. Μία τέτοια εφαρμογή είναι και ο αντιστροφέας Boost Flyback.

70 Σχήμα 4.1: I-V χαρακτηριστική για ένα MOSFET πύκνωσης Υπάρχουν διάφορες δομές MOSFET. Αυτή που χρησιμοποιείται κατά κόρον σήμερα από τους περισσότερους κατασκευαστές είναι η δομή VDMOS (Vertical Double-diffused MOS). Σύμφωνα με αυτή ο ακροδέκτης της υποδοχής (drain) τοποθετείται στην κάτω επιφάνεια του πλακιδίου, έχοντας σαν αποτέλεσμα την κατακόρυφη ροή ρεύματος. Με την κατακόρυφη αγωγή ρεύματος επιτυγχάνονται υψηλότερες τιμές τάσεις διάσπασης και ονομαστικά ρεύματα διέλευσης. Ένα άλλο σημαντικό στοιχείο είναι η εμπέδηση εισόδου. Αυτή είναι αρκετά υψηλή, λόγω του ότι, όπως αναφέρθηκε, η πύλη συμπεριφέρεται σαν πυκνωτής, έχοντας ως αποτέλεσμα πολύ μικρές απαιτήσεις ισχύος από το κύκλωμα παλμοδότησης. Οι χρόνοι έναυσης και σβέσης είναι χαμηλοί και λόγω του ότι η αγωγή των MOSFET βασίζεται στη ροή φορέων πλειονότητας. Τέλος στη δομή των MOSFET υπάρχει και μία παρασιτική αντιπαράλληλη δίοδος μεταξύ πηγής και υποδοχής. Αυτή πολλές φορές χρησιμοποιείται από τους σχεδιαστές σαν δίοδος ελεύθερης διέλευσης. Στην υπό μελέτη τοπολογία η συγκεκριμένη δίοδος δεν χρησιμοποιήθηκε. Η δομή του VDMOS φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

71 Σχήμα4. 2 Δομή MOSFET ισχύος με κανάλι τύπου N Μέχρι τώρα εξηγήθηκαν τα ποιοτικά χαρακτηριστικά που οδήγησαν στην επιλογή το ημιαγωγικό στοιχείο που θα χρησιμοποιηθεί να είναι το MOSFET. Κατά το σχεδιασμό ενός ηλεκτρικού κυκλώματος θα πρέπει το στοιχείο που θα επιλέγει να αντέχει σε ορισμένες προδιαγραφές. Αυτές είναι: α) ποια είναι η μέγιστη τάση αποκοπής που μπορεί να αντέξει και β) ποιο είναι το rms ρεύμα που μπορεί να περάσει από μέσα του χωρίς να το καταστρέψει. Από τις προσομοιώσεις προέκυψε ότι το MOSFET που βρίσκεται στο πρωτεύον θα πρέπει να αντέχει τάσεις μέχρι 540V και rms ρεύματος 7.5A. Στο δευτερεύον θα πρέπει τα MOSFET να αντέχουν τάσεις 900V και rms ρεύματα 0,9Α. Στις παραπάνω τιμές πρέπει να ληφθεί υπόψη και ένας συντελεστή ασφαλείας x1.5 ώστε τα στοιχεία να αντέχουν και στα μεταβατικά φαινόμενα όπου εμφανίζονται υπερρεύματα και υπερτάσεις. Οπότε τελικά οι τιμές που πρέπει να αντέχουν τα στοιχεία, για το μεν πρωτεύον είναι: 810V/11.25A, για το δε δευτερεύον: 1350V/1.35A. Με βάση αυτές τις προδιαγραφές έγινε μία έρευνα στο απόθεμα του εργαστηρίου καθώς και στο εμπόριο για να βρεθούν στοιχεία που να καλύπτουν τουλάχιστον αυτές τις προδιαγραφές. Έτσι χρησιμοποιήθηκαν τα στοιχεία: IXFK24N100F για το πρωτεύον και IXTH12N120 για το δευτερεύον. Και τα δύο είναι της εταιρείας IXYS. Τα datasheet τους παρατίθενται στο Παράρτημα Β. Εδώ να σημειωθεί ότι τα IXTH12N120 αντέχουν μέχρι τα 1200V και όχι μέχρι τα 1350V που απαιτεί η ασφαλής σχεδίαση της υπό μελέτη διάταξης. Η επιλογή τους έγινε επειδή πειράματα παρόμοιων εργασιών που γίνονται στο εργαστήριο έδειξαν ότι δεν θα έχουν πρόβλημα στη διάταξή μας. 4.3 Επιλογή διόδων ισχύος Οι δίοδοι ισχύος, όπως άλλωστε και τα άλλα ημιαγωγικά στοιχεία υψηλής ισχύος, διαφέρουν με τα αντίστοιχα χαμηλής στην ύπαρξη άλλης μίας περιοχής. Στις διόδους ισχύος αυτή η περιοχή βρίσκεται μεταξύ των στρωμάτων P + και N - και ονομάζεται επιταξία ή βάση. Στην

72 περιοχή της επιταξίας έχουμε χαμηλή νόθευση. Η περιοχή αυτή συμβάλλει και εδώ ώστε να μπορούν οι δίοδοι πλέον να αντέχουν υψηλότερες ανάστροφες τάσεις. Προφανώς όσο πιο μεγάλη είναι αυτή η περιοχή τόσο πιο υψηλές ανάστροφες τάσεις συγκρατεί. Αυτό το σημείο θα πρέπει να προσεχθεί καθώς αύξηση αυτής της περιοχής σημαίνει επίσης και αύξηση της αντίστασης αγωγής και άρα και των απωλειών αγωγής. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η I-V χαρακτηριστική μιας κλασικής διόδου ισχύος. Είναι εμφανείς οι ομοιότητες που παρουσιάζει με τις διόδους χαμηλής ισχύος. Και εδώ για να άγει η δίοδος απαιτείται μία τάση που θα την πολώσει ορθά (V ΑΚ >0). Σε αυτή την κατάσταση ρέει ένα ρεύμα μέσα της. Όταν η τάση αυτή αυξηθεί και ξεπεράσει την τάση κατωφλίου V th τότε μπαίνει κανονικά σε κατάσταση αγωγής και από μέσα της πλέον περνάει το ρεύμα ισχύος. Όμοια όταν πολωθεί ανάστροφα (V ΑΚ <0) διαρρέεται μεν από ένα πολύ μικρό παρασιτικό ανάστροφο ρεύμα αλλά είναι σε κατάσταση αποκοπής. Όταν όμως αυξηθεί κι άλλο η ανάστροφη τάση τότε η δίοδος θα φτάσει στο σημείο κατάρρευσης όπου πλέον άγει κανονικά και διαρρέεται τώρα από μεγάλο ρεύμα. Περαιτέρω αύξηση της ανάστροφης τάσης οδηγεί στην καταστροφή της διόδου. Τέλος είναι αξιοσημείωτο ότι τα ρεύμα που διαρρέουν τη δίοδο τόσο κατά την ορθή όσο και κατά την ανάστροφη πόλωση εξαρτώνται από τη θερμοκρασία. Σχήμα 4.3: I-V χαρακτηριστική διόδου Στο αντιστροφέα Boost Flyback χρησιμοποιήθηκαν συνολικά 4 δίοδοι, δύο στο πρωτεύον και δύο στο δευτερεύον. Γενικά αυτές οι δίοδοι ισχύος θα πρέπει να είναι υψηλής ταχύτητας και με μικρούς χρόνους μετάβασης. Επίσης θα πρέπει να αντέχουν τις υπολογισθείσες ανάστροφες τάσεις καθώς και στα ρεύματα που αναμένεται να περάσουν από μέσα τους. Σύμφωνα λοιπόν με τις προσομοιώσεις η δίοδος D1 στο πρωτεύον θα πρέπει να αντέχει ανάστροφη τάση 378V και rms ρεύμα 4Α ενώ η δίοδος D2 455V και 6A. Πολλαπλασιάζοντας τις αναμενόμενες τιμές με ένα παράγοντα x1.5 καταλήξαμε ότι χρειαζόμαστε διόδους 567V/6A και 683V/9A αντίστοιχα. Ψάχνοντας στο εμπόριο βρέθηκε ότι οι δίοδοι που ικανοποιούν τις προδιαγραφές της εφαρμογής είναι οι: DSEP 29-06A και DSEP 8-12A της εταιρείας IXYS. Να σημειωθεί σε αυτό το σημείο ότι η έρευνα αγοράς έγινε για διόδους με soft recovery ώστε να έχουν χρόνους ανάστροφης ανάκτησης μικρότερους των 60ns κι έτσι να μη δημιουργούνται προβλήματα στη διάταξή μας από το μεγάλο. Με παρόμοιο τρόπο βρέθηκε ότι στα δευτερεύοντα τυλίγματα απαιτούνται διόδοι 980V/1.15A όπου χρησιμοποιήθηκαν οι DSEP 8-12A

73 Επιλογή διαστάσεων του ψυκτικού σώματος Ένα άλλο στοιχείο που πρέπει να υπολογίσθεί στην κατασκευή της διάταξης είναι το ψυκτικό σώμα θα χρησιμοποιεί κάθε ημιαγώγιμο στοιχείο και αυτό γιατί οι μεγάλες εσωτερικές θερμοκρασίες προκαλούν πολλές βλάβες. Τα ψυκτικά σώματα είναι μεταλλικές επιφάνειες με πολλές πτυχώσεις, όπως φαίνεται και στο παρακάτω σχήμα και πάνω τους τοποθετούνται τα στοιχεία που θέλουμε να ψύξουμε. Οι πτυχώσεις χρησιμοποιούνται ώστε να αυξηθεί η ωφέλιμη επιφάνεια χωρίς ταυτόχρ0ονα να αυξηθεί και ο όγκος. Το ψυκτικό χαρακτηρίζεται μέσω του μεγέθους R th(s-a) που είναι η θερμική αντίσταση από το ψυκτικό μέχρι το περιβάλλον. Παρακάτω θα παρουσιαστεί αναλυτικά η διαδικασία επιλογής του κατάλληλου ψυκτικού σώματος δηλαδή θα υπολογίσουμε την R th(s-a). Σχήμα 4. 4: Ψυκτικό 1 ο C/W Ο υπολογισμός του κατάλληλου ψυκτικού γίνεται βάσει ποια είναι η μέγιστη θερμοκρασία στην οποία επιτρέπεται να φτάσει το υπό μελέτη στοιχείο. Παράλληλα θα πρέπει να υπολογισθούν και οι μέγιστες απώλειες που μπορεί να εμφανισθούν καθώς αυτές είναι υπεύθυνες για την αύξηση της θερμοκρασίας. Η θερμική αντίσταση επαφής πλακιδίου περιβάλλοντος Rth(j-a) μπορεί να γραφεί και σαν άθροισμα τριών επιμέρους θερμικών αντιστάσεων: της αντίστασης επαφής περιβλήματος στοιχείου R th(j-c) (junction case), της αντίστασης περιβλήματος απαγωγού θερμότητας R th(c-s) (case sink) και της αντίστασης μεταξύ απαγωγού και περιβάλλοντος R th(s-a) (sink ambient). Μαθηματικά το παραπάνω μπορεί να γραφεί ως: R ( ) = R ( ) + R ( ) + R ( ) (4.1) Οι θερμικές αντιστάσεις R th(j-c) και R th(c-s) δίνονται από τους κατασκευαστές των ημιαγωγικών στοιχείων. Η Rth(j-a) μπορεί να υπολογιστεί μέσω της σχέσης R ( ) = όπου T j και T a είναι οι θερμοκρασίες λειτουργίας επαφής και περιβάλλοντος αντίστοιχα και P loss οι συνολικές απώλειες. Οι βασικές απώλειες που έχουμε είναι οι διακοπτικές και οι απώλειες αγωγής. Οπότε ισχύουν οι παρακάτω εξισώσεις: P = P + P (4.3) P = I R,θ (4.4) P =,, (4.2) (4.5)

74 όπου R DS,θ η θερμοκρασία λειτουργίας του στοιχείου στη θερμοκρασία θ. Στην περίπτωση που υπολογισμού το ψυκτικού για μιας διόδου, λόγω του ότι ο κατασκευαστής δεν δίνει την R DS οι απώλειες αγωγής υπολογίζονται από: P = V I (4.6) Αντλώντας τις αναμενόμενες τιμές τάσεων και ρευμάτων από τις προσομοιώσεις, των κατασκευαστικών μεγεθών από τα datasheets των κατασκευαστών και επιλέγοντας ότι η θερμοκρασία στα ημιαγωγικά στοιχεία δεν πρέπει να ξεπερνά τους 120 o C (T j =120 o C) σε θερμοκρασία δωματίου T a =25 o C προέκυψαν τα εξής αποτελέσματα για τους απαγωγούς θερμότητας σε κάθε στοιχείο: MOSFET πρωτεύοντος ψυκτικό με R th(s-a) < 2.7 o C/W Οριζόντια δίοδος πρωτεύοντος ψυκτικό με R th(s-a) < 10,5 o C/W Κάθετη δίοδος πρωτεύοντος ψυκτικό με R th(s-a) < 2 o C/W Οι δίοδοι και τα MOS του δευτερεύοντος προέκυψε ότι δεν χρειάζονται ψυκτικό. Για να μειωθεί το μέγεθος της κατασκευής σε ένα ψυκτικό σώμα τοποθετήθηκαν δύο ημιαγωγικά στοιχεία. Όταν όμως τοποθετούνται δύο στοιχεία σε ένα ψυκτικό θα πρέπει να μονώνονται καλά οι μεταλλικές επιφάνειες των στοιχείων που ακουμπούν στην ψυκτική επιφάνεια. Αν και αυτή η επιφάνεια κανονικά είναι μονωμένη, λόγοι κακοτεχνίας ή ηλικίας μπορούν να χαλάσουν αυτή τη μόνωση, έχοντας ως επακόλουθο καταστροφή μέρους του κυκλώματος, αν δεν παρθούν επιπρόσθετα μέτρα. Όταν όμως χρησιμοποιείται το ίδιο ψυκτικό σώμα για παραπάνω του ενός στοιχεία, αλλάζει προφανώς η R th(s-a). Η νέα R th(s-a) προκύπτει από τον παραλληλισμό των θερμικών αντιστάσεων όλων των στοιχείων που ακουμπούν στο ίδιο ψυκτικό. Στην παρούσα εφαρμογή στο ίδιο ψυκτικό βάλαμε το MOSFET του πρωτεύοντος καθώς και την κατακόρυφη δίοδο. Η νέα θερμική αντίσταση που προκύπτει είναι: ( ) =. = 1.15 /. Έτσι το ψυκτικό. που χρησιμοποιήθηκε έχει πλέον R th(s-a) =1 o C/W 4.5 Υπολογισμός και κατασκευή πηνίων και μετασχηματιστή Τα μαγνητικά στοιχεία αποτελούν ένα σημαντικό τμήμα των ηλεκτρικών μετατροπέων. Λόγω όμως του ότι δεν υπάρχουν στο εμπόριο σε μεγάλο εύρος ιδιοτήτων προκύπτει η ανάγκη να υπολογισθεί και να σχεδιάστεί το πηνίο από την αρχή. Σ αυτή την υποενότητα θα παρουσιαστεί αναλυτικά ο τρόπος με τον οποίο κατασκευάζονται αυτά τα στοιχεία. Για την κατασκευή του πυρήνα ενός πηνίου χρησιμοποιούνται δύο κατηγορίες υλικών [6]: α) κράματα σιδήρου με άλλα υλικά (χρώμιο και πυρίτιο) και β) φερρίτες το καθένα με τα δικά του πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Τα κράματα σιδήρου έχουν συγκριτικά με τους φερρίτες μεγάλη ηλεκτρική αγωγιμότητα καθώς και μεγάλες τιμές πυκνότητας κορεσμού που φτάνει τα 1.8Τ. Οι απώλειες που εντοπίζονται στα κράματα σιδήρου είναι οι απώλειες υστέρησης και οι απώλειες δινορρευμάτων. Λόγω του ότι οι απώλειες δινορρευμάτων είναι αρκετά υψηλές τα πηνία που οι πυρήνες είναι από κράματα σιδήρου μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο σε εφαρμογές που η συχνότητα λειτουργίας δεν ξεπερνάει τα 2kHz (στους μετασχηματιστές η μέγιστη συχνότητα μπορεί να είναι και μικρότερη). Οι φερρίτες (μίγματα οξειδίων σιδήρου και άλλων μαγνητικών υλικών) από την άλλη πλευρά έχουν μεγαλύτερη ειδική αντίσταση και αρκετά μικρότερη μέγιστη τιμή κορεσμού (0.3Τ). Εν τούτοις οι φερρίτες παρουσιάζουν μόνο απώλειες υστέρησης πράγμα που τους καθιστά ιδανικούς σε εφαρμογές με υψηλές διακοπτικές συχνότητες. Οι απώλειες δινορρευμάτων είναι πολύ μικρές λόγω της μεγάλης ειδικής αντίστασης. Συνεπώς στην παρούσα τοπολογία που λειτουργεί στα 100kHz χρησιμοποιήθηκε πυρήνας φερρίτη.

75 Λόγω του ότι στη διάταξή τα πηνία διαρρέονται από αρκετά μεγάλα ρεύματα και επειδή το Η~I, όπως φαίνεται από την καμπύλη του βρόχου υστέρησης είναι πολύ εύκολο πλέον τα πηνία να μπουν στον κόρο. Για να αποφευχθεί κάτι τέτοιο, η ενέργεια που αποθηκεύεται στα πηνία και που είναι υπεύθυνη για τον κορεσμό θα πρέπει κάπως να απελευθερωθεί. Προσθέτοντας ένα διάκενο αέρα προστατεύεται το πηνίο από το να μπει στον κόρο. Και αυτό γιατί, όπως δείχνει και το σχήμα, το διάκενο μετατοπίζει το βρόχο υστέρησης κάνοντας την καμπύλη του πιο ομαλή. Αυτό σημαίνει ότι τώρα πια απαιτείται μεγαλύτερο ρεύμα από προηγουμένως για να εισέρθει το μαγνητικό στοιχείο στον κόρο. Σχήμα 4. 5: Βρόχος υστέρησης (α) με διάκενο και (β) χωρίς διάκενο Το πρώτο πράγμα λοιπόν που πρέπει να κάνει ο σχεδιαστής των μαγνητικών στοιχείων είναι να επιλέξει το υλικό του πυρήνα. Επιλέγοντας πυρήνα φερρίτη είναι γνωστό ότι η μέγιστη πυκνότητα μαγνητικής ροής είναι B max =0.28Τ. Στην πραγματικότητα αυτό που περιορίζει το B max είναι είτε κορεσμός είτε από οι απώλειες υστέρησης. Στη σχεδίαση θα πρέπει ο μελετητής να είναι προσεκτικός ώστε ο πυρήνας που θα επιλέξει τελικά να μπορεί να αποθηκεύσει την απαιτούμενη ενέργεια χωρίς να μπαίνει στον κόρο, με αποδεκτές απώλειες υστέρησης. Επίσης θα πρέπει να χωράει τον επιθυμητό αριθμό σπειρών με όσο το δυνατό λιγότερες απώλειες χαλκού. Το μέγεθος το οποίο ελέγχει αν ο επιλεχθείς πυρήνας ικανοποιεί τις παραπάνω προδιαγραφές είναι το AP (area product). Το AP ισούται με την ενεργό διατομή A w (επιφάνεια περιέλιξης) επί την επιφάνεια του μεσαίου στελέχους του πυρήνα (A e ). Τα A w και A e δίνονται από τους κατασκευαστές σε τετραγωνικά χιλιοστά. Για την επιλογή του κατάλληλου πυρήνα συγκρίνεται το παραπάνω (AP=A w *A e ) με τους τύπους 4.7 και 4.8 [10] και επιλέγεται ο πυρήνας με το μικρότερο AP που ξεπερνάει και τις δύο παρακάτω τιμές. Ο πρώτος χρησιμοποιείται όταν το B max περιορίζεται από τον κορεσμό ενώ ο δεύτερος όταν περιορίζεται από την υστέρηση. AP =. cm (4.7)

76 AP = Δ (K f + k f ). cm (4.8) όπου I peak η μέγιστη τιμή που διαρρέει το πηνίο, I rms η rms τιμή του ρεύματος, Κ ο συντελεστής πληρώσεως του πυρήνα, ΔI m είναι η κυμάτωση του ρεύματος, f η διακοπτική συχνότητα k H = είναι ο συντελεστής υστέρησης και k E = ο συντελεστής δινορρευμάτων. Ο συντελεστής πλήρωσης είναι ο λόγος τις ολικής επιφάνειας των τυλιγμάτων προς την επιφάνεια του παραθύρου. Ο συντελεστής συνήθως κυμαίνεται από 0.3 έως 0.6. Έχει βρεθεί ότι για πηνία που σχεδιάζονται για boost μετατροπείς σε CCM η βέλτιστη τιμή του K είναι 0.7 ενώ για μετατροπείς flyback σε DCM η βέλτιστη τιμή είναι 0.2. Στη συνέχεια θα πρέπει να υπολογισθεί ο αριθμός των σπειρών που θα έχει το μαγνητικό στοιχείο. Αυτό γίνεται από τον επόμενο τύπο [10] Ν = Επόμενο βήμα είναι η επιλογή της κατάλληλης διατομής του σύρματος καθώς και του αριθμού των κλώνων που θα αποτελείται η κάθε σπείρα. Στην επιλογή του κατάλληλου σύρματος σημαντικό ρόλο παίζει και το επιδερμικό φαινόμενο. Έχει βρεθεί ότι η διάμετρος του χαλκού θα πρέπει να είναι μικρότερη από δύο φορές το επιδερμικό βάθος του χαλκού. Για τον υπολογισμό της διατομής της σπείρας ακολουθούμε τον κανόνα που λέει ότι 5Α ρεύμα μπορεί να διέλθει με ασφάλεια από σύρμα διατομής 1mm 2. Έτσι με μία απλή μέθοδο των τριών μπορούμε να βρούμε πόση πρέπει να είναι η διατομή σε μας. Ο αριθμός των κλώνων τελικά υπολογίζεται από τους παρακάτω τύπους [18]: Διατομή κλώνου = π Αριθμός κλώνων = Α διατομή κλώνου (4.9) (4.10) (4.11) όπου d είναι η διατομή του σύρματος που επιλέξαμε αρχικά και A cu η συνολική διατομή της σπείρας. Για να μειωθεί κατά το δυνατόν το επιδερμικό φαινόμενο [6], επιλέχθηκε η διατομή του σύρματος να είναι 0.315mm 2. Καλό θα ήταν σε αυτό το σημείο να ελεγχθεί αν ο αριθμός σπειρών και κλώνων που επιλέγησαν χωράνε στον πυρήνα μας. Αυτό θα γίνει με τον υπολογισμό του θεωρητικού μέγιστου αριθμού σπειρών που μπορεί να χωρέσει ο πυρήνας μέσω του παρακάτω τύπου. Ν θ = 0.4 Αριθμός κλώνων Διατομή κλώνου (4.12) Το τελευταίο που θα πρέπει να υπολογισθεί είναι το μήκος του διακένου. Για ένα διάκενο σε πυρήνα διπλού Ε ισχύει [6]: Σ = μ Ν Ι α (4.13) όπου α+d οι διαστάσεις του πυρήνα και N g ο αριθμός των κατανεμημένων διακένων που στον πυρήνα διπλού Ε ισούται με N g =2. Τέλος το μήκος του διακένου είναι: g = (4.14) Τέλος σε αυτό το σημείο να σημειωθεί ότι το πηνίο του φίλτρου εξόδου 22mH διαιρέθηκε σε δύο ίδια των 11mH για λόγους συμμετρίας. Με βάση λοιπόν τις παραπάνω σχέσεις προέκυψαν τα παρακάτω αποτελέσματα για τα πηνία και το μετασχηματιστή. Πηνίο Boost: L=900μH, Πυρήνας Ε60, Σπείρες=98, Κλώνοι=21, Διάκενο=2.6/2=1.3mm Μετασχηματιστής: L=100μH, Πυρήνας ETD29, Σπείρες=28, Κλώνοι 1 ον =6, Κλώνοι2 ον =Κλώνοι 3 ον =2, Διάκενο=0.28/2=0.14mm

77 Πηνία φίλτρου: L=11mH, Πυρήνας ETD39, Σπείρες=151, Κλώνοι=2, Διάκενο=0.32/2=0.16mm 4.6 Κύκλωμα οδήγησης του ημιαγωγικού στοιχείου Οι απαιτούμενοι παλμοί για τον έλεγχο των ημιαγωγικών στοιχείων παράγονται από την πλακέτα ελέγχου που θα αναλυθεί παρακάτω. Τα σήματα αυτά όμως πριν φτάσουν στο κύκλωμα ισχύος θα πρέπει πρώτα να απομονωθούν ηλεκτρικά για την προστασία του κυκλώματος ελέγχου και έπειτα να ενισχυθούν με το κατάλληλο κύκλωμα. Η ενίσχυση είναι απαραίτητη ώστε να επιτυγχάνονται τα παρακάτω: Στο κύκλωμα οδήγησης χρησιμοποιήθηκαν δύο ολοκληρωμένα: τον optocoupler 6n137 και τον driver ICL7667. Ακολουθεί η ανάλυση λειτουργίας τους και η συνδεσμολογία τους Optocoupler 6N137 Το ολοκληρωμένο optocoupler 6Ν137 έχει 8 pin. Χρησιμοποιείται για την οπτική σύζευξη δύο τμημάτων ενός κυκλώματος. Μ αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται η ηλεκτρική απομόνωση αυτών των τμημάτων. Αποτελείται από μία φωτοδίοδο, η οποία όταν διαρρέεται από ρεύμα εκπέμπει φως και από ένα φωτοευαίσθητο δέκτη απέναντι από αυτή. Ανάμεσα σε αυτά τα στοιχεία υπάρχει ένα διάκενο απομόνωσης από το οποίο διέρχεται μόνο φως και όχι ρεύμα. Έτσι, όπως γίνεται κατανοητό, καθίσταται εφικτή η γαλβανική απομόνωση των δύο τμημάτων του κυκλώματος. Τέλος πρέπει να σημειωθεί ότι οι συγκεκριμένοι optocouplers εισάγουν μία αντιστροφή στο σήμα η οποία θα πρέπει να ληφθεί υπόψιν στη σχεδίαση του κυκλώματος οδήγησης. Η συνδεσμολογία του optocoupler απαιτεί ο ακροδέκτης 8 να συνδέεται στην τροφοδοσία ενώ ο ακροδέκτης 5 στη γη. Είσοδο το ολοκληρωμένο παίρνει από τις ακίδες 2 και 3. Μεταξύ των ακροδεκτών 5 και 8 συνδέεται ένας MKT πυκνωτής των 0.1μF ο οποίος απορροφά τα εναλλασσόμενα υψίσυχνα ρεύματα που εισέρχονται από τις γραμμές τροφοδοσίας. Οι ακροδέκτες 7 και 8 συνδέονται μεταξύ τους ώστε να γίνει strobed ο φωτοδέκτης. Στην είσοδο του προσαρμόζεται μία αντίσταση των 270Ω ώστε να μην ξεπερασθεί το μέγιστο ρεύμα που μπορεί να αντέξει το ολοκληρωμένο. Τέλος στην έξοδο του optocoupler μπαίνει μία Pull up αντίσταση ίση με 1kΩ. Όλα αυτά φαίνονται ξεκάθαρα στο παρακάτω σχήμα

78 Σχήμα 4. 6: Η συνδεσμολογία του optocouler 6N Driver ICL7667 Το ολοκληρωμένο ICL7667 έχει 8 pin. Έχει σχεδιαστεί ώστε να μετατρέπει τα επιπέδου TTL σήματα σε σήματα υψηλού ρεύματος για τάσεις ως 15V. Η υψηλή του ταχύτητα καθώς και το επίπεδο του ρεύματος εξόδου του, τον επιτρέπουν να οδηγήσει μεγάλα χωρητικά φορτία με υψηλούς χρόνους κατάτμησης και χαμηλούς χρόνους διάδοσης. Επίσης λόγω του ότι η τάση εξόδου έχει πολύ μικρή κυμάτωση το ICL7667 καθίσταται ιδανικό για την οδήγηση ενός MOSFET. Οι υψηλές του ταχύτητες επίσης βοηθούν ώστε να φορτίζεται και να εκφορτίζεται ταχύτατα ο πυκνωτής στην πύλη του MOSFET ελαχιστοποιώντας τους χρόνους έναυσης και σβέσης. Τέλος το συγκεκριμένο ολοκληρωμένο κάνει αντιστροφή σήματος και έτσι μπορεί να συνδυαστεί με τον optocoupler 6N137. Ο driver ICL7667 έχει δύο εισόδους και δύο εξόδους Α και Β. Στη συγκεκριμένη εφαρμογή επιλέχθηκε η έξοδος Α. Δηλαδή σαν είσοδος είναι ο ακροδέκτης 2 και σαν έξοδος ο ακροδέκτης 7. Ο ακροδέκτης 3 συνδέεται με τη γη ενώ ο 6 πάει στην τροφοδοσία. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται αναλυτικά η συνδεσμολογία του driver.

79 Σχήμα 4.7: α) Ο icl 7667 driver και β) η συνδεσμολογία του Στην έξοδο του driver συνδέεται άλλη μία αντίσταση που από το άλλο άκρο της αυτή συνδέεται με την πύλη του MOSFET. Το μέγεθος αυτής της αντίστασης επιλέχθηκε βάσει ποιου ρεύματος αντέχει η κάθε πύλη. Στο τρανζίστορ του πρωτεύοντος όπου σύμφωνα με τα datasheet αντέχει μέχρι 10Α συνδέεται αντίσταση 1.5Ω ενώ σε αυτά του δευτερεύοντος που αντέχουν μέχρι 6.7Α συνδέεται αντίσταση 3Ω. Τέλος μεταξύ πηγής και πύλης των MOSFET προστέθηκαν μία δίοδος zener των 18V για προστασία του στοιχείου σε περίπτωση που η τάση V GS ξεπεράσει τα 18V που είναι και η υψηλότερη τάση που μπορεί να αντέξει και μία αντίσταση των 1.5kΩ για την εκφόρτιση του πυκνωτή εισόδου. Σχήμα 4.8: Η συνδεσμολογία του optocoupler με τον driver

80 Σχεδιασμός και κατασκευή τροφοδοτικών Για την τροφοδοσία των ολοκληρωμένων που υπάρχουν στο κύκλωμα απαιτούνται τροφοδοτικά συνεχούς τάσεων 5 και 15V dc. Συγκεκριμένα ο optocoupler χρειάζεται τροφοδοσία 5Vdc ενώ ο driver 15Vdc. Κατασκευάσθηκαν τέσσερα γραμμικά τροφοδοτικά των 5/15Vdc και ένα ±15Vdc. Το διάγραμμα ενός κλασσικού γραμμικού τροφοδοτικού φαίνεται στο επόμενο σχήμα: Σχήμα 4.9: Block διάγραμμα ενός γραμμικού τροφοδοτικού [4] Ακολουθώντας το παραπάνω διάγραμμα χρησιμοποιήθηκε αρχικά ένας μετασχηματιστής 220Vac/15Vac. Ο μετασχηματιστής συνδέεται στο δίκτυο της ΔΕΗ μέσω μίας ασφάλειας 100mA. Το μέγεθος της ασφάλειας προέκυψε από τα ονομαστικά kva του μετασχηματιστή. Στο δευτερεύον του μετασχηματιστή τοποθετήθηκε η ανορθωτική γέφυρα. Η γέφυρα μετατρέπει τα 15Vac του δευτερεύοντος σε συνεχή τάση. Το φίλτρο εισόδου στη συνέχεια αποτελείται από ένα ηλεκτρολυτικό πυκνωτή υψηλής χωρητικότητας 2200μF παράλληλα με ένα MKT πυκνωτή 0,1μF. Με αυτούς τους πυκνωτές επιτυγχάνεται αφ ενός μεν φιλτράρισμα της ac συνιστώσας της συνεχούς τάσης και αφ ετέρου εκμηδένισμα τυχόν κυματώσεων της τάσης, σταθεροποιώντας την έτσι στην πλησιέστερη τιμή. Ακολουθεί το σταθεροποιητικό τάσης LM7815 για τα 15V στην έξοδο του οποίου εμφανίζονται τα επιθυμητά 15V. Μετά το συγκεκριμένο σταθεροποιητικό προστίθεται ένα LM7805 ώστε να προκύψουν τα επιθυμητά 5V. Σ αυτό το σημείο να σημειωθεί ότι είναι καλό η διαφορά τάσης στα άκρα των σταθεροποιητικών να είναι όσο το δυνατόν μικρότερη καθώς αυτή μεταφράζεται σε θερμότητα αφού τα LM78xx είναι τρανζίστορ που λειτουργούν στην ωμική περιοχή δηλαδή λειτουργούν σαν μεταβλητές αντιστάσεις. Η απαγωγή της θερμότητας γίνεται μέσω κατάλληλων ψυκτικών. Τέλος να σημειωθεί ότι στην έξοδο του κάθε τροφοδοτικού προστέθηκε ένα όμοιο με παραπάνω φίλτρο επιδιώκοντας κατά το δυνατόν σταθερότερη τάση. Στη φωτογραφία που ακολουθεί φαίνεται καθαρά η συνδεσμολογία των γραμμικών τροφοδοτικών.