بررسی تکنیک هاي تعقیب نقطه توان حداکثر در پانل هاي خورشیدي مورد استفاده در ماهواره ها و اراي ه ي یک راهکار جدید

Transcript

1 بررسی تکنیک هاي تعقیب نقطه توان حداکثر در پانل هاي خورشیدي مورد استفاده در ماهواره ها و اراي ه ي یک راهکار جدید احسان اکبري عسگرانی علیرضا صدوقی سید مهدي موسوي ١ دانشگاه صنعتی مالک اشتر e_akbari_66@yahoo.com دانشگاه صنعتی مالک اشترsadoghi@mut-es.ac.ir 3 دانشگاه صنعتی مالک اشتر Mosavi@irsig.ir چکیده : از آنجایی که توان الکتریکی تامین شده توسط سیستمهاي خورشیدي به عایقبندي و میزان تابش بستگی دارد کنترل نقاط عملکردي براي نمایش ماکزیمم توان سیستمهاي خورشیدي ضروري است تا صرفنظر از درجه حرارت و شرایط پرتوافکنی و همچنین مشخصات الکتریکی بار بتوان توان خروجی سلول خورشیدي را به حداکثر رساند. هدف از این مقاله بررسی الگوریتمهاي ردیابی ماکزیمم توان میباشد و همچنین سیستم جدید توسعه یافته Maximum Power Point Tracking که شامل مبدل dc/dc نوع کاهنده میباشد و توسط میکروکنترلر کنترل میشود نیز مورد بررسی قرار گرفت. تفاوت عمده شیوه به کار رفته در سیستم مطرح شده با دیگر تکنیکهاي به کار رفته در گذشته این است که از توان خروجی سلول خورشیدي مستقیما براي کنترل مبدل dc/dc استفاده میشود. و به همین علت پیچیدگی سیستم را کاهش میدهد. چنین سیستمی داراي بازدهی بالا و قیمت پایین میباشد. در این مقاله ابتدا به بررسی تمام روشهاي ردیابی نقطه حداکثر توان پرداخته شده است و در نهایت روش پیشنهادي جدیدي که داراي سادگی و دقت بالاتري نسبت یه سایر روش ها میباشد اراي ه میگردد. کلمات کلیدي : سیستمهاي خورشیدي مبدل هاي DC/DC حداکثر توان هستند. در سالهاي اخیر پیشرفت در تکنولوژي ساخت نیمه هاديها باعث آسانتر و سریعتر شدن تبدیل برق ac به dc شده ولی از آنجایی که سلولهاي خورشیدي هنوز داراي بازده تبدیل نسبتا پایینی هستند میتوان با استفاده از ترفند هاي سري و موازي کردن علاوه بر رسیدن به توان قابل قبول هزینه ها را نیز کاهش داد. انرژي خورشیدي می تواند به دو روش به کار رود : گرم کننده / خنک کننده خورشیدي و برق خورشیدي [1]. بعضی 1- مقدمه از آنجایی که مردم نگران پایانپذیري سوختهاي فسیلی و مشکلات محیطی ایجاد شده در اثر مصرف انرژي متعارف هستند در حال حاضر استفاده از منابع انرژي تجدیدپذیر به خصوص پانل هاي خورشیدي گسترش یافته است همچنین انرژي خورشیدي یکی از مهمترین و پرکاربردترین منبع تامین توان ماهوارهها و فضاپیماها نیز میباشد. باتريهاي خورشیدي یا سلولهاي خورشیدي ابزارهاي الکترونیکی هستند که با استفاده از پدیده فتوولتاي یک نور یا فوتون را مستقیما به جریان یا ولتاژ الکتریکی تبدیل میکنند. امروزه از سلولهاي خورشیدي در بسیاري از موارد استفاده میشود از قبیل شارژ باتري پمپاژ آب تامین انرژي منازل سیستمهاي انرژي ماهوارهاي و.... عدم نیاز به نگهداري و تعمیر و همچنین عدم ایجاد آلودگی از مزیتهاي این منابع میباشد ولی در برخی موارد کاربردي براي تغذیه بار نیازمند مبدل dc/dc یا dc/ac دستگاهها در ولتاژ dc عمل میکنند دستگاههاي دیگر ممکن است براي تعدیل ولتاژ نیازمند آداپتور ولتاژ یا اینورتر براي افزایش ولتاژ و تغییر آن به ac باشند. دستگاههاي خورشیدي براي ماهوارههاي قوي در برنامه هاي فضایی توسعه داده شده- اند. البته در این میان کاوشگرهایی که به فراسوي منظومه شمسی و مکانهایی که نور خورشید در آنجا ضعیف است رهسپار میشوند استثنا وجود دارد.

2 مشخصههاي غیر خطی V-I (جریان _ ولتاژ) و P-V (ولتاژ _ توان) آرایههاي خورشیدي و وابستگی آنها به در شکل 1 نشان داده شده است.[ 2] شکل 1 : مشخصه V-Iو P-V آرایه هاي خورشیدي در هاي مختلف هنگامیکه ماهواره به ناحیه خورشید گرفتگی وارد میشود خروجی آرایهها کاملا صفر بوده و درست پس از خروج از این ناحیه شاهد افزایش ولتاژ آنها تا بیشترین حد آن خواهیم بود. درنتیجه ولتاژ متناظر با حداکثر قدرت با نوسانات در حال تغییر میباشد. بالاتر (و با تعداد سلولهاي لذا براي اینکه بهرهبرداري در رانن کمتري) انجام گیرد نیاز به استفاده از مدار دنبال کننده نقطه حداکثر توان میباشد. در این مقاله هدف اصلی اراي ه یک روش دقیق براي الگوریتم ردیابی حداکثر توان در پنل هاي خورشیدي تامین کننده توان ماهواره است همچنین قصد داریم نتایج این روش را با نتایج سایر روشهاي مقایسه کرده و دقت بیشتر آن را اثبات نماییم -2 روشهاي جذب حداکثر توان سلولهاي نوري بعضی از روشهایی که خصوصا جهت جذب حداکثر توان آرایه هاي خورشیدي براي تغذیه بار و شارژ باتريها مورد استفاده قرار میگیرند عبارتند از: روش اول: با توجه به مشخصه آرایههاي خورشیدي میتوان نشان داد که نسبت ولتاژ بیباري سلولها به ولتاژ متناظر با نقطه حداکثر توان آنها تقریبا ثابت (بین 0.7 تا ( 0. می- باشد. لذا با اندازهگیري ولتاژ بیباري سلول و مقایسه آن با ولتاژ دو سر بار فرمان لازم به سیستم کنترل سوي یچینگ تنظیم کننده ولتاژ داده میشود بطوریکه همواره حداکثر توان ممکن به بار منتقل گردد.[ 2] روش دوم: میتوان نشان داد که نسبت جریان اتصال کوتاه سلولها به جریان متناظر با نقطه حداکثر توان آنها تقریبا ثابت ) بین 0.8 تا 0.85) میباشد. با اندازهگیري جریان اتصال کوتاه سلول و مقایسه آن با جریان بار فرمان لازم به سیستم کنترل سوي یچینگ تنظیمکننده ولتاژ براي انتقال حداکثر توان ممکن اراي ه میشود.[ 3] روش سوم: معمولا در ماموریتهاي فضایی به عنوان فاکتور اصلی و تعیین کننده نقطه حداکثر توان آرایههاي خورشیدي مطرح میباشد. بنابراین ي سلولها اندازهگیري شده و براي کنترل نقطه کار ماهواره و هدایت آن بهطرف نقطه توان حداکثر استفاده میشود. در برخی از ماهوارهها از مدارهاي جبرانساز براي در نظر گرفتن تغییرات ي سلولها استفاده میشود. [1] روش چهارم: اصولا آرایههاي خورشیدي توسط مدارهاي سوي یچینگ به باتريها متصل میشوند. با فرض ثابت بودن ولتاژ باتري در خلال فرآیند سوي یچینگ نوسانات جریان نمایانگر نوسانات توان میباشند. لذا با مشخص کردن اینکه در چه زمانی نوسانات جریان حداکثر میشوند میتوان نقطه حداکثر توان را پیشبینی نمود و نقطه کار ماهواره را همواره نزدیکی آن هدایت کرد.[ 5] روش پنجم: آرایههاي خورشیدي بصورت مصنوعی بارگذاري و ولتاژ و جریان آنها بهطور پیوسته اندازهگیري میشود. براي تعیین نقطه حداکثر توان ضرایب ولتاژ و جریان اندازهگیري شده به مدار نمایانگر حداکثر توان ارسال میگردند. [6] روش ششم: همانطوري که در شکل 2 نشان داده شده است امپدانسهاي ac و dc آرایههاي خورشیدي در نقطه حداکثر توان با یکدیگر برابر میشوند. در این روش یک جریان نوسانی به آرایه خورشیدي تزریق گردیده و تغییرات dv/di و V/I بهطور پیوسته اندازهگیري میشوند. از این اطلاعات براي تخمین نقطه حداکثر توان آرایههاي خورشیدي بهرهبرداري میگردد. [8]

3 روش هفتم: وقتی که یک آرایه خورشیدي بارگذاري میشود نرخ تغییرات قدرت خروجی نسبت به جریان تقریبا خط مستقیمی میشود که از نقطه حداکثر توان میگذرد لذا با تزریق یک سیگنال با فرکانس اغتشاش به آرایه خورشیدي شرایط تغییرات توان در آرایه را فراهم مینمایند و سپس با اندازه گیري پیوسته dp/di توسط مدار کنترل فرمان لازم جهت کار در نقطه حداکثر توان صادر میگردد. [2] شکل : 3 به کمک هر یک از روشهاي فوق میتوان فرمان لازم جهت سوي یچینگ کلیدهاي قدرت تنظیم کننده ولتاژ را صادر کرد و حداکثر توان ممکن را جهت تغذیه بارهاي ماهواره از آرایههاي خورشیدي دریافت نمود. فلوچارت روش نموي رسانایی امپدانسهاي : 2 شکل dc و ac آرایه هاي خورشیدي روش نهم روش مشاهده و دنبال کردن : روش دیگري که در سیستمهاي خورشیدي فضایی از آن استفاده میشود روش مشاهده و دنبال کردن است این روش متداولترین الگوریتم کنترل دنبال کننده نقطه حداکثر توان میباشد. [7] میتوان نشان داد که در نقطه حداکثر توان dp/dv مساوي صفر میباشد و قبل از این نقطه این مقدار مثبت و بعد از آن منفی میشود. در این روش از این خاصیت استفاده میشود. شکل 4 این مطلب را نشان میدهد. روش هشتم روش نموي رسانایی : یکی دیگر از روشهایی که در زمینه دستیابی به نقطه حداکثر توان بسیار پرکاربرد و دقیق است و در سیستمهایی که نیاز به دقت بالایی دارند ) مثل صنایع فضایی ( مورد استفاده قرار میگیرد روش نموي رسانایی است. در روش نموي رسانایی از نموي رسانایی di/dv براي بدست آوردن علامت dp/dv استفاده میشود. [4] میتوان نشان داد که رسانایی ac و dc آرایههاي خورشیدي در نقطه حداکثر توان با یکدیگر برابر میباشد. در شکل 3 فلوچارت روش نموي رسانایی نشان داده شده است در این فلوچارت نویز و خطاي اندازه گیري مشکل ساز میشود. دیگر عیب این روش پیچیدگی آن نسبت به روشهاي دیگر می- باشد همین دلیل باعث افزایش زمان محاسبات میشود. شکل 4 : علامت dp/dv در نفاط مختلف مشخصه توان ولتاژ شکل 5 نیز فلوچارت روش مشاهده و دنبال کردن را نشان میدهد. در فلوچارت مذکور اگر dp/dv مثبت باشد در همین جهت ادامه داده میشود تا به نقطهاي برسیم که در آن

4 همانطور که مشاهده میکنید فلوچارت به دو قسمت حلقه تابش و حلقه تقسیم شده است. در ادامه هر یک از این حلقه ها توضیح داده خواهد شد. dp/dv صفر باشد. و اگر dp/dv منفی باشد باید در جهت عکس ادامه داده شود تا به نقطه مورد نظر برسیم. حلقه تابش: با توجه به مشخصه آرایههاي خورشیدي میتوان نشان داد که با افزایش تابش جریان اتصال کوتاه افزایش پیدا کرده و نقطه حداکثر توان به سمت ولتاژهاي زیاد جابهجا می- شود. در حلقه تابش علاوه بر کنترل نقطه حداکثر توان از آسیب دیدن سیستم در برابر مشخصه امپدانس منفی نیز جلوگیري میشود. حلقه : حلقه در واقع همان فلوچارت روش مشاهده و دنبال کردن میباشد. حلقه زمانی شروع به کار میکند که تغییرات تابش ناچیز باشد. با توجه به اینکه مشخصه آرایه خورشیدي با تغییر میکند نقطه حداکثر توان نیز تغییر میکند که با استفاده از این حلقه میتوان این نقطه را دنبال کرد. در ادامه از این الگوریتم براي رسیدن به نقطه حداکثر توان در شبیهسازي استفاده میشود. 4- تحلیل مبدلها -3 شکل : 5 فلوچارت روش مشاهده و دنبال کردن روش پیشنهادي در شکل 6 فلوچارت شکل قبل تکمیل شده و دقت آن نیز با اضافه شدن چند مورد بهبود داده شده است. براي اینکه بتوان حداکثر توان را از سلول خورشیدي به بار انتقال داد نیاز است که بهترین مبدل را انتخاب کرد. به همین دلیل بازده مبدل اهمیت زیادي پیدا میکند. در شکل (7) مبدلهاي کاهنده افزاینده و کاهنده افزاینده از نظر بازده مورد بررسی قرار گرفتهاند. شکل : 7 بازده مبدلهاي کاهنده افزاینده و کاهنده افزاینده [9] شکل 6 : فلوچارت تکمیل شده از فلوچارت روش مشاهده و دنبال کردن

5 I = I (T ) + K ( T T ) (4) I (T ) = I T, G (5) G K = I (T ) I (T ) (T T ) I = I (T ) T T I (T ) = R = I (T ) ( ) e ( ) e 1 (6) (7) (8) dv di 1 X (9) q ( ) X = I (T ) e 1 (10) nkt X در شکل 7 نمودار بازده مبدل کاهنده با مربع و نمودار بازده مبدل افزاینده با دایره و نمودار بازده مبدل کاهنده افزاینده با مثلث نشان داده شده است. همانگونه که در شکل بالا مشاهده میشود بازده مبدل کاهنده از مبدل افزاینده و افزاینده بیشتر کاهنده است. مبدل کاهنده انتخاب مطلوبی باشد.[ 10] پس بهنظر میرسد انتخاب هماکنون به طراحی مبدل میپردازیم فرکانس سوي یچینگ ماسفت مبدل را کیلوهرتز در نظر میگیریم. ولتاژ ورودي مبدل 17.1 ولت و ولتاژ خروجی آن را 14.5 ولت قرار می- ) cycle d ( duty به صورت زیر میباشد: d= 14.5 / 17.1 = = 84% دهیم در این صورت مقدار سلف نیز با انجام محاسبات زیر بدست میآید: در نهایت این شبیهسازي آرایه به صورت شکل (8) میشود: L min = ( 1- d ) R /2f (1) L min =.84 µh L = 0.26 mh فرض میکنیم جریان خروجی آن 0.88 مقاومت به صورت زیر بدست میآید: باشد پس مقدار R = 14.5 /0.88 = Ω مقدار خازن با فرض = 0.01 dvo Vo / از رابطه زیر حاصل میشود: که در آن شکل : 8 شبیهسازي سلول خورشیدي XY graph منحنی I-V و P V را نشان میدهد این منحنی در شکلهاي 9 و 10 نشان داده شده است. C = (( 1 d )Vo / dvo) / 8Lf 2 (2) C= µf 5- شبیهسازي سیستم تمامی شبیهسازيها در نرم افزار Matlab Simulink انجام شده است. شبیهسازي سلول خورشیدي بر اساس مدل BP MSX60 انجام شده است. در شبیهسازي سلول خورشیدي از فرمولهاي زیر و اطلاعات جدول بالا کمک گرفته شده است. I = I I e ( ) 1 (3)

6 6- نتیجهگیري در جداول زیر نتایج بدست آمده از شبیهسازي آورده شده است. جدول : 1 نتایج شبیهسازي روش پیشنهادي توان متناظر با نقطه پیک منحنی آرایه شکل : 9 منحنی I-V آرایه خورشیدي خورشیدي توان خروجی بازده شکل : 10 منحنی -P V آرایه خورشیدي همانگونه که در این مدل نشان داده شده میتوان در بلوك و تابش این مقادیر را تغییر داد و اثر آن را مشاهده کرد. حال با شبیهسازي کل سیستم مطابق با آنچه در فلوچارت بیان شد شماتیکی مطابق با شکل (11) پدیدار میشود: حال نتایج شبیهسازي الگوریتم P&O را براي قیاس در زیر میآوریم : توان متناظر با نقطه جدول : 2 نتایج شبیهسازي روشP&O پیک منحنی آرایه خورشیدي توان خروجی شکل : 11 شبیهسازي کل سیستم

7 واحد پردازش و کنترل PWM واحد تولید پالس استفاده جداگانه از هر یک از واحدهاي بالا ) هب صورت سریال) باعث کاهش سرعت میشود بازده اما امروزه با پیشرفت فناوري میکروکنترلرها تمام واحدهاي بالا در یک چیپ قرار دارد و سرعت بسیار بالایی هم دارا می- باشد. میکروکنترلرهاي ARM, AVR, PIC از جمله این میکروکنترلرها هستند همانطور که از قیاس جداول 1 و 2 مشخص است روش پیشنهادي داراي دقت بیشتري نسبت به روش P&O است. بر اساس مراجع استفاده شده در این مقاله روش P&O بخصوص وقتی که در ماکزیمم اشتباه گرفتار میشود دقت خود را از دست میدهد این در حالی است که چنین اتفاقی در روش پیشنهادي رخ نداده است. نکته دیگري که در این نتایج مشهود است این است که در تمام روشها با افزایش بازده سیستم کاهش مییابد ولی در روش پیشنهادي این مقاله چون بازده نسبت به سایر روشها بالاتر است این افت بازده کمتر به نظر میرسد. اما با این حال میتوان این موضوع افت بازده در هاي بالاتر را یکی از معایب روش پیشنهادي دانست. اما در نهایت راهکارهاي پیادهسازي روش اراي ه شده را به اختصار بیان میکنیم: 7- مراجع [1] GO OKADA, Katsuya HIRACHI, and Shigeyasu NAKAGAWA DEVELOPMENT OF A HIGH SPEED SYSTEM MEASURING A MAXIMUM POWER OF PV MODULES. IEEE photovoltaic Energy conversion conference 2006;5: [2] Chihchiang Hua, jongrong Lin A modified tracking algorithm for maximum power tracking of solsr array. ELSEVIER Energy conversion and Management 2004:911-9 [3] J.M.Enrique, E.Duran, M.sidrach de cardona, J.M.Andujar Theoretical of the maximum power point tracking efficiency of photovoltaic facilities with different converter topologies, ELSEVIER Solar Energy :31-38 [4] M.A.S.Masoum, M. Sarvi Design, simulation and Construction of a new Fuzzy Based Maximum power point tracker for photovoltaic applications [5] Chen-chi chu, chieh Li chen Robust maximum power point tracking method for photovoltaic cell : A sliding control approach ELSEVIER Solar Energy : [6] Jancarle L. Santos, Fernando Antunes, Anis Chehab, Cicere Cruz A maximum power point tracker for PV systems using a high performance boost converter ELSEVIER Solar Energy : [7] V.Salas, E.Olias, A.Lazaro, A.Barrado New algorithm only one variable measurement applied to a maximum power point tracker ELSEVIER Solar Energy Materials & solar cell :6-684 [8] Frederick M.Ishengoma, Lars E.Norum Design and implementation of a digitally controlled stand alone photovoltaic power supply [9] R.bin roslan A MAXIMUM POWER POINT TRACKING CONVERTOR FOR PHOTOVOLTAIC 2009 [10] Huan-Liang Tsai, Ci-siang Tu Development of generalize photovoltaic model using Matlab / SIMULINK در بلوكدیاگرام این سیستم دیدیم براي ساخت آن به واحد- هاي زیر نیازمندیم : A / D واحد