ΠΑΝΔΠΗΣΖΜΗΟ ΠΑΣΡΧΝ ΣΜΗΜΑ ΗΛΔΚΣΡΟΛΟΓΧΝ ΜΗΥΑΝΙΚΧΝ ΚΑΙ ΣΔΥΝΟΛΟΓΙΑ ΤΠΟΛΟΓΙΣΧΝ ΣΟΜΔΑ ΤΣΗΜΑΣΧΝ ΗΛΔΚΣΡΙΚΗ ΔΝΔΡΓΔΙΑ ΔΡΓΑΣΖΡΗΟ ΖΛΔΚΣΡΟΜΖΥΑΝΗΚΖ ΜΔΣΑΣΡΟΠΖ ΔΝΔΡΓΔΗΑ ΓΙΠΛΧΜΑΣΙΚΗ ΔΡΓΑΙΑ ηνπ Φνηηεηή ηνπ Σκήκαηνο Ζιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ ηεο Πνιπηερληθήο ρνιήο ηνπ Παλεπηζηεκίνπ Παηξψλ ΚΤΡΙΑΚΟ ΚΧΝΣΑΝΣΙΝΟΤ ΜΙΥΟ Α.Μ.: 5697 ΜΔΛΔΣΗ, ΠΡΟΟΜΟΙΧΗ ΚΑΙ ΚΑΣΑΚΔΤΗ ΓΙΑΣΑΞΗ ΑΝΤΦΧΗ ΣΑΗ ΓΙΑ ΦΧΣΟΒΟΛΣΑΨΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ Δπηβιέπσλ: Γξ.-Μερ. Δκκαλνπήι Σαηάθεο, Αλαπιεξσηήο Καζεγεηήο Ν ο /2010 Πάηξα, Ννέκβξηνο 2010
ΠΙΣΟΠΟΙΗΗ Πιζηοποιείηαι όηι η διπλυμαηική επγαζία με θέμα: "ΜΔΛΔΣΗ, ΠΡΟΟΜΟΙΧΗ ΚΑΙ ΚΑΣΑΚΔΤΗ ΓΙΑΣΑΞΗ ΑΝΤΦΧΗ ΣΑΗ ΓΙΑ ΦΧΣΟΒΟΛΣΑΨΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ" ηνπ θνηηεηή ηνπ Σκήκαηνο Ζιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ ηεο Πνιπηερληθήο ρνιήο ηνπ Παλεπηζηεκίνπ Παηξψλ: ΚΤΡΙΑΚΟ ΚΧΝΣΑΝΣΙΝΟΤ ΜΙΥΟ (Α.Μ. 5697) Παξνπζηάζηεθε δεκφζηα θαη εμεηάζηεθε ζην Σκήκα Ζιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ ζηηο 12/10/2010 Ο Δπηβιέπσλ Ο Γηεπζπληήο ηνπ Σνκέα Δκκαλνπήι Σαηάθεο Αλαπιεξσηήο Καζεγεηήο Αληψληνο Αιεμαλδξίδεο Καζεγεηήο
Απιθμόρ Γιπλυμαηικήρ Δπγαζίαρ: /2010 ΣΙΣΛΟ: "ΜΔΛΔΣΗ, ΠΡΟΟΜΟΙΧΗ ΚΑΙ ΚΑΣΑΚΔΤΗ ΓΙΑΣΑΞΗ ΑΝΤΦΧΗ ΣΑΗ ΓΙΑ ΦΧΣΟΒΟΛΣΑΨΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ" Φνηηεηήο: Δπηβιέπσλ: Κπξηάθνο Μίρνο Γξ.-Μερ. Δκκαλνπήι Σαηάθεο, Αλαπιεξσηήο Καζεγεηήο Πεπίλητη Ζ παξνχζα δηπισκαηηθή εξγαζία πξαγκαηεχεηαη ηε κειέηε, πξνζνκνίσζε θαη θαηαζθεπή δηάηαμεο γηα ηε δηαζχλδεζε ελφο θσηνβνιηατθνχ πιαηζίνπ κε ην δίθηπν ρακειήο ηάζεο. Ζ δηάηαμε πνπ επηιέρζεθε απνηειεί ηελ πξψηε βαζκίδα, ζε έλα ζχζηεκα πνπ ρξεζηκνπνηεί κεηαηξνπέα δχν βαζκίδσλ, αλαιακβάλνληαο ηελ αλχςσζε ηεο ηάζεο ηνπ θσηνβνιηατθνχ πιαηζίνπ. Αξρηθά κειεηήζεθαλ νη πνιιαπιαζηαζηέο ηάζεο Half-Wave Cockcroft-Walton, Dickson θαη Half-Wave Cockcroft-Walton κε Ππθλσηή Δμνκάιπλζεο πξαγκαηνπνηψληαο κηα ζεηξά πξνζνκνηψζεσλ. Αθνχ επηβεβαηψζακε ηε ζεσξεηηθή αλάιπζε, πξαγκαηνπνηήζεθε κηα ζχγθξηζε ησλ ηξηψλ απηψλ κεηαηξνπέσλ θαη αθνινχζεζε ε θαηαζθεπή ηνπ Half-Wave Cockcroft-Walton. Δπίζεο, πξαγκαηνπνηήζεθε ε θαηαζθεπή ηνπ αληηζηξνθέα ζπληνληζκνχ πιήξνπο γέθπξαο σο βνεζεηηθφ θχθισκα γηα λα είλαη εθηθηή ε δηαζχλδεζε ηνπ Half-Wave Cockcroft-Walton κε ην θσηνβνιηατθφ πιαίζην. Ζ θαηαζθεπή έγηλε ζην Δξγαζηήξην Ζιεθηξνκεραληθήο Μεηαηξνπήο Δλέξγεηαο ηνπ Σκήκαηνο Ζιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ ηεο Πνιπηερληθήο ρνιήο ηνπ Παλεπηζηεκίνπ Παηξψλ. Σα πεηξακαηηθά απνηειέζκαηα πνπ πξνέθπςαλ επηβεβαίσζαλ θαη απηά κε ηε ζεηξά ηνπο ηε ζεσξεηηθή αλάιπζε. Ο βαζκφο απφδνζεο ηνπ πνιιαπιαζηαζηή ηάζεο Half-Wave Cockcroft-Walton απνδείρζεθε εμαηξεηηθά πςειφο, μεπεξλψληαο ην 92% ζε φιεο, ζρεδφλ, ηηο κεηξήζεηο. Ζ ζπκπεξηθνξά θαη ην θέξδνο ηάζεο ηνπ πνιιαπιαζηαζηή ηάζεο απνδείρζεθε ηθαλνπνηεηηθή γηα εθαξκνγέο ρακειήο ηζρχνο.
Ππόλογορ ΠΡΟΛΟΓΟ Ζ δηπισκαηηθή απηή εξγαζία πξαγκαηνπνηήζεθε ζην Δξγαζηήξην Ζιεθηξνκαγλεηηθήο Μεηαηξνπήο Δλέξγεηαο ηνπ Σκήκαηνο Ζιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ ηνπ Παλεπηζηεκίνπ Παηξψλ. θνπφο απηήο ηεο εξγαζίαο είλαη ε κειέηε, πξνζνκνίσζε θαη θαηαζθεπή κηαο δηάηαμεο πνπ ζα ηξνθνδνηεί ην δίθηπν ρακειήο ηάζεο απφ έλα θσηνβνιηατθφ πιαίζην. πγθεθξηκέλα, αζρνιεζήθακε κε ηελ αλάιπζε θαη ηελ πινπνίεζε ηνπ πξψηνπ ζηαδίνπ, ελφο ζπζηήκαηνο δχν βαζκίδσλ, πνπ πξαγκαηνπνηεί ηελ αλχςσζε ηεο ηάζεο ηνπ θσηνβνιηατθνχ πιαηζίνπ Σν κεθάλαιο 1 αλαθέξεηαη γεληθά ζηα θσηνβνιηατθά ζπζηήκαηα. Αξρηθά, γίλεηαη κηα ζχληνκε αλαθνξά ζηα πιενλεθηήκαηα παξαγσγήο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο απφ ηελ ειηαθή αθηηλνβνιία κε ηε βνήζεηα ησλ θσηνβνιηατθψλ ζπζηεκάησλ. ηε ζπλέρεηα παξνπζηάδνληαη φια ηα κέξε πνπ απαξηίδνπλ έλα θσηνβνιηατθφ ζχζηεκα θαη νη ηξφπνη δηαζχλδεζεο ηνπ κε ην δίθηπν. Σέινο, γίλεηαη κηα αλαθνξά ζηνπο κεηαηξνπείο αλχςσζεο ηάζεο, θαζψο απηνί απνηεινχλ ηελ πξψηε βαζκίδα ζε έλα ζχζηεκα δηαζχλδεζεο ελφο θσηνβνιηατθνχ πιαηζίνπ κε ην δίθηπν, δχν ζηαδίσλ. Σν κεθάλαιο 2 αθνξά ηε κειέηε ηνπ πνιιαπιαζηαζηή ηάζεο Half-Wave Cockcroft- Walton. ην θεθάιαην απηφ, γίλεηαη κηα ζχληνκε πεξηγξαθή ηεο ιεηηνπξγίαο ηνπ θαη παξνπζηάδνληαη νη ζεσξεηηθνί ηχπνη πνπ ηνλ πεξηγξάθνπλ. Έπεηηα, παξνπζηάδνληαη ηα απνηειέζκαηα ησλ πξνζνκνηψζεσλ πνπ πξαγκαηνπνηήζεθαλ ψζηε λα επηβεβαηψζνπκε ηε ζεσξεηηθή αλάιπζε. ην κεθάλαιο 3 κειεηάκε ηνλ πνιιαπιαζηαζηή ηάζεο Half-Wave Cockcroft-Walton κε Ππθλσηή Δμνκάιπλζεο. Παξνπζηάδεηαη ε ζεσξεηηθή αλάιπζε ηνπ θαη κε ηε βνήζεηα κηαο ζεηξάο πξνζνκνηψζεσλ πξνρσξάκε ζηελ επηβεβαίσζε ησλ ζεσξεηηθψλ ηχπσλ. Σν κεθάλαιο 4 αθνξά ηνλ πνιιαπιαζηαζηή ηάζεο Dickson. Αθνχ γίλεη ε αλάιπζε ηεο ιεηηνπξγίαο ηνπ θαη παξνπζηαζηνχλ νη καζεκαηηθνί ηχπνη πνπ πεξηγξάθνπλ ηηο ραξαθηεξηζηηθέο εμφδνπ ηνπ, πξνρσξάκε θαη ζε απηή ηελ πεξίπησζε ζε πξνζνκνηψζεηο γηα ηελ επηβεβαίσζή ησλ καζεκαηηθψλ απηψλ ηχπσλ. ην κεθάλαιο 5 γίλεηαη ζχγθξηζε ησλ ηξηψλ κεηαηξνπέσλ, πνπ παξνπζηάζηεθαλ πξνεγνπκέλσο, κε ηε βνήζεηα δηαθφξσλ ζπγθξηηηθψλ γξαθεκάησλ. ην κεθάλαιο 6 πεξηγξάθεηαη ε δηαδηθαζία θαηαζθεπήο ηνπ κεηαηξνπέα Half-Wave Cockcroft-Walton, ηνπ αληηζηξνθέα ζπληνληζκνχ πιήξνπο γέθπξαο, ηνπ θπθιψκαηνο παικνδφηεζεο θαη ησλ ηξνθνδνηηθψλ. Αλαθέξνληαη φια ηα ζηνηρεία πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ - I -
Ππόλογορ θαη γίλεηαη ε πεξηγξαθή ηεο θαηαζθεπήο ηνπ πελίνπ πνπ πξαγκαηνπνηήζεθε ζην εξγαζηήξην. Δπίζεο, βιέπνπκε ηηο θσηνγξαθίεο ησλ θπθισκάησλ πνπ θαηαζθεπάζηεθαλ. ην κεθάλαιο 7 παξνπζηάδνληαη θαη αλαιχνληαη ηα πεηξακαηηθά απνηειέζκαηα. Δπίζεο, παξνπζηάδνληαη ηα ζπκπεξάζκαηα πνπ θαηαιήμακε θαη νη πξννπηηθέο ηεο παξνχζαο δηπισκαηηθήο εξγαζίαο. Σέινο, θαηαγξάθεηαη ε βηβιηνγξαθία πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε θαη ζηα παξαξηήκαηα ελζσκαηψλνληαη ηα ηππσκέλα θπθιψκαηα πνπ θαηαζθεπάζηεθαλ θαη ηα θπιιάδηα ησλ θαηαζθεπαζηψλ ησλ ζηνηρείσλ πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ. Θα ήζεια λα επραξηζηήζσ ζεξκά ηνλ επηβιέπνληα ηεο δηπισκαηηθήο κνπ εξγαζίαο αλαπιεξσηή θαζεγεηή θ. Σαηάθε Δκκαλνπήι γηα ηελ θαζνδήγεζε ηνπ θαη ηε βνήζεηα πνπ κνπ παξείρε ζε δηάθνξα πξνβιήκαηα πνπ παξνπζηάζηεθαλ. Αθφκα, επραξηζηψ ζεξκά ην κεηαπηπρηαθφ θνηηεηή Κνκπνχγηα Ησάλλε γηα ηελ πνιχηηκε βνήζεηα, ηηο γλψζεηο θαη ηελ ππνκνλή πνπ κνπ παξείρε φιν ην δηάζηεκα ηεο ζπλεξγαζίαο καο. Σέινο, ζα ήζεια λα επραξηζηήζσ ηνπ γνλείο κνπ γηα ηελ ππνζηήξημε πνπ κνπ παξείραλ φια απηά ηα ρξφληα. Μίρνο Κπξηάθνο - II -
ΚΔΦΑΛΑΙΟ 1 ΠΙΝΑΚΑ ΠΔΡΙΔΥΟΜΔΝΧΝ Πίνακαρ Πεπιεσομένυν Σα Φυηοβοληαφκά ςζηήμαηα 1.1 Δλεξγεηαθφ Πξφβιεκα θαη Αλαλεψζηκεο Πεγέο Δλέξγεηαο... 1 1.2 Ζιηαθή Δλέξγεηα... 1 1.3 Σα Φσηνβνιηατθά Κχηηαξα... 3 1.3.1 Σν θσηνβνιηατθφ θαηλφκελν... 4 1.3.2 Σερλνινγίεο Φσηνβνιηατθψλ Κπηηάξσλ... 6 1.4 Φσηνβνιηατθή γελλήηξηα... 7 1.5 Ζιεθηξηθά Υαξαθηεξηζηηθά ησλ Φσηνβνιηατθψλ Πιαηζίσλ... 9 1.6 Δίδε Φσηνβιηατθψλ Πιαηζίσλ... 14 1.7 Γηαζχλδεζε Φσηνβνιηατθψλ πζηεκάησλ κε ην Γίθηπν Δλαιιαζζφκελνπ Ρεχκαηνο... 15 1.7.1 Σξφπνη Γηαζχλδεζεο... 15 1.7.2 Καηεγνξίεο Μεηαηξνπέσλ Γηαζχλδεζεο Φσηνβνιηατθνχ Πιαηζίνπ κε ην Γίθηπν Δλαιιαζζφκελνπ Ρεχκαηνο... 16 1.8 Μεηαηξνπείο Αλχςσζεο Σάζεο... 17 1.8.1 Παξνπζίαζε Πνιιαπιαζηαζηψλ Σάζεο Cockcroft-Walton, Dickson θαη Half- Wave Cockcroft-Walton κε Ππθλσηή Δμνκάιπλζεο... 18 1.8.2 Ο Αληηζηξνθέαο πληνληζκνχ Πιήξνπο Γέθπξαο κε Παξάιιειν Φνξηίν... 19 ΚΔΦΑΛΑΙΟ 2 Ο Πολλαπλαζιαζηήρ Σάζηρ Cockcroft-Walton 2.1 Δηζαγσγή... 23 2.2 Θεσξεηηθή Αλάιπζε ηεο Λεηηνπξγίαο ηνπ Μεηαηξνπέα Half-Wave Cockcroft- Walton... 23 2.3 Βέιηηζηνο ρεδηαζκφο ηνπ Πνιιαπιαζηαζηή Σάζεο Half-Wave Cockcroft-Walton γηα Διάρηζηε πλνιηθή Υσξεηηθφηεηα... 27 2.4 Πξνζνκνηψζεηο ηνπ Πνιιαπιαζηαζηή Σάζεο Half-Wave Cockcroft-Walton... 28 2.4.1 Πξνζνκνηψζεηο γηα ηελ πεξίπησζε 1 ησλ ηηκψλ ησλ ππθλσηψλ... 29 2.4.2 Πξνζνκνηψζεηο γηα ηελ πεξίπησζε 3 ησλ ηηκψλ ησλ ππθλσηψλ... 35 2.4.3 Παξαηεξήζεηο-πκπεξάζκαηα επί ησλ Πξνζνκνηψζεσλ... 40 ΚΔΦΑΛΑΙΟ 3 Ο Πολλαπλαζιαζηήρ Σάζηρ Half-Wave Cockcroft-Walton με Πςκνυηή Δξομάλςνζηρ 3.1 Θεσξεηηθή Αλάιπζε ηεο Λεηηνπξγίαο ηνπ Μεηαηξνπέα Half-Wave Cockcroft- Walton κε Ππθλσηή Δμνκάιπλζεο... 43 3.2 Πξνζνκνηψζεηο ηνπ Πνιιαπιαζηαζηή Σάζεο Half-Wave Cockcroft-Walton κε Ππθλσηή Δμνκάιπλζεο... 46 3.2.1 Πξνζνκνηψζεηο γηα ηελ πεξίπησζε 1 ησλ ηηκψλ ησλ ππθλσηψλ... 47 - III -
Πίνακαρ Πεπιεσομένυν 3.2.2 Πξνζνκνηψζεηο γηα ηελ πεξίπησζε 3 ησλ ηηκψλ ησλ ππθλσηψλ... 53 3.2.3 Παξαηεξήζεηο-πκπεξάζκαηα επί ησλ Πξνζνκνηψζεσλ... 58 ΚΔΦΑΛΑΙΟ 4 Ο Πολλαπλαζιαζηήρ Σάζηρ Dickson 4.1 Θεσξεηηθή Αλάιπζε ηεο Λεηηνπξγίαο ηνπ Μεηαηξνπέα Dickson... 61 4.2 Πξνζνκνηψζεηο ηνπ Πνιιαπιαζηαζηή Σάζεο Dickson... 63 4.2.1 Πξνζνκνηψζεηο γηα ηελ πεξίπησζε 1 ησλ ηηκψλ ησλ ππθλσηψλ... 63 4.2.2 Παξαηεξήζεηο-πκπεξάζκαηα επί ησλ Πξνζνκνηψζεσλ... 70 ΚΔΦΑΛΑΙΟ 5 ύγκπιζη-αξιολόγηζη ηυν Σπιών Πολλαπλαζιαζηών Σάζηρ... 71 ΚΔΦΑΛΑΙΟ 6 Καηαζκεςή Half-Wave Cockcroft-Walton και Ανηιζηποθέα ςνηονιζμού Πλήποςρ Γέθςπαρ 6.1 Δηζαγσγή... 75 6.2 Δπηινγή ηνηρείσλ γηα ηνλ Πνιιαπιαζηαζηή Σάζεο Half-Wave Cockcroft-Walton 75 6.3 Δπηινγή ηνηρείσλ ηνπ Κπθιψκαηνο Ηζρχνο γηα ηνλ Αληηζηξνθέα πληνληζκνχ Resonant Full-Bridge... 77 6.4 Τπνινγηζκφο θαη Καηαζθεπή ηνπ Πελίνπ... 79 6.5 Καηαζθεπή ηνπ Κπθιψκαηνο Παικνδφηεζεο ησλ Mosfet... 84 6.6 Καηαζθεπή Σξνθνδνηηθψλ... 85 ΚΔΦΑΛΑΙΟ 7 Πειπαμαηικά Αποηελέζμαηα-ςμπεπάζμαηα 7.1 Πεηξακαηηθά Απνηειέζκαηα... 87 7.2 πκπεξάζκαηα-πξννπηηθέο... 97 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 99 ΠΑΡΑΡΣΗΜΑ Α Σςπυμένα Κςκλώμαηα... 101 ΠΑΡΑΡΣΗΜΑ Β Φςλλάδια Καηαζκεςαζηών ηυν ηοισείυν πος σπηζιμοποιήθηκαν... 105 - IV -
Κεθάλαιο 1 ο ΚΔΦΑΛΑΙΟ 1 ΣΑ ΦΧΣΟΒΟΛΣΑΨΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ 1.1 Δνεπγειακό Ππόβλημα και Ανανεώζιμερ Πηγέρ Δνέπγειαρ Οη ελεξγεηαθέο αλάγθεο ησλ αλζξψπσλ θαιχπηνληαλ, κέρξη πξφηηλνο, θπξίσο απφ ηελ θαχζε νξπθηψλ θαπζίκσλ θαη ζε ιηγφηεξν πνζνζηφ απφ ηε ρξήζε ππξεληθήο ή άιισλ ελαιιαθηηθψλ κνξθψλ ελέξγεηαο. Ζ εθκεηάιιεπζε απηή ησλ νξπθηψλ θαπζίκσλ νδήγεζε ηε παγθφζκηα νηθνλνκία εδψ θαη δχν αηψλεο ζε κηα ζηαζεξή θαη πξσηνθαλή αλάπηπμε. Άκεζν απνηέιεζκα απηήο ηεο αλάπηπμεο ήηαλ ε ζπλερήο αχμεζε ησλ ελεξγεηαθψλ αλαγθψλ δεκηνπξγψληαο έηζη αλεζπρία γηα ηελ επάξθεηα ησλ ελεξγεηαθψλ πεγψλ πνπ έρεη εληζρπζεί ηειεπηαία θαη ιφγσ ησλ ζπλερψο απμαλφκελσλ ελεξγεηαθψλ ηηκψλ. Δπίζεο, ηηο δπν ηειεπηαίεο δεθαεηίεο, άξρηζαλ λα εκθαλίδνληαη ηδηαίηεξεο αλεζπρίεο γηα ηηο πεξηβαιινληηθέο επηδξάζεηο ησλ αεξίσλ πνπ εθπέκπνληαη απφ ηελ θαχζε ησλ νξπθηψλ θαπζίκσλ θαη απφ ηε δεκηνπξγία ξαδηελεξγψλ απνβιήησλ απφ ηα ππξεληθά εξγνζηάζηα. Με δεδνκέλν, ινηπφλ, φηη ε δήηεζε ηεο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο ζπλερψο απμάλεηαη ελψ ηα νξπθηά θαχζηκα είλαη πεπεξαζκέλα, παξαηεξνχκε φηη πνιιέο θπβεξλεηηθέο ππεξεζίεο θαη δηεζλείο νξγαληζκνί θάλνπλ κειέηεο πξνο αλαδήηεζε θαη εθκεηάιιεπζε άιισλ ελεξγεηαθψλ πεγψλ. πγθεθξηκέλα έρεη παξαηεξεζεί κηα κεηαζηξνθή πξνο ηηο αλαλεψζηκεο πεγέο ελέξγεηαο νη νπνίεο δε ρξεζηκνπνηνχλ θαχζηκα θαη είλαη αλεμάληιεηεο θαη κε ξππνγφλεο. Σέηνηεο πεγέο ελέξγεηαο είλαη ε ελέξγεηα ησλ αλέκσλ, ησλ θπκάησλ, ε ζεξκφηεηα ησλ σθεαλψλ, ε γεσζεξκία, ε θαχζε νξγαληθψλ απνβιήησλ ή θπηηθψλ πξντφλησλ (βηνκάδα) [1]. Φπζηθά δε ζα πξέπεη λα παξαιείςνπκε ηελ ελέξγεηα πνπ κπνξεί λα παξαρζεί κέζσ ηελ ειηαθήο αθηηλνβνιίαο, ε νπνία ζπλδπάδεη ηδαληθά ηηο απαηηήζεηο γηα λένπο ηξφπνπο παξαγσγήο ελέξγεηαο. 1.2 Ηλιακή Δνέπγεια [2] [3] Ζ ειηαθή αθηηλνβνιία απνηειεί έλαλ αλεμάληιεην ελεξγεηαθφ πφξν πνπ δελ ειέγρεηαη απφ θαλέλα θαη παξέρεη έηζη αλεμαξηεζία θαη αζθάιεηα ζηελ ελεξγεηαθή ηξνθνδνζία. Ζ αμηνπνίεζε ηεο γίλεηαη κε ηνπο εμήο ηξφπνπο: ηελ παξαγσγή ζεξκφηεηαο ψζηε λα έρνπκε ζέξκαλζε λεξνχ, ρψξσλ αιιά θαη πνιιέο νηθηαθέο, βηνκεραληθέο ή γεσξγηθέο ρξήζεηο φπνπ ε δηαδηθαζία ηνπο εμαξηάηαη απφ ηε ζεξκφηεηα - 1 -
Κεθάλαιο 1 ο ηελ παξαγσγή ειεθηξηθήο ελέξγεηαο πνπ επηηπγράλεηαη κέζσ ηνπ θσηνβνιηατθνχ θαηλνκέλνπ Ζ κεηαηξνπή ηεο ειηαθήο ζε ειεθηξηθή ελέξγεηα γίλεηαη κε ηε βνήζεηα ησλ ειηαθψλ θπηηάξσλ (photovoltaic cells), ησλ νπνίσλ ε ιεηηνπξγία ζηεξίδεηαη θαζαξά ζην θσηνβνιηατθφ θαηλφκελν θαη δελ έρεη θακία ζρέζε κε ηε ζεξκφηεηα. Ζ ρξήζε ηεο ειηαθήο ελέξγεηαο γηα ηελ παξαγσγή ειεθηξηθήο κέζσ ηεο θσηνβνιηατθήο κεηαηξνπήο παξέρεη αξθεηά πιενλεθηήκαηα, ηα νπνία παξαηίζεληαη ζηε ζπλέρεηα: Γελ ξππαίλεη ην πεξηβάιινλ, δε δεκηνπξγεί ζφξπβν θαη δε δεκηνπξγεί απφβιεηα ή άρξεζηα παξαπξντφληα (φπσο γηα παξάδεηγκα ην κνλνμείδην ηνπ άλζξαθα απφ αηειείο θαχζεηο ή ηα ππξεληθά απφβιεηα) Απνηειεί αλαλεψζηκε θαη ειεχζεξα δηαζέζηκε ελεξγεηαθή πεγή Υξεηάδεηαη ειάρηζηε ζπληήξεζε Γε ρξεζηκνπνηνχληαη πγξά ή αέξηα γηα ηε κεηαθνξά ηεο ελέξγεηαο, ζε αληίζεζε κε ηα ζεξκηθά ζπζηήκαηα Σα ειηαθά θχηηαξα ιεηηνπξγνχλ θαη κε λεθειψδε νπξαλφ κέζσ ηεο δηάρπηεο αθηηλνβνιίαο Έρνπκε ζρεηηθά εχθνιε κέζνδν θαηαζθεπήο απφ ππξίηην, έλα απφ ηα πιένλ ελ αθζνλία ζηνηρεία Αλ έλα θνκκάηη πάζεη βιάβε, ην ζχζηεκα ζπλερίδεη ηε ιεηηνπξγία ηνπ κέρξη ηελ αληηθαηάζηαζή ηνπ ιφγσ ηεο ζπνλδπισηήο κνξθήο ηεο θσηνβνιηατθήο δηάηαμεο Έρνπκε ηθαλνπνηεηηθή απφδνζε κεηαηξνπήο αθφκα θαη ζε ρακειέο ζεξκνθξαζίεο Γξήγνξε απφθξηζε ζε μαθληθέο κεηαβνιέο ηεο ειηνθάλεηαο Μεγάιν εχξνο παξαγψκελεο ηζρχνο (απφ κεξηθά mw έσο MW). Δίλαη δπλαηφλ λα θαιπθζνχλ κηθξέο, κέζεο θαη κεγάιεο ελεξγεηαθέο αλάγθεο κε ηε ζπλαξκνιφγεζε ηππνπνηεκέλσλ ζηνηρείσλ καδηθήο παξαγσγήο ζε ζπζηήκαηα νπνηνπδήπνηε κεγέζνπο (θαη βαζκφ απφδνζεο πξαθηηθά αλεμάξηεην ηνπ κεγέζνπο) Μεγάινο ιφγνο ηζρχνο/ βάξνο, επνκέλσο θαηάιιεια γηα εγθαηάζηαζε ζηηο ζηέγεο Μεγάιε δηάξθεηα δσήο ησλ ειηαθψλ ζηνηρείσλ (ηνπιάρηζηνλ 20 ή 30 ρξφληα) Μπνξνχκε λα έρνπκε αλεμαξηεζία απφ θεληξηθά ειεθηξηθά δίθηπα δηαλνκήο αθνχ δίλεηαη ε δπλαηφηεηα γηα επηηφπηεο εθαξκνγέο, φπνπ δελ ππάξρεη ή δελ ζπκθέξεη ε επέθηαζε ηνπ ειεθηξηθνχ δηθηχνπ χκθσλα κε ην ζεκεξηλφ ελεξγεηαθφ κείγκα ζηελ Διιάδα θαη ηηο κέζεο απψιεηεο δηθηχνπ, γηα θάζε θηινβαηψξα πνπ παξάγεηαη απφ θσηνιηατθά ζπζηήκαηα ζπλεπάγεηαη απνθπγή έθιπζεο πεξίπνπ ελφο θηινχ δηνμεηδίνπ ηνπ άλζξαθα ζηελ αηκφζθαηξα [2]. Δίλαη εκθαλέο - 2 -
Κεθάλαιο 1 ο ινηπφλ, φηη ηα θσηνβνιηατθά ζπζηήκαηα απνηεινχλ αλακθίβνια φρη κφλν εθηθηή αιιά θαη απαξαίηεηε επηινγή ψζηε λα κπνξέζνπκε λα δψζνπκε ιχζε ζην ελεξγεηαθφ πξφβιεκα ηεο επνρήο καο. ηνλ πίλαθα 1.1 βιέπνπκε ηελ πνζφηεηα ησλ ξχπσλ (ζε γξακκάξηα), ε έθιπζε ησλ νπνίσλ απνθεχγεηαη γηα θάζε ειηαθή θηινβαηψξα πνπ παξάγεηαη απφ έλα θσηνβνιηατθφ ζχζηεκα. Πίλαθαο 1.1: Απνθπγή εθιπφκελσλ ξχπσλ (ζε gr) αλά ειηαθή αθηηλνβνιία [2] Φπζηθά ζηε ρξήζε ησλ θσηνβνιηατθψλ ζπζηεκάησλ ζα πξέπεη λα θαηαινγίζνπκε θαη θάπνηα κεηνλεθηήκαηα: Ζ θσηνβνιηατθή γελλήηξηα αδπλαηεί λα παξάγεη ζπλερψο ειεθηξηθή ελέξγεηα ιφγσ ηεο δηαθχκαλζεο ηεο ηζρχνο ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο θαηά ηε δηάξθεηα ηεο εκέξαο Τςειφ θφζηνο θαηαζθεπήο ησλ ειηαθψλ θπηηάξσλ θαη ησλ κεηαηξνπέσλ γηα ηε δηαζχλδεζή ηνπο ζην δίθηπν Γαπαλεξή απνζήθεπζε ηεο παξαγφκελεο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο 1.3 Σα Φυηοβοληαφκά Κύηηαπα - 3 -
Κεθάλαιο 1 ο 1.3.1 Σν θσηνβνιηατθφ θαηλφκελν [1][3] ρήκα 1.1: Απινπνηεκέλν ζρήκα ηνπ θσηνβνιηατθνχ θαηλνκέλνπ [4] Σα θσηνβνιηατθά θχηηαξα απνηεινχληαη απφ εκηαγσγνχο, φπσο είλαη ην ππξίηην, ζηνπο νπνίνπο νθείιεηαη ην θαηλφκελν ηεο δεκηνπξγίαο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο απφ ηελ ειηαθή. Όηαλ πξνζδίδεηαη ελέξγεηα ζην θαζαξφ ππξίηην κπνξεί λα ζπάζνπλ θάπνηνη νκνηνπνιηθνί δεζκνί κε ζπλέπεηα λα ειεπζεξσζνχλ θάπνηα ειεθηξφληα ζζέλνπο πνπ αθήλνπλ πίζσ ηνπο κηα νπή. Βέβαηα, απηή ε απειεπζέξσζε ειεθηξνλίσλ είλαη πξνζσξηλή αθνχ ζχληνκα ζα επαλαζπλδεζνχλ ζε θάπνηα νπή ηνπ ζηνηρείνπ. Δπεηδή ην ξεχκα πνπ δεκηνπξγείηαη κε απηφ ηνλ ηξφπν είλαη πάξα πνιχ κηθξφ, νδεγεζήθακε ζηελ πξνζζήθε πξνζκίμεσλ ζηνλ θαζαξφ θξχζηαιιν ηνπ ππξηηίνπ κε άηνκα απφ άιια ζηνηρεία. Ζ πξφζκημε έγηλε έηζη ψζηε ν αξηζκφο ησλ ειεχζεξσλ ειεθηξνλίσλ ζζέλνπο λα είλαη κεγαιχηεξνο απφ απηφ ησλ νπψλ νδεγψληαο ηα επηπιένλ ειεθηξφληα λα βξίζθνληαη ζε κηα ελδηάκεζε ζηάζκε, θνληά ζηε ζηάζκε αγσγηκφηεηαο. Ο εκηαγσγφο απηφο θαιείηαη ηχπνπ-n. Αληίζηνηρα, ε λφζεπζε ηνπ ππξηηίνπ κε άηνκα άιισλ ζηνηρείσλ, έηζη ψζηε ν αξηζκφο ησλ νπψλ λα είλαη κεγαιχηεξνο απφ ησλ ειεχζεξσλ ειεθηξνλίσλ ζζέλνπο, νδεγεί ζηε δεκηνπξγία ηνπ εκηαγσγνχ πνπ θαιείηαη ηχπνπp. - 4 -
Κεθάλαιο 1 ο ρήκα 1.2: Ζκηαγσγνί ηχπνπ-n θαη ηχπνπ-p ελσκέλνη κεηαμχ ηνπο δεκηνπξγψληαο έλα ειεθηξηθφ πεδίν [3] Αλ θέξνπκε ζε επαθή έλαλ εκηαγσγφ ηχπνπ-p θαη έλαλ ηχπνπ-n, ηα ειεχζεξα ειεθηξφληα απφ ηνλ εκηαγσγφ ηχπνπ-n θηλνχληαη πξνο ηηο νπέο ηνπ εκηαγσγνχ ηχπνπ-p κέρξη λα αλαπηπρζεί έλα εζσηεξηθφ ειεθηξηθφ πεδίν. Σν πεδίν απηφ είλαη ην θξάγκα δπλακηθνχ θαη ηα ειεθηξφληα δελ κπνξνχλ λα ην μεπεξάζνπλ (ζρήκα 1.2). Σν θσηνβνιηατθφ θχηηαξν είλαη, ινηπφλ, κηα δίνδνο εκηαγσγνχ (κηα p-n επαθή), ε νπνία λνζεχεηαη θαη έηζη πξνθαιείηαη έλα ειεθηξηθφ πεδίν. Όηαλ έλα θσηφλην απνξξνθάηαη απφ ην θχηηαξν, έρεη αξθεηά κεγάιε ελέξγεηα ψζηε λα νδεγήζεη έλα ειεθηξφλην ζζέλνπο ζε απφζπαζε απφ ην άηνκφ ηνπ. Μέζσ ηνπ ειεθηξηθνχ πεδίνπ, ην ειεθηξφλην κεηαθηλείηαη ζηελ άιιε κεξηά ηεο έλσζεο δεκηνπξγψληαο κε απηφ ηνλ ηξφπν κηα ηάζε θαηά κήθνπο ηεο. Σν θαηλφκελν ηεο δεκηνπξγίαο ηεο ηάζεο απηήο κεηαμχ ησλ δχν φςεσλ ηνπ θσηηδφκελνπ θπηηάξνπ, πνπ αληηζηνηρεί ζε νξζή πφισζε ηεο δηφδνπ, νλνκάδεηαη θσηνβνιηατθφ θαηλφκελν (ζρήκα 1.3). Ζ δηάηαμε απνηειεί κηα πεγή ξεχκαηνο πνπ δηαηεξείηαη φζν δηαξθεί ε πξφζπησζε ηνπ ειηαθνχ θσηφο πάλσ ζηελ επηθάλεηα ηνπ ζηνηρείνπ. Ζ ηζρχο πνπ κπνξνχκε λα πάξνπκε απφ ην θσηνβνιηατθφ θχηηαξν εμαξηάηαη απφ ηελ ειηαθή αθηηλνβνιία, ην θνξηίν θαη ηε ζεξκνθξαζία ηνπ θπηηάξνπ. ρήκα 1.3: Γεκηνπξγία ειεθηξηθνχ ξεχκαηνο ζε έλα ειηαθφ θχηηαξν [5] - 5 -
Κεθάλαιο 1 ο 1.3.2 Σερλνινγίεο Φσηνβνιηατθψλ Κπηηάξσλ [6][7] Σα θσηνβνιηατθά θχηηαξα κπνξνχλ λα ρσξηζηνχλ ζε δχν βαζηθέο θαηεγνξίεο, ηα θξπζηαιιηθά θαη ηα θχηηαξα ιεπηψλ πκελίσλ (thin films). Ζ ηερλνινγία πνπ εμαθνινπζεί λα επηθξαηεί κέρξη ζήκεξα είλαη ηνπ θξπζηαιιηθνχ ππξηηίνπ (Si) αθνχ κε απηφ ηνλ ηξφπν έρεη θαηαζθεπαζηεί παξαπάλσ απφ ην 85% ησλ θσηνβνιηατθψλ θπςειίδσλ. ρήκα 1.4: Τιηθά θαηαζθεπήο Φ/Β θπηηάξσλ ζε παγθφζκηα θιίκαθα [6] Πην ζπγθεθξηκέλα ζηα πιαίζηα ηεο ηερλνινγίαο ησλ θξπζηαιιηθψλ θπηηάξσλ έρνπλ αλαπηπρζεί νη παξαθάησ ηχπνη: Ο ηχπνο κνλνχ θξπζηάιινπ (κνλνθξπζηαιιηθέο θπςειίδεο, mc-si) πνπ ζηελ αγνξά εκθαλίδνληαη κε απνδφζεηο κεηαμχ 11% θαη 19,3% θαη θαιχπηνπλ πεξίπνπ ην 26,94% ηεο αγνξάο. Ο ηχπνο πνιπθξπζηαιιηθνχ ππξηηίνπ (pc-si) πνπ ζηελ αγνξά εκθαλίδνληαη κε απνδφζεηο κεηαμχ 11% θαη 14,8% θαιχπηνπλ πεξίπνπ ην 61,73% ηεο αγνξάο. Ο ηχπνο θπςειίδαο άκνξθνπ ππξηηίνπ (a-si) πνπ θαηαιακβάλεη ην 3,4% πεξίπνπ ηεο αγνξάο θαη ρξεζηκνπνηείηαη πεξηζζφηεξν ζηελ ηερλνινγία ησλ ιεπηψλ πκελίσλ. Οη θπςειίδεο ιεπηψλ πκελίσλ θαηαζθεπάδνληαη κε ππέξζεζε ιεπηψλ ζηξσκάησλ εκηαγσγνχ πιηθνχ, ηππηθνχ πάρνπο κηθξφηεξνπ ηνπ 1κm πάλσ ζε βάζε πνπ ην πιηθφ ηεο κπνξεί λα απνηειείηαη απφ γπαιί ή απφ αλνμείδσην κέηαιιν ή πιαζηηθφ. Σα πιηθά ησλ thin films ζην εκπφξην είλαη ζπλήζσο ην άκνξθν ππξίηην (a-si), ην cadmium telluride (CdTe) θαη ην copper indium diselenide (CIS). - 6 -
Κεθάλαιο 1 ο Πίλαθαο 1.2: πγθξηηηθφο πίλαθαο θσηνβνιηατθψλ ηερλνινγηψλ[2] Φπζηθά, φζνλ αθνξά ηελ απφδνζε φισλ ησλ βαζηθψλ ηχπσλ θπςειίδσλ, έρεη πξαγκαηνπνηεζεί πεξεηαίξσ έξεπλα. Έηζη έρνπλ αλαθεξζεί εξγαζηεξηαθά γηα ηηο κνλνθξπζηαιηθέο θπςειίδεο απνδφζεηο πνπ μεπεξλνχλ ην 24,7%, γηα ηηο πνιπθξπζηαιιηθέο 19,8%, ελψ γηα ηελ ηερλνινγία ησλ ιεπηψλ πκελίσλ 12,7% γηα a-si, 16% γηα CdTe θαη 18.2% γηα CIS. 1.4 Φυηοβοληαφκή γεννήηπια [1][2] Ζ θσηνβνιηατθή γελλήηξηα είλαη ην ηκήκα κηαο Φ/Β εγθαηάζηαζεο πνπ πεξηέρεη Φ/Β ζηνηρεία νκαδνπνηεκέλα θαη παξάγεη ζπλερέο ξεχκα. Σα θχξηα ζπζηαηηθά ησλ θσηνβνιηατθψλ γελλεηξηψλ πνπ είλαη απαξαίηεηα γηα ηε κεηαηξνπή ηεο ειηαθήο ζε ειεθηξηθή ελέξγεηα είλαη ηα θσηνβνιηατθά ζηνηρεία ή θσηνζηνηρεία ή ειηαθά θχηηαξα ή θπςειίδεο (ζρήκα 1.5). - 7 -
Κεθάλαιο 1 ο ρήκα 1.5: Φσηνβνιηατθά θχηηαξα Έλα θσηνβνιηατθφ θχηηαξν, αθφκα θαη ζηηο θαιχηεξεο ζπλζήθεο, έρεη ζρεηηθά κηθξή ηζρχ εμφδνπ. πγθεθξηκέλα, ε ηάζε πνπ εθδειψλεη έλα θσηνβνιηατθφ ζηνηρείν ππξηηίνπ ηνπ εκπνξίνπ, ζε θαλνληθή ειηαθή αθηηλνβνιία (STC-Standard Condition), είλαη κφιηο 0,5V θαη ε ειεθηξηθή ηνπ ηζρχο είλαη κφιηο 0,4W [1]. Οπφηε, γηα λα ηθαλνπνηήζνπκε ηηο ελεξγεηαθέο αλάγθεο ζε κηα εθαξκνγή απαηηείηαη έλαο αξηζκφο ειηαθψλ θπηηάξσλ, πνπ ζπλδεδεκέλα θαηάιιεια ζε ζεηξά ή/ θαη παξάιιεια ζα δψζνπλ ηελ απαηηνχκελε ηζρχ (ηάζε θαη ξεχκα). Γεληθά ππάξρνπλ δηάθνξα θαηαζθεπαζηηθά ζηάδηα νκαδνπνίεζεο ειηαθψλ θπηηάξσλ γηα ηε ζπγθξφηεζε θσηνβνιηατθψλ γελλεηξηψλ. Σε κηθξφηεξε δνκηθή κνλάδα νκάδνπνηεκέλσλ ειηαθψλ θπηηάξσλ απνηειεί ην πιαίζην (ζρήκα 1.6), πνπ είλαη έλα ζχλνιν θπηηάξσλ, ειεθηξηθψλ ζπλδέζεσλ θ.ι.π. θαηάιιεια ζπζθεπαζκέλσλ ψζηε λα πξνζηαηεχνληαη απφ ην πεξηβάιινλ. Σν πιαίζην δίλεη, κε ηελ πξφζπησζε ηνπ ειηαθνχ θσηφο, θάπνηα DC ηζρχ. ρήκα 1.6: Φσηνβνιηατθφ πιαίζην [2] Αθνινπζεί ε ζπζηνηρία (ζρήκα 1.7) πνπ είλαη έλα κεραληθά νινθιεξσκέλν ζχλνιν απφ πιαίζηα κε ειεθηξηθή αιιεινζχλδεζε, ηνπνζεηεκέλα ζε θνηλή θαηαζθεπή ζηήξημεο θαη φ,ηη άιιν είλαη απαξαίηεην γηα λα απνηειέζεη κηα αλεμάξηεηε κνλάδα θσηνβνιηατθήο παξαγσγήο ηζρχνο. - 8 -
Κεθάλαιο 1 ο ρήκα 1.7: Φσηνβνιηατθή ζπζηνηρία Οη θσηνβνιηατθέο γελλήηξηεο θαηαηάζζνληαη ζε ηξεηο θπξίσο θαηεγνξίεο ζχκθσλα κε ηνλ επηπιένλ εμνπιηζκφ ηνπο [1]. Σηο απιέο δηαηάμεηο, πνπ ηα πιαίζηα ηνπνζεηνχληαη ζε ζηαζεξφ ζεκείν θαη ε ζπζηνηρία δέρεηαη ηελ ειηαθή αθηηλνβνιία κε ηε θπζηθή ηεο ππθλφηεηα θαη δηαθχκαλζε ζηε δηάξθεηα ηεο εκέξαο. Σηο δηαηάμεηο κε θηλεηά πιαίζηα πνπ πεξηζηξέθνληαη απηφκαηα θαη παξαθνινπζνχλ ζπλερψο ηελ πνξεία ηνπ ήιηνπ ζηνλ νπξαλφ, ψζηε ηα ειηαθά ζηνηρεία λα δέρνληαη θάζεηα ηελ ειηαθή αθηηλνβνιία ζε φιε ηε δηάξθεηα ηεο κέξαο. Σηο δηαηάμεηο πνπ κε ηε ρξεζηκνπνίεζε θαθψλ ή θαηφπηξσλ ζπγθεληξψλνπλ ηελ ειηαθή αθηηλνβνιία θαη ηελ ζηέιλνπλ ζπκππθλσκέλε πάλσ ζηα ειηαθά ζηνηρεία. Γηα ηελ απνθπγή ππεξζέξκαλζεο, ζηηο ζπγθεληξσηηθέο θσηνβνιηατθέο δηαηάμεηο απαηηείηαη ζπλήζσο ε ηερληθή ςχμε ησλ ζηνηρείσλ κε θπθινθνξία ςπρξνχ αέξα ή ςπθηηθψλ πγξψλ. 1.5 Ηλεκηπικά Υαπακηηπιζηικά ηυν Φυηοβοληαφκών Πλαιζίυν [1][8] Όπσο αλαθέξζεθε πξνεγνπκέλσο, ην θσηνβνιηατθφ πιαίζην απνηειείηαη απφ έλα ζχλνιν θπηηάξσλ θαη θαηά ζπλέπεηα, γηα λα πεξηγξάςνπκε ηελ ειεθηξηθή ζπκπεξηθνξά ηνπ ζα πξέπεη πξψηα λα θαηαλνήζνπκε ηελ ειεθηξηθή ζπκπεξηθνξά ηνπ θσηνβνιηατθνχ θπηηάξνπ. Με ηελ πξφζπησζε θαηάιιειεο αθηηλνβνιίαο πάλσ ζε έλα θσηνβνιηατθφ ζηνηρείν, απηφ δηεγείξεηαη παξάγνληαο ειεθηξηθφ ξεχκα, ην θσηφξεπκα Η L,cell, πνπ ε ηηκή ηνπ είλαη αλάινγε πξνο ηα θσηφληα πνπ απνξξνθά ην ζηνηρείν. Γηα λα κπνξέζνπκε λα εθηηκήζνπκε θαιχηεξα ηα ειεθηξηθά ραξαθηεξηζηηθά θαη ηε ιεηηνπξγία ελφο θσηνβνιηατθνχ ζηνηρείνπ, κπνξνχκε λα ζεσξήζνπκε φηη απνηειεί κηα πεγή ξεχκαηνο πνπ ειέγρεηαη απφ κηα δίνδν θαη ζηε ζπλέρεηα θαίλεηαη ην ηζνδχλακν ηνπ θχθισκα (ζρήκα 1.8). - 9 -
Κεθάλαιο 1 ο ρήκα 1.8: Ηζνδχλακν θχθισκα ελφο θσηνβνιηατθνχ θπηηάξνπ [1] Ζ ειεθηξηθή ζπκπεξηθνξά ελφο θσηνβνιηατθνχ θπηηάξνπ ζε ζηαηηθέο θαηαζηάζεηο πεξηγξάθεηαη απφ ηελ παξαθάησ εμίζσζε: [ ( ) ] φπνπ: V Σ = ε ζεξκηθή ηάζε (ζε V). Γίλεηαη απφ ηε ζρέζε V T =, γηα ζεξκνθξαζία k = T = q = n cell = Η cell = V cell = I L,cell = Η Ο,cell = R S,cell = δσκαηίνπ(27 o C=300 o K) V T,27oC =25,85mV ζηαζεξά Boltzmann (1,38 10-23 Joule/Kelvin) απφιπηε ζεξκνθξαζία ηνπ θπηηάξνπ ζε βαζκνχο Kelvin (0 o C = 273 o Kelvin) θνξηίν ειεθηξνλίνπ (1,6022 10-19 Coulomb) ζπληειεζηήο δηφξζσζεο, πνπ νθείιεηαη ζε θαηλφκελα επαλαζχλδεζεο θαη κε ηδαληθήο δηάρπζεο, ηα νπνία ζπκβαίλνπλ ζηελ πεξηνρή ηεο p-n επαθήο. Λακβάλεη ηηκέο κεηαμχ 1 θαη 2 ην ξεχκα ζηελ έμνδν ηνπ θπηηάξνπ ε ηάζε ζηελ έμνδν ηνπ θπηηάξνπ θσηφξεπκα, δειαδή ην ξεχκα πνπ παξάγεηαη ιφγσ ηνπ πξνζπίπηνληνο ειηαθνχ θσηφο επί ηνπ θπηηάξνπ ξεχκα θφξνπ ηεο δηφδνπ κε ηηκέο κεηαμχ 10-4 10-15 Α ζε ζεηξά αληίζηαζε ηνπ θπηηάξνπ. Παξηζηάλεη ζε ζπγθεληξσκέλε κνξθή φια ηα θαηαλεκεκέλα ζηνηρεία αληίζηαζεο θαηά ηελ ξνή ησλ θνξέσλ ζηνλ θπξίσο εκηαγσγφ, ηελ επηθαλεηαθή ξνή ζηνλ εκηαγσγφ, πνπ βξίζθεηαη ζηε πιεπξά πνπ πξνζπίπηεη ην θσο θαη απνηειείηαη απφ πνιχ ιεπηφ ζηξψκα, ηελ ελδνεπηθάλεηα κεηαμχ εκηαγσγνχ-σκηθήο επαθήο θαη ηελ σκηθή επαθή. Ζ αληίζηαζε R S,cell είλαη ζπλήζσο κηθξφηεξε απφ 1 Χ. - 10 -
Κεθάλαιο 1 ο R SH,cell = παξάιιειε αληίζηαζε. Οθείιεηαη ζε δηαξξνέο ησλ θνξέσλ πνπ ζπκβαίλνπλ είηε ζηελ επαθή p-n (επαλαζχλδεζε), είηε ζηελ εμσηεξηθή παξάπιεπξε επηθάλεηα ηνπ θπηηάξνπ (επηθαλεηαθή δηαξξνή), είηε ζε άιιεο αλσκαιίεο ηνπ θξπζηάιινπ θαη δελ είλαη νκνηφκνξθα θαηαλεκεκέλεο ζε φιε ηελ επηθάλεηα ηνπ θπηηάξνπ νχηε κεηαμχ δχν νκνίσλ θπηηάξσλ. Ζ αληίζηαζε R SH,cell είλαη ζπλήζσο ηεο ηάμεο ησλ kχ Παξαθάησ βιέπνπκε ηελ αλαπαξάζηαζε ηεο I-V ραξαθηεξηζηηθήο ηνπ θπηηάξνπ (ζρήκα 1.9) καδί κε ηε γξαθηθή ηζρχνο: ρήκα 1.9: Κακπχιεο I-V θαη P-V θσηνβνιηατθνχ ζηνηρείνπ γηα ζηαζεξέο ζπλζήθεο αθηηλνβνιίαο θαη ζεξκνθξαζίαο [1] Ζ εμίζσζε πνπ πεξηγξάθεη ηελ ειεθηξηθή ζπκπεξηθνξά ελφο θσηνβνιηατθνχ πιαηζίνπ πξνθχπηεη απφ ηε βαζηθή εμίζσζε ηνπ ειηαθνχ θπηηάξνπ (ζρέζε 1.1). Όπσο γλσξίδνπκε, ππφ ηδαληθέο ζπλζήθεο, δχν ή πεξηζζφηεξεο ίδηεο πεγέο ηάζεο ζε ζεηξά πξνζηίζεληαη, θάηη πνπ ζπκβαίλεη θαη φηαλ δχν ή πεξηζζφηεξεο ίδηεο πεγέο ξεχκαηνο ζπλδένληαη παξάιιεια. Έηζη, φηαλ ηα ειηαθά θχηηαξα έρνπλ ηα ίδηα αθξηβψο ειεθηξηθά ραξαθηεξηζηηθά, ε κέγηζηε ηζρχο πνπ παίξλνπκε απφ έλα θσηνβνιηατθφ πιαίζην ηζνχηαη κε ην γηλφκελν ηεο κέγηζηεο ηζρχνο πνπ κπνξεί λα ηξνθνδνηήζεη θάζε ζηνηρείν μερσξηζηά, επί ηνλ αξηζκφ ησλ ζηνηρείσλ. Ζ κέγηζηε ηάζε πνπ παίξλνπκε ζηελ εμφδνπ ηνπ θσηνβνιηατθνχ πιαηζίνπ πξνζδηνξίδεηαη απφ ηνλ αξηζκφ ειηαθψλ ζηνηρείσλ πνπ ζπλδένληαη ζε ζεηξά θαη ην κέγηζην ξεχκα ζηελ έμνδν (γηα θαλνληθά επίπεδα ειηνθάλεηαο) πξνζδηνξίδεηαη απφ ηνλ αξηζκφ ησλ ζηνηρείσλ πνπ ζπλδένληαη παξάιιεια. Ζ ραξαθηεξηζηηθή I-V θακπχιε ελφο ζπλφινπ ίδησλ ειηαθψλ ζηνηρείσλ ζπλδεδεκέλσλ ζε ζεηξά ή/ θαη παξάιιεια, πξνθχπηεη κε αληίζηνηρν ζπλδπαζκφ ησλ ραξαθηεξηζηηθψλ ησλ επηκέξνπο ζηνηρείσλ φπσο θαίλεηαη ζην ζρήκα 1.10. - 11 -
Κεθάλαιο 1 ο ρήκα 1.10: Κακπχιεο I-V θσηνβνιηατθνχ πιαηζίνπ κε ζηνηρεία ζπλδεδεκέλα ζε ζεηξά θαη παξάιιεια [3] ηελ πεξίπησζε ελφο πιαηζίνπ, αλ ζεσξήζνπκε φηη έρνπκε N S ίδηα ειηαθά θχηηαξα ζε ζεηξά (αιπζίδα) θαη N P ίδηεο αιπζίδεο παξάιιεια, ηφηε ε ζρέζε 1.1 γίλεηαη: [ ( ) ] φπνπ: n = I = V = I L = I O = R S = R SH = N S n cell N P I cell, ην ξεχκα ζηελ έμνδν ηνπ Φ/Β πιαηζίνπ N S V cell, ε ηάζε ζηελ έμνδν ηνπ Φ/Β πιαηζίνπ N P I L,cell, ην ζπλνιηθφ ηζνδχλακν θσηφξεπκα ηνπ Φ/Β πιαηζίνπ N P I o,cell, ην ζπλνιηθφ ηζνδχλακν ξεχκα θφξνπ ηεο δηφδνπ (N S /N P ) R S,cell, ε ηζνδχλακε ελ ζεηξά αληίζηαζε ηνπ Φ/Β πιαηζίνπ (N S /N P ) R SH,cell, ε ηζνδχλακε παξάιιειε αληίζηαζε ηνπ Φ/Β πιαηζίνπ Ζ εμίζσζε απηή είλαη κε γξακκηθή ηεο κνξθήο I=f (I, V) θαη είλαη πεπιεγκέλε. Απνηειεί ην καζεκαηηθφ κνληέιν πνπ πεξηγξάθεη ηελ ειεθηξηθή ζπκπεξηθνξά, ζε ζηαηηθέο θαηαζηάζεηο, ελφο θσηνβνιηατθνχ πιαηζίνπ. Δπνκέλσο ην ηζνδχλακν θχθισκα ηνπ Φ/Β πιαηζίνπ, κπνξεί λα παξαζηαζεί απφ ην ειεθηξηθφ θχθισκα ηνπ ζρήκαηνο 1.11: - 12 -
Κεθάλαιο 1 ο ρήκα 1.11: Ηζνδχλακν θχθισκα θσηνβνιηατθνχ πιαηζίνπ [8] ηε ζπλέρεηα, ζην ζρήκα 1.12, βιέπνπκε ηηο ηππηθέο πνηνηηθέο ραξαθηεξηζηηθέο θακπχιεο ηάζεο-ξεχκαηνο (ραξαθηεξηζηηθή V-Η) θαη ηάζεο-ηζρχνο (ραξαθηεξηζηηθή V-Ρ) ελφο Φ/Β πιαηζίνπ θαη πάλσ ζε απηέο ζεκεηψλνληαη ηα πξναλαθεξζέληα ραξαθηεξηζηηθά ειεθηξηθά ηνπ κεγέζε, πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη γηα ηελ αμηνιφγεζε ηεο ζπκπεξηθνξάο θαη ιεηηνπξγίαο ηνπ πιαηζίνπ θαη θαζνξίδνπλ ηελ απφδνζε ηνπ. Έρνληαο σο ζηαζεξέο ηηο ζπλζήθεο αθηηλνβνιίαο θαη ζεξκνθξαζίαο θαη κεηαβάιινληαο ηηο ηηκέο ζηελ αληίζηαζε ηνπ θπθιψκαηνο πνπ ηξνθνδνηεί ην ειηαθφ θχηηαξν, ε ηάζε θαη ε έληαζε ηνπ ξεχκαηνο ηνπ θπηηάξνπ παίξλνπλ ελδηάκεζεο ηηκέο αλάκεζα ζηηο αθξαίεο πνπ αληηζηνηρνχλ ζε κεδεληθή αληίζηαζε (βξαρπθπθισκέλε θαηάζηαζε κε κέγηζηε ηηκή ξεχκαηνο, I SC θαη κεδεληθή ηάζε) θαη άπεηξε αληίζηαζε (αλνηρηνθπθισκέλε θαηάζηαζε κε κεδεληθή ηηκή ξεχκαηνο θαη κέγηζηε ηηκή ηάζεο, V OC ), φπσο θαίλεηαη ζην ζρήκα 1.13. Δπνκέλσο, ζηα δχν πξνεγνχκελα ζεκεία ιεηηνπξγίαο ηεο θσηνγελλήηξηαο (δεχγνο ηηκψλ ηάζεο θαη ξεχκαηνο), ε ειεθηξηθή ηζρχο πνπ παξάγεηαη κεδελίδεηαη. Αληίζεηα, ε κέγηζηε ηηκή ηεο ηζρχνο P MP επηηπγράλεηαη γηα έλα ζπγθεθξηκέλν δεχγνο ηηκψλ ηάζεο V MP θαη ξεχκαηνο I MP, φπσο βιέπνπκε θαη απφ ηε ραξαθηεξηζηηθή V-P. Με άιια ιφγηα κπνξεί λα εηπσζεί φηη γηα ηηο ηηκέο απηέο ην εκβαδφ ηνπ νξζνγσλίνπ πνπ ζρεκαηίδεηαη απφ ηελ I-V θακπχιε θαη ηνπο άμνλεο ηάζεο θαη έληαζεο ξεχκαηνο, γίλεηαη κέγηζην. Μειεηψληαο ην ζρήκα 1.12 κπνξνχκε λα δηαπηζηψζνπκε φηη νη θσηνβνιηατθέο γελλήηξηεο παξνπζηάδνπλ κηα αξθεηά ηδηφκνξθε ζπκπεξηθνξά ζπγθξηηηθά µε ηηο ζπλήζεηο πεγέο παξαγσγήο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο. πγθεθξηκέλα, ζε αληίζεζε µε ηηο πεξηζζφηεξεο θνηλέο ειεθηξηθέο πεγέο, νη νπνίεο δηαηεξνχλ πεξίπνπ ζηαζεξή ηελ ηηκή ηεο ηάζε ηνπο ζηελ πεξηνρή θαλνληθήο ιεηηνπξγίαο ηνπο, ε ηάζε ησλ Φ/Β γελλεηξηψλ κεηαβάιιεηαη δξαζηηθά θαη κάιηζηα µε γξαµµηθά ζπλαξηήζεη ηεο έληαζεο ηνπ ξεχκαηνο πνπ παξέρνπλ ζε θάπνην εμσηεξηθφ ειεθηξηθφ θχθισκα, αθφκα θαη γηα ζηαζεξέο ζπλζήθεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο θαη ζεξκνθξαζίαο. Ρίρλνληαο κηα πξνζεθηηθφηεξε καηηά ζηε ραξαθηεξηζηηθή - 13 -
Κεθάλαιο 1 ο V-I, παξαηεξνχκε φηη αξηζηεξά ηνπ γνλάηνπ ηεο θακπχιεο, ε έληαζε ηνπ ξεχκαηνο πνπ παξέρεηαη απφ ην Φ/Β πιαίζην ζε έλα εμσηεξηθφ ειεθηξηθφ θχθισκα κεηαβάιιεηαη ειάρηζηα γηα κεγάιεο κεηαβνιέο ηεο ηάζεο, ελψ αληίζεηα δεμηά ηνπ γνλάηνπ ην ξεχκα κεηαβάιιεηαη ζεκαληηθά γηα κηθξέο κεηαβνιέο ηεο ηάζεο. ρήκα 1.12: Πνηνηηθέο θακπχιεο V-I θαη V-P ελφο θσηνβνιηατθνχ πιαηζίνπ [8] 1.6 Δίδη Φυηοβληαφκών Πλαιζίυν [6] Δθηφο απφ ηε δηαθνξνπνίεζε ησλ Φ/Β πιαηζίσλ κε βάζε ην πιηθφ θαηαζθεπήο ηνπο, ππάξρεη θαη ε δηαθνξνπνίεζε κε βάζε ηα ειεθηξηθά ηνπο ραξαθηεξηζηηθά. πγθεθξηκέλα φινη νη θαηαζθεπαζηέο δίλνπλ γηα θάζε Φ/Β πιαίζην έλα πίλαθα ζηνλ νπνίν αλαθέξνληαη νη ηηκέο ηεο κέγηζηεο δπλαηήο απνδηδφκελεο ηζρχνο P ΜP, ηεο ηάζεο αλνηρηνχ θπθιψκαηνο V OC, ηνπ ξεχκαηνο βξαρπθπθιψκαηνο I SC θαζψο επίζεο θαη νη ηηκέο ηεο ηάζεο V MP θαη ηνπ ξεχκαηνο Η MP ζην ζεκείν κέγηζηεο απνδηδφκελεο ηζρχνο. Σα κεγέζε απηά κεηξνχληαη γηα ζπγθεθξηκέλεο ζπλζήθεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο θαη ζεξκνθξαζίαο (ζεξκνθξαζία 25 ν C θαη αθηηλνβνιία 1000/m 2 ). Πξνθεηκέλνπ λα επηιεγεί ε θαηάιιειε Φ/Β γελλήηξηα γηα ηελ εθάζηνηε εθαξκνγή, ηα κεγέζε πνπ ζεσξνχληαη ηδηαίηεξεο ζεκαζίαο είλαη ε κέγηζηε δπλαηή απνδηδφκελε ηζρχο θαη ε ηηκήο ηεο ηάζεο εμφδνπ απηήο ζην ζεκείν κέγηζηεο απνδηδφκελεο ηζρχνο. Ζ κέγηζηε παξαγφκελε ηζρχο πνπ κπνξεί λα δψζεη έλα Φ/Β ζχζηεκα θαζνξίδεηαη απφ ηνλ αξηζκφ ησλ Φ/Β ζπζηνηρηψλ πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη, ελψ ε ηηκή ηεο ηάζεο θαη ηνπ ξεχκαηνο πνπ κπνξεί λα δψζεη (ην ζχζηεκα) θαζνξίδεηαη απφ ηελ ελ ζεηξά θαη παξάιιειε ζχλδεζε ησλ ζπζηνηρηψλ. - 14 -
Κεθάλαιο 1 ο ην ζρήκα 1.13, βιέπνπκε ηελ νκαδνπνίεζε ησλ πιαηζίσλ βάζεη ηεο κέγηζηεο απνδηδφκελεο ηζρχνο απηψλ P m, ελψ ζην ζρήκα 1.14 γίλεηαη θαηεγνξηνπνίεζε ησλ πιαηζίσλ βάζεη ηεο ηηκήο ηεο ηάζεο ζην ζεκείν κέγηζηεο απνδηδφκελεο ηζρχνο. Όπσο κπνξνχκε λα παξαηεξήζνπκε ζηε βηνκεραλία ησλ Φ/Β ππεξηεξνχλ ηα πιαίζηα κε ηηκή ηάζεο V m = 15 έσο 19V. ρήκα 1.13: Καηεγνξηνπνίεζε ησλ Φ/Β πιαηζίσλ βάζεη ηεο κέγηζηεο απνδηδφκελεο ηζρχνο (P m ) [6] ρήκα 1.14: Καηεγνξηνπνίεζε ησλ Φ/Β πιαηζίσλ βάζεη ηεο ηάζεο ζην ζεκείν κέγηζηεο απνδηδφκελεο ηζρχνο (V m ) [6] 1.7 Γιαζύνδεζη Φυηοβοληαφκών ςζηημάηυν με ηο Γίκηςο Δναλλαζζόμενος Ρεύμαηορ 1.7.1 Σξφπνη Γηαζχλδεζεο [6] Σελ ηζρχ πνπ παίξλνπκε απφ ηα Φ/Β ζπζηήκαηα κπνξνχκε λα ηελ εηζάγνπκε ζην δίθηπν ή/ θαη ζε έλα ζπζζσξεπηή. Όζνλ αθνξά ην δίθηπν, δελ είλαη δπλαηφ λα ζπλδεζεί έηζη απιά κε - 15 -
Κεθάλαιο 1 ο ηε Φ/Β γελλήηξηα γηαηί φπσο γλσξίδνπκε (ε Φ/Β γελλήηξηα) παξάγεη κηα κηθξή ζπλερή ηάζε ελψ ην δίθηπν έρεη ελαιιαζζφκελε ζηα 220V. Απηφ έρεη ζαλ απνηέιεζκα λα πξέπεη λα παξεκβάιινπκε έλα κεηαηξνπέα ν νπνίνο λα εληζρχεη ηελ ηάζε ηεο Φ/Β γελλήηξηαο ζε κηα πςειφηεξε ελαιιαζζφκελε. Δπίζεο ν κεηαηξνπέαο ηνπνζεηείηαη γηα λα ειέγρεη ζπλέρεηα ην ζεκείν ιεηηνπξγίαο ησλ πιαηζίσλ φπσο κεηαβάιιεηαη ζηε θακπχιε P-V (ζρήκα 1.12), δειαδή ρξεζηκνπνηείηαη γηα ηελ αλίρλεπζε ηνπ ζεκείνπ βέιηηζηεο ηζρχνο ησλ πιαηζίσλ (Maximum Power Point Tracking-MPPT). Με ηε δηαζχλδεζε ζην δίθηπν κπνξνχκε νπζηαζηηθά λα απνζεθεχζνπκε ηελ ηζρχ πνπ παξάγεηαη αλ απηή είλαη κεγαιχηεξε απφ ηελ θαηαλαιηζθφκελε. Παξαθάησ, παξνπζηάδνληαη νη δηάθνξεο ηερλνινγίεο ησλ θσηνβνιηατθψλ ζπζηεκάησλ γηα ηε δηαζχλδεζε ζην δίθηπν: Ζ Κεληξηθνπνηεκέλε Σερλνινγία (Centralized Technology) Ζ Σερλνινγία Αιπζίδαο (String Technology) Ζ Σερλνινγία Πνιιαπιψλ Αιπζίδσλ (Multistring Technology) Σερλνινγία Φσηνβνιηατθψλ Πιαηζίσλ Δλαιιαζζφκελνπ Ρεχκαηνο (AC- PV Modules) Ζ δηαθνξνπνίεζε ησλ ηερλνινγηθψλ ηάζεσλ νθείιεηαη ζηνλ αξηζκφ ησλ Φ/Β πιαηζίσλ πνπ ζπλδένληαη αλά ειεθηξνληθφ κεηαηξνπέα (επίπεδν ηζρχνο ηνπ κεηαηξνπέα), θαζψο θαη ζηνλ ηξφπν κε ηνλ νπνίν ζπλδένληαη κεηαμχ ηνπο ηα Φ/Β πιαίζηα (ελ ζεηξά ζχλδεζε, παξάιιειε ζχλδεζε ή ζπλδπαζκφο απηψλ). 1.7.2 Καηεγνξίεο Μεηαηξνπέσλ Γηαζχλδεζεο Φσηνβνιηατθνχ Πιαηζίνπ κε ην Γίθηπν Δλαιιαζζφκελνπ Ρεχκαηνο Γηα λα ζπλδέζνπκε έλα θσηνβνιηατθφ πιαίζην κε ην δίθηπν ρακειήο ηάζεο ρξεηαδφκαζηε έλα κεηαηξνπέα πνπ λα κεηαηξέπεη ηε ζπλερή ηάζε ηνπ Φ/Β πιαηζίνπ ζε κνλνθαζηθή ελαιιαζζφκελε (ηερλνινγία θσηνβνιηατθψλ πιαηζίσλ ελαιιαζζφκελνπ ξεχκαηνο). Οη κεηαηξνπείο είλαη ειεθηξνληθέο δηαηάμεηο (ρσξίο θηλνχκελα κέξε) θαη αλάινγα κε ηελ θπθισκαηηθή ηνπο ηνπνινγία επεξεάδνπλ ηελ απνδνηηθφηεηα ηνπ φινπ ζπζηήκαηνο αιιά θαη ην ζπλνιηθφ ηνπ θφζηνο. Οη ηνπνινγίεο θαηεγνξηνπνηνχληαη κε βάζε ηνλ αξηζκφ ησλ βαζκίδσλ ζε: Μεηαηξνπείο κίαο βαζκίδαο (single stage) Μεηαηξνπείο δχν βαζκίδσλ (dual stages) Μεηαηξνπείο πνιιαπιψλ βαζκίδσλ (multi stages) - 16 -
Κεθάλαιο 1 ο ηελ επηινγή ηεο θαηάιιειεο ηνπνινγίαο γηα ηε δηαζχλδεζε ησλ Φ/Β πιαηζίσλ ελαιιαζζνκέλνπ ξεχκαηνο πξέπεη λα έρνπκε σο ζηφρν ηελ εχξεζε ελφο θζελνχ κεηαηξνπέα πνπ λα κπνξεί λα ηνπνζεηεζεί ζην πίζσ κέξνο ηνπ πιαηζίνπ, λα είλαη νηθνλνκηθφο, απνδνηηθφο θαη λα είλαη εχθνιν λα ζπλδεζεί ζην θνηλφ δπγφ ηνπ δηθηχνπ [9]. χκθσλα κε αλαθνξέο ζηε δηεζλή βηβιηνγξαθία ηείλεη λα επηθξαηήζεη σο βέιηηζηε ιχζε ε ηνπνινγία κεηαηξνπέα δχν βαζκίδσλ [11]. Έλα πιενλέθηεκα ηεο ηνπνινγίαο απηήο, είλαη φηη ρξεζηκνπνηνχληαη πςίζπρλνη Μ/ ή πελία κε απνηέιεζκα ηε κείσζε ηνπ φγθνπ θαη ηνπ βάξνπο. Αθφκα, ην θχθισκα ειέγρνπ, νη αηζζεηήξεο θαη ε ηξνθνδνζία ηνπ είλαη πην απιά λα πξαγκαηνπνηεζνχλ δεδνκέλνπ φηη είλαη πην εχθνιε ε αλίρλεπζε ηνπ ζεκείνπ κέγηζηεο ηζρχνο απφ ηνλ ειεγθηή ηεο πξψηεο βαζκίδαο. Σέινο, γηα λα κπνξέζνπκε λα έρνπκε πςειή απφδνζε δελ πξέπεη λα ρξεζηκνπνηεζνχλ παξαπάλσ απφ δχν ζηάδηα γηαηί απηφ έρεη σο απνηέιεζκα λα κεηψλεηαη ε απφδνζε θαη λα απμάλεη ν αξηζκφο ησλ ζηνηρείσλ, ηνπ θφζηνπο θαη ηεο πνιππινθφηεηαο. ην κεηαηξνπέα δχν βαζκίδσλ ην πξψην ηκήκα απνηειεί ην κεηαηξνπέα ζπλερνχο ηάζεο ζε ζπλερή ελψ ην δεχηεξν ηνλ αληηζηξνθέα. ηελ παξνχζα δηπισκαηηθή εξγαζία ζα αζρνιεζνχκε κε ηε κειέηε θαη ην ζρεδηαζκφ ηνπ θπθιψκαηνο πνπ ηνπνζεηείηαη ζηελ πξψηε βαζκίδα θαη αλαιακβάλεη ηελ αλχςσζε ηεο ηάζεο πνπ πξνθχπηεη απφ ην Φ/Β πιαίζην. 1.8 Μεηαηποπείρ Ανύτυζηρ Σάζηρ Οη κεηαηξνπείο αλχςσζεο ηάζεο ρξεζηκνπνηνχληαη γηα λα αλπςψζνπλ ηελ ηάζε εηζφδνπ ζε έλα ειεγρφκελν επίπεδν ηάζεο εμφδνπ ην νπνίν εθαξκφδεηαη ζην θνξηίν. Σέηνηεο δηαηάμεηο είλαη απαξαίηεηεο γηα ηε δηαζχλδεζε ησλ Φ/Β πιαηζίσλ κε ην δίθηπν ρακειήο ηάζεο, κηαο θαη ηα Φ/Β πιαίζηα, φπσο έρνπκε ήδε αλαθέξεη, εκθαλίδνπλ πνιχ ρακειή ηάζε εμφδνπ. Γηα λα κπνξέζνπκε λα επηιέμνπκε ηνλ θαηάιιειν αλπςσηή ηάζεο (πνπ ζα ρξεζηκνπνηεζεί ζηνπο κεηαηξνπείο δχν βαζκίδσλ) κέζα απφ κηα πιεηάδα ηνπνινγηψλ, πξέπεη λα ιακβάλνληαη ππφςε θάπνηεο πξνυπνζέζεηο [11][13]. Σν βαζηθφηεξν είλαη λα κπνξεί λα ιεηηνπξγεί ζε ζπλεξγαζία κε ηνλ αληηζηξνθέα κνλήο ή δηπιήο γέθπξαο ηεο δεχηεξεο βαζκίδαο (δειαδή λα κπνξεί λα αλπςψζεη ηελ ηάζε ζηα απαηηνχκελα επίπεδα ψζηε ν αληηζηξνθέαο λα δψζεη ελαιιαζζφκελε ηάζε 220V RMS), ελψ έλα άιιν θξηηήξην είλαη ην θφζηνο. Δπίζεο, πξέπεη λα επηιέγεηαη κεηαηξνπέαο κε πςειφ βαζκφ απφδνζεο, κεγάιε ππθλφηεηα ηζρχνο, κεγάιε αμηνπηζηία, πςειφ θέξδνο ηάζεο πνπ πξνζθέξεη ζηελ έμνδν ηνπ θαη νη ειεθηξνκαγλεηηθέο παξεκβνιέο πνπ πξνθχπηνπλ απφ ηε ιεηηνπξγία λα είλαη ζχκθσλα κε ηα δηεζλή πξφηππα. - 17 -
Κεθάλαιο 1 ο 1.8.1 Παξνπζίαζε Πνιιαπιαζηαζηψλ Σάζεο Cockcroft-Walton, Dickson θαη Half-Wave Cockcroft-Walton κε Ππθλσηή Δμνκάιπλζεο Μεηαηξνπείο πνπ λα θαιχπηνπλ ηηο πξνυπνζέζεηο πνπ αλαθέξζεθαλ πξνεγνπκέλσο θαη έρνπλ παξφκνηα ινγηθή ιεηηνπξγίαο κεηαμχ ηνπο, είλαη νη πνιιαπιαζηαζηέο ηάζεηο Cockcroft-Walton (ζρήκα 1.15), Dickson (ζρήκα 1.16) θαη Half-Wave Cockcroft-Walton κε Ππθλσηή Δμνκάιπλζεο (ζρήκα 1.17). Πξφθεηηαη γηα κεηαηξνπείο νη νπνίνη δελ πεξηιακβάλνπλ ειεγρφκελα εκηαγσγηθά ζηνηρεία, νπφηε δελ ρξεηάδνληαη θχθισκα παικνδφηεζεο θαη ζε ζπλδπαζκφ κε ηελ απιή ηνπνινγία ηνπο πξνζθέξνπλ πνιχ πςειφ βαζκφ απφδνζεο. Έλα αθφκα ραξαθηεξηζηηθφ απηψλ ησλ κεηαηξνπέσλ είλαη ε ηθαλφηεηα αλχςσζεο ηεο ηάζεο ζε επίπεδα ηφζν πςειά πνπ δχζθνια ζα κπνξνχζε λα θηάζεη άιινο κεηαηξνπέαο. ρήκα 1.15: Πνιιαπιαζηαζηήο ηάζεο Half-Wave Cockcroft-Walton [8] ρήκα 1.16: Πνιιαπιαζηαζηήο ηάζεο Dickson [8] - 18 -
Κεθάλαιο 1 ο Stage 1 Stage 2 Stage n C 1 C 3 C 2n-1 AC D 1 D 2 D 3 D 4 D 2n-1 D 2n C 2 C 4 C 2n R L ρήκα 1.17: Πνιιαπιαζηαζηήο ηάζεο Half-Wave Cockcroft-Walton κε Ππθλσηή Δμνκάιπλζεο [14] Βέβαηα, νη ηξεηο ζπγθεθξηκέλνη αλπςσηέο παίξλνπλ σο είζνδν ηνπο ελαιιαζζφκελε ηάζε, ηελ νπνία αλπςψλνπλ ζε ζπλερή θαη θαη απηφ ηνλ ηξφπν είλαη αδχλαηε ε απεπζείαο ζχλδεζε ηνπο κε ην Φ/Β πιαίζην. Έηζη, ρξεηαδφκαζηε έλα βνεζεηηθφ θχθισκα ην νπνίν ζα αλαιάβεη ηελ πξνζσξηλή κεηαηξνπή ηεο ζπλερνχο ηάζεο ηνπ Φ/Β πιαηζίνπ ζε ελαιιαζζφκελε. Μηα ηέηνηα ηνπνινγία είλαη ν αληηζηξνθέαο ζπληνληζκνχ πιήξνπο γέθπξαο κε παξάιιειν θνξηίν (Parallel Resonant Full-Bridge). Αλαιπηηθή κειέηε ησλ πνιιαπιαζηαζηψλ ηάζεηο Cockcroft- Walton, Dickson θαη Half-Wave Cockcroft-Walton κε Ππθλσηή Δμνκάιπλζεο ζα γίλεη ζηα θεθάιαηα πνπ αθνινπζνχλ. 1.8.2 Ο Αληηζηξνθέαο πληνληζκνχ Πιήξνπο Γέθπξαο κε Παξάιιειν θνξηίν [15][16] Γηα λα θαηαλνήζνπκε ηε ιεηηνπξγία ηνπ Parallel Resonant Full-Bridge ζα πξέπεη λα έρνπκε θαηαλνήζεη ηε ιεηηνπξγία ηνπ αληηζηξνθέα πιήξνπο γέθπξαο (full-bridge). Ο αληηζηξνθέαο πιήξνπο γέθπξαο (ζρήκα 1.18) απνηειείηαη απφ ηέζζεξα εκηαγσγηθά ζηνηρεία ηα νπνία άγνπλ αλά δεπγάξηα (1 ν δεπγάξη: Σ Α+ θαη Σ Β-, 2 ν δεπγάξη Σ Α- θαη Σ Β+ ). Αλ ζηελ είζνδφ ηνπ έρεη ζπλερή ηάζε V d ηφηε ζηελ έμνδφ ηνπ παίξλνπκε είηε V d αλ άγνπλ ηα Σ Α+ θαη Σ Β-, είηε V d αλ άγνπλ ηα Σ Α- θαη Σ Β+. - 19 -
Κεθάλαιο 1 ο ρήκα 1.18: Αληηζηξνθέαο full-bridge [15] ηελ πεξίπησζε πνπ θάζε δεπγάξη εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ άγεη γηα κηα εκηπεξίνδν ηφηε ε έμνδνο ηνπ αληηζηξνθέα full-bridge ζα είλαη ηάζε ηεηξαγσληθήο θπκαηνκνξθήο (ζρήκα 1.19). ρήκα 1.19: Σάζε εμφδνπ full-bridge γηα κεηάβαζε ησλ δηαθνπηηθψλ ζηνηρείσλ κε ηεηξαγσληθή θπκαηνκνξθή αλά δεχγε [15] Αλ ηψξα, πξνζζέζνπκε έλα θχθισκα ζπληνληζκνχ L-C ζηελ έμνδν ηνπ ζπγθεθξηκέλνπ αληηζηξνθέα, φπσο θαίλεηαη ζην ζρήκα 1.20, παίξλνπκε ην κεηαηξνπέα ζπληνληζκνχ θνξηίνπ Parallel Resonant Full-bridge. Με ηελ πξνζζήθε ηνπ L-C θπθιψκαηνο, θηιηξάξνπκε ηηο αλψηεξεο αξκνληθέο ηεο ηεηξαγσληθήο θπκαηνκνξθήο ηε ηάζεο εμφδνπ δίλνληαο ηειηθά έλα (θαηά πξνζέγγηζε) εκίηνλν. Αθφκα, αλ ηα Mosfet ιεηηνπξγνχλ ζε ζπρλφηεηα ζπληνληζκνχ ή κεγαιχηεξε κεδελίδνληαη νη απψιεηεο έλαπζεο. Έηζη, απνθηνχκε ηε δπλαηφηεηα λα ιεηηνπξγήζνπκε ηνλ αληηζηξνθέα ζε κεγάιεο ζπρλφηεηεο ιεηηνπξγίαο κεηψλνληαο ην κέγεζνο ηνπ, ην βάξνο ηνπ θαη απμάλνληαο ηελ ππθλφηεηα ηζρχνο. - 20 -
Κεθάλαιο 1 ο ρήκα 1.20: Αληηζηξνθέαο parallel resonant full-bridge [15] Σέινο, ζην ζρήκα 1.21 βιέπνπκε ηε γξαθηθή παξάζηαζε ηνπ θέξδνο ηάζεο ζπλαξηήζεη ηεο ζπρλφηεηαο ιεηηνπξγίαο ηνπ αληηζηξνθέα, κε παξάκεηξν ην θνξηίν. ρήκα 1.21: Κέξδνο ηάζεο ηνπ κεηαηξνπέα parallel resonant full-bridge [15] - 21 -
- 22 - Κεθάλαιο 1 ο
Κεθάλαιο 2 ο ΚΔΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΠΟΛΛΑΠΛΑΙΑΣΗ ΣΑΗ COCKCROFT-WALTON 2.1 Διζαγυγή [8][21-25] Ο πνιιαπιαζηαζηήο ηάζεο Cockcroft-Walton αλαθαιχθζεθε απφ ηνπο βξαβεπκέλνπο κε βξαβείν λφκπει θπζηθήο James Douglas Cockcroft θαη Ernest Thomas Sinton Walton, απφ ηνπο νπνίνπο πήξε θαη ην φλνκά ηνπ. Δίλαη έλαο κεηαηξνπέαο ελαιιαζζφκελεο ηάζεο ζε ζπλερή (AC-DC Converter), ν νπνίνο πξαγκαηνπνηεί, ηαπηφρξνλα, αλφξζσζε θαη αλχςσζε ηεο ηάζεο εηζφδνπ. Μάιηζηα, φζνλ αθνξά ηελ αλχςσζε ηεο ηάζεο, κπνξνχκε λα ηελ επηηχρνπκε ζε πνιχ πςειά επίπεδα πνπ δχζθνια ζα κπνξνχζε λα θηάζεη έλαο ζπκβαηηθφο DC-DC κεηαηξνπέαο, επηηπγράλνληαο επηπιένλ πςειφ βαζκφ απφδνζεο. Έλα πνιχ ζεκαληηθφ ραξαθηεξηζηηθφ ηεο ηνπνινγίαο απηήο είλαη φηη δελ πεξηιακβάλεη εκηαγσγηθά δηαθνπηηθά ζηνηρεία ή πελία, παξά κφλν ππθλσηέο θαη δηφδνπο. ηε δηεζλή βηβιηνγξαθία έρνπλ παξνπζηαζηεί δχν ηνπνινγίεο, ν πνιιαπιαζηαζηήο ηάζεο Cockcroft- Walton κηζνχ θχκαηνο (Half-Wave Cockcroft-Walton) θαη ν πνιιαπιαζηαζηήο ηάζεο Cockcroft-Walton πιήξνπο θχκαηνο (Full-Wave Cockcroft-Walton). Ο Cockcroft-Walton πιήξνπο θχκαηνο είλαη έλαο παξάιιεινο ζπλδπαζκφο δχν κεηαηξνπέσλ Cockcroft-Walton κηζνχ θχκαηνο, έηζη ψζηε λα επηηπγράλεηαη θαιχηεξε εμνκάιπλζε ηεο ηάζεο εμφδνπ. Δκείο ζα αζρνιεζνχκε, ζηε ζπλέρεηα, κε ηελ αλάιπζε ηνπ πνιιαπιαζηαζηή ηάζεο Cockcroft- Walton κηζνχ θχκαηνο. 2.2 Θευπηηική Ανάλςζη ηηρ Λειηοςπγίαρ ηος Μεηαηποπέα Half-Wave Cockcroft- Walton [8][21] Ο κεηαηξνπέαο Half-Wave Cockcroft-Walton (H-W C-W) απνηειείηαη απφ ζηάδηα, θαζέλα απφ ηα νπνία απαξηίδεηαη απφ δχν ππθλσηέο θαη δχν δηφδνπο. ε θάζε ζηάδην δηπιαζηάδεηαη ε κέγηζηε ηηκή ηεο ελαιιαζζφκελεο ηάζεο εηζφδνπ θαη δίλεηαη κηα ζπλερή ηάζε ζηελ έμνδν. Παξαθάησ, ζην ζρήκα 2.1 θαίλεηαη ην θπθισκαηηθφ δηάγξακκα ελφο κεηαηξνπέα H-W C-W ηξηψλ ζηαδίσλ κε σκηθφ θνξηίν ζηελ έμνδν. - 23 -
Κεθάλαιο 2 ο ρήκα 2.1: Κπθισκαηηθή δηάηαμε ηνπ πνιιαπιαζηαζηή ηάζεο H-W C-W ηξηψλ ζηαδίσλ, κε σκηθφ θνξηίν ζηελ έμνδν [8] Σξία ειεθηξηθά κεγέζε πνπ ζα καο απαζρνιήζνπλ άκεζα, ζηε ζπλέρεηα, είλαη ε ζπλερήο ηάζε εμφδνπ ελ θελψ V opt, ε πηψζε ηάζεο ΓV (ζε ζρέζε κε ηελ ελ θελψ ηάζε εμφδνπ) θαη ε θπκάησζε ηεο εμφδνπ δv. Πην ζπγθεθξηκέλα: Ζ V opt είλαη ε ηάζε πνπ κπνξεί λα θζάζεη ν κεηαηξνπέαο φηαλ ιεηηνπξγεί ρσξίο θνξηίν (ελ θελψ). Αλ ε πξαγκαηηθή (ππφ θνξηίν) κέγηζηε ηηκή ηεο ηάζεο εμφδνπ ηνπ κεηαηξνπέα είλαη Vo max ηφηε ε πηψζε ηάζεο ΓV είλαη ε δηαθνξά ηεο Vo max θαη ηεο V opt. Ζ πηψζε ηάζεο εκθαλίδεηαη κφλν φηαλ ππάξρεη θνξηίν ζηνλ κεηαηξνπέα. Ζ θπκάησζε ηεο ηάζεο εμφδνπ δv είλαη ην πιάηνο ηεο ηαιάλησζεο πνπ παξνπζηάδεη ε ηάζε εμφδνπ φηαλ εθαξκφζνπκε έλα θνξηίν ζηελ έμνδν ηνπ κεηαηξνπέα. Παξαθάησ (ζρήκα 2.2) βιέπνπκε ηα κεγέζε V opt, ΓV θαη δv γηα λα έρνπκε κηα θαιχηεξε εηθφλα. ρήκα 2.2: Πνηνηηθή παξνπζίαζε ηεο ηάζεο εμφδνπ ηνπ πνιιαπιαζηαζηή ηάζεο H-W C-W [8] - 24 -
Κεθάλαιο 2 ο Γηα λα θαηαλνήζνπκε ηε ιεηηνπξγία ηνπ πνιιαπιαζηαζηή ηάζεο H-W C-W ζα κειεηήζνπκε ηε ιεηηνπξγία ηνπ κε δχν ζηάδηα. Δπίζεο ζα ρσξίζνπκε ηελ αλάιπζε ηνπ ζε δχν εκηπεξηφδνπο αλάινγα κε ηελ πνιηθφηεηα ηεο ηάζεο εηζφδνπ V in θαη ζα ζεσξήζνπκε φηη ην θνξηίν πνπ απνξξνθά ε σκηθή αληίζηαζε είλαη q L. 1 ε εκηπεξίνδνο: Όηαλ ε πνιηθφηεηα ηεο V in είλαη αξλεηηθή (ζρήκα 2.3), νη ππθλσηέο κε δείθηε πεξηηηφ αξηζκφ (ππθλσηέο κεηάβαζεο) πξέπεη λα θνξηηζηνχλ θαη νη ππθλσηέο κε δείθηε άξηην αξηζκφ (ππθλσηέο εμνκάιπλζεο) λα εθθνξηηζηνχλ κέζσ ησλ δηφδσλ κε δείθηε πεξηηηφ αξηζκφ. Με βάζε ηελ αξρή δηαηήξεζεο ηνπ θνξηίνπ, ζε θάζε θιάδν ηνπ θπθιψκαηνο πξέπεη λα πεξλά θνξηίν ίζν κε q L. Καηά ζπλέπεηα, ν C 1 δέρεηαη ζπλνιηθά 2q L θνξηίν, ν C 3 δέρεηαη θνξηίν q L, ν C 2 ράλεη θνξηίν 2q L θαη ν C 4 ράλεη θνξηίν q L πνπ πάεη ζην σκηθφ θνξηίν R L. 2 ε εκηπεξίνδνο: Όηαλ ε πνιηθφηεηα ηεο V in είλαη ζεηηθή (ζρήκα 2.4), θαη ζχκθσλα κε ηελ πξνεγνχκελε ινγηθή ν C 1 ράλεη ζπλνιηθά 2q L θνξηίν, ν C 3 ράλεη θνξηίν q L, ν C 2 δέρεηαη θνξηίν 2q L θαη ν C 4 δέρεηαη θνξηίν q L. Ζ πξνεγνχκελε αλάιπζε ηζρχεη κε ηελ πξνυπφζεζε φηη ν ρξφλνο πνπ απαηηείηαη γηα ηε θφξηηζε ησλ ππθλσηψλ είλαη ειάρηζηνο ζε ζρέζε κε ηελ πεξίνδν ηεο ηάζεο εηζφδνπ θαη ν ρξφλνο εθθφξηηζεο ζην θνξηίν είλαη πνιχ κεγαιχηεξνο ηεο πεξηφδνπ ηεο ηάζεο εηζφδνπ. ρήκα 2.3: Κίλεζε θνξηίσλ θαηά ηελ αξλεηηθή πνιηθφηεηα ηεο ηάζεο εηζφδνπ - 25 -
Κεθάλαιο 2 ο ρήκα 2.4: Κίλεζε θνξηίσλ θαηά ηε ζεηηθή πνιηθφηεηα ηεο ηάζεο εηζφδνπ Οη ζεσξεηηθνί ηχπνη νη νπνίνη αθνξνχλ θαη πεξηγξάθνπλ ηε ιεηηνπξγία ηνπ H-W C-W ζηε κφληκε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο, γηα n ζηάδηα, είλαη νη εμήο: [ ] Όπνπ E pk : I L : f: ε κέγηζηε ηηκή ηεο εκηηνλνεηδνχο ηάζεο εηζφδνπ ε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ ε ζπρλφηεηα ηεο εκηηνλνεηδνχο ηάζεο εηζφδνπ χκθσλα κε ηε ζρέζε (2.2) βιέπνπκε φηη ζηελ θπκάησζε δv ζπκβάιινπλ κφλν νη ππθλσηέο εμνκάιπλζεο (C 2, C 4, C 6 θ.ι.π.) θαη κάιηζηα κε κεγαιχηεξε βαξχηεηα απηνί πνπ βξίζθνληαη πην θνληά ζηελ πεγή (ιφγσ κεγαιχηεξσλ ζπληειεζηψλ). Απφ ηε ζρέζε (2.3) βιέπνπκε φηη ζηε ζπλνιηθή πηψζε ηάζεο ΓV ζπκβάιινπλ θαη νη ππθλσηέο εμνκάιπλζεο (C 2, C 4, C 6 θ.ι.π.), εθηφο απφ ηνλ ηειεπηαίν C 2n, θαζψο θαη νη ππθλσηέο κεηάβαζεο (C 1, C 3, C 5 θ.ι.π.), κε κεγαιχηεξε βαξχηεηα ζηνπο δεχηεξνπο θαη κάιηζηα ζε απηνχο πνπ βξίζθνληαη πην θνληά ζηελ πεγή (ιφγσ κεγαιχηεξσλ ζπληειεζηψλ). Σέινο, ε θπκάησζε θαη ε πηψζε ηάζεο είλαη κεγέζε αλάινγα κε ην κέζν ξεχκα ηνπ θνξηίνπ θαη αληηζηξφθσο αλάινγα ηεο ζπρλφηεηαο ηεο ηάζεο εηζφδνπ. - 26 -
Κεθάλαιο 2 ο 2.3 Βέληιζηορ σεδιαζμόρ ηος Πολλαπλαζιαζηή Σάζηρ Half-Wave Cockcroft-Walton για Δλάσιζηη ςνολική Υυπηηικόηηηα [8][21] Όπσο βιέπνπκε απφ ηηο παξαπάλσ εμηζψζεηο, κε θαηάιιειε επηινγή ησλ ρσξεηηθνηήησλ κπνξνχκε λα βειηηψζνπκε ηελ θπκάησζε θαη ηελ πηψζε ηάζεο ηνπ κεηαηξνπέα. ηε ζπλέρεηα βιέπνπκε ηηο εμήο ηέζζεξεο πεξηπηψζεηο ρσξεηηθνηήησλ φπσο κειεηήζεθαλ ζηε βηβιηνγξαθία: Πεξίπησζε 1: C 2i-1 = C 2i = C για i= 1 n Πεξίπησζε 2: C 2i = C για i= 1 n και C 2i-1 = C για i= 2 n ενώ C 1 = 2 C Πεξίπησζε 3: C 2i-1 = (n+1-i) C για i= 1 n και C 2i = (n+1-i) C για i= 1 n Πεξίπησζε 4: C 2i-1 = (n+1-i) 2 C για i= 1 n και C 2i = (n+1-i) C για i= 1 n Γηα θαζεκηά απφ ηηο πξνεγνχκελεο πεξηπηψζεηο νη εμηζψζεηο ησλ δv, ΓV θαη V o απινπνηνχληαη. Μάιηζηα, αλ εηζάγνπκε ζηελ εμίζσζε ηεο V o ηε ζπλνιηθή ρσξεηηθφηεηα ηνπ θπθιψκαηνο C tot (αληί ηεο ρσξεηηθφηεηαο βάζεο C πνπ είλαη ε ρσξεηηθφηεηα ηνπ ππθλσηή εμνκάιπλζεο ηνπ ηειεπηαίνπ ζηαδίνπ) θαη εμηζψζνπκε ηε κεξηθή παξάγσγν κε ην κεδέλ, κπνξνχκε λα ππνινγίζνπκε ην βέιηηζην αξηζκφ ζηαδίσλ N opt γηα ηελ ειάρηζηε ζπλνιηθή ρσξεηηθφηεηα C tot (ψζηε λα επηηχρνπκε κηα δεδνκέλε ηάζε εμφδνπ). Απφ ηηο ηέζζεξεηο πξνεγνχκελεο πεξηπηψζεηο, ζχκθσλα κε ηε βηβιηνγξαθία, σο βέιηηζηε ζεσξείηαη ε πεξίπησζε 3 αθνχ γηα δεδνκέλν ιφγν ελίζρπζεο x=v o /E pk θαη δεδνκέλα I L θαη f ε ζπλνιηθή ρσξεηηθφηεηα C tot είλαη ε ειάρηζηε. ηε ζπλέρεηα, παξαζέηνπκε ηηο εμηζψζεηο πνπ πεξηγξάθνπλ ηελ πεξίπησζε 1 (ε νπνία είλαη ε πην απιή θαη ζπλαληάηαη θαηά θχξην ιφγν ζηε βηβιηνγξαθία) θαη ηελ πεξίπησζε 3 (πνπ είλαη ε βέιηηζηε): Πεπίπηυζη 1 Ζ ζπλνιηθή ρσξεηηθφηεηα ηνπ θπθιψκαηνο C tot κπνξεί λα ππνινγηζηεί απφ ηνλ ηχπν: - 27 -
Κεθάλαιο 2 ο Όπνπ: X= V o /E pk ς= I L /E pk Πεπίπηυζη 3 Ζ ζπλνιηθή ρσξεηηθφηεηα ηνπ θπθιψκαηνο C tot κπνξεί λα ππνινγηζηεί απφ ηνλ ηχπν: Όπνπ: X= V o /E pk ς= I L /E pk 2.4 Πποζομοιώζειρ ηος Πολλαπλαζιαζηή Σάζηρ Half-Wave Cockcroft-Walton ην θεθάιαην απηφ έγηλε κηα ζεηξά πξνζνκνηψζεσλ ψζηε λα δνχκε ηε ζπκπεξηθνξά ηνπ κεηαηξνπέα H-W C-W ζηηο πεξηπηψζεηο 1, 3 θαη λα επηβεβαηψζνπκε ηελ νξζφηεηα ησλ ζεσξεηηθψλ ηχπσλ. Οη πξνζνκνηψζεηο έγηλαλ γηα εκηηνλνεηδή ηάζε εηζφδνπ κέγηζηεο ηηκήο E pk =50V, ζπρλφηεηαο f=100khz θαη νη ηηκέο ηεο ηζρχνο εμφδνπ ήηαλ απφ 10W έσο 150W (αλά 20W). Ο βέιηηζηνο αξηζκφο ζηαδίσλ N opt ππνινγίζηεθε γηα κέζε ηάζε εμφδνπ V o =500V DC, ππνινγηζκέλε γηα ην κέγηζην θνξηίν εμφδνπ ησλ 150W (ή αιιηψο γηα ξεχκα I L =0,3A). Οη ηηκέο ησλ ρσξεηηθνηήησλ γηα θάζε πεξίπησζε δίλνληαη ζηελ αληίζηνηρε παξάγξαθν. Σν πξφγξακκα πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε γηα ηηο πξνζνκνηψζεηο είλαη ην PSpice, ζην νπνίν εκείο δίλνπκε ηελ ηνπνινγία ηνπ θπθιψκαηνο, ηηο ηηκέο ησλ ζηνηρείσλ θαη ηηο ιεπηνκέξεηεο ησλ κνληέισλ ησλ ζηνηρείσλ θαη απηφ παξάγεη εζσηεξηθά ηηο εμηζψζεηο ηνπ θπθιψκαηνο. Σα εκηαγσγηθά ζηνηρεία πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ είλαη κε ηδαληθά, κε θαηάιιεια επηιεγκέλεο - 28 -
Κεθάλαιο 2 ο βηβιηνζήθεο, ψζηε λα πξνζεγγίδνπλ φζν ην δπλαηφλ πεξηζζφηεξν ηα πξαγκαηηθά εκηαγσγηθά ζηνηρεία πνπ ζα ρξεζηκνπνηεζνχλ ζηελ θαηαζθεπή. 2.4.1 Πξνζνκνηψζεηο H-W C-W γηα ηελ πεξίπησζε 1 ησλ ηηκψλ ησλ ππθλσηψλ χκθσλα κε ηηο ζρέζεηο (2.5), (2.9) θαη (2.10) ν βέιηηζηνο αξηζκφο ζηαδίσλ είλαη N opt = 7 θαη ρσξεηηθφηεηα βάζεο είλαη C= 3,99κF. Γηα ηελ πεξίπησζε απηή, φινη νη ππθλσηέο C 1 -C 14 έρνπλ ηελ ίδηα ρσξεηηθφηεηα, πνπ είλαη ίζε κε ηε ρσξεηηθφηεηα βάζεο C. Σν ζρεκαηηθφ δηάγξακκα πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε ζην PSpice δίλεηαη ζην ζρήκα 2.5. ρήκα 2.5: ρεκαηηθφ θχθισκα ηνπ H-W C-W 7 ζηαδίσλ ηεο πεξίπησζεο 1 ηε ζπλέρεηα παξνπζηάδνληαη ηα απνηειέζκαηα ησλ πξνζνκνηψζεσλ (πίλαθαο 2.1): εη P ν R I L V o X δv ΓV eff Μεηξήζεσλ (W) (Χ) (ma) (V) (V) (V) 1 10,14 46240 15 684,66 13,68 1,03 14,83 0,99 2 30,39 14600 46 666,12 13,32 3,14 32,33 0,99 3 50,17 8340 78 646,81 12,94 5,29 50,57 0,98 4 70,29 5570 112 625,69 12,51 7,63 70,55 0,98 5 90,54 4010 150 602,55 12,05 10,14 92,46 0,98 6 109,95 3040 190 578,12 11,56 12,77 115,6 0,98 7 129,34 2345 235 550,69 11,01 15,67 141,61 0,98 8 149,35 1795 288 517,7 10,54 19,13 172,91 0,98-29 -
Κεθάλαιο 2 ο Πίλαθαο 2.1: Απνηειέζκαηα πξνζνκνίσζεο ηεο πεξίπησζεο 1 Όπνπ: P o : R: eff: ηζρχο εμφδνπ σκηθφ θνξηίν βαζκφο απφδνζεο ηνπ κεηαηξνπέα θαη ηα ππφινηπα κεγέζε φπσο έρνπλ νξηζηεί λσξίηεξα Αθνινπζνχλ νη γξαθηθέο παξαζηάζεηο ηνπ θέξδνπο ηάζεο, ηεο θπκάησζεο θαη ηεο πηψζεο ηάζεο ζπλαξηήζεη ηεο ηζρχνο (X(P), δv(p), ΓV(P)) ζχκθσλα κε ηηο ηηκέο ησλ πξνζνκνηψζεσλ. X H-W C-W case 1 16 14 12 13,68 13,32 12,94 12,51 12,05 11,56 11,01 10,54 10 8 6 4 2 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 P(Watt) ρήκα 2.6: Γξαθηθή παξάζηαζε ηνπ θέξδνπο ηάζεο X=V o /E pk ζπλαξηήζεη ηεο ηζρχνο εμφδνπ, γηα H- W C-W ηεο πεξίπησζεο 1 (απνηέιεζκα πξνζνκνίσζεο) - 30 -
Κεθάλαιο 2 ο δv(v) H-W C-W case 1 25 20 15,67 19,13 15 12,77 10,14 10 5 1,03 3,14 5,29 7,63 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 P(Watt) ρήκα 2.7: Γξαθηθή παξάζηαζε ηεο θπκάησζεο ηεο ηάζεο ζπλαξηήζεη ηεο ηζρχνο εμφδνπ, γηα H-W C-W ηεο πεξίπησζεο 1 (απνηέιεζκα πξνζνκνίσζεο) ΔV(V) 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 H-W C-W case 1 172,91 141,61 115,6 92,46 70,55 50,57 32,33 14,83 0 20 40 60 80 100 120 140 160 P(Watt) ρήκα 2.8: Γξαθηθή παξάζηαζε ηεο πηψζεο ηάζεο ζπλαξηήζεη ηεο ηζρχνο εμφδνπ, γηα H-W C-W ηεο πεξίπησζεο 1 (απνηέιεζκα πξνζνκνίσζεο) ηε ζπλέρεηα αθνινπζνχλ νη γξαθηθέο παξαζηάζεηο ηνπ θέξδνπο ηάζεο, ηεο θπκάησζεο θαη ηεο πηψζεο ηάζεο ζπλαξηήζεη ηνπ κέζνπ ξεχκαηνο θνξηίνπ (X(I L ), δv(i L ), ΓV(I L )) φπσο πξνθχπηνπλ απφ ηηο πξνζνκνηψζεηο θαη απφ ηνπο ζεσξεηηθνχο ηχπνπο ψζηε λα έρνπκε κηα ζπγθξηηηθή εηθφλα. - 31 -
Κεθάλαιο 2 ο X H-W C-W case 1 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 50 100 150 200 250 300 350 I(mA) Προσομοίωση Θεωρητικά ρήκα 2.9: πγθξηηηθφ γξάθεκα ηνπ θέξδνπο ηάζεο ζπλαξηήζεη ηνπ κέζνπ ξεχκαηνο θνξηίνπ, ζχκθσλα κε ηνπο ζεσξεηηθνχο ηχπνπο θαη ηηο ηηκέο ηεο πξνζνκνίσζεο γηα H-W C-W ηεο πεξίπησζεο 1 δv(v) H-W C-W case 1 25 20 15 10 Προσομοίωση Θεωρητικά 5 0 0 50 100 150 200 250 300 350 I(mA) ρήκα 2.10: πγθξηηηθφ γξάθεκα ηεο θπκάησζεο ηεο ηάζεο ζπλαξηήζεη ηνπ κέζνπ ξεχκαηνο θνξηίνπ, ζχκθσλα κε ηνπο ζεσξεηηθνχο ηχπνπο θαη ηηο ηηκέο ηεο πξνζνκνίσζεο γηα H-W C-W ηεο πεξίπησζεο 1-32 -
Κεθάλαιο 2 ο ΔV(V) H-W C-W case 1 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 50 100 150 200 250 300 350 I(mA) Προσομοίωση Θεωρητικά ρήκα 2.11: πγθξηηηθφ γξάθεκα ηεο πηψζεο ηάζεο ζπλαξηήζεη ηνπ κέζνπ ξεχκαηνο θνξηίνπ, ζχκθσλα κε ηνπο ζεσξεηηθνχο ηχπνπο θαη ηηο ηηκέο ηεο πξνζνκνίσζεο γηα H-W C-W ηεο πεξίπησζεο 1 Αθνινπζνχλ θάπνηα ελδεηθηηθά απνηειέζκαηα πξνζνκνηψζεσλ γηα ηζρχ εμφδνπ 50W. Σα δεδνκέλα θάζε πξνζνκνίσζεο αλαθέξνληαη ζηε ιεδάληα θάζε ζρήκαηνο. ρήκα 2.12: Σάζεηο εμφδνπ θαη εηζφδνπ ηνπ κεηαηξνπέα - 33 -