توضیحات

پروژه متلب بهینه سازی سیستم های فتوولتائیک(خورشیدی) با الگوریتم نهنگ و بهینه سازی ازدحام ذرات(PSO) و ترکیب ژنتیک و ازدحام ذرات

در سال­های اخیر، مصرف سریع سوخت­های فسیلی آلودگی­های زیست محیطی شدیدی بوجود آورده است و درنتیجه منابع انرژی تجدیدپذیر[1] را به گزینه­ای مناسبتر در تولید برق تبدیل نموده است. ویژگی­های این منابع، دوستدار محیط زیست و پایان ناپذیری می­باشد. انرژی خورشیدی(سولار)[2] به عنوان یکی از مهمترین منابع انرژی تجدیدپذیر شناخته شده است و کاربرد وسیع و گسترده­ای در تولید برق خورشیدی یا فتوولتائیک(PV)[3] دارد(هاینه و همکاران[4]، 2013). بااینحال راندمان پایین و هزینة بالای سیستم­های فتوولتائیک، مانع از توسعة تولید برق خورشیدی(PV) گردیده است. از آنجاییکه ویژگی­ های خروجی پنل­های خورشیدی(PV) متأثیر از عوامل بیرونی نظیر تابش خورشیدی و دما است، لذا نقطة حداکثر توان[5] (MPP) یک پنل فتوولتائیک، همراه با این عوامل بیرونی تغییر خواهد نمود. بنابراین یک تکنیک ردیابی نقطة حداکثر توان[6](MPPT) اهمیت زیادی برای بهبود راندمان سیستم­های تولید توان فتوولتائیک دارد. در یک سیستم فتوولتائیک، هر آرایة فتوولتائیک شامل چندین پنل PV بوده که به صورت سری و موازی متصل شده­اند و یک ولتاژ بالا و جریان بالا را برای هدف افزایش توان خروجی آرایه­های فتوولتائیک ایجاد می­ کنند(لی و همکاران[7]، 2018).

ساختار آرایه فتوولتائیک(لی و همکاران، 2018).

دو نوع دیود در یک سیستم توان خورشیدی وجود دارند، که شامل دیودهای باس پس[8] و دیودهای بلوکه کننده می­باشند(لی و همکاران، 2018) و برای اهداف مختلف بکاربرده می­شوند. دیودهای بلوکه­کننده[9] مانع از جریان رو به عقب الکتریسیته می­شوند. دیودهای بای پس[10]، برای جلوگیری از اثر گرمایش نقطه داغ[11] و کاهش اتلاف توان به دلیل اثر سایه[12] استفاده می­­شوند. این موقعیت به صورت شرایط سایه جزئی[13](PSC) تعریف می­شود که در آن هر پنل ممکن است تابش­های خورشیدی متفاوت و دماهای مختلفی را به صورت همزمان دریافت کند(قاسمی و همکاران[14]، 2015). زمانی­که یک آرایة فتوولتائیک(PV) تحت شرایط سایة جزئی قرار بگیرد، منحنی مشخصة[15] توان-ولتاژ(P-V) آن پیک ­های متعددی خواهد داشت. در میان تمامی پیک­ها، تنها یک پیک کلی نقطه حداکثر توان[16](GMPP) وجود دارد، و دیگر پیک­ها به صورت نقطه حداکثر توان محلی[17](LMPP) نامیده می­شوند. در بسیاری از تحقیقات الگوریتم­های مختلفی برای ردیابی نقطه حداکثر توان(MPPT) برای ردیابی نقطه حداکثر توان کلی(GMPP) سیستم­های فتوولتائیک تحت شرایط سایة جزئی پیشنهاد شده­اند(پاتل و آگاروال[18]، 2008).

سیستم های فتوولتائیک:

رشد فزاینده ظرفیت سیستم ­های فتوولتائیک، در سراسر جهان در طول دهه اخیر اتفاق افتاده است. بنابراین افزایش دسترسی انرژی الکتریکی به شیوه­ای که محیط زیست را آلوده نکند، امری ضروری است. تکنیک ردیابی نقطه حداکثر توان، بیشینه سازی تولید انرژی منابع فتوولتائیک را در طول تابش خورشیدی متغیر و شرایط دمایی محیطی فراهم می­نماید. بنابراین راندمان کلی سیستم تولید انرژی فتوولتائیکی افزایش یافته است. تکنیک­های بیشماری در طول دهه اخیر برای پیاده­سازی فرآیند ردیابی نقطه حداکثر توان در یک سیستم فتوولتائیکی پیشنهاد شده اند(کوترولیس و بلابجرگ، 2015). ردیابی نقطه حداکثر توان، نقش مهمی در سیستم­های فتوولتائیک ایفا می کند. زیرا حداکثر توان و درنتیجه حداکثر بازده را برای آرایه فراهم می­آورد. جذب حداکثر توان از سیستم های فتوولتاییک نکتة مهم و اساسی در افزایش راندمان در این سیستم­ها می باشد. چرا که سلول­های خورشیدی به دلیل عوامل متعددی همچون تغییرات تابش و دما، میزان بار و نیز مشخصات الکتریکی های متصل به آن نمی­توانند در حداکثر نقطه کار خود، کار نمایند.  بنابراین برای جلوگیری از تغییر مشخصة خروجی آن از روش ها و الگوریتم­های مختلفی جهت ردیابی نقطه حداکثر توان(MPPT) استفاده می­نمایند. هرکدام ار این روش­ها از نظر دقت، سرعت ردیابی و هزینه دارای مزایا و معایبی می­باشند. هر سلول خورشیدی دارای یک نقطه کار واحد است که اصطلاحاً نقطه توان حداکثر یا MPP نامیده می­شود. هنگامی که یک سیستم در این نقطه کار قرار داشته باشد بیشترین بهره در تولید توان و بیشترین توان خروجی را دارد.

الگوریتم­ های قدیمی ردیابی نقطه حداکثر توان(MPPT) مانند الگوریتم آشوب و مشاهده[19](P&O)، الگوریتم هدایت نموی(IC)[20]، و الگوریتم ولتاژ ثابت[21](CV) نمی­توانند نقطة حداکثر توان کلی(GMPP) تحت شرایط سایة جزئی را ردیابی کنند(لیدن و هاکو[22]، 2014). برای حل مسئله GMPPT، الگوریتم­های بسیاری پیشنهاد شده است. الگوریتم پیشنهادی در تحقیق جی و همکاران[23](2010) شامل بهبود الگوریتم هدایت نموی(IC) است که می­تواند نقطه حداکثر توان کلی(GMPP) را با شناسایی تمامی نقاط محلی حداکثر توان(LMPP) و نقاط کلی حداکثر توان(GMPP) بیابد اما نیاز به دانستن طیف وسیعی از اطلاعات دربارة آرایه ­های فتوولتائیک(PV) دارد از جمله ولتاژ مدار باز و جریان مدار کوتاه برای هر پنل PV. الگوریتم پیشنهادی توسط قاسمی و همکاران(2016) بررسی منحنی توان-ولتاژ با افزایش ولتاژ خروجی آرایة فتوولتائیک به صورت مرحله به مرحله است، که برای بهبود پاسخ گذرای سیستم فتوولتائیک و افزایش سرعت ردیابی، مؤثر می­باشد. بااینحال پردازشگر دیجیتالی با دقت و سرعت بالا برای پیاده­سازی این الگوریتم مورد نیاز است که هزینة سیستم کلی فتوولتائیک را افزایش خواهد داد. الگوریتم MPPT پیشنهادی توسط پاتل و آگاروال(2008) برای تخمین GMPP مطابق ولتاژ مدار باز آرایة فوولتائیک ارائه شده است و از الگوریتم MPPT مبتنی بر P&O برای ردیابی GMPP استفاده کرده است. این الگوریتم عملکرد ردیابی خوبی دارد. بااینحال به واسطه ماهیت الگوریتمی آن، این الگوریتم می­تواند برای GMPP تحت شرایط سایة جزئی نامعتبر باشد.

الگوریتم­ های ردیابی نقطة حداکثر توان در شرایط سایة جزئی، هنگامیکه اولین نقطة بیشینه توان را بدست می­ آورند، عملکرد آنها برای نقطة بعدی(اگر وجود داشته باشد) متوقف می­شوند. درنتیجه این نوع از روش­ها تمایل به همگرایی در نقاط محلی دارند و مناسب برای ردیابی در شرایط تابش یکنواخت هستند. در این پروژه از الگوریتم ­های فراابتکاری مانند الگوریتم ازدحام ذرات(PSO) و الگوریتم ژنتیک و الگوریتم نهنگ به منظور بررسی ردیابی نقطه حداکثر توان تحت شرایط سایه جزئی استفاده خواهدشد.

 

[1] Renewable energy sources

[2] Solar energy

[3] Photovoltaic

[4] Huynh et al.

[5] Maximum power point

[6] Maximum power point tracking

[7] Li et al.

[8] Bypass diodes

[9] Blocking diodes

[10] Bypass diodes

[11] Hotspot

[12] Shading

[13] Partial shading condition (PSC)

[14] Ghasemi et al.

[15] Characteristic curve

[16] Global MPP

[17] Local MPP

[18] Patel, & Agarwal

[19] Perturbation & observation

[20] Incremental conductance

[21] Constant voltage

[22] Lyden, & Haque

[23] Ji et al.

 

انرژی تجدیذیر:

انرژی برای زندگی روزانه ما مسئله­ای ضروری است. اخیراً تقاضای انرژی به صورت گسترده در سراسر جهان افزایش یافته است. این مسئله بحران انرژی و تغییرات جوی و اقلیمی را بوجود آورده است. تلاش­های محققین در راستای انرژی­های تجدیدپذیر می­تواند این مشکلات را مرتفع نماید. در مقایسه با منابع انرژی سوخت فسیلی، منابع انرژی تجدیدپذیر[1] مزیت­های زیر را دارند(هوینه و همکاران، 2013: 1):

1- آنها پایدار هستند،

2- تمام نشدنی هستند،

3- دردسترس و غیرآلوده کننده می­باشند.

انرژی های تجدیدپذیر، انرژی تولیدشده از منابع طبیعی تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی، انرژی بادی، امواج و غیره هستند. در میان این منابع تجدیدپذیر، انرژی خورشیدی یکی از مهمترین و پرکاربردترین منابع تجدیدپذیر می­باشد. خورشید یک مقدار انرژی را بر روی سطح زمین هر روزه می تاباند، که برای تامین نیازهای انرژی انسان­ها کافی است. به علاوه، عمده منابع انرژی تجدیدپذیر نظیر انرژی بادی، انرژی جزرومد، انرژی امواج، و غیره از انرژی خورشیدی نشأت گرفته­اند(هوینه و همکاران، 2013: 1).

نقطه حداکثر توان:

انرژی خورشیدی برای تامین گرما، نور، و الکتریسیته و برق به صورت رایج استفاده می­شود. یکی از فناوری­های مهم انرژی خورشیدی، فتوولتائیک(PV) است که تابش خورشیدی را مستقیماً به الکتریسیته توسط اثر فتوولتائیک تبدیل می­کند. بااینحال پنل­های تولید برق فتوولتائیک خورشیدی دو مشکل عمده دارند. نخست اینکه راندمان تبدیل سلول­های فتوولتائیک خورشیدی بسیار پایین است(9 درصد تا 17درصد)، به خصوص تحت شرایط تابش خورشیدی پایین؛ ثانیاً، مقدار توان الکتریکی که توسط پنل­های فتوولتائیک خورشیدی تولید می­شود، تحت شرایط مختلف آب و هوایی به صورت پیوسته تغییر می­کند. همچنین مشخصه V-I (ولتاژ-جریان) سلول خورشیدی به صورت غیرخطی بوده و با تابش و دما تغییر می­کند(فاراندا و لوا[2]، 2008). اما درحالت کلی، یک نقطه منحصربه­فرد بر روی منحنی V-I (ولتاژ- جریان) یا V-P (ولتاژ- فشار) وجود دارد که نقطه حداکثر توان[3](MPP) نامیده می­شود. این بدان معنی است که سیستم فتوولتائیک خورشیدی با راندمان حداکثری کار خواهد کرد و یک توان خروجی بیشینه را تولید می­نماید. نقطه حداکثر توان(MPP) بر روی منحنی V-I یا V-P مشخص نیست، اما می­توان موقعیت آن را توسط الگورتیم جستجو مانند الگوریتم آشوب و مشاهده(P&O)، الگوریتم هدایت نموی(IC)، الگوریتم ولتاژ ثابت(CV)، الگوریتم شبکه عصبی مصنوعی(ANN)، الگوریتم ازدحام ذرات(PSO) مشخص نمود(فاراندا و لوا، 2008). این الگوریتم­ها باتوجه به سادگی، سرعت همگرایی و هزینه محاسباتی، مزیت­ها و معایب خود را دارند که در بخش­های بعدی به تفصیل هرکدام بحث خواهد شد.

سلول فتوولتائیک خورشیدی:

پنل فتوولتائیک خورشیدی ساده برای تولید الکتریسیته در شکل زیر نشان داده شده است. بنابراین یک مدل مدار معادل ساده برای سلول PV خورشیدی شامل یک دیود واقعی به صورت موازی همراه با یک منبع جریان ایده­آل می­باشد(هوینه و همکاران، 2013).

پنل فتوولتائیک خورشیدی(هوینه و همکاران، 2013).

شکل مدل مدار معادل ساده یک سلول فتوولتائیک خورشیدی(هوینه و همکاران، 2013).

 

مدل ریاضی سلول فتوولتائیک خورشیدی توسط مجموعه معادلات زیر توصیف می­شود(هوینه و همکاران، 2013).

 

در این روابط داریم:

I (آمپر)، شدت جریان سلول فتوولتائیک خورشیدی است.

V (ولت)، ولتاژ سلول فتوولتائیک خورشیدی است.

P (توان)، توان سلول فتوولتائیک خورشیدی است.

I_sc (آمپر) جریان مدار کوتاه سلول فتوولتائیک خورشیدی است.

V_oc (ولت)، ولتاژ مدار باز سلول فتوولتائیک خورشیدی است.

I₀ (آمپر) جریان اشباع معکوس است.

Q بار الکترون است، .

K ثابت بولتزمان است، ،

T دمای پنل(کلوین).

نشان داده شده است که پنل­ های فتوولتائیک خورشیدی، حساسیت زیادی به سایه دارند. بنابراین یک مدار معادل دقیقتر برای یک سلول فتوولتائیک خورشیدی برای درنظرگرفتن تاثیر سایه و همچنین درنظرگرفتن تلفات به واسطه مقاومت سری داخلی مدول، تماس­ها و ارتباطات میان سلول­ها و مدول­ ها، ارائه شده است(شکل زیر).

شکل مدل مدار معادل پیچیده­تر یک سلول فتوولتائیک خورشیدی(هوینه و همکاران، 2013).

 

بنابراین مشخصة V-I برای یک سلول فتوولتائیک خورشیدی را می­توان به صورت رابطه زیر بیان نمود:

در این رابطه R_s و R_p مقاومت­های استفاده شده برای درنظرگرفتن تاثیر سایه و تلفات می­باشند. اگرچه سازندگان تلاش می­کنند تا اثر هر دو مقاومت را برای بهبود محصولات خود به حداقل برسانند، بااینحال سناریوی ایده­آل ممکن نمی­باشد.

دو نقطة مهم مشخصة V-I که بایستی به خاطر داشت، ولتاژ مدار باز، V_oc و دیگری جریان مدار کوتاه، I_sc است. توان تولیدشده در هر دو نقطه برابر صفر است. V_oc زمانی تعیین می­شود که جریان خروجی، I، سلول برابر صفر باشد(0=I)، درحالیکه I_sc زمانی تعیین می­شود که ولتاژ خروجی، V سلول برابر صفر باشد(0=V) (هوینه و همکاران، 2013).

توان حداکثری یا بیشینه، توسط سلول فتوولتائیک خورشیدی در نقطه­ای از مشخصه V-I ایجاد می­شود که در آن ضرب( ) بیشینه و حداکثر باشد. این مقطه به صورت نقطه توان حداکثر(MPP) تعریف شده و یکتا است.

شکل نقاط مهم در مشخصه­ های V-I و V-P پنل فتوولتائیک خورشیدی(هوینه و همکاران، 2013).

 

واضح است که دو عامل مهمی که بایستی در تولید برق یک پنل فتوولتائیک خورشیدی مدنظر قرار داد، تابش و دما هستند. این عوامل تاثیر قوی بر ویژگی­های پنل­های فتوولتائیک خورشیدی دارند. درنتیجه نقطه توان حداکثر(MPP) در طول روز تغییر می­کند.

چنانچه نقطه عملیاتی نزدیک به MPP نباشد، اتلاف توان قابل ملاحظه­ای روی می­دهد. لذا تکنیک ردیابی نقطه حداکثر توان(MPPT) در تمامی شرایط امری ضروری است بطوریکه تضمین می­دهد که حداکثر توان دردسترس از پنل فتوولتائیک خورشیدی بدست می­ آید. این مسئله مستلزم آن است که از الگوریتم­ های ردیابی نقطه حداکثر توان برای تعیین و یافتن نقطه حداکثر توان(MPP) استفاده شود.

[1] Renewable energy sources

[2] Faranda, & Leva

[3] Maximum Power Point

 

شرح پروژه:

امروزه باوجود نگرانی در مورد پایان سوخت های فسیلی و آلودگی های محیطی، انرژی­های تجدید پذیر بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته اند.  پنل­های خورشیدی ابزارهایی الکترونیکی هستند که بااستفاده از پدیدة فتوولتاییک نور یا فتون را مستقیم به جریان یا ولتاژ الکتریکی تبدیل می­کنند. از آنجایی که توان الکتریکی تامین شده توسط پنل­های خورشیدی به عایق بندی دما و میزان تابش بستگی دارد، کنترل نقاط عملکردی برای رسیدن به ماکزیمم توان پنل خورشیدی ضروری است. همچنین عدم یکنواختی نور تابیده شده و وجود نقاط تاریک (سایه) در سطح پنل می­تواند منجر به تغییراتی در مشخصة توانی پنل خورشیدی گردد. از اینرو یافتن نقطه حداکثر توان در این حالت همیشه موفق آمیز نمی­ باشد. با  تکنیک ردیابی نقطه حداکثر توان(MPPT) ولتاژ و جریان سلول خورشیدی با ولتاژ ثابت مبنا در شرایط جوی خاص مقایسه شده که با ولتاژ (جریان) سلول خورشیدی در نقطه حداکثر توان مطابقت دارد. روش آشوب و مشاهده(P&O) به عنوان یک راه حل جهت بهبود عملکرد سیستم  و دریافت حداکثر توان در بسیاری از سیستم­ها مورد استفاده قرار گرفته است. در این پروژه باتوجه به در نظر گرفتن نقاط سایه، راهکار متفاوتی با کمک یک الگوریتم بهینه­ سازی ازدحام ذرات(PSO) و الگوریتم ژنتیک و الگوریتم نهنگ جهت یافتن نقطه ماکزیمم توان ارائه می­ گردد.

 

نمونه نتایج: