توضیحات

پروژه متلب شبیه سازی سیستم ترکیبی فتوولتائیک-باتری- مبدل کاهنده dc-dc با ردیابی ماکزیمم توان(MPPT)

 

دانلود مقاله مرجع

امروزه به دلیل روند رو به کاهش منابع انرژی فسیلی و افزایش نیاز به انرژی در سراسر جهان، تلاش برای استحصال انرژی‌های نو و یافتن جایگزین‌های مناسب برای سوخت‌های متداول امری اجتناب‌ناپذیر است. در میان انرژی‌های تجدیدپذیر، انرژی خورشیدی یکی از گزینه‌های بی‌پایان، پاکیزه و قابل دسترسی آسان است. هر چند که فناوری سیستم‌های خورشیدی در حد قابل قبولی رشد کرده است، اما معایبی همچون هزینه نصب و راه‌اندازی بالا و راندمان کاری پایین را می‌توان برای این سیستم‌ها بر‌شمرد. از این رو استفاده از این سیستم‌ها در حداکثر توان خروجی آنها بسیار حائز اهمیت و ضروری است. هر سلول خورشیدی دارای یک نقطه‌ی کار بهینه است که اصطلاحاً نقطه بیشینه توان (MPP ) نامیده می‌شود. هنگامی که سیستم در این نقطه کاری قرار داشته باشد، بیشترین بهره در تولید توان و بیشترین توان خروجی را خواهد داشت. از طرفی به دلیل نوسان نقطه بیشینه با تغییرات میزان تابش نور خورشید و دما، ثابت نگه داشتن خروجی در حالت بهینه، کار بسیار دشواری است. علاوه بر‌ این تأثیر سایه جزیی را هم باید به این قضیه افزود که با ایجاد چندین نقطه بیشینه توان (چندین نقطه بیشینه محلی و یک نقطه بیشینه سراسری) مشکل را چندین برابر می‌کند. روش‌های مرسوم ردیابی نقطه بیشینه توان بیشتر در حالتی کارآمد هستند که سایه موجود نباشد. در صورتی که این کنترل‌کننده‌‌ ها را در حضور سایه به کار ببریم در نقاط بیشینه محلی به دام افتاده و نتیجه مطلوبی نخواهند داشت.

به دلیل تکنولوژی کامل، هزینه پایین و بازدهی بالا، سیستم ذخیره‌ساز انرژی مبتنی بر باتری در سیستم‌های تولید پراکنده به وفور استفاده می‌گردد. اتصال باتری به سلول خورشیدی تشکیل یک سیستم ترکیبی را می‌دهد که می‌تواند انرژی ثابت با قابلیت اطمینان بالا را فراهم آورد. سلول‌های خورشیدی بسته به شرایطی که در آن قرار دارند مانند شرایط آب و هوایی، تابش و …دارای یک نقطه بیشینه توان می‌باشند. بنابراین نیاز به یک روشی که همواره سلول خورشیدی را در نقطه ماکزیمم توان قرار بدهد وجود دارد تا بتوان بیشینه توان و در نتیجه بهره وری بهتری را از سلول خورشیدی داشته باشیم.

سلول های خورشیدی:

سلول خورشیدی یکی از انواع سامانه های تولید برق از انرژی خورشیدی می باشد. در این روش با بکارگیری سلول های خورشیدی، تولید مستقيم الكتریسیته از تابش خورشید امکان پذیر می شود. سلول های خورشیدی از نوع نیمه رسانا می باشند که از سیلیسیوم یعنی در این عنصر فراوان پوسته زمین ساخته می شوند. وقتی نور خورشید به یک سلول خورشیدی می تابد، بین دو الکترود منفی و مثبت اختلاف پتانسیل بروز کرده و این امر موجب جاری شدن جریان بين آنها می گردد.

شکل شمایی از سلول فتوولتاییک از نوع نیمه رسانا.

 

سلول های فتوولتاییک:

کوچک ترین واحد تولید توان الکتریکی هستند که با سری و موازی کردن آنها واحدهای بزرگتر تولید توان خورشیدی به نام پنل خورشیدی و یا آرایه خورشیدی ساخته می شوند.

باطری های قابل شارژ:

باطری های قابل شارژ از گروه سلول های الکتروشیمیایی ذخیره کننده انرژی الکتریکی هستند. به این نوع سلول ها، سلول های ثانویه گفته می شود، زیرا واکنش های الکتروشیمیایی به صورت برگشت پذیر در آنها اتفاق می افتد. باطری های قابل شارژ در اندازه ها و انواع مختلف برای استفاده در کاربردها و دستگاه های مختلف وجود دارند و شامل باطری های دکمه ای کوچک تا باطری های مگاواتی در شبکه توزیع می شوند.

شکل بانک باتری سیستم خورشیدی.

 

چند ترکیب شیمیایی معمول در باتری های قابل شارژ استفاده می شوند که عبارت اند از: ترکیب سرب اسید (lead-acid)، نیکل کادمیم (NiCd)، نیکل ترکیب فلز (NiMH)، لیتیوم-یون (Li-ion)، و و لیتیوم-یون –پلیمر(Lh-ion-polymer). باطری های قابل شارژ نسبت به سایر باطری ها که برای یک بار استفاده می شوند، هزینه کمتری دارند و تأثیرات زیست محیطی کمتری برجا می گذارند. برخی از باطری های قابل شارژ در اندازه های مشابه سایر باطری ها تولید و عرضه می شوند با این تفاوت که امکان شارژ و استفاده مجدد از آنها وجود دارد. در کاربردهای ذخیره انرژی شبکه، زمانی که بخواهند انرژی الکتریکی را برای استفاده در زمان اوج مصرف به شبکه تزریق کنند، از باطری های قابل شارژر، برای هم سطح کردن بار شبکه استفاده می کنند. همچنین در شبکه های تولید برق جدید مانند تولید برق از انرژی خورشیدی، برای ذخیره انرژی در طول روز و مصرف آن در شب از باطری های قابل شارژ استفاده می شود. در انتخاب باطری المان های مختلفی تأثیر گذار هستند که عبارت اند از:

-قیمت باطری

-عمر مفید باطری (تعداد سیکل های شارژ و دشارژ مفید)

-عمر مفید باطری ( تعداد سیکل های شارژ و دشارژ مفید)

-جریان و ولتاژ نامی

-حداکثر توان قابل استفاده.

 

اینورتر:

اینورتر یا مبدل برق دستگاه الکترونیکی است که جریان مستقیم (DC) را به جریان متناوب (AC) تبدیل می­کند. جریان AC تبدیل شده می توانند بر اساس نیاز در هر ولتاژ و فرکانسی باشد که به وسیله ترانسفورماتورهای مناسب و مدارها کنترل می شود.

اینورترها قطعات متحرک ندارند و در طیف گسترده ای از ابزارهای کاربردی از منبع تغذیه کامپیوتر گرفته تا ابزار بزرگ حمل و نقل استفاده می شوند. اینورتر ها معمولا برای تأمین جریان AC از منابع DC مانند پنل­های خورشیدی یا باطری مورد استفاده قرار می گیرند.

اینورتر نوسان ساز الکترونیکی قدرت بالا است. دلیل این نام گذاری آن است که این دستگاه عمل عکس مبدل برق AC به DC متداول را انجام می دهد. اینورترها کاربردهای فراوانی دارند، استفاده از باطری و اینورتر به عنوان منبع تغذیه اضطراری(یو پی اس) جهت تأمین برق AC زمانی که برق اصلی در دسترس نباشد از کاربردهای اینورتر است. زمانی که برق اصلی مجددا برقرار شد، از یکسو کننده برای شارژ کردن باطری ها استفاده می شود.

شکل اینورتر سیستم خورشیدی.

 

همچنین اینورتر برق DC را از منابعی مانند باطری، پنل های خورشیدی، یا سلول های سوختی به برقAC  تبدیل می کند. برق خروجی را می توان به هر ولتاژی که لازم باشد تبدیل کرد. میکرو اینورترها  مستقیما جریان را از پنل های خورشیدی به جریان متناوب تبدیل می کنند.

 

کنترلر ردیابی نقطه حداکثر توان یا MPPT:

به علت حرکت وضعی و چرخشی زمین، به منظور دریافت تابش عمودی و مستقیم در طول زمان همواره یک وضعیت خاص برای آرایه های خورشیدی مناسب نیست. به همین منظور پانل های خورشیدی برای آن که همواره رو به خورشید قرار بگیرند باید به موتور پله ای با تمهیدات دیگری برای استفاده از حداکثر تابش مجهز گردند. چنین آرایش ساختاری متغیری که ردیابی مکانیکی نامیده می شود، باعث افزایش تولید توان الکتریکی خواهد بود. همچنین به علت خاصیت غیر خطی جریان-ولتاژی آرایه خورشیدی، توجه به مشخصه توان جریان آرایه خورشیدی، به ازای هر تابش و دمای خاص، یک نقطه حداکثر توان خاص وجود دارد. بنابراین لازم است به ازای هر تغییر در تابش و دمای اقداماتی جهت دست یافتن به نقطه کار ماکزیمم انجام گیرد. این مورد ردیابی نقطه حداکثر توان با اختصارا MPPT نامیده می شود.

به علت خواص غیرخطی مشخصه جریان ولتازي آرایه خورشیدی، ناگزیر به استفاده از MPPT خواهیم بود. انرژی تولیدی یک سیستم خورشیدی به عوامل محیطی زیادی همچون دما، میزان تابش و حتی سرعت باد بستگی دارد. ردیابی الکتریکی MPP توسط مبدل های قدرت که مطابق شکل زیر به صورت یک رابط بین بار و آرایه خورشیدی قرار می گیرند، انجام می شود.

شکل پیکربندی سیستم خورشیدی و MPPT در اتصال به شبکه یا بار.

 

اصول کارکرد MPPT:

یک سیستم کنترلی برای سیستم خورشیدی، دنبال کننده نقطه ماکزیمم توان است که باعث می شود بیشترین توان ممکن از انرژی خورشیدی در شرایط مختلف جوی توسط ماژول استحصال شود. از آنجا که یک سیستم خورشیدی چندین برابر هزینه اولیه برای ساخت نیروگاه های معمولی لازم دارد، بنابراین باید قادر باشد که حداکثر انرژی لازم را از خورشید دریافت کند، در غیر این صورت مقدار زیادی از سرمایه گذاری به هدر می رود.

دنبال کننده نقطه ماکزیمم توان یا MPPT، سیستم الکترونیکی است که ماژول خورشیدی را به گونه ای اداره می کند که به ماژول اجازه می دهد ماکزیمم توانی را که قادر به تولید آن است، تولید کند. همان طور که قبلا ذکر شد، MPPT یک سیستم مکانیکی نیست که به صورت فیزیکی ماژول را حرکت دهد تا به طرف خورشید باشد، بلکه یک سیستم کاملا الکترونیکی است که نقطه کار الکتریکی ماژول ها را طوری تغییر می دهد که ماژول ها قادر به تولید ماکزیمم توان باشند.

شكل فوق نشانگر مشخصه های جریان ولتاژی و توان-ولتاژی آرایه خورشیدی در شرایط مختلف است. با استفاده از نمودار توان ولتاژ می توان نقطه MPP را یافت و به کمک نمودار جریان ولتاژ، ولتاژ و جریان نقطه MPP مطابق شکل فوق به دست می آید. توان اضافی که به این طریق از ماژول به دست می آید باعث افزایش جریان شارژ باتری یا جریان تزریقی به شبکه می گردد. سیستم MPPT می تواند به همراه یک سیستم دنبال کننده مکانیکی نیز به کار رود، اما این دو سیستم کاملا از هم متفاوت اند.

شکل نمودار جریان ولتاژ و توان ولتاژ و نقطه MPP یک ماژول خورشیدی.

 

 

شرح پروژه:

در این پروژه کنترل کننده شارژ باتری سرب-اسید(Lead-acid) براساس ردیابی ماکزیمم توان(MPPT) برای سیستم فتوولتائیک خورشیدی در نرم افزار متلب(MATLAB) شبیه سازی شده است. یک مبدل به عنوان مبدل DC-DC برای اجرای کنترل شارژ استفاده شده است. ماکزیمم توان پنل فتوولتائیک توسط الگوریتم MPPT P&O ردیابی شده است. کنترل کننده شارژ باتری در طی استراتژی شارژ سه مرحله ای، باتری را شارژ می کند.

نتایج نشان می دهد که ردیابی ماکزیمم توان (MPPT) قادر است سیستم فتوولتائیک خورشیدی را در هر تغییر تابش خورشیدی در عرض 0.5 ثانیه با بازدهی ردیابی ماکزیمم توان تا 99.9 درصد ردیابی کند. راندمان کلی کنترل کننده شارژ تا 98.3 درصد رسید. این  مدل در تغییر اندازه بهتر پنل فتوولتائیکی و ذخیره سازی انرژی باتری برای سیستم های کوچک و متوسط نقش موثری دارد.

شماتیک کلی مدل کنترل شارژ باتری براساس ردیابی ماکزیمم توان(MPPT) در سیستم فتوولتائیک در شکل زیر نشان داده شده است. این مدل متشکل از یک آرایه خورشیدی فتوولتائی، مبدل DC-DC، باتری، و بلوک کنترل شارژ براساس ردیابی ماکزیمم توان(MPPT) می باشد.

شکل مدل شبیه سازی.

 

شکل زیرسیستم بلوک کنترل کننده شارژ براساس ردیابی ماکزیمم توان(MPPT).

 

نتایج:

نتایج عملکرد ردیابی الگوریتم  ردیابی ماکزیمم توان P&O MPPT

 

 

 

نتایج عملکرد کنترل کننده شارژ باتری: