تلفات توان ناشی از شرایط سایه جزئی در ماژول‌های فوتوولتائیک سیلیکونی ساخته‌شده بصورت زنجیره بلند و اتصال موازی حلقه های کوچک سری

چکیده

I. مقدمه

II. مدل شبیه‌سازی

شکل1. مدل تک‌دیودی یک سلول PV

جدول I: پارامترهای دیودهای هرزگرد

شکل2.  مشخصات I-U یک ماژول با عملکرد تحت شرایط سایه جزئی با دو سوم سلول‌های سایه‌دار

جدول II: مشخصات الکتریکی ماژول PV NAPS NP190GKg داده شده توسط سازنده در شرایط تست استاندارد

جدول III: مقاومت‌های پارازیتی و ضرایب دمایی برای ماژول PV NAPS NP190GG به کار رفته در شبیه‌سازی‌ها

شکل3. مشخصات شبیه‌سازی‌شده و اندازه‌گیری‌شده I-U ماژول PV NAPS NP190GKg تحت سه شرایط مختلف عملکردی. مشخصات شبیه‌سازی‌شده با خطوط توپر و مشخصات اندازه‌گیری‌شده با نقاط مشخص شده‌اند. 

III. سایه‌دار شدن مولدهای PV 

شکل4. مولدهای برق PV مطالعه شده: (a) زنجیره بلند، (b) زنجیره موازی، و (c) چند- زنجیره‌ای 

شکل5. الگوری سایه‌دار شدن مولد برق PV زنجیره بلند به کار رفته در شبیه‌سازی‌ها. قسمت‌های سایه‌دار مولد با رنگ خاکستری مشخص شده‌اند. 

IV. نتایج

A. توان MPP جهانی

شکل6. توان MPP جهانی به عنوان تابعی از سایه‌زنی سیستم و قدرت سایه زنی برای مولد (الف) زنجیره بلند، (ب) زنجیره موازی و (ج) چند- زنجیره‌ای. 

B. تلفات عدم مطابقت

شکل7. تلفات عدم مطابقت مولدهای بر PV به عنوان تابعی از سایه‌ز‌نی سیستم و قدرت سایه‌زنی. (الف) مولد زنجیره بلند، (ب) زنجیره موازی و (ج) چند- زنجیره. تلفات عدم تطابق به عنوان نسبت توان MPP جهانی و بیشترین توانی تعریف می‌شود که اگر همه بلوک‌های 18 سلول سری در MPP خود کار می‌کردند، از آن دریافت می‌شد.  

شکل8. تلفات عدم مطابقت مولدهای برق PV تخت شرایط سایه جزئی به عنوان تابعی از سایه‌زنی سیستم برای قدرت سایه 85%. 

شکل9. منحنی‌های P-U مولد با زنجیره‌های موازی و منحنی‌های زنجیره‌های موازی 1، 2 و 3 تحت شرایط سایه جزئی با قدتر سایه 85% و سایه‌زنی سیستم (الف) 11% و (ب) 48

C. اختلاف توان MPP های محلی

شکل10. اختلاف توان نسبی MPP های محلی به عنوان تابعی از سایه‌زنی سیستم برای مولدهای مختلف با قدرت سایه 85% (متناظر با تابش منعکس شده در یک روز صاف)

شکل11. منحنی‌های P-U مولد زنجیره بلند تحت شرایط سایه جزئی با قدرت سایه 85% و با سایه سیستم 10%، 20%، 80% و 90%. 

شکل12. منحنی‌های P-U مولد زنجیره موازی تحت شرایط سایه جزئی با قدرت سایه 85% و سایه سیستم‌های 5%، 7%، 11%، 26% و 30%. 

V. نتیجه‌گیری

شکل13. منحنی P-U مولد با زنجیره‌های موازی و منحنی‌های زنجیره‌های 1، 2 و 3 با اتصال موازی تحت شرایط سایه جزئی و قدرت سایه 85% و با سایه سیستم 26%. 

پیکربندی یک سیستم تولید برق فوتوولتائیک (PV) بخصوص اگر مستعد سایه جزئی باشد، روی عملکرد مولد تاثیر دارد. در این مقاله، تلفات عدم تطابق و تلفات توان به علت عدم موفقیتِ تعقیب نقطه توان بیشینه جهانیِ مربوط به یک زنجیره بلند از 18 ماژول‌ PV سری و سه زنجیره کوتاه از 6 ماژول PV سری که در نهایت به صورت موازی اتصال یافته‌اند تحت شرایط سایه جزئی و به کمک نرم‌افزار سیمولینک MATLAB بررسی و تحقیق شده است. مولدهای با زنجیره‌های کوتاه و با اتصال موازی، و در حالاتی که آنها دارای ولتاژ کار یکسان بوده و یا بصورت زنجیره‌های مجزا کار می‌کنند، مورد مطالعه قرار می‌گیرند. نتایج نشان می‌دهند که اتصال بلند و سری ماژول‌ها و اتصالات موازی زنجیره‌ها از طریق یک اینورتر به شبکه قدرت، باید کمینه شود تا به این ترتیب از تلفات حین شرایط سایه جزئی پیشگیری شود. تحت شرایط سایه جزئی، زنجیره‌های کوتاه که بصورت مجزا کار می‌کنند دارای کمتری تلفات توان هستند.

گرمای جهان و محدودیت منابع سوخت فسیلی نیاز به منابع انرژی تجدیدپذیر را افزایش داده است [1]-[3]. تابش‌ خورشیدی بزرگترین منبع انرژی تجدیدپذیر است [4], [5] و تنها منبعی است که به کمک آن می‌توان مصرف انرژی کنونی را تامین کرد. مولدهای برق فوتوولتائیک (PV) بدون استفاده از قطعات متحرک می‌توانند انرژی تابشی خورشید را به طور مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل کنند. این مولدها را می‌توان به دو دسته خودکفا و متصل به شبکه تقسیم کرد [6]. در سیستم‌های خودکفا، ذخیره انرژی نقش بسیار مهمی در طراحی این سیستم‌ها دارد. در سیستم‌های متصل به شبکه، شبکه به عنوان یک منبع ذخیره انرژی عمل می‌کند که در آن مولد برق PV می‌تواند هر وفت که برق موجود باشد آن را به شبکه تزریق کند. شبکه‌های الاکتریکی دارای سطوح ولتاژ مشخص و معینی هستند. این سطوح ولتاژ بسیار بیشتر از بیشینه ولتاژ سلو‌ل‌های PV سیلیکونی می باشند. به منظور ارتباط مولدهای برق PV با شبکه قدرت، سلول‌های PV به صورت سری به هم متصل می‌شوند تا ماژول‌های PV را شکل دهند. با این حال ولتاژ تنها یک ماژول PV هنوز خیلی کم است و نمی‌توان آن را به عنوان یک مولد برق PV به شبکه قدرت متصل کرد. بنابراین، این مولدها بصورت اتصالات سری و موازی ماژول‌های PV ساخته می‌شوند تا به یک سطح ولتاژ کافی رسیده و توان نامی مولد را افزایش دهند. چنانچه مشخصات الکتریکی سلول‌های PV مشابه نبوده و یا تحت شرایط غیریکنواخت عمل کنند، اتصال سری آنها مستعد تلفات عدم تطبیق توان خواهد بود. سلول PV ای که دارای کمترین جریان اتصال کوتاه (SC) است باعث محدودیت جریان کل اتصال سری می‌شود [7]. جریان‌های اتصال کوتاه سلول‌های PV می‌توانند به علت دلایل فنی و یا محیطی تغییر کنند. دلایل فنی را می‌توان طی ساخت ماژول‌های PV و یا در مرحله طراحی این سیستم‌ها کمینه کرد، اما اجتناب از دلایل محیطی دشوار است. یکی از دلایل محیطی اصلی برای جریان‌ اتصال کوتاه‌های غیریکنواخت سایه‌دار شدن جزئی مولد برق PV به علت ابرها، درختان، ساختمان‌ها و غیره است. تحت شرایط سایه جزئی، برای مثال، اگر یکی از سلول‌های PV مولد که شامل سلول‌های با اتصال موازی است سایه‌دار شود، جریان‌های اتصال کوتاه سلول‌هایی که سایه‌دار نیستند بیشتر از جریان اتصال سلول‌های سایه‌دار خواهد بود. لذا اگر جریان مولد برق PV بیش از جریان اتصال کوتاه سلول سایه‌دار باشد، سلول سایه‌دار به علت دیگر سلول‌های موجود در اتصال سری، بصورت معکوس بایاس خواهد شود.در این مورد، سلول با بایاس معکوس به عنوان یک بار برای اتصال سری عمل خواهد کرد و بخشی از توان تولیدی دیگر سلول‌ها را از مصرف کرده و منجر به تلفات توان می‌شود. این موضوع همچنین باعث حضور نقاط داغ در سلول سایه‌دار شده و به آن آسیب خواهد زد [8]. بدترین موقعیت وقتی اتفاق می‌افتد که اتصال سری، اتصال کوتاه شود. آنگاه، سلول سایه‌دار همه توان تولیدی توسط دیگر سلول‌های موجود در اتصال سری را مصرف کرده و از بین خواهد برد.