روشی جامع برای مدل سازی و شبیه سازی آرایه‌های فوتوولتائیک

اصطلاحات مربوطه

مقدمه

شکل 1.   ساختار فیزیکی یک سلول PV.

چگونگی عملکرد یک سلول PV

تابش خورشید

شکل 2.   توزیع طیف تابش جسم سیاه و تابش خورشید در فضای فرامینی (AM0) و در سطح زمین (AM1.5). منبع: مولر [2].

شکل 3.   نمایش مسیر AM1.5 و تابش‌های مستقیم-طبیعی و کلی در سطح با شیب 37 درجه.

شکل 4.   مدل تک-دیود سلول PV تیوری و مدار معادل یک وسیله PV عملی، شامل مقاومت‌های سری و موازی آن.

شکل 5.   منحنی مشخصه I-V سلول PV. جریان خالص سلول I، تشکیل شده از جریانی که توسط نور تولید شده   و جریان دیود  ، می‌باشد.

مدل کردن وسایل PV

سلول PV ایده آل

 مدل کردن آرایه PV

شکل 6.   منحنی مشخصه I-V یک وسیله PV عملی و سه نقطه برجسته شده: اتصال کوتاه  ، MPP  ، و مدار-باز  .

بهبود مدل

تظیم کردن مدل

 راه حل تکرار پذیر   و  

شکل 7.   منحنی‌های P-V به ازای مقادیر مختلف   و  

شکل 8.     در مقابل V به ازای مقادیر مختلف  .

شکل 9.   منحنی‌های I-V که به ازای مقادیر مختلف   و  .

شکل 11.   منحنی I-V که در سه نقطه تنیم شده است.

شکل 12.   منحنی P-V که در سه نقطه مهم تنظیم شده است.

بهبود بیشتر مدل

شکل 13.   الگوریتم روش ارائه شده که برای تنظیم مدل I-V بکار رفته است.

جدول 1.   پارامترهای آرایه خورشیدی KC200GT در دمای 25 درجه سیلیسیوس،  

جدول 2.   پارامترهای مدل تنظیم شده آرایه خورشیدی KC200GT در شرایط عملکرد نرمال

 الگوریتم مدل سازی

شکل 14.   منحنی‌های مدل I-V و اطلاعات آزمایشی آرایه خورشیدی KC200GT در دماهای متفاوت، 1000 W/m^2

شکل 15.   منحنی‌های مدل I-V و اطلاعات تجربی آرایه خورشیدی KC200GT در پرتو افکنی‌های مختلف، 25 درجه سیلیسیوس.

معتبر ساختن مدل

شکل 16.   منحنی‌های مدل I-V و اطلاعات تجربی آرایه خورشیدی MSX60 در دماهای متفاوت، 1000 W/m^2.

شکل 17.   منحنی‌های مدل P-V اطلاعات تجربی آرایه خورشیدی MSX60 در دماهای مختلف، 1000 W/m^2.

شکل 18.   خطاهای مطلق مدل ارائه شده در این مقاله (منحنی A) و مدل ارائه شده در [23] (منحنی B) برای آرایه خورشیدی Kyocera KC200GT در دمای 25 درجه، 1000 W/m^2.

شکل 19.   خطاهای مطلق مدل ارائه شده در این مقاله (منحنی A) و مدل [23] (منحنی B) برای آرایه خورشیدی Kyocera KC200GT در دمای 75 درجه، 1000 W/m^2.

شبیه سازی آرایه PV

شکل 20.   خطاهای مطلق مدل ارائه شده در این مقاله (منحنی A)، و مدل [23] (منحنی B) برای آرایه خورشیدی Solarex MSX60 در دمای 25 درجه، 1000 W/m^2.

شکل 21.   خطاهای مطلق مدل ارائه شده در این مقاله (منحنی A)، و مدل [23] (منحنی B) برای آرایه خورشیدی Solarex MSX60 در دمای 75 درجه، 1000 W/m^2.

شکل 22.   مدار مدل آرایه PV با یک منبع جریان کنترل شده، مقاومت‌های معادل، و معادله جریان مدل  .

شکل 23.   مدار مدل آرایه PV با یک منبع جریان کنترل شده و یک بلوک محاسباتی که معادله I-V را حل می‌کند.

نتیجه گیری

این مقاله یک روش مدل‌سازی و شبیه سازی آرایه‌های فوتوولتائیک را ارائه می‌دهد. هدف اصلی در اینجا، پیدا کردن پارامترهای معادلات غیرخطی I-V، با تنظیم منحنی در سه نقطه، می‌باشد: مدار-باز، ماکزیمم توان، اتصال کوتاه. با داشتن این سه نقطه _که توسط همه دیتاشیت‌های آرایه‌های تجاری ارائه می‌شوند_ مدل ارائه شده، بهترین معادلات I-V را برای مدل فوتوولتائیک تک-دیود (PV)، شامل اثر مقاومت‌های سری و موازی یافته و تضمین می‌کند که ماکزیمم توان مدل با ماکزیمم توان آرایه‌ی واقعی، مطابق باشد. با داشتن پارامترهای معادلات تنظیم شده I-V، می‌توان یک مدل مداری PV را با یک شبیه‌ساز مداری _با استفاده از بلوک‌های ساده ریاضی_ ساخت. روش مدل کردن و مدل مداری ارائه شده، برای طراحان الکترونیک قدرتی که به یک روش مدل‌سازی ساده، سریع، دقیق، و آسان برای بکاربری در شبیه سازی سیستم‌های PV نیاز دارند، سودمند می‌باشد. در صفحات نخست، خواننده با وسایل PV آشنا می‌شود و پارامترهایی را که مربوط به مدل PV تک-دیود می‌شوند را درمی‌یابد.سپس روش مدل‌سازی معرفی شده و بصورت دقیق ارائه می‌شود. این مدل برای اطلاعات تجربی آرایه‌های PV تجاری، معتبر می‌باشد.

یک سیستم فوتوولتائیک (PV) نور خورشید را بصورت مستقیم به الکتریسیته تبدیل می‌کند. وسیله اصلی سیستم PV، پیل خورشیدی (PV) می‌باشد. پیل‌ها (سلول‌ها) را می‌توان گروه بندی کرده و پنل‌ها یا آرایه‌ها را تشکیل داد. ولتاژ و جریان تولیدی در پایانه‌های سیستم PV را می‌توان بصورت مستقیم در کاربردهای کوچکی همچون مصارف روشنانیی و موتورهای DC، مورد استفاده قرار داد. به منظور استفاده در کاربردهای پیچیده تر، به مبدل‌های الکترونیکی برای پردازش الکتریسیته از پایانه‌های PV، نیاز می‌باشد. از این مبدل‌ها می‌توان برای تنظیم کردن ولتاژ و جریان در سمت بار استفاده کرد، تا پخش بار آنها را در سیستم‌های متصل به شبکه کنترل کرده، و به عنوان کاربرد اصلی تر، از آنها برای یافتن ماکزیمم (بیشینه) نقطه توان (MPP) استفاده کرد. به منظور بررسی مبدل‌های الکترونیکی برای سیستم‌های PV، نخست باید دانست که چطور وسیله PV را که به مبدل وصل می‌شود، کنترل کرد. ابزارهای PV دارای مشخصه I-V غیر خطی بوده و چندین پارامتر دارند که باید با استفاده از داده‌های تجربی PVهای عملی، تنظیم شوند. از مدل ریاضی ابزار PV می‌توان برای مطالعه آنالیز دینامیک مبدل‌ها _در بررسی الگوریتم یافتن MPP (نقطه توان ماکزیمم) (MPPT)، و مهم تر از آن برای شیبه سازی سیستم PV و مولفه‌های آن، با استفاده از شبیه سازهای مداری_ استفاده کرد. هدف نخست این مقاله، ارائه معرفی کوتاهی به رفتار و عملکرد یک ابزار PV و نوشتن معادلات اصلی آن می‌باشد؛ بدون اینکه قصد ارائه تحلیلی ژرف از پدیده PV و فیزیک نیمه‌هادی، داشته باشد. معرفی ابزارهای PV، همراه با مدل‌سازی و شبیه سازی آرایه‌های PV می‌باشد، که در واقع موضوع اصلی بحث در این مقاله است. برخی از اصطلاحاتی که در این مقاله استفاده می‌شوند، نیاز به توضیحاتی دارند. یک ابزار PV، ممکن است هر وسیله ای باشد که بتواند نور خورشید را به برق تبدیل کند. ابزار PV مقدماتی، یک سلول PV (پیل خورشیدی) است. مجموعه ای از سلول‌های متصل بهم، یم پنل را می‌سازند. پنل‌ها بطور کلی ساخته شده از سلول‌های سری می‌باشند، تا ولتاژ خروجی بزرگی را تولید کنند. پنل‌های با جریان خروجی زیاد، با افزایش سطح مقطع سلول‌ها، یا با اتصال موازی آنها، بوجود می‌آید. یک آرایه PV می‌تواند یک پنل، یا مجموعه ای از پنل‌ها باشد که بمنظور ساخت یک سیستم PV بزرگ، بصورت سری یا موازی با هم متصل شده اند. طراحان مبدل الکترونیکی، اغلب علاقه مند به مدل کردن پنل‌های PV می‌باشند (ازین پس در این مقاله با نام آرایه ظاهر می‌شوند)، که هدف اصلی ابزارهای PV "آماده فروش" موجود در بازار، می‌باشد. این مقاله بر روی آرایه‌های PV تمرکز کرده و نشان می‌دهد که چگونه پارامترهای معادلات I-V را با استفاده از اطلاعات تجربی داده شده در دیتاشیت، بدست آوریم. مدل کردن سلول‌های ابتدایی PV، یا آرایه‌های ساخته شده از چندین پنل، را می‌توان بهمین روش انجام داد.