شکل ( 3-3 ) رگولاتور پوش پول……………………………………………………………………..46
شکل ( 3-4 ) شکل موجهای ولتاژ و جریان………………………………………………………..47
شکل ( 3-5 ) رگولاتور نیم پل…………………………………………………………………………48
شکل ( 3-6 ) شکل موجهای ولتاژ و جریان……………………………………………………….49
شکل ( 3-7 ) رگولاتور تمام پل………………………………………………………………………50
شکل ( 3-8) شکل موجهای ولتاژ و جریان………………………………………………………..51
فصل چهارم
شکل ( 4-1 ) دیاگرام ساده شده MC34066 به نقل از شرکت موتورولا…………………54
شکل ( 4-2 ) طرح پایه حالت کنترل ولتاژ…………………………………………………………..55
شکل ( 4-3 ) طرح پایه حالت کنترل جریان…………………………………………………………57
شکل ( 4-4 ) دیاگرام داخلی تراشه های UC3842/3/4/5…………………………………….59
شکل ( 4-6 ) نمودار هیسترزیس…………………………………………………………………………60
شکل ( 4-7 ) نمودار زمان مرده بر حسب Ct………………………………………………………..60
شکل ( 4-8 ) حالت کنترل جریان…………………………………………………………………………61
شکل ( 4-9 ) جبرانسازی…………………………………………………………………………………….62
شکل ( 4-10 ) نحوه استفاده از نوسان ساز خارجی………………………………………………….63
شکل ( 4-11 ) دیاگرام داخلی تراشه TC170………………………………………………………..64
شکل ( 4-12 ) دیاگرام نوسان ساز داخلی TC170…………………………………………………65
شکل ( 4-13 ) نمودار فرکانس بر حسب Rt و Ct………………………………………………….66
شکل ( 4-15 ) حالت کنترل جریان………………………………………………………………………68
شکل ( 4-16 ) دیاگرام داخلی تراشه LM5020 – ½…………………………………………….69
شکل ( 4-17 ) دیاگرام داخلی تراشه L5991/1A………………………………………………..72
شکل ( 4-18 ) نحوه اتصال قطعات نوسان ساز………………………………………………………73
شکل ( 4-19 ) نمودار زمانی عملکرد HICCUP…………………………………………………..75
شکل ( 4-20 ) شمای داخلی قسمت حس جریان……………………………………………………76
شکل ( 4-21 ) دیاگرام حالت STANDBY در تراشه……………………………………………77
شکل5-1 مدار قدرت مبدل DC/DC……………………………………………………………………80
شکل 5-2-مدار پردازنده……………………………………………………………………………………..81
شکل 5-3 درایو فرمان ترانزیستور قدرت………………………………………………………………..81
شکل 5-4 مدار تغذیه………………………………………………………………………………………….81
شکل 5-5 مدارکنترل(ولوم)…………………………………………………………………………………82
چکیده:
پایان نامه زیر به نحوه طراحی و ساخت مبدل DC-DC ایزوله شده با یک سطح ولتاژثابت dc ناشی از انرژی خورشیدی به یک سطح ولتاژکنترل شده خروجی با کیفیت مطلوب طراحی و ساخته شده است.
وجود ترانسفورمر ایزوله علاوه بر جداسازی الکتریکی خروجی از ورودی امکان خروجی های چند گانه و معکوس کننده جهت جریان را فراهم می سازد .ولتاژ ورودی این مبدل v dc 24و خروجی آن ولتاژ متغیر از 0 تا dc 220 با توان w 500 که تقریبا از توپولوژی push pull طبعیت شده و از 4 قسمت اساسی الف:منبع pv شامل 2 صفحه 12 ولتی ب : مبدل DC-AC ج : ترانسفورمر ایزوله د: مبدل AC-DC
واژگان کلیدی:مبدل DC-DC –کانورتر-اینورترفصل اول
صفحات خورشیدی
کاربرد انرژی خورشیدی به عنوان یک منبع انرژی برای مصارف بزرگ از امیدهای آینده است.اشکال بزرگ در کاربرد انرژی خورشیدی،متمرکز نبودن،تناوبی بودن و ثابت نبودن مقدار تشعشع خورشید میباشد.اگر وسیلهایجهت متمرکز نمودن آن تهیه گردد،به طوری که نوسانات آنتأثیر زیادی بررویآن نگذارد،خورشید به یک منبع انرژی بزرگ مبدل میگردد که تا قرنهامیتواندتأمین کننده نیاز انرژی بشر باشد.با توجه به وضع انرژی در جهان و رشد جمعیت و مصرف انرژی،اگر به طور هوشمندانه رفتار شود ملاحظهمیگردد خورشید تنها منبع انرژی است که به وفور و بصورت رایگان و در همه ادوار در اختیار بشر میباشد.
در این فصل با سیستمهای فتوولتائیک یا پنل های خورشیدی آشنا میشویم.این پنل ها با قرارگیری مناسب در معرض اشعهی خورشید انرژیآن را به الکتریسیته تبدیل میکنند در واقع پنل های خورشیدی از سلولهای سیلیکونی ساخته میشوند و هنگامی که در معرض نور خورشید قرار میگیرند در اثر فعل و انفعالاتی در داخل آن حرکت الکترونها را موجب شده و بدین طریق جریانDC را در خروجی این سلول و در کل آرایهی فتوولتائیک خواهیم داشت.
1-1-سیستمهای فتوولتائیکسیستمهای فتوولتائیک يكي ازپرمصرفترین كاربرد انرژي نو میباشدوتاكنون سیستمهای گوناگوني باظرفیتهای مختلف 5/0وات تاچندمگاوات،درسراسرجهان نصب وراه اندازي شده است وباتوجه به قابليت اطمينان وعملكرداين سیستمها هر روزه برتعدادمتقاضيان آنهاافزوده میشود.از اینرو مطالعات زیادی پیرامون سیستمهای فتوولتائیک در حال انجام است.
فتوولتائیک از دو کلمه فوتو که در زبان یونانی به معنای نور میباشد و کلمه ولتائیک به معنای الکتریسیته گرفته شده است لذا فتوولتائیک به معنای الکتریسیته نوری میباشد.به پدیدهای که در اثر تابش نور بدون استفاده از مکانیزمهای محرک،الکتریسیته تولید کند پدیده فتوولتائیک و به هر سیستمی که از این پدیده استفاده کند سیستم فتوولتائیک گویند.به صفحهای که انرژي تابشی خورشیدرا به انرژي الکتریکی تبدیل میکند،سلول یا باطري خورشیدي میگویند.سلولهای خورشیدي به طورعمده ازسیلیسیوم ساخته میشود.
شکل1-1 نحوه عملکرد یک سلول فتوولتائیک
این سلولهاکریستالهای صافی هستند که از یک سری لایه نازک از جنس نیمه هادی ساخته شدهاند که ویژگیهای الکترونیکی متفاوتی دارند و این امر موجب پیدایش میدانهایالکتریکی قوی درون آنها میشود.هنگامی که نور وارد کریستال میشود،الکترونهایی که توسط نور تولید میشوندبه وسیلهاین میدانها جدا و اختلاف پتانسیلی بین وجوه بالایی و پایینی سلول بوجودمیآید،در صورتی که مسیر مدار بسته شود آنگاه این اختلاف پتانسیل جریان مستقیمی را بوجودمیآورد.برای بدست آوردن ولتاژ و جریان مورد نظر سلولها را با آرایشهای مختلف به هم متصل کرده و بصورت ماژول درمیآورند.ماژولها روی یک صفحه یا قاب فلزی(معمولاً آلمینیومی)نصب شده و پنل یا صفحه فتوولتائیک را تشکیل میدهند[1].
شکل1-2 سلول،ماژول و آرایه فتوولتائیک
شکل1-3 ساختار داخلی سلول فتوولتائیک
از سری و موازی کردن سلولهامیتوان به جریانها و ولتاژهای مورد نظر رسید.سلولهای سری شده ولتاژ بیشتر را بدستمیدهند و همچنین سلولهای موازی شده جریان بیشتری را تولید میکنند.
شکل 1-4 اتصال الکتریکی سلولهابصورت سری و موازی
امروزه این گونه سلولهامعمولاً از سیلیسیم تهیه میشوند و سیلیسیم مورد نیاز از شن و ماسه تهیه میشود که در مناطق کویری کشور به وفور یافت میشود.سیلیسیم یک نیمه هادی است که به طور خالص از نظر هدایت الکتریکی،هادی ضعیفی است ولی اگر در موقع پالایش،به آن فسفر اضافه شود،با منفی(الکترون) پیدا کرده و در صورتی که بور به آن اضافه شود،بار مثبت(حفره) پیدا میکند.نوع اول را سیلیسیم نوع N و نوع دوم را نوع Pمینامند.سیلیسیم دارای 4 الکترون در مدار خارجی خود میباشد،هنگامی که اتم فسفر به داخل کریستال سیلیسیم وارد شود با توجه به اینکه فسفر دارای 5 الکترون در مدار خارجی خود است 4 الکترون مدار خارجی فسفر با 4 الکترون مدار خارجی سیلیسم یک مدار بوجود آورده و به این ترتیب یک الکترون بصورت آزاد باقی میماند و نیمه هادی نوع Nبوجودمیآید و به همین ترتیب چنانچه به جای فسفر اتم بور را که دارای 3 الکترون در مدار خارجی خود است به سیلیسیم اضافه کنیم یک حفره بوجودمیآید یعنی سیلیسیم بصورت مثبت باردار شده است در این هنگام کریستال نوع P را تشکیل دادهایم.
شکل1-5 نحوه تشکیل الکترون آزاد و حفره در ترکیب فسفر و بور با سیلیسیم
حال اگر یک طرف یک سیلیسیم نوعP را از نوع N باردار کنیم یک اتصال P-N به جود میآید.در طرف نوع Pحفرههای آزاد و اتم بور با بار منفی و ساکن و در طرف نوع Nالکترونهای آزاد و اتمهای فسفر با بار مثبت وجود دارند.
حال اگر یک فوتون(ذرهای از نور) به اتصال P-N ما برخورد کند الکترون را از اتم سیلیسیم جدا کرده و در نتیجه حفره بوجودمیآورد.حفرهی مزبور تحت تأثیر میدان موجود به سمت ناحیه P و الکترون به سوی ناحیه N حرکت کرده و این دو حرکت مخالف با بارهای مختلف،یک جریان الکتریکی بوجودمیآورند.با اتصال کنتاکت هایی به رویههای قطعات نیمه هادی،مداری تشکیل میشود که اجازه برگشت الکترونها را به اتصال نوع P از میان یک بار خارجی را میدهد.
برای هر سلول فتوولتائیک یک جریان اتصال کوتاه و یک ولتاژ مدار باز تعریف میشود.تحت آزمایشهایی که در شرایط متفاوتی در تابش خورشید QUOTE 1000 و با سلولی در دمای 27 درجه سانتیگراد به عمل آمده مقدار جریان اتصال کوتاه بین 1 الی 2/1 آمپر در هر سانتیمتر مربع سطح سلول،ولتاژ مدار باز در حدود 55/0 الی 77/0 ولت بدست آمده است.میزان افزایش و یا کاهش ولتاژ به ازای هر درجه سانتیگراد،برابر 22/0 ولت آزمایش شده است.از آنجایی که در روزهای صاف آفتابی به طور متوسط شدت تشعشع خورشید در حدود QUOTE 1000و درجه حرارت متوسط 27 درجه سانتیگراد میباشد،پس سلولهای فتوولتائیک میتوانند نتیجه مطلوبی در عملکرد خود داشته باشند.
1-2-مزایاومعایب سیستمهای فتوولتائیکآلودگیهای زیست محیطی ناشی از سوختهای فسیلی و پایان پذیر بودن منابع آنها ،تلاش و تحقیقات وسیعی را در بکارگیری انواع دیگری از انرژی، بخصوص انرژیهای جدید،موجب شده است.انرژی خورشیدی به دلیل نا محدود بودن ،در دسترس بودن و سازگاری با محیط زیست موجب شده است سیستمهای فتوولتائیک بیشترین بازار تجاری را در زمینه کاربرد انرژیهای نو داشته باشد .
پارهای از ویژگیها و مزایایسیستمهای فتوولتائیک که موجب گسترش استفاده از آن در کشور های مختلف شده است در زیر آمده است.
1ـ بی نیازی به سوخت فسیلی
2ـ حفظ محیط زیست و عدم ایجاد آلودگی
3ـ طول عمر مفید بالا (بیش از 20 سال )
4ـ قابلیت اطمینان بالا به دلیل نداشتن بخشهای متحرک مکانیکی
5ـ پایین بودن احتمال بروز حوادث خطرناک مانند انفجار وآتش سوزی
6ـ سهولت در نصب و راه اندازی و همچنین بی نیازی به تجهیزات پیچیده و نیروی انسانی متخصص
7ـ قابلیت تغییر توان با افزایش و کاهش ظرفیت سیستمهای فتوولتائیک در صورت نیاز با استفاده از افزودن یا کاستن تعداد ماژولهادر مقابل موارد ذکر شده بزرگترین عیب سیستمهای فتوولتائیک برای استفاده از توانهای زیاد، قیمت بالای آن در مقایسه با سایر منابع است. اگر چه با پیشرفت تکنولوژی هزینه سیستمهای فتوولتائیک روز به روزکاهش مییابد ،ولی قبل از هر اقدامی تحقیق و بررسی در زمینه صرفه اقتصادی جهت بهکارگیری هر یک از منابع لازم و ضروری است.
1-3تکنولوژیهای ساخت سلولهای فتوولتائیکبرای ساخت این سلولها سه نوع تکنولوژی ساخت وجود دارد که به شرح زیر میباشند:
1)تکنولوژی تک کریستالی (Monocrystalline or single crystal)
که در این حالت سلول خورشیدی در یک ورقه سیلیکونی کیفیت بالا ساخته میشود که در این سلول دارای بازده بیشتر نسبت به سلولهای ساخته شده با تکنولوژیهای دیگر است .
2)تکنولوژی پلی کریستالی (Polycrystalline)
در این روش سلول از یک بلوک سیلیکونی چند کریستال کیفیت پایین ساخته میشود که بازده و قیمت کمتری دارد .
3)تکنولوژی ورق _نازک (thin_film)
که سلول در چند پروسه مختلف ساخته میشود.این سلولها بازده کمتری دارند ولی در عوض هزینه ساخت آنها بسیار کم است . [1]
شکل1-6 سلولهای سیلیکانی و ورق نازک
1-4-اجزای سیستمهای فتوولتائیکبه خاطر وجود تغيير در ميزان شدت تابش پرتوهاي خورشيدي در طول روز و در فصول مختلف، يك باطري به منظور ذخيره كردن انرژي الكتريكي توليدي توسط آرايههاي فتوولتائيك و به عنوان يك عامل واسط بين آرايههاي خورشيدي و مصرف كننده انرژي الكتريكي براي بهرهوري بيشتر مورد نياز ميباشد. يك سيستم فتوولتائيك خورشيدي، در طول روز كه تابش خورشيد وجود دارد، پرتوهاي خورشيدي را گردآورده و به انرژي الکتريکي تبديل میکند، ولي زمانيکه انرژي خورشيدي در حد اعلاي خود موجود ميباشد، بندرت اتفاق ميافتد كه دقيقاً منطبق با زماني باشد كه به انرژي الكتريكي نيز نياز وافر باشد. پديدار گشتن ابرها در آسمان نيز براي سيستمهاي فتوولتائيك مشكل ايجاد ميكند و چنانچه ابري بودن آسمان چندين روز به درازا بكشد، انرژي الكتريكي در مقايسه با روزهاي صاف آفتابي كه خورشيد شدت تابش بالائي دارد، ميزان قابل ملاحظهاي كاهش پيدا خواهد كرد. واضح است در چنين روزهائي ميتوان از انرژياي كه در روزهاي صاف آفتابي توليد و ذخيره شده، استفاده كرده و انرژي الكتريكي متمركزي را توليد نمود بنابراين، اضافه كردن تجهيزات ذخيرهسازي در سيستمهاي فتوولتائيك ميتواند موجب افزايش قابليت اعتماد سيستم براي تأمين مستمر انرژيالكتريكيگردد.معمولاً براي ذخيرهسازي برق توليدي در سیستمهای فتوولتائيك با ظرفيت 3 كيلووات به بالااز باطري استفاده ميگردد ولي برخي از سيستمهاي كوچکترمانند پمپ کنندههای كوچك، بدون ذخيره سازي باطري طراحي ميشوند.
پیل یا باتریهای خورشیدي تنهامبدل انرژي تابشی خورشید به انرژي الکتریکی باجریان الکتریکی ازنوع مستقیم میباشندوتوانایی ذخیره سازي انرژي را ندارند.
برق تولیدی باتریهاDCولتاژمعمولاً 48یا24 ولت است که با یک اینورتر Pure sine wave به 230 ولتAC تبدیل میشود.
ازا بزارذخیره سازي دراین سیستمهااستفاده ازباتریهای الکتروشیمیایی میباشد.
از سری و موازی کردن سلولهای آفتابی میتوان به جریان و ولتاژ قابل قبولی دست یافت. در نتیجه به یک مجموعه از سلولهای سری و موازی شده پنل (مدول) فتوولتائیک گویند.
يك ماژولمیتواند متشكل از 32 سلول خورشيدي با قطر 5/7 سانتيمتري داراي مشخصات الكتريكي: ولتاژ نامي 12 ولت، جريان نامي 2/1 آمپر، قدرت پيك 18 وات،باشد. راندمان ماژولها با توجه به راندمان سلولهاي خورشيدي و برخي افتهاي ديگر از قبيل جاسازي سلولها در سطح ماژول و اتصال الكتريكي آنها، حدود 7 الي 11 درصد در دماي 28 درجه سانتیگراد و شدت تابش نور خورشيد QUOTE 100 ،كه به نام شرايط استاندارد خوانده ميشود، ميباشد. [1]
وبه مجموعه پنلهاي فتوولتائیک،یک آرایه خورشیدي گفته میشود.جریان الکتریکی حاصل ازپنل هاي فتوولتائیک ازنوع جریان وولتاژمستقیم میباشد. ( DC)
با توجه به توضیحات فوق سیستمهای فتوولتائیک از اجزای زیر تشکیل شدهاند:
سلولهای خورشیدی
ماژولها
آرایهها
رگولاتور ولتاژ و کنترل کنندهها
باتریهای ذخیره ساز انرژی الکتریکی
1-5- سلول خورشیدیاندازه سلول خورشیدی میتواند با توجه به کاربرد موردنظر به نحو مطلوب انتخاب گردد.اندازه سلول از چندین میلیمتر مربع برای کاربرد های الکترونیکی مصرفی از قبیل ماشین حسابهای جیبی،ساعت مچی و غیره تا اندازه استاندارد فعلی 10×10 سانتی متر مربع تغییر میکند(یک سلول خورشیدی با این اندازه چنانچه مستقیماً در معرض تابش نور خورشید قرار گیرد،قدرتی نزدیک به 5/1 وات میتواند تولید نماید).
شکل این سلولهامعمولاً مربع مستطیل میباشد ولی شکلهای دیگری همچون دایره،نیم دایره و یا اشکال دیگر نیز تولید میگردد.این سلولها بسیار نازک بوده و ضخامتی در حدود 3/0 میلیمتر دارند.
نکتهای که بسیار حائز اهمیت میباشد این است که با افزایش شدت تابش پرتوهای خورشیدی،میزان قدرت الکتریکی خروجی نیز افزایش مییابد و همچنین با افزایش دما،قدرت خروجی از سلول کاهش پیدا میکند.این کات باید در هنگام طراحی مورد توجه مهندسین قرار گیرد.با توجه به این امر راندمان ایده آل یک سلول در حدود 30 درصد میباشد(راندمان سلولهای خورشیدی عبارتست از نسبت انرژی تابیده شده به انرژی الکتریکی تولید شده که بر حسب جنس سلول و طراحی آن متغیر میباشد).
روشهای افزایش راندمان سلولها را میتوان در نکات زیر خلاصه کرد:
اتصالات الکتریکی سلولها چنان طراحی شوند که حداکثر نور به نیمه هادیها برسد.
پنل خورشیدی طوری و با زاویهای در مقابل نور خورشید نصب شود که حداکثر نور در طول روز به آن برسد.
استفاده از موادی که جذب کننده مناسبی برای نور خورشید باشند،بدینوسیله برخورد موثر فوتون صورت گرفته و امکان آزادسازی الکترون حداکثر میگردد.
نصب یک فوارهی آب در کنار سایت نصب پنل ها به طوری که میدانیمفوارهها هوای اطراف خود را بسیار خنک میکنند که این امر از پایین آمدن راندمان پنل ها هنگام افزایش درجه حرارت هوا جلوگیری میکند(روش ارائه شده توسط گردآورندهی این پروژه).
توضیح اضافی : میتوان پنل ها را در صورت امکان در مزرعه نصب کرد که فواره علاوه بر آبیاری مزرعه به خنک سازی پنل ها نیز کمک شایانی میکند.
1-5-1ماژولهاهر ماژول فتوولتائیک از تعدادی سلول خورشیدی تشکیل شده که به طور الکتریکی به یکدیگر اتصال داشته و در داخل یک قاب نگهدارنده جاسازی و محافظت میگردد.
یک ماژول معمولاً از 20 الی 40 سلول که بصورت سری و موازی به هم متصل شدهاند،ساخته میشود.تعداد سلولهای مورد نیاز در هر ماژول با توجه به قدرت الکتریکی درخواستی مشخص و در داخل قاب فلزی که کاملاً نفوذ ناپذیر است،قرار میگیرند.در حال حاضر ماژولهایی از نوع سلولهای کریستال سیلیکون،در ولتاژ و جریانهای الکتریکی متفاوت و در اندازههای فیزیکی 200 تا 800 سانتیمتر مربع ساخته شده است.
یک ماژول میتواند متشکل از 32 سلول خورشیدی با قطر 5/7 سانتیمتری دارای مشخصات الکتریکی : ولتاژ نامی 12 ولت،جریان نامی 2/1 آمپر،قدرت پیک 18 وات باشد.راندمان ماژولها با توجه به راندمان سلولهای خورشیدی و برخی افتهای دیگر از قبیل جاسازی سلولها در سطح ماژول و اتصال الکتریکی آنها،حدود 7 الی 11 درصد در دمای 28 درجهی سانتیگراد و شدت تابش نور خورشید 100 میلی وات بر سانتی متر مربع که به نام شرایط استاندارد خوانده میشودمیباشد.
1-5-2-آرایههاآرایههای فتوولتائیک عبارت است از مجموعه ماژولهای فتوولتائیک و اسکلت نگهدارنده ی خود ایستائیست که روی آن ماژولها به طریقی مکانیکی و الکتریکی سوار میشوند.قطعاتی که برای تهیهی ترکیب نگهدارنده استفاده میشوندمعمولاً از جنس فولاد گالوانیزه،آلومینیوم و یا چوبهای مقاوم شده به طریق شیمیایی میباشند.
شکل1-7 سلول،ماژول و آرایه و نحوه قرارگیری آنها کنارهم
برای زیر سازی و فونداسیونآرایههامعمولاً از بتن استفاده میگردد.طراحی اسکلت نگهدارنده ی ماژولها باید به نحوی انجام گیرد تا آرایهها بتوانند در برابر حداکثر نیروهای باد که در منطقه محل استقرار پیش بینی میشوند مقاومت نمایند.
در رابطه با بهره گیری از آرایههای فتوولتائیک موارد زیر باید مدنظر قرار بگیرند:
استفاده از یکی از دو نوع آرایههای ردیاب آفتاب یا آرایههای ثابت: انتخاب آرایههابصورت ثابت و یا ردیاب آفتاب از جمله مسائلی است که طراحی سیستم فتوولتائیک از ابتدا با آن روبروست.آرایه های ردیاب به نحوی تنظیم میگردند که آرایهها همواره بر خط فرضی تابش پرتوهای خورشید،عمود بوده و در کلیه زمانها بالاترین شدت تابش خورشید را دریافت دارند.برای نیل به این منظور حرکت بطئی زاویهایآرایهها باید توسط مکانیزمهای متحرک کنترل شوند.این آرایههامعمولاً نسبت به آرایههای ثابت از پیچیدگی بیشتری برخوردار میباشند.آرایههای ثابت معمولاً در جهت شرقی-غربی نصب میشوند و از نظر مکانیکی سادهتر از آرایههای ردیاب میباشند.براساس مطالعاتی که انجام گرفته پیش بینی میگردد که آرایههای ردیاب بالغ بر 30 درصد بیشتر از آرایههای ثابت انرژی الکتریکی تولید کنند.گرچه این مطالعات برروی تعداد کمی از سلولهای خورشیدی انجام گرفته ولی احتمالاً نتایج حاصله مستقل از اندازهیآرایههامیباشد.بنابراین در طراحی سیستمهای فتوولتائیک باید در نظر داشت که بهکارگیریمکانیزمهای متحرک و کنترل آنها در آرایههای ردیاب و یا افزایش تعداد آرایههای ثابت به منظور تولید همان مقدار انرژی الکتریکی،کدامیک مقرون به صرفه است.
1-6-طراحی آرایههاطراحی آرایهها به دو صورت زیر انجام میگیرد:
آرایههای مسطح که در آنها سلولهای خورشیدی با استفاده از مواد مناسب و معمولاً غیر شکننده به هم متصل میگردند.
آرایههای متمرکز کننده که در آنها با استفاده از روشهای مناسبی از جمله عدسیها،آئینه های سهموی و غیره.پرتوهای خورشیدی بررویسلولهای فتوولتائیک متمرکز میگردد.
در حال حاضر استفاده از آرایههای مسطح نسبت به نوع متمرکز کننده رواج بیشتری دارد ولی تحقیق در کاربرد آرایه های متمرکز کننده و افزایش بهره وری آنها در مراکز تحقیقاتی دنیا در حال پیگیری است.
شکل1-8 پایههای مختلف برای استقرارآرایهها
شکل1-9 نمایی نزدیک از یک آرایه ردیاب اشعه خورشید
1-7-تنظیم ولتاژ و کنترل سیستمبا توجه به اینکه برق تولیدی آرایههای فتوولتائیک از نوع جریان مستقیم میباشد،بنابراین لازم است تا خروجی مزبور به برق با جریان متناوب و با ولتاژ،فرکانس و فاز مناسب برای اتصال به شبکه برق و یا بار محلی تبدیل گردد.این عمل توسط دستگاهی بنام اینورتر انجام میگیرد.در صورت تغییر شدت تابش پرتوهای خورشیدی در دمای محیط،ولتاژ خروجی از آرایههای فتوولتائیک نیز تغییر میکند.بنابراین لازم است در سیستمهایی که دارای ذخیره سازی باتری میباشند ولتاژ خروجی از آرایهها تنظیم گردیده تا از شارژ شدن بیش از حد باتری جلو گیری به عمل آید.در این مورد از مبدل یا کانورتر استفاده میگردد.
شکل1-10 نحوه اتصال آرایهها به مصرف کننده و بانک باتری
1-8-ذخیره سازی انرژی الکتریکی در باتریهابهخاطر وجود تغییر در میزان شدت تابش پرتوهای خورشیدی در طول روز و در فصول مختلف،یک باتری به منظور ذخیره کردن انرژی الکتریکی تولیدی توسط آرایههای فتوولتائیک و به عنوان یک عامل واسط بین آرایههای خورشیدی و مصرف کننده انرژی الکتریکی برای بهره وری بیشتر مورد نیاز میباشد.یک سیستم فتوولتائیک خورشیدیدر طول روز که تابش خورشید وجود دارد،پرتوهای خورشیدی را گردآورده و به انرژی الکتریکی تبدیل میکند،ولی زمانی که انرژی خورشیدی در حد اعلای خود موجود میباشد،بندرت اتفاق میافتد که دقیقاً منطبق با زمانی باشد که به انرژی الکتریکی نیز نیاز وافر باشد.پدیدار گشتن ابرها در آسمان نیز برای سیستمهای فتوولتائیک مشکل ایجاد میکند و چنانچه ابری بودن آسمان چندین روز به درازا بکشد،انرژی الکتریکی در مقایسه با روزهای صاف آفتابی میزان قابل ملاحظهای کاهش پیدا خواهد کرد.واضح است در چنین روزهایی میتواناز انرژیای که در روزهای آفتابی تولید و ذخیره شده،استفاده کرده و انرژی الکتریکی متمرکزی را تولید نمود.بنابراین اضافه کردن تجهیزات ذخیره سازی در سیستمهای فتوولتائیک میتواند موجب افزایش قابلیت اطمینان سیستم برای تأمين مستمر انرژی الکتریکی گردد.معمولاً برای ذخیره سازی برق تولیدی در این سیستمهای فتوولتائیک با ظرفیت بیش از 3 کیلووات به بالا از باتری استفاده میگردد.ولی برخی از سیستمهایکوچکتر مانند پمپ کنندههای کوچک،بدون ذخیره سازی باتری طراحی میشوند.
نکاتی که در سیستمهای فتوولتائیک لازم است به دقت رعایت شوند این است که سایتهای خورشیدی جهت نصب پنل های فتوولتائیک باید با معیارهای لازم فیزیکی همخوانی داشته باشند،از جمله اینکه آنها(در نیمکره شمالی)رو به جنوب باشند.ساختار نصب سلولهای فتوولتائیک دارای زاویه خاصی است که این زاویه با توجه به عرض جغرافیایی محل موردنظر،شیب محل و زمانهایی که نور خورشید بیشتر است و نیز با توجه به توان مورد نیاز مصرف کننده بدستمیآید.اگر محل مورد نظر دارای شیب باشد زاویه باید با توجه به شیب در نظر گرفته شود مثلاً اگر شیب محل مورد نصب 25 درجه و عرض جغرافیایی محل 50 درجه باشد،سلولهای فتوولتائیک باید با زاویهای برابر تفاضل این دو مقدار یعنی 25=25-50 درجه نصب شوند.همچنین به خوبی در معرض آفتاب قرار داشته باشند(آفتاب گیر باشند) و فضای لازم برای نصب پنل ها داشته باشند. [9]
وزش باد در تابستان به کاهش دمای پنل ها کمک کرده و باعث افزایش راندمان آنها میشود.با توجه به تأثیر سایه در کاهش تولید سلولهای فتوولتائیک،لازم است تا حد ممکن از ایجاد سایه برروی پنل ها توسط عوامل مصنوعی و طبیعی جلوگیری شود.مهم است بدانیم حتی اگر یک سلول در سایه قرار گیرد،خروجی کل ماژول تحت تأثیر قرار میگیرد و به میزان چشم گیری کاهش مییابد.
افزایش دما باعث افزایش مقاومت و کاهش ولتاژ در سلولهای سیلیکونی و همچنین کاهش قدرت جذب سلول و در نتیجه کاهش جریان تولیدی و در نهایت کاهش راندمان میشود.
1-9-انواع کاربردهای سیستمهای فتوولتائیکانرژی خورشید یکی از منابع تولید پراکنده میشود و همان طور که قبلاً اشاره شد بصورت های مختلف جهت تولید انرژی الکتریکی استفاده میشود.سلولهای خورشیدی میتواند در حالتهای مختلف نصب شود و بسته به اینکه به شبکه وصل باشد و یا نه ساختار متفاوت و کاربرد متفاوتی دارد.از جمله شکلهای مورد استفاده بصورت زیر میباشد:
سیستمهای مستقل
سیستمهای متصل
سیستمهای هیبرید
1-9-1-سیستمهای مستقل ازشبکه سراسري برق (Stand Alone)سیستمهای مستقل به سیستمهایی گفته میشودکه انرژي مورد نیازبه طورکامل ازطریق پنلهاي خورشیدي تأمين میگرددونیازي به شبکه سراسري برق ویامنبع تغذیه دیگري نمیباشد.
سیستمهای مستقل از شبکه جهت تأمين برق مورد نیاز برای یک مصرف کننده و یا یک محل که در ان مصرف کنندگان بصورت پراکنده یا مستمر نیازمند برق هستند استفاده میشود.امروزه در جهان کاربرد های وسیعی برای استفاده از سیستمهای فتوولتائیک پیش بینی شده است که تأمين برق آنها از طریق شبکه عمومی و یا استفاده از دیزل ژنراتورها مقرون به صرفه نیست،از آن جمله میتوان بسیاری از ایستگاههای مخابراتی،تلویزیونی،رادار و اطلاع رسانی، ایستگاهای بین راهی ،حوضچههای پرورش ماهی،تأمين برق عشایر،پایگاههای نظامی و پستهای مرزی که در نقاط دور ،صعبالعبور و همچنین استراتژیک ایجاد میشوند را نام برد.از دیگر موارد استفاده این سیستم میتوان به روستاهای کم جمعیت و دور از دسترس،سیستمهای آبیاری هوشمند،پمپهای آب کشاورزی وشرب،کمپها و سایتهای موقت که برای عملیات اکتشاف ایجاد میگردند را میتوان نام برد.
درسیستمهای مستقل تنهامنبع تأمين کننده انرژي سیستم فتوولتائیک است همان طور که در بلوک دیاگرام زیر میبینیم آرایه خورشیدی مستقیماً بار را تغذیه میکند.
شکل1-11 دیاگرام سیستم فتوولتائیک مستقل از شبکه سراسری
1-9-2-سیستمهای متصل به شبکه سراسري برق (Grid Connected)سیستمهای متصل به سیستمهایی گفته میشودکه انرژي الکتریکی حاصل ازپنلهاي خورشیدي مستقیما ًبه شبکه سراسري برق تزریق میگردد . درواقع دراین نوع سیستم ضمن تزریق انرژي الکتریکی به شبکه سراسري برق ازمزای شبکه برق نیز استفاده میگردد.اهمیت این نوع از سیستمها به حدی است که نیروگاههایی با توان بیش از چند مگاوات در سراسر جهان توسط این سیستمها احداث گردیدهاند جبران افت ولتاژ خط انتقال از مهمترین خواص این سیستم می باشدکه در حال حاضر با صرف هزینه زیادی عمل جبران سازی انجام میگیرد.از نظر تأثیر بر سیستم قدرت، ضریب توان واحد های تولید فتوولتائیک تقریباً برابر یک میباشدبررسیها نشان میدهد که در بعضی از مواقع وجود تنها 10 درصد توان تولید این واحدها ،در بعضی از باسها در سیستم توزیع مانع از وارد شدن خازنها در سیستم برای اصلاح پروفیل ولتاژمیشود.
سیستمهای متصل به شبکه در دو حالت زیر بار را تغذیه میکنند :
الف) بار AC و اتصال به شبکه
شکل1-12 دیاگرام سیستم فتوولتائیک متصل به شبکه که بار ACرا تغذیه میکند
ب) بار AC و DCواتصال به شبکه
شکل 1-13 دیاگرام سیستم فتوولتائیک متصل به شبکه که بار AC وDC را تغذیه میکند
فصل دوم
مبدّلها در سیستمهای فتوولتائیک
مبدل pv (پنل فتوولتائیک که مبدل انرژی خورشیدی به الکتریسیته میباشد) قلب تپندهی سیستم pvمیباشد.با این حال برای یک کاربرد عملی، اجزای اضافی دیگری مورد نیاز است. به عنوان مثال برای ذخیره سازی انرژی،برای تنظیم انرژی جاری یا برای تأمين ولتاژ و جریان متناوب یک شبکه.
این اجزای اضافی سهم قابل توجهی را در کاهش هزینه بهره برداری دارند و بر رفتار کل سیستم قابل ملاحظهمیباشد.با فرض اینکه منبع جریان موازی با یک دیود شکل2-1 معادل استاندارد سلول خورشیدی باشد[9]:
شکل2-1 مدار معادل استاندارد فرضی
2-1- اتصال مبدل pv به بار اهمیدر صورتی که بارها بصورت مستقیم به منابع خطی متصل باشند و توان الکتریکی(ولتاژها و جریانها) به بار اعمال شود،مقادیر ولتاژها و جریان برای هر نقطه میتواند به راحتی توسط قانون اهم محاسبه شود.اما اگر به عنوان مثال یک منبع ولتاژ به یک مقاومت متصل شود،در صورتی که منبع دارای ماهیت غیر خطی باشد مثلاًمبدلهایpv (شکل 2-2) یک روش گرافیکی لازم است[9].
شکل2-2 اتصال مبدل pv به بار اهمی
مبدل pv به عنوان یک منبع و مقاومت به عنوان بار اهمی دو جزء به هم متصل هستند.ولتاژ در هردوی آنها برابر است و جریان در تمام مدار جاری میباشد،در نتیجهی تقاطع این دو منحنی نقطهی کار همانطور که در شکل 2-3 نشان داده شده است بدستمیآید.
شکل2-3 نقطههای کار مختلف در اثر تابشهای متفاوت
همانطور که قبلاً نشان دادیم نقطهی کار سیستم pv روی منحنی مشخصهیI-V در اثر تغییرات تابش اشعهی خورشید تغییر میکند و این اثرات نامطلوبی روی بار میگذارد.
برای جلوگیری از این عمل به یک کانورتر DC/DC نیاز است که مدام یک ولتاژ ثابت را تحویل بار نماید.
2-2- مبدل DC/DCشکل 2-4 نماد یک مبدل DC/DC را نشان میدهد که میتواند به عنوان رابط بین منبع و بار مورد استفاده قرار گیرد[9].
شکل2-4 کانورتر DC/DC به عنوان رابط بین منبع و بار
وظیفهی دستگاه کانورتر نگه داشتن نقطهی کار مبدل pv در یک نقطهی یا نزدیکی نقطهی توان ماکزیموم(MPP) تحت تمامی شرایط عملی مختلف(تغییرات تابش نور خورشید،تغییرات دما،مشخصه بار و غیره) میباشد.انتقال ضروری از یک بار اهمی به یک مقاومت تعدیل مطلوب(برای رسیدن به MPP)،بدست خواهد آمد توسط کانورتر DC/DC .
کانورتر DC/DC ولتاژ خروجی را رگوله نمیکند بلکه به بیان دقیقتر ولتاژ ورودی را به یک ولتاژ ثابت میرساند توسط رگولاتورMPP .ولتاژ خروجی حاصل بصورت اتوماتیک از برابری ورودی و خروجی حاصل میشود،اگر تلفات داخلی کانورتر ناچیز باشد.در مرحلهی اول کار مبدل DC/DC را بدون مدار واسط شرح میدهیم.کانورترهای DC/DC امکان تبدیل جریان مستقیم با یک ولتاژ معین به جریان مستقیم با ولتاژ دیگر(بیشتر قابل تنظیم) یا حتی تغییر پلاریته ی ولتاژ را فراهم میکنند.
2-2-1- کانورتر step-down (Buck Converter)به کمک این کانورترها ولتاژ ورودی DC، که به عنوان مثال به وسیلهی مبدل PV تولید شده است(Vpv) همانطور که در شکل 2-5 آمده است،میتواند یک پله کم شود.
شکل2-5 مدار معادل کانورتر Buck
اگر کلید S1 در زمان t0 بسته شود،دیودD بایاس معکوس شده و جریان در مدار بوجودمیآید (شکل2-6).جریان(=iL) سریعاً افزایش پیدا نمیکند بلکه توسط شارژ سلف L کم کم افزایش مییابد.
شکل2-6 کانورتر باک در حالت on
در همین حال سلف انرژی را بصورت مغناطیسی ذخیره میکند.اگر S1 باز شود بعد از زمان t1،بار از منبع تغذیه جدا خواهد شد.با این حال جریان همچنان توسط انرژی ذخیره شده در سلف L ادامه دارد و آزادانه در دیود در حال چرخش است.(شکل2-7)با توجه به معادلهی فوق بدون در نظر گرفتن کاهش ولتاژ در دو سر دیود،جریان با توجه به معادلهی زیر افت پیدا میکند:
خازن C1 برای پشتیبانی از ولتاژ منبع تغذیه(Vpv) استفاده شده است.در اصل S1با یک فرکانس سوئیچینگ خاص باز و بسته میشود(در اینجا :ton , toff).باتوجه به قانون اهم رفتار ولتاژ بار میتواند از جریان بار تبعیت کند.همانطور که در شکل2-8 نشان داده شده ولتاژ بار با یک ریپل حاصل میشود،که میتواند توسط خازن اضافی C2 صاف شود.به هر حال مقدار متوسط(Vload) کمتر از Vpv است.در صورتی که فرکانس کلیدزنی افزایش یابد به عنوان مثال تا 1 کیلوهرتز،آنگاه اندوکتانس لازم را میتوان به طور قابل توجهی کاهش داد.
شکل2-7 کانورتر باک در حالت off
شکل2-8 رفتار ولتاژ بار کانورتر باک
فرض کنید که ولتاژ بار ایده آل و بدون ریپل باشد و سلف نتواند ولتاژ Dc را جذب کند،به این ترتیب با دوره تناوب T=ton+toff :
2-2-2-کانورتر step-up (مبدل Boost)با استفاده از تغییراتی در اجزای کانورتر Buckمیتوان کانورتر Boost را بدست آورد(شکل2-10).با این تفاوت که در اینجا ولتاژ Vpv یک گام بالاتر آمده.در یک حالت ثابت که S1 هنوز خاموش است،ولتاژ Vload برابر Vpv است،بدون در نظر گرفتن ولتاژ دو سر دیود.
شکل2-9 مدار معادل کانورتر Boost
همانطور که در شکل2-10 نشان داده شده است در حالت ‘’on’’ بدون C1ولتاژ بار بلافاصله به صفر افت میکند.جریان مدار(=iL) از طریق سلف Lو S1 جاری میشود طبق رابطهی زیر:
QUOTE
شکل2-10 کانورتر Boost در حالت on
پس از اینکه S1 خاموش شد(شکل2-11) ولتاژ القا شده در سلف به Vpv اضافه میشود که در دو سر بار میماند.جریان iL در سلف و بیشتر در بار جاری میشود.بدین ترتیب به تدریج افت میکند چون که Vload>Vpv است.
شکل2-11 کانورترBoost در حالت off
شکل2-12 رفتار ولتاژ بار کانورتر Boost
این حالت از ولتاژ بار در شکل 2-12 آمده است.دیود D از شارژ شدن خازن C1 در مقابل اتصال کوتاه(دشارژ شدن) محافظت میکند،که فرضمیشود به قدری بزرگ است که میتواند ولتاژ بار را کاملاً صاف کند:
2-2-3-کانورتر Buck/Boost یا مبدل معکوساین مدار(شکل2-13) هردو حالت step-down و step-upولتاژ Dcرا مهیا میکند.در طول حالت ‘’on’’ انرژی گرفته شده از منبع(مبدل pv) در سلف L ذخیره میشود(شکل2-14).انرژی ذخیره شده در سلف آنگاه تحویل مقاومت بار داده شده است در طول حالت ‘’off’’ (شکل2-15) به کمک دیود D جریان از طریق سلف فقط در یک جهت در هردو حالت on و off جاری میشود.نتیجه اینکه پلاریته ی ولتاژ بار کاملاً با Vpv مخالف است به همین دلیل این مدار را کانورتر معکوس مینامند.
در این مرحله خازن C1ولتاژ تغذیهیVpv و ولتاژ صاف C2،Vload را پشتیبانی میکند.در نتیجه دامنهیVload را میتوانپایینتر و یا بالاتر از Vpv تثبیت کرد با تنظیم زمانtonو در نتیجه toff.
شکل2-13 مدار معادل کانورترBuck/Boost
شکل2-14 کانورترStep-down/step-upدر حالت on
شکل2-15 کانورترStep-down/step-upدر حالت off
در شکل2-16 انتقال نقطهی کار یک نمونه بار اهمی نشان داده شده است،که در آن تغییرهای ورودی و خروجی نشان داده شده در شکل2-4 توصیف شدهاند.
شکل2-16 انتقال نقطه ی کار
با توجه به منحنی 200 وات بر مترمربع تابش نور خورشید،نتیجه میشود که نقطهی کار کاملاً سمت چپ واقع شده با توان p1 ، که توسط ناحیهی مستطیل صورتی مشخص شده است.با این حال تابش ماژول pvمیتواند به توان p1 نشان داده شده توسط ناحیهی مستطیل سفید برسد اگر با ولتاژ نقطهیMPP کار کند.دستگاه کانورتر باعث میشود که این ورودی ولتاژ و جریان MPP به مقدار خروجی روی منحنی بار انتقال داده شوند،به موجب آن حالت ایده آل هردو توان p1 و p2 بزرگ هستند.
اگر تحول توضیح داده شده در شکل 2-16 برای تابشهای مختلف به اجرا درآید،بنابراین میتواند دیده شود که در این مثال راندمان برای تابشهای کوچک نیز با کمک کانورتر خیلی بزرگ است.
با این حال،با توجه به توضیحات برای تابشهای بالاتر اثر کمتر میشود و تعادل کل از جمله تلفات در کانورتر میتواند بدتر از اتصال مستقیم شود.اگرچه با ساختار درست احتمالاًمیتوان راندمان بیشتر از 95 درصد را بدست آورد[9].
2-3-مروری بر تحقیقات انجام شده در خصوص مبدلهای DC-DC ایزوله متصل به صفحات خورشیدیسیستم های فتوولتائیک(PV) معمولاشامل یک یا چند رشته موازی متشکل ازپنل های فتوولتائیک متصل سری هستند. با توجه به اتصال سری ولتاژهای پنل، که معمولا بسته به درجه حرارت، حدود20 تا 40هستند،اضافه شده اندتا به یک ولتاژخاص برسد. در اروپا،حداقل در حدود380Vبرای معکوس کنندهDC-ACمرکزی(تک فاز) برای تامین توان شبکه،مورد نیاز است. علاوه بر این،این ارتباط سری پنل فتوولتائیک ذاتا بدان معنی است که جریان خروجی تمام پنل فتوولتائیک،برابر است. با این حال،اگرپنلهای فتوولتائیک دریک رشته،تابش نابرابری دریافت کنند، وضعیت تولید جریان برابردریک رشته دیگربرآورده نمیشود.در نتیجه توانی که باید از رشته حاصل شود،به زیر توان تئوریکی موجود، کاهش می یابد.به خاطراین واقعیت است که اگر شدت جریان رشته درسطح پنل بدون سایه نگه داشته شود،پنلهای فتوولتائیک سایه دار، منشعب می شوند. متناوباً، شدت جریان رشته، همچنین می تواند توسط مرکزمعکوس کنندهDC-ACبرای مطابقت باسطح فعلی(کم)پنل سایه دار ،کاهش یابد.این امربه نوبه خودبه یک عملیات سطح بهینه ازپنل بدون سایه و در نتیجه به توان خروجی رشتهی زیرحداکثرتئوریکی، منجرمی شود.
به عنوان یک راه حل برای غلبه براین محدودیت،مفاهیم مختلف مبدل DC-DC[1]را می توان درسطح پنل فتوولتائیک استفاده کرد و اجازه فعالیت هر پانل درنقطه توان ماکزیمم(MPP) را می دهد. در میان این مبدل هایDC-DC، مفاهیمی است که به جای اتصال سری پنلهای فتوولتائیک، آنها را به صورت موازی متصل می کند . مفهوم یک چنین مبدل با توان کامل و اتصال موازی، (رجوع کنید به[1]) در این مقاله مورد بررسی قرار خواهد گرفت. با این روش، هر پنل فتوولتائیک به یک مبدل DC-DC مجهز است و خروجیهای مبدل،به صورت موازی متصل شده است، بطور مثال، به باسDC- در ورودی معکوس کننده ی مرکزی DC-AC، همانطور که در شکل2-17نشان داده شده، متصل شده است.لازمه این کار، استفاده از یک توپولوژی مناسب مبدل با نسبت افزاینده ی بالا و همزمان، به بازده تبدیل بالا نیاز دارد. در بخش IIتوپولوژی های مختلفی که با این نیازها مواجه می شوند،شناسایی و ارزیابی می شوند و مناسبترین مفهوم برای تجزیه و تحلیل عمقی و بهینه سازی، انتخاب می شود. تراکم بازده / توان(η-ρ) بهینه سازی پارتو و نتایج مربوطه در فصل 3، ارائه شده اند. بر اساس نتیجه بهینه سازی، یک نمونه اولیه که تنها سوئیچ های گالی ومنیتراید را به کار می گیرد ، مونتاژ می شودو نتایج اندازه گیری درفصل 4نشان داده شده است. در نهایت، نتیجه گیری در فصل 5، گنجانده شده است.
شکل 2-17- سیستم فتوولتائیک ساده متشکل از دو پنل فتوولتائیک
2-4-طبقه بندی توپولوژیهای افزایندهی بالادر این قسمت یک مرور کلی و یک طبقه بندی از توپولوژی مبدلDC-DC مناسب برای تبدیل ولتاژ افزاینده بالا، ارائه شده است .
در مقاله، چندین توپولوژی مبدل با نسبت افزاینده بالاو بازده بالا، ارائه شده است. این توپولوژی ها به دو بخش اصلی طبقه بندی شده اند: مفاهیم ایزوله شده (جداشده) و ایزوله نشده. بسته به کشوری که در آن سیستم فتوولتائیک نصب شده است، ممکن است یک مرحله ی جداسازی مبدل DC-DCپیوسته،پنل فتوولتائیک لازم شود.با این حال، معیار برای انتخاب بهترین مفهوم مناسب برای ترکیب پنل فتوولتائیک درهر دو دسته مشترک است: بازده تبدیل بالا در هردو بار کلی و جزئی، کنترل آسان، چگالی توان بالا و شمارپایین قطعات برای کاهش هزینه و همچنین طول عمر طولانی سیستم .
شکل 2-18- توپولوژی های مبدل افزاینده بالا،ایزوله نشده (a) مبدل بوست با القاگرنشان داده شده و (b) توپولوژی فلای بک بوست
الف- توپولوژی ایزوله نشده
مبدل های افزاینده بالا،ایزوله نشده،معمولا یامبدل های بوست باالقا کننده های جفت شده (شکل 2-18(الف)) [2] -[5])هستندو یامبدل های بوست ترکیب شده بایک مبدل فلای بک، هستند. [6 ] -[8] (شکل 2-18(ب)).
اگرمدارات اضافی به این مفاهیم اساسی، مدارات اضافی،افزوده شود ،راندمان تبدیل بیشتری را می توان باسوئیچینگ نرم به دست آورد .مبدل ها، برای ساختارمبدل بوست متعارف، تعدیل کنندههای کمکی هستند، که درآن،چرخههای کاری بزرگ در چنین نسبت های تبدیل بالا، رخ می دهند. در نتیجه،در نسبت های تبدیل بالا،مبدل بوستهای معمولی،به دلیل تلفات سوئیچینگ بالای ناشی ازسوئیچینگ سخت در ولتاژبالا واثربازیابی معکوس دیود، از بهرهوری پایین رنج می برند. علاوه بر این، از آنجا که به دست آوردن مبدل بوست یک تابع غیر خطی ازچرخهاست، چرخه های کاری بزرگ نیزاثر منفی برپویایی های کنترل دارند.
نسبتهای تبدیل بالا را میتوان با توپولوژی تقویت کننده ولتاژ، نیز به دست آورد، به عنوان مثال مبدل های خازن سوییچ شده مانند مبدل خازن شناور[9]، [10] . اشکال این توپولوژی،کنترل محدودولتاژ خروجی است، که معمولا یک انتگرال چندگانه ازولتاژ ورودی است و در نتیجه قابل تنظیم نمی باشد. این فقط میتواند برای یک ترکیب مختلط ازیک خازن سووئیچ شده و یک مبدل مبتنی برالقاگر[11] داده شود.
ب) توپولوژی های ایزوله شده
توپولوژی های مبدل DC-DC ایزوله شده معمولایک ترانسفورماتورفرکانس بالا را به کار می گیرد.ترانسفورماتوربه طور ذاتی، مناسب بکارگیری مبدل هایی است که مستلزم تبدیل ولتاژ بالا، میباشند.همانطور که نسبت فزاینده را می توان بانسبت تبدیل، تنظیم کرد.توپولوژی یک ترانسفورماتورمی تواندهم بابرانگیختگی هسته ای یک طرفه کارکند،همانند مثالی که برای مبدل فلایبک یا فوروار، آوردیم، ,و هم بابرانگیختگی دو طرفه هسته ای. (مبدل پوش پول، مبدل نیم پل یا تمام پل).از آنجا که طبقه ی قبلی، فازها رادر یک دوره ی سوییچینگ نشان می دهد که در آن هیچ توانی به بار منتقل نمی شود، چگالی توان وبازده آنها نسبت به طبقه ی دوم،پایین تراست و در نتیجه در نظر گرفته نمی شود. برای کاهش زیان های سوئیچینگ وتنش مؤلفه ها یامداراضافی کمکی، به عنوان مثال مدارهای کمک فنر، می تواند مورد استفاده قرار گیردو یاتوپولوژی باقابلیتZVS/ZCS( سوییچینگ ولتاژصفر/سوییچینگ مبدل صفر) ذاتی مانند مبدل های نیم پل و تمام پل رزونانسی می تواند انتخاب شود[12]. مبدل رزونانسی سری(SRC) به خصوص، مناسب برنامه های کاربردی باولتاژ خروجی بالا وبازده بالاتحت بار کامل [13] می باشد و برای بررسی بیشترانتخاب شده است. (رجوع کنید به شکل 2-19a))).همانطور که ولتاژورودی نیاز به تشدید شدن دارد،مبدل رزونانسیسری(SRC)به شکل مفیدی، به یک معکوس کننده ی تمام پل و یک دوبل کننده ی ولتاژ مجهز شده است که به عنوان یک مدار یکسوکننده وبه منظور رسیدن به بالاترین نسبت انتقال ولتاژ در نسبت تبدیل ترانسفورماتورداده شده، مجهز شده است. درپیوند باMOSFET ، بهتر است که (SRC ) بالای رزنانس[14]اجرا کرد چون اجازه استفاده از جریان تشدید شده برای سوییچینگ فوری و رسیدن به ZVS را فراهم می کند
شکل2-19 (الف)توپولوژی تبدیل رزونانس سری و(ب)مدار برابری که رفتارفرکانس رامدل سازی می کند.
ج) انتخاب توپولوژی
طبقه بندی توپولوژی فوقالذکر، (SRC ) مزایای استفاده ازبهره وری بالا را ارائه می دهد، چون،با توجه به (ZVS)، می تواند بدون تلفات سوئیچینگ عمل کند،وبه دلیل برانگیختگی هسته ایدو طرفه، چگالی توان بالا خواهد داشت.با این حال،فرکانس سوئیچینگ، به منظور تغییر نسبت انتقال ولتاژمبدل، تنظیم می شود به طوری که تغییرات ولتاژپنلفتوولتائیک، به یک سطح ولتاژ خروجی ثابت،افزوده شدهاست.
با توجه به مدارمبدل رزونانسی سری (SRC )که در شکل2-19(الف) نشان داده شده است، مدار معادل برای آنالیزهارمونیک بنیادی(FHA) را می توان نتیجه گرفت،همانطور که در شکل2-19(ب).قابل مشاهده است.شبکه رزونانسی عمدتا به اولین هارمونیک ولتاژموج مربعی تولید شده توسط شبکه سوئیچ تمام پل، واکنش نشان می دهد، در نتیجه هارمونیکهای بالاتر، در تحلیلهای که از ازروش(FHA) استفاده میشود،نادیده گرفته می شوند[13]. از این رو،ولتاژ ورودی از(t) VS1مخزن رزونانس، با هارمونیک اول ولتاژموج مربعی، برابر است، یعنی:
(1)
که در آنωsتوسط فرکانس سوئیچینگωs=2πfsتعیین می شود. مقدار متوسطIin جریان ورودی را می توان بامیانگینمقدار مطلق ازis1(t), بدست اورد، که توسط مخزن رزونانس، در بیش از نیمی از یک دوره سوئیچینگ، بدست آمده است .
(2)
که Is1 دامنه ی هارمونیک اول جریان رزونانسی سینوسی is1(t) است و φs زاویه ی تغییر فاز با توجه به ولتاژ vs1(t) است. اگرفرض شود که مخزن رزونانس، پاسخ قابل اغماض به هارمونیک های بالاتر میدهد ،شبکه یکسو کننده نیز می تواندبا استفاده از روش(FHA)،تجزیه و تحلیلشود .بنابراین ولتاژ vr1(t)(در طرف اولیه ترانسفورماتور)هارمونیک اول ازولتاژموج مربعی است که توسط جریان یکسو شده،تحت تاثیر قرار گرفته است که به شکل گیری ولتاژمضاعف، منجر می شود
(3)
که در آنN نسبت تبدیل ترانسفورماتوراست.vr1(t)در فازباجریان خروجی مخزن رزونانس است.
(4)
کهˆIr1 مقداراوج جریان سینوسی در فرکانس اصلی است.بر این اساس،مقدارجریان خروجیDC( I out) را می توان بامیانگینجریان خروجی مخزن رزونانس یکسو شده |(t) I rl| در بیش از نیمی از یک دوره سوئیچینگ ، بدست آورد، که نتیجه می دهد :
(5)
علاوه بر این،مقاومت بارمعادلReدر سمت اولیه ترانسفورماتورمی تواند محاسبه شود:
(6)
با نتیجه Re،امپدانس ورودی مخزن رزونانس را می توان به دست آورد:
(7)
بر این اساس،ولتاژبدست آمده از مخزن روزونانس بدست می آید:
(8)
که با فرکانس سویچینگ متفاوت است. مخزن روزونانس، دو فرکانس رزونانسی را نشان می دهد:
(9)
اگر در fres,1 عمل کند، حاصل مخزن رزونانس معادل یک است ،. اگرفرض شود که اندواکتانس نشتی ترانسفورماتور، که معمولایک مقدارزیریک یا دودرصد ازمقداراندکتانس مغناطیسی است، به عنوان اندکتانس رزونانس Lre بکار رود، سپس فرکانس 1fres, و 2fres,طبق معادله ی 9، توسط یک عامل حدود 10 اختلاف خواهد داشت.نسبت انتقال Vin به VBus برای fsw _= f res,1، نه تنها به فرکانس سوییچینگ،بلکه همچنین به سطح توان نیز بستگی دارد.بنابراین برای پوشش مجموع طیف ولتاژپنل فتوولتائیک(VPV = 15…45V) در همه ی سطوح توان ،طراحی مبدل به چالش کشیده می شود. برای محاسبه ی آن [15]،اندکتانس نشتی درجهت همان اندازه که القای مغناطیسی می شود، انتخاب شد، در نتیجه،به یک طراحی ترانسفورماتورباسیم پیچ اختصاص داده شده برای دستیابی به اندکتانس نشتی بالا،نیازبود. درمقابل،اگراندکتانس مغناطیسی کاهش یابد،به عنوان مثال با معرفی یک شکاف هوادرمسیرمغناطیسی اصلی، جریان مغناطیسی افزایش می یابدو باعث تلفات هدایت بیشتر، می شود.
ازملاحظات فوق دیده می شود که اگر SRCدرفرکانس رزونانسfsw = fres,1.عمل کند، نسبت انتقال ولتاژازVin بهVBusفقط ثابت است. در این نقطه عملکرد،نسبت انتقال،مستقل ازجریان باراست. بنابراین،در این مقاله توپولوژی دو مرحلهای،ارائه شده است، همانطور که در شکل 2-20 (الف) نشان داده شده، متشکل از یک مبدل بوست وSRC است است.مبدل بوست، به سمت تغییر ولتاژ فتوولتائیکVPV به یک ولتاژ متوسط ثابت VDC,midحرکت می کند.مبدلSRC در fres,1 در حالت انتقال ناپیوسته ی نیمه سیکل(HC-DCM) [16]،همانطور که در شکل 2-20 (ب)نشان داده شده است، عمل می کند. این، ولتاژ بسیارکارآمد را با استفاده ازاندکتانس نشتی ترانسفورماتوربه عنوان القای رزونانس وجریان مغناطیسی در پیوند باخازنهای خروجی پل کاملMOSFETبرای سوییچینگ (ZVS)، را قادر می سازد.مدت زمان پالس های موج مربعی از پل کامل، بازمان مورد نیاز برای جریان رزونانسی برای تکمیلی کنیم موج، برابر است، به عنوان مثالTres/2.. بین پالسهای موج مربع زمان مردهTDمعرفی شده است،که در این زمان، شارژ و دشارژ جریان مغناطیسی باقیمانده، طوری خازنهای پارازیتیMISFET را (شارژ/دشارژ) جریان می کند که قبل ازسوئیچ کردن تمام پل برای نیم سیکل بعدی، ZVS به دست می آید. از آنجائیکه تنها،جریان مغناطیسی برای( ZVS )استفاده می شود،(SRC ) می تواند بدون تلفات سوییچینگ،مستقل ازتوان منتقل شده، عمل کند.
جدول 2-1- مشخصات مبدل بوست افزاینده بالاپنل فتوولتائیک
شکل2-20: توپولوژی مبدل پیشنهادی: (الف)مبدل دومرحله شامل یک مبدل بوست ومبدل رزونانسی سری (SRC ) و (ب)اصل کار مبدل رزونانسی سری (SRC ).
مفهوم استفاده ازدو مرحله تبدیل، طراحی وکنترل سیستم را ساده می کند. پایه هایپلSRC، در فرکانس سوئیچینگ ثابت با50٪سیکل کاریو 180 درجه تغییرفاز،عمل می کند. از آنجا که ولتاژ خروجیVBus توسط معکوس کننده ی مرکزیDC-AC کنترل می شود، ولتاژ متوسط DC bus VDC,mid، همچنین ثابت است. بنابراین،مرحله بوست می تواندردیابی نقطه حداکثر توان(MPP) پنل فتوولتائیک را باتنوع مناسب سیکل کاریD boostسوئیچSa،انجام دهد.
2-5- بهینه سازی مبدلدر این فصل،طراحی و بهینه سازی مبدل بوست و مرحلهSRC ،ارائه شده است.مجموعه ای کامل ازمشخصات مبدل درجدول 1ذکر شده است. درجه آزادی در طراحی مبدل، شامل سطح ولتاژ متوسط باسV DC,mid، فرکانس رزونانسیSRC f res، و فرکانس سوییچینگf sw,boost،می باشد.
2-5-1-انتخاب مقدار V DC,midبرخلاف مرحله عملیاتیSRC درZVS در همه زمان ها، مرحله بوست زیانهای سوییچینگ را بوجود میآورد چون در حالت انتقال مستمر عمل می کند. تلفات سوئیچینگ مبدل بوست،تحت تأثیر جریان ورودی و همچنین ولتاژ V DC,mid قرار دارد، و با مقادیر افزایشی هر دو، افزایش می یابد. همانطور که جریان ورودی توسط نقطه حداکثر توان(MPP) پنلفتوولتائیک، تعیین می شود و در نتیجه نمی توان تغییر داده شود، بهتر است برای مقدارV DC,midی انتخاب شود که تا حدامکان، پایین باشد، یعنی کمی بالاتر از حداکثر ولتاژ ورودی، تا با کنترل خوب و بهره وری، سیکل کاری در یک محدوده قابل قبول حفظ شود.بر این اساس، سطح ولتاژ باس میانی V DC,mid=50 ولت انتخاب شده است. بنابراین سیکل کاری مبدل بوست در دامنه ی Dboost = 0.1…0.7 برای ولتاژورودی در دامنه ی VPV = 15…45V متفاوت است.
2-5-2-پروسه بهینه سازی مرحله بوستتلفات مرحله ی بوست شامل تلفات انداکتور و سوییچینگ نیمه رسانا و تلفات رسانا است.با در نظر گرفتن انداکتورLb، مقادیر مختلف برای موج دار شدن جریان پیک به پیک ΔIL,max= [20%…100%] از حداکثر مقدار میانگین جریان القاییIin,max برای بهینه سازی زیر، مورد استفاده قرار گرفته است.بر این اساس یک مقدار ΔIL,max= 60 درصد از Iin,max انتخاب شده است.حداکثر موج دار شدن جریان القایی برای Dboost= 0.5 که در VPV = 25V داده شده است.برای تولید اندکتانس و فرکانس سوییچینگ، این مقدار منتج می شود:
(10)
علاوه بر این، حداکثر چگالی شار در هسته، باید زیر چگالی شار اشباع، نگه داشته شود، به عنوان مثال:
(11)
N ind، تعداد دورها، Ac,minحداقل سطح مقطع هسته و I L مقدار اوج جریان القایی است. تلفات القا شامل تلفات هسته و تلفات سیم پیچ است. تلفات هسته را می توان با استفاده از معادله سه بود شده استین متز جنرال (iGSE) محاسبه کرد، که به تلفات هسته در واحد حجم، منجر می شود.
(12)
ΔB ، چگالی شار محلی پیک به پیک است و
(13)
که در آن α، β و k پارامترهای موادی است که می توان از برگه های اطلاعات سازنده، کم کرد.طبق [17]، معادلات (12) و (13) موجود در مبدل را می توان برای مورد شکل موج خطی تکهای، ساده کرد.تلفات سیم پیچ، توسط جریان القاییDC و تلفات جریان گردابی ایجاد می شوند، که با افزایش فرکانس، افزایش می یابند. جریان های گردابی به تلفات اثر پوستی و مجاورتی،کمک می کنند، که می تواند به طور تحلیلی با توجه به [18]، تقریب زده شود.هارمونیکهای بالای رتبه 10 ، در نظر گرفته شده است. برایسوئیچبوست ویکسوسازی همزمان،گالیمنیتراید((GaD) FET)توسط EPC (EPC2001) انتخاب شدهاند، چون ویژگی آنها باعث می شود تا تلفات سوییچ در یک فرکانس مشخص و در مقایسه با MOSFETسیلیکونی، پایین بیاید.زمانی که تلفات سوییچینگ به شدت تحت تأثیر انداکتنسهای پارازیتی آرایش مدار، قرار می گیرد، طرحی مشابه آنچه که قبلا به طور موفقیت آمیز در[1] آزمایش شد،به عنوان مرجع در نظر گرفته می شود و تلفات،توسط شبیه سازی LTSpice از مدلهای سوئیچ سازنده، معتبر میشوند.علاوه براین، مقاومتon-stateR DS,onسوییچها و مقاومت(PCB)، محاسبه تلفات القا را ردیابی می کند.
2-5-3- روش بهینه سازی (SRC )چون(SRC ) با (ZVS) عمل می کند، عوامل تلفات اصلی شامل،تلفات ترانسفورماتور و تلفات انتقال هم در سوئیچها و هم در اثرات( (PCB، می باشند.
ترانسفورماتور باید با نسبت تبدیلNsec/Nprim = 4، طراحی شود چون که ولتاژ باید از VDC,mid= 50V تا نیمی از مقدار VBus = 400V،تشدید شود چون که ولتاژ دوبلر برای یکسوسازی آن استفاده می شود.به عنوان یک برآورد اولیه بدون توجه به جریان مغناطیسی I m(t) و زمان مرده ی TD، مقدار اوج جریان اولیه ی ˆIp را می توان برای توان پنلفتوولتائیک داده شده PPV محاسبه کرد:
(14)
و مقدارRMS:
(15)
همانطور که جریان، شکل موجی سینوسی را نشان می دهد، تلفات سیم پیچ را می توان تنها با استفاده از فرکانس های اصلی برای انجام محاسبات مربوط به مقاومت AC سیم پیچ، با درنظر گرفتن اثر پوستی و مجاورتی، محاسبه کرد.
تلفات مرکز را می توان ابتدا با در نظر گرفتن ارتباط Ψp شار در ترانسفورماتور ارزیابی کرد، که در یک برآورد اولیه شکل موج مثلثی با مقدار اوج Ψp در طرف اولیه نشان داده می شود، یعنی :
(16)
با توجه به ارتباط شار، چگالی شار در مرکز، می تواند محاسبه شود:
(17)
با مقدار پیکی که به خوبی در زیر چگالی شار اشباع شده :
(18)
برای سوییچ کردن مرحله ی تمام پل،ترانزیستور( GaN FETs) توسط