تحلیل تلفات توان و افزایش راندمان سیستم‌های تولید

چکیده

محدودیت منابع سوختی فسیلی و احتمال اتمام ذخایر انرژی فسیلی، گرمایش زمین، آلودگی‌های زیست محیطی، بی‌ثباتی قیمت و همچنین نیاز روز افزون مراکز صنعتی و شهری به انرژی، مجامع بین الملل را به فکر جایگزین‌های مناسب انداخته است. انرژی هسته‌ای، خورشیدی، زمین گرمایی، بادی و امواج اقیانوسی از این قبیل می‌باشند. قیمت نسبتا زیاد تبدیل انرژی‌های تجدیدپذیر، عامل بازدارنده‌ای برای توسعه‌ی سامانه‌های متصل شبکه است و استفاده از این انرژی‌ها را به موقعیت‌هایی که استفاده از شبکه برق سراسری برق مقدور نبود، مانند مناطق دور افتاده محدود کرده بود. در طی سال‌های گذشته تحقیقات و بررسی‌های فراوانی بر روی انتصال سامانه‌های تبدیل انرژی‌های تجدیدپذیر به شبکه صورت گرفته است و پیشرفت‌های زیادی در این زمینه حاصل شده‌ است. انرژی خورشیدی در کنار انواع دیگر انرژی‌های تجدیدپذیر و پاک دیگر به عنوان منبع اصلی انرژی تجدید پذیر مورد مطالعه‌ی گسترده قرارگرفته‌اند.

بنابراین در ابتدا به ساختار سلول فتوولتائیک به صورت مختصر پرداخته شد و در ادامه با بررسی انواع مدل‌ها برای شبیه‌سازی سلول خورشیدی به مدل نمایی ساده شده رسیدیم. سپس تاثیر عوامل مختلف روی مشخصه‌های سلول خورشیدی و نتایج شکل موج به دست آمده در منحنی‌های مشخصه آورده شد. در ادامه‌ی کار با توجه به این که برای تولید ولتاژها و جریان‌های بالاتر باید ترکیبی سری و موازی از این سلول‌ها را به هم متصل کنیم بنابراین فرمول‌ها و روابط مورد استفاده جهت ترکیب‌های این سلول آورده شد. در نهایت نیز با توجه به هدف پایان‌نامه، به مطالعه‌ی روش‌های افزایش راندمان سیستم خورشیدی از طریق افزایش راندمان المان‌های سیستم پرداختیم. همچنین در فصل آخر به مقایسه‌ی روش‌های ANFIS، FLC پرداخته شده و سرعت پاسخ‌گویی این دو روش در فصل پایانی ارائه خواهد شد.

واژه‌های کلیدی: سلول خورشیدی، ردیاب ماکزیمم توان، کنترل

فهرست مطالب

فصل 1: مقدمه. 1

1-1- مقدمه. 1

1-2- اهمیت رشد بهینه و دقیق سیستم‌های فتوولتائیک در شبکه.. 3

1-3- دسته‌بندی کلی سیستم‌های فتوولتائیک...... 5

1-4- سیستم‌های متصل به شبکه.. 8

1-4-1- اثر سیستم‌های فتوولتائیک بر بخش تولید... 9

1-4-2- اثر سیستم‌های فتوولتائیک بر شبکه‌ی انتقال و فوق توزیع... 10

1-4-3- اثر سیستم‌های فتوولتائیک بر شبکه‌ی توزیع... 11

1-5- سیستم‌هایمستقلازشبکه.. 11

1-5-1- سیستم‌هایتأمینبرقمستقلازشبکه.. 12

1-5-2- پمپاژ خورشیدی.... 12

1-5-3- روشناییخورشیدی.... 12

1-5-4- سیستمتغذیهکنندهقابل حمل... 13

1-5-5- حفاظتکاتدیک...... 13

1-5-6- یخچال‌هایخورشیدی.... 13

1-6- هزینهسیستم‌هایبرقخورشیدی.... 14

1-7- محتوی.... 15

فصل 2: مروری بر مطالعات انجام شده. 16

2-1- مقدمه.. 16

2-2- فناوری‌های ساخت سلول‌های خورشیدی.... 17

2-3- مدار معادل سلول خورشیدی.... 19

2-4- مشخصه‌های الکتریکی سلول خورشیدی.... 21

2-5- اثر پارامترهای مختلف موجود در مدل بر مشخصه‌های الکتریکی.... 23

2-5-1- تابش..... 23

2-5-2- دما25

2-5-3- مقاومت سری.... 28

2-5-4- مقاومت موازی.... 28

2-5-5- جریان اشباع معکوس..... 29

2-5-6- ضریب انتشار دیود.. 30

2-6- ماژول و آرایه خورشیدی.... 30

2-6-2- رشته و آرایه.. 33

2-7- دنبال کردن نقطه توان بیشینه.. 35

2-7-1- نیاز به دنبال کردن نقطه توان بیشینه.. 35

2-7-2- روش تپه نوردی.... 38

2-7-3- روش مشاهده و اغتشاش..... 40

2-7-4- روش رسانایی افزایشی.... 42

2-7-5- کسری از ولتاژ مدار باز 43

2-7-6- کسری از جریان اتصال کوتاه. 44

2-8- نتیجه.. 44

فصل 3: روش تحقیق.. 46

3-1- مقدمه. 46

3-2- معرفیسیستمفتوولتائیک و مبدل مورد استفاده. 47

3-2-2- مبدل باک...... 49

3-2-3- مبدل بوست..... 50

3-2-4 مبدل بوست با ساختار Interleaved.. 51

3-2-5- مبدل‌های بوست سه سطحی.... 52

3-2-6- مبدلبوستکسکد... 52

3-2-7- مبدلافزایشدهندهولتاژباسلفتزویجشده. 54

3-2-8- مبدلپیشنهادی.... 54

3-2-9- بررسی مزایا و معایب مبدل... 56

3-2-10- مدل مبدل به همراه سلول خورشیدی.... 57

3-3- افزایش بهره عملکرد مبدل SEPIC... 58

3-3-1- افزایشبهرهبااضافهکردنیکضربکنندهبهمدارSEPICساده. 59

3-4- محاسبه بهره مبدل... 61

3-5- روش کنترل منطق فازی.... 62

3-5-1- سیستم PV با کنترل منطق فازی.... 66

3-6- مفاهیم سیستم عصبی فازی تطبیقی.... 67

3-7- کنترل کننده‌ی تطبیقی فازی-عصبی.... 68

3-8- نتیجه.. 70

فصل 4: نتایج.. 73

4-1- مقدمه. 73

4-2- خروجی آرایه‌ی خورشیدی مورد نظر.. 73

4-3- استفاده از مبدل پیشنهادی در شبیه‌سازی.... 78

4-3-2- محاسبه ریپل جریان ورودی و سلف‌های L₁ و L₂79

4-3-3- محاسبه خازن سری C_s و خازن ضرب کننده C_m. 80

4-3-4- حصول سوئیچ‌زنی نرم در لحظه روشن شدن سوئیچ مبدل... 81

4-3-5- حصول سوئیچ زنی نرم در لحظه خاموش شدن سوئیچ مبدل... 82

4-3-6- افزایش بهره مبدل... 84

4-4- نتایج شبیه‌سازی مدار سلول خورشیدی مستقل از شبکه.. 87

4-4-1 شبیه‌سازی در تابش و دمای ثابت..... 88

4-4-2- شبیه‌سازی در تابش و دمای متغیر.. 93

4-5- نتیجه‌گیری.... 97

فصل 5: بحث و نتیجه‌گیری.. 98

5-1- مقدمه. 98

5-2- پیشنهادات و مطالعات آینده. 99

فصل 6: مراجع.. 100

فصل 7: پیوست‌ها103

7-1- مدل‌های مختلف استفاده شده برای سلول خورشیدی.... 103

7-1-2- مدل ساده. 104

7-1-3- مدل نمایی مختصر شده. 105

7-1-4- مدل نمایی ساده. 106

7-1-5- مدل نمایی دوبل... 107

فهرست اشکال

شکل (1-1) انواع منابع انرژی بکار رفته برای تولید انرژی الکتریکی و نحوه ی اتصال آنها به شبکه 2

شکل (1-2) پیش بینی درصد استفاده از انرژی‌های مختلف تا سال 2050.. 3

شکل (1-3) ظرفیت خالص اضافه شده در اروپا در سال‌های(GW)2000تا2011.. 4

شکل (1-4) اینورتر فتوولتائیک دو طبقه‌ی متصل به شبکه با اینورتر دو سطحی... 6

شکل (1-5) اینورتر فتوولتائیک یک طبقه‌ی متصل به شبکه. 7

شکل (1-6) کاربرد اینورتر تمام پل متوالی در سیستم‌های فتوولتائیک یک طبقه‌ی متصل به شبکه 8

شکل (2-1) مدل تک دیود سلول خورشیدی.... 19

شکل (2-2) مشخصه‌ی سلول خورشیدی در دمای ثابت و دو مقدار تابش..... 22

شکل (2-3) مشخصه‌های الکتریکی و نقطه‌ی MPP در یک سلول خورشیدی[14]23

شکل (2-4) اثر تغییر تابش بر مشخصه‌ی I-V.. 24

شکل (2-5) اثر تغییر تابش بر ولتاژ مدار باز و جریان اتصال کوتاه، .. 25

شکل (2-6) اثر تغییر دما بر مشخصه سلول خورشیدی در تابش ثابت.... 27

شکل (2-7) اثر تغییر دما بر مشخصه توان... 28

شکل (2-8) اثر تغییر مقاومتسری بر مشخصه‌ی I-V.. 28

شکل (2-9) اثر تغییر مقاومت موازی بر مشخصه‌ی I-V.. 29

شکل (2-10) اثر تغییر جریان اشباع معکوس بر مشخصه‌ی I-V.. 30

شکل (2-11) اثر ضریب انتشار دیود بر مشخصه‌ی سلول... 30

شکل (2-12) یک ماژول سیلیکون کریستالی متشکل از 60 سلول... 31

شکل (2-13) سری کردن ماژولها32

شکل (2-14) موازی کردن ماژولها33

شکل (2-15) اجزای تشکیل دهنده‌ی آرایه. 33

شکل (2-16) اتصال سری و موازی سلولها برای تولید آرایه‌ی خورشیدی الف)مدل ایده‌آل ب)مدل نمایی مختصر شده ج)مدل نمایی ساده. 34

شکل (2-17) تاثیر دما و تابش بر منحنیهای رفتاری سلول خورشیدی الف)تاثیر دما ب)تاثیر تابش 36

شکل (2-18) منحنی P-D آرایه‌ی خورشیدی.... 38

شکل (2-19) فلوچارت روش تپه نوردی.... 39

شکل (2-20)اندازه‌گیری تغییرات توان بین دو نمونه‌گیری.... 41

شکل (2-21) الگوریتم روش رسانایی افزایشی... 43

شکل (3-1) مدار معادل استاتیکی سلول خورشیدی.... 48

شکل (3-2) مدار معادل دینامیکی سلول خورشیدی.... 48

شکل (3-3)مبدلکاهندهولتاژ باورودیمتغیر. 49

شکل (3-4) مبدلبوستمرسوم.. 51

شکل (3-5) مبدل بوست Interleaved. 52

شکل (3-6)مبدلبوستسهسطحی... 53

شکل (3-7)مبدلبوستکسکد.. 53

شکل (3-8)مبدل DC به DC افزاینده با سلف تزویجی... 54

شکل (3-9) مبدل افزاینده بوست به همراه سایر تولید کننده‌های پالس در آن... 55

شکل (3-10) مبدلSEPIC.. 55

شکل (3-11)حالتکاریاولمبدل SEPIC.. 56

شکل (3-12)حالتکاری دوممبدل SEPIC.. 56

شکل (3-13) مدل فتوولتائیک به همراه کانورتر بوست.... 57

شکل (3-14) مدل کنترل کننده‌ی MPPT در سیستم‌های PV.. 58

شکل (3-15) :افزایشبهرهباافزودنقسمتضربکنندهبهمبدل SEPIC ساده. 59

شکل (3-16)مرحلهکاریاولمبدل SEPIC بهبودیافته. 60

شکل (3-17)مرحلهکاریدوممبدل SEPIC بهبودیافته. 60

شکل (3-18) مقایسه دوره کار مبدل SEPIC بهبود یافته با دیگر مبدل‌ها62

شکل (3-19) فازی‌سازی تبدیل متغیر ورودی به متغیر زبانی... 63

شکل (3-20) پیاده‌سازی کنترل منطق فازی مبتنی بر MPPT.. 65

شکل (3-21) بلوک دیاگرام یک سیستم فازی با دو ورودی و یک خروجی... 66

شکل (3-22) بلوک دیاگرام سیستم MPPT با کنترل منطق فازی.... 66

شکل (3-23) ساختار روش ANFIS. 67

شکل (3-24)تابع عضویت متغیر اول ورودی (E)70

شکل (3-25)تابع عضویت متغیر دومورودی. 70

شکل (4-1) مدار معادل سلول PV، مورد استفاده. 74

شکل (4-2) منحنی مشخصه‌ی P-V، بر اساس تغییرات دما76

شکل (4-3) منحنی مشخصه‌ی P-V، بر اساس تغییرات تابش نور خورشید.. 76

شکل (4-4) منحنی مشخصه‌ی P-V، در شرایط نامی(T=25c,irradiation=1000w/m²)77

شکل (4-5) منحنی مشخصه‌ی I-V، در شرایط نامی(T=25c,irradiation=1000w/m²)77

شکل (4-6) مبدل مورد استفاده جهت افزایش ولتاژ خروجی از آرایه خورشیدی و تبدیل به سطح ولتاژ مورد نظر. 78

شکل (4-7) ایجاد شرایط سوئیچینگ نرم در لحظه روشن شدن سوئیچ در سپیک بهبود یافته 82

شکل (4-8) ایجاد شرایط سوئیچینگ نرم در لحظه خاموش شدن سوئیچ در مبدل... 83

شکل (4-9) مدار بلوک ضرب کننده جهت افزایش ولتاژ خروجی و افزایش بهره. 85

شکل (4-10) شکل موج ولتاژ خروجی مبدل پیشنهادی با ریپل 1 ولت.... 86

شکل (4-11) شکل موج ولتاژ دو سر سوئیچ مورد استفاده در مبدل پیشنهادی.... 86

شکل (4-12) شکل موج جریان سوئیچ مورد استفاده در مبدل پیشنهادی.... 86

شکل (4-13) نمای کلی مدار شبیه سازی شده. 88

شکل (4-14) منحنی مشخصه ی P-V در خروجی MPPT، با روش FLC.. 89

شکل (4-15) منحنی توان خروجی MPPT، در روش FLC.. 89

شکل (4-16) منحنی جریان خروجی آرایه در روش FLC.. 90

شکل (4-17) منحنی دوره‌ی کار ردیاب ماکزیمم توان در روش FLC.. 90

شکل (4-18) منحنی مشخصه‌ی P-V در خروجی MPPT، با روش ANFIS. 91

شکل (4-19) منحنی توان خروجی MPPT، در روش ANFIS. 91

شکل (4-20) منحنی جریان خروجی آرایه در روش ANFIS. 92

شکل (4-21) منحنی دوره‌ی کار ردیاب ماکزیمم توان در روش ANFIS. 92

شکل (4-22) میزان تابش متغیر نور خورشید بر حسب W/m² در طول زمان... 94

شکل (4-23) میزان دمای متغیر در سطح سلول بر حسب درجه‌ی سلسیوس در طول زمان 94

شکل (4-24) منحنی توان خروجی MPPT، در روش FLC.. 95

شکل (4-25) منحنی دوره‌ی کار ردیاب ماکزیمم توان در روش FLC.. 95

شکل (4-26) منحنی توان خروجی MPPT، در روش ANFIS. 95

شکل (4-27) منحنی دورهی کار ردیاب ماکزیمم توان در روش ANFIS. 96

شکل (4-28) راندمان سیستم خورشیدی در روشFLC.. 96

شکل (4-29) راندمان سیستم خورشیدی در روشANFIS. 97

شکل (7-1) نمودار I-V و P-V سلول خورشیدی.... 104

شکل (7-2) مدل‌ساده شده و مشخصات I-V سلول خورشیدی.... 104

شکل (7-3) مدل‌نمایی مختصرشده. 105

شکل (7-4) مدل‌نمایی ساده. 106

شکل (7-5) مدل‌نمایی دوبل... 107

شکل (7-6) مدل‌سازی به روش شبکه‌ی عصبی... 108

فهرست جداول

جدول (1-1) هزینه‌های سرمایه‌گذاری سیستم فتوولتائیک..... 14

جدول (3-1) مقایسه معادله دوره کار مبدل SEPIC بهبود یافته با مبدل SEPIC ساده و بوست 62

جدول (3-2) جدول قواعد فازی.... 65

جدول (4-1) مقادیر پارامترهای مبدل پیشنهادی.... 80

جدول (7-1) مقایسه‌ای بین انواع مدل‌های مداری معرفی شده برای سلول‌های خورشیدی 108

فصل 1: فصل 1: مقدمه

1-1- مقدمه

محدودیت منابع سوختی فسیلی و احتمال اتمام ذخایر انرژی فسیلی، گرمایش زمین، آلودگی‌های زیست محیطی، بی‌ثباتی قیمت و همچنین نیاز روز افزون مراکز صنعتی و شهری به انرژی، مجامع بین الملل را به فکر جایگزین‌های مناسب انداخته است. انرژی هسته­ای، خورشیدی، زمین گرمایی، بادی و امواج اقیانوسی از این قبیل می‌باشند. قیمت نسبتا زیاد تبدیل انرژی‌های تجدیدپذیر، عامل بازدارنده‌ای برای توسعه‌ی سامانه‌های متصل شبکه است و استفاده از این انرژی‌ها را به موقعیت هایی که استفاده از شبکه برق سراسری برق مقدور نبود، مانند مناطق دور افتاده محدود کرده بود. در طی سال‌های گذشته تحقیقات و بررسی‌های فراوانی بر روی اتصال سامانه‌های تبدیل انرژی‌های تجدیدپذیر به شبکه صورت گرفته است و پیشرفت‌های زیادی در این زمینه حاصل شده است. انرژی خورشیدی در کنار انواع دیگر انرژی‌های تجدیدپذیر و پاک دیگر به عنوان منبع اصلی انرژی تجدید پذیر مورد مطالعه‌ی گسترده قرارگرفته‌اند. انرژی خورشیدی به صورت جزئی و کلی بخش قابل توجه‌ی از انرژی الکتریکی مورد نیاز شبکه‌های برقی را تامین می کنند. در شکل (1-1) انواع منابع انرژی به کار رفته برای تولید انرژی الکتریکی و نحوه‌ی اتصال آن‌ها به شبکه دیده می‌شود.

قیمت نسبتا زیاد تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی بزرگترین دغدغه‌ی محققان در راه استفاده از این نوع انرژی بوده است و بزرگترین خصوصیت منفی به حساب می‌آید. در مقابل در دسترس بودن و قابلیت اطمینان بالای سیستم‌های فتوولتائیک خصوصیت مثبت آن به حساب می‌آید.

شکل (1-1) انواع منابع انرژی بکار رفته برای تولید انرژی الکتریکی و نحوه‌ی اتصال آنها به شبکه

در گذشته قیمت سلول خورشیدی اصلی‌ترین عامل تعیین کننده‌ی قیمت کل سامانه‌ی فتوولتائیک بوده است. هزینه ساخت بالا، تکنولوژی ساخت غیر پیشرفته و بازده پایین محصولات تولیدی، عوامل بازدارنده استفاده از این انرژی بوده است. در گذر زمان و پیشرفت تکنولوژی ساخت، شاهد کاهش قیمت‌ها و افزایش بهره‌وری در سیستم‌های خورشیدی هستیم. میزان و نرخ رشد استفاده از انرژی خورشیدی از بقیه‌ی انواع انرژی‌های تجدیدپذیر کمتر است. سرمایه‌گذاری‌های صورت گرفته در زمینه‌ی فناوری خورشیدی و تولید انبوه سلول‌های فتوولتائیک منجر به کاهش قیمت تمام شده تولید یک کیلووات انرژی از آرایه‌های خورشیدی شده است. این کاهش قیمت، عامل مهمی در افزایش محبوبیت استفاده از انرژی خورشیدی به حساب می‌آید. اینورترهای فتوولتائیک متصل به شبکه روز به روز در حال توسعه در زمینه‌های صنعتی و آزمایشگاهی هستند و همانطور که در شکل (1-2) می‌بینید طبق پیش‌بینی موسسه‌ی بین المللی اروپا تا سال 2050 این انرژی بیشترین سهم در بازار انرژی را خواهد داشت.

شکل (1-2) پیش­بینی درصد استفاده از انرژی­های مختلف تا سال 2050

1-2- اهمیت رشد بهینه و دقیق سیستم‌های فتوولتائیک در شبکه

در اروپا، از سال 2009 تاکنون، سیستم‌های فتوولتائیک ، در بین سه تکنولوژی برتر مورد استفاده، انتخاب شدند (شکل 1-3). در سال 2011، سیستم‌های فتوولتائیک نسبت به دو تکنولوژی گازی و باد با GW21.9 انرژی بیشتر مورد استفاده قرار گرفت و به شبکه متصل شد. مجموع ظرفیت نصب شده‌ی سیستم‌های فتوولتائیک در اروپا در پایان سال 2011 برابر با GW51.7می‌باشد و انرژی مورد نیاز کافی برای 15میلیون خانه در اروپا را فراهم می‌کند.

سیستم‌های فتوولتائیک ، سهم قابل توجهی از کل انرژی در اروپا را تولید می‌کند به طوری که 2درصد از کل انرژی مصرفی و 4درصد از بار پیک اروپا ناشی از این سیستم‌ها می‌باشد.

در پایان سال 2011، ایتالیا 5درصد از کل تقاضای مشتریان و 10 درصد بار پیک کشورش را از طریق سیستم‌های فتوولتائیک تولید کرد. به طور کلی در اروپا می‌توان گفت که حدود 15 کشور 10درصد از انرژی مورد نیاز خود را از سلول‌های خورشیدی تامین می‌کنند و در قسمتی از اسپانیا[1] این عدد به 18درصد نیز می‌رسد.

این رشد سریع سلول‌های خورشیدی باعث جذب تعداد بسیار زیاد و حیرت‌آور سرمایه گذار و خرده‌فروش شده است. اما در واقع در سال‌های اخیر میزان توان خورشیدی مورد نیاز اروپا و میزان توسعه و رشد سیستم فتوولتائیک مورد سهل‌انگاری بوده است.

شکل (1-3) ظرفیت خالص اضافه شده در اروپا در سال­های(GW)2000تا2011

این گونه سهل‌انگاری‌ها و کمبود پیش‌بینی توان مورد نیاز خورشیدی از طرف اعضای مفاد انرژی‌های نو روی ([2]NREAPs) تاثیر گذاشته است. تا امروز شش نفر از اعضای اتحادیه برنامه‌ی 2020 خود را معین کرده‌اند و باقی اعضا باید تا سال 2015 این کار را انجام دهند. براساس محاسبات EPIA، توان مورد نیاز و استفاده تا سال 2020 بیش از دو برابر مقدار پیش‌بینی شده توسط NREAPs می‌باشد و در واقع حداقل حدود GW200 توان خورشیدی تا سال 2020 مورد نیاز می‌باشد که باید تامین شود.

این اختلالات بوجود آمده در پیش‌بینی‌ها باعث دور شدن از روند بهینه و یافتن میزان موثر توان سیستم خورشیدی پیش‌بینی در آینده می‌شود. به عنوان مثال، در آلمان در سال 2005برای سهولت عملکرد در سیستم توزیع هنگام بوجود آمدن شرایط بحرانی و قطع کانکتورهای شبکه و افزایش فرکانس، تصمیم بر کاهش این حد مرزی فرکانس از 550 به 250 هرتز شد. بر اساس این تصمیم، سیستم‌های فتوولتائیک نصب شده در مقدار مرزی خود باقی ماندند و حتی اجازه‌ی خروج از شبکه را داشتند با این فرض که روی سیستم هیچ‌گونه تاثیری ندارند، در حالیکه رشد سریع سیستم‌های فتوولتائیک در آلمان نشان داد که این تصمیم قابل اجرا نمی‌باشد و باعث رهایی و دور شدن از چند صد هزار سیستمی می‌شد که الان نصب شده‌اند.

در نتیجه، سیاست‌گذاری‌های مربوط به آینده باید به گونه‌ای باشد که هم استراتژی‌های کربن‌زدایی ارضا شود و هم به شبکه و قیود قابلیت اطمینان آن هیچ آسیبی وارد نشود. بنابراین برنامه‌ریز سیستم قدرت و سیاست‌گذار سیستم باید میزان دقیق سیستم فتوولتائیک مورد نیاز و بهینه را برای شرایط میان‌مدت و بلندمدت تعیین نماید. این اطلاعات و پیش‌بینی‌های دقیق به سرمایه گذارها کمک می‌کند تا در شرایط گذرا و کوتاه مدت بهترین تصمیم را اتخاذ نمایند.[1]

1-3- دسته‌بندی کلی سیستم‌های فتوولتائیک

سیستم‌های فتوولتائیک به دو صورت متصل به شبکه و مستقل از شبکه مورد استفاده قرار می‌گیرند. البته گاهی از ترکیب این دو نیز بهره برده شده‌ است. سیستم‌های فتوولتائیک مستقل در گذشته، بیشتر برای برق‌رسانی به مناطق دورافتاده مورد استفاده قرارگرفته‌اند. امروزه بیشتر سیستم‌های فتوولتائیک به صورت متصل به شبکه می‌باشد زیرا نیازی به باتری‌های بزرگ پشتیبانی ندارند، سیستم کنترلی ساده‌ای دارند و هزینه‌های نگه‌داری در آنها پایین‌تر است.[2]

تولید اینورترهای فتوولتائیک ارزان و با قابلیت اطمینان بالا به عنوان یک چالش بسیار مهم برای بسیاری از محققان معرفی شده است که خود باعث افزایش گوناگونی و تعداد این اینورترها شده است. به طور کلی اینورترهای فتوولتائیک دو وظیفه‌ی مهم را باید به درستی باید انجام دهند:[3]

1. دنبال کردن نقطه‌ی حداکثر توان آرایه‌ی خورشیدی

آرایه‌های خورشیدی دارای رفتار غیر خطی هستند و در یک ولتاژ و جریان خاص بیش‌ترین توان ممکن را منتقل می‌کنند که به نقطه‌ی بیشینه‌ی توان[3] شناخته شده است. این ولتاژ و جریان خاص ثابت نیستند و به عوامل متعددی بستگی دارند و در طول روز با تغییر شدت و زاویه‌ی تابش نور خورشید تغییر می‌کنند. یک وظیفه‌ی مهم سیستم‌های کنترلی در سیستم‌های فتوولتائیک، کار کردن در نقطه‌ی توان بیشیمه در کلیه‌ی ساعات می‌باشد. برای تسهیل تنظیم ولتاژ نقطه‌ی کار، میان آرایه‌ای خورشیدی و اینورترهای فتوولتائیک از خازن‌هایی موسوم به خازن‌های باس dc استفاده می‌شود.

2. تزریق جریان سینوسی با کیفیت بالا به شبکه

در هر سامانه خورشیدی از یک اینورتر منبع ولتاژ کنترل شده با جریان، برای تزریق جریان سینوسی با کیفیت بالا و با اعوجاج هارمونیکی حداقل (ضمن رعایت استانداردها) و تا حد امکان هم‌فاز با ولتاژ شبکه استفاده می‌شود.

در حالت کلی سیستم‌های فتوولتائیک متصل به شبکه نیاز به یک مرحله بوست ولتاژ برای کنترل دامنه‌ی ولتاژ دارند و به همین دلیل تا کنون شاهد سیستم‌های به طور عام دو طبقه[4] بوده‌ایم. یک طبقه‌ی اختصاص به مبدل DC/DC برای افزایش سطح ولتاژ و جست‌وجوی نقطه‌ی توان بیشینه و طبقات دیگر برای تبدیل ولتاژ مستقیم به متناوب DC/AC می‌باشد.

شکل (1-4) اینورتر فتوولتائیک دو طبقه‌ی متصل به شبکه با اینورتر دو سطحی

ساختار دو طبقه مزایایی از جمله آرایش ساده، فرکانس کلیدزنی بالا، قابلیت انعطاف زیاد از نظر اعمال شیوه‌های مختلف کنترلی و کنترل مستقل از هم MPPT و اینورتر را دارد. اما معایبی از جمله استفاده از تعداد بیشتر عناصر الکترونیک قدرت، تلفات زیاد، بازده کمتر، تداخلات الکترومغناطیسی بالا، وزن و سایز بزرگتر منجر به زیاد شدن هزینه‌ها شده است. از این رو تحقیقات متعددی به منظور کاهش تعداد طبقات از دو طبقه به یک طبقه انجام گرفته است (شکل 1-4) که منجر به دستیابی به آرایش‌های متفاوتی شده است، که در زیر خلاصه می‌شود.[4]

1. استفاده از اینورتر پل معمولی به همراه یک ترانسفورماتور افزاینده
2. استفاده از تعداد زیادی سلول‌های خورشیدی به صورت سری با یکدیگر برای افزایش ولتاژ باس dc
3. استفاده از ساختارهای اینورتر-بوست یک طبقه

استفاده از ترانسفورماتورهای فرکانس پایین باعث افزایش وزن و کاهش بازده‌ی اینورتر می‌شود. تعداد زیاد سلول‌های سری با یکدیگر نیز باعث کاهش بازده سیستم می‌شود، به خصوص در مواقعی که برخی از سلول‌ها دچار پدیده‌ی سایه جزئی می‌شوند. ساختار‌های یک طبقه پیش از این به دلیل فرکانس کلیدزنی زیاد و EMI زیاد دارای محدودیتهایی بوده است که رفته‌رفته در حال برطرف شدن است و امروز اینورترهای یک طبقه با آرایش H5 به صورت صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

شکل (1-5) اینورتر فتوولتائیک یک طبقه‌ی متصل به شبکه

اینورترهای چند سطحی با مزایایی همچون اعوجاج هارمونیکی کمتر، توان بالاتر و قابلیت اطمینان بالاتر جایگزین اینورتر‌های سنتی سه سطحی شدند (شکل 1-5). از دیگر مزایای این اینورترها می‌توان به فرکانس کلید زنی پایین‌تر، نیاز به فیلتر خروجی کوچکتر و قابلیت کاربرد در توان‌های بالا اشاره کرد. این مزایا باعث شده است که توجه زیادی به استفاده از اینورترهای چند سطحی در سیستم های فتوولتائیک شود.

شکل (1-6) کاربرد اینورتر تمام پل متوالی در سیستم‌های فتوولتائیک یک طبقه‌ی متصل به شبکه

از بین آرایش‌های چند سطحی رایج می‌توان به مبدل چندسطحی مهار دیودی، مبدل چندسطحی خازن شناور و مبدل چند سطحی تمام پل اشاره کرد که تمام آن ها توسط محققان مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به این که مبدل تمام پل متوالی دارای باس‌های لینک dc مجزا است، بهترین گزینه برای استفاده در کاربردهای فتوولتائیک به نظر می‌رسد زیرا که امکان ردیابی نقطه‌ی توان بیشینه را برای چندین آرایه به صورت مجزا فراهم می‌کند و می‌تواند در شرایط رخداد سایه‌جزئی عملکرد بهتری داشته باشد.

مشکل بزرگی که در استفاده از اینورترهای پل متوالی در کاربرد فتوولتائیک وجود دارد سیستم کنترلی پیچیده برای عملکرد مناسب این اینورترها در تمام شرایط است. به عبارت دیگر در شرایط توزیع نامتعادل توان بین پل­ها، مانند شرایط سایه­جزئی، این اینورترها دارای مشکل ناپایداری خواهند شد و البته این مساله چندان مورد توجه محققین قرار نگرفته­است. همچنین با توجه به مشخصات غیر خطی آرایه­های خورشیدی و غیر قابل پیش­بینی بودن آن­ها، پیاده­سازی روش­های جدید پیشنهادی با موفقیت همراه نمی­شود.

1-4- سیستم­های متصل به شبکه

با وجود مزیت­های فراوان سیستم­های فتوولتائیک ، افزایش ظرفیت آن­ها در شبکه موجب برخی مشکلات شده­است که اخیرا به دلیل افزایش قابل توجه نصب این سیستم­ها، مورد توجه قرار گرفته­است. مطالعات صورت گرفته در این زمینه را به سه بخش کلی تقسیم می­کنیم. [5]

1. سیستم­های تولید

[1]Extremadura

[2]National Renewable Energy Action Plans

[3]Maximum power point

[4]Two stage