اقتراح التصميم لتحسين أنظمة الطاقة الشمسية

يتمثل النهج الأحدث لتحسين كفاءة وموثوقية الأنظمة الشمسية في استخدام المحولات الصغرى المتصلة بكل لوحة شمسية.
مجهز بنظام عاكس صغير منفصل لكل لوحة شمسية ، يمكن للنظام التكيف مع تغيير أحوال الطقس والأحوال ، وتوفير كفاءة التحويل المثلى للوحة واحدة والنظام بأكمله.
  
   
تبسط هندسة العاكس الصغير أيضًا الكابلات ، مما يعني انخفاض تكاليف التركيب.
  
   
من خلال جعل نظام توليد الطاقة الشمسية المستهلك أكثر كفاءة ، سيتم تقليل الوقت الذي يستغرقه النظام "لسحب" الاستثمار الأولي في تكنولوجيا الطاقة الشمسية.
  
محولات الطاقة هي المكونات الإلكترونية الرئيسية لأنظمة الطاقة الشمسية. في التطبيقات التجارية ، تربط هذه المكونات الألواح الكهروضوئية (PV) والبطاريات التي تخزن الطاقة الكهربائية وأنظمة توزيع الطاقة المحلية أو شبكات المرافق.
يوضح الشكل 1 العاكس الشمسي النموذجي الذي يحول الفولتية المنخفضة جداً من التيار الكهربي من مخارج صفيف PV إلى العديد من الفولتية ، مثل جهد DC للبطارية ، جهد خط التيار المتردد ، وفولطية شبكة التوزيع.
  
   
في نظام حصاد الطاقة الشمسية النموذجي ، يتم توصيل الألواح الشمسية المتوازية بالتوازي مع العاكس الذي يحول خرج DC المتغير من خلايا فلطائية ضوئية متعددة إلى عاكس موجة جيبية 50 هرتز أو 60 هرتز نظيفة.
  
   
  
  
بالإضافة إلى ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن وحدة التحكم الدقيقة (MCU) وحدة TMS320C2000 أو MSP430 في الشكل 1 تحتوي عادة على الأجهزة الطرفية الرئيسية على رقاقة مثل وحدات تعديل عرض النبض (PWM) ومحولات A / D.
  
  
  
   
الشكل 1: تتكون بنية تحويل الطاقة التقليدية من عاكس للطاقة الشمسية يتلقى جهدًا منخفضًا في خرج التيار المستمر من المصفوفة الكهروضوئية وينتج تيارًا من خط التيار المتردد.
  
الهدف الرئيسي من التصميم هو زيادة كفاءة التحويل.
هذه عملية معقدة ومتكررة تتضمن خوارزمية تتبع النقاط القصوى للطاقة (MPPT) ووحدة تحكم في الوقت الفعلي تقوم بتنفيذ الخوارزميات المرتبطة.
  
   
1 تعظيم كفاءة تحويل الطاقة
  
تقوم العاكسات التي لا تستخدم خوارزمية MPPT ببساطة بتوصيل الوحدة الكهروضوئية مباشرة بالبطارية ، مما يجبر الوحدة الكهروضوئية على العمل في جهد البطارية.
  
  
بدون استثناء تقريباً ، ليس جهد البطارية هو القيمة المثالية لجمع الطاقة الشمسية الأكثر توافراً.
  
  
  
يوضح الشكل 2 الخصائص النمطية / الحالية للوحدة النمطية لوحدة نمطية تبلغ 75 واط عند درجة حرارة 25 درجة مئوية.
يظهر الخط المنقط نسبة الجهد (PV VOLTS) إلى الطاقة (PV WATTS).
  
يشير الخط الصلب إلى نسبة الجهد إلى التيار (PV AMPS). كما هو موضح في الشكل 2 ، عند 12 فولت ، تبلغ طاقة الخرج حوالي 53 واط.
وبعبارة أخرى ، من خلال إجبار الوحدة الكهروضوئية على العمل في 12V ، فإن طاقة الخرج تقتصر على حوالي 53W.
  
ولكن مع خوارزمية MPPT ، تغير الوضع بشكل جذري. في هذا المثال ، يمكن للفولتية التي تستطيع الوحدة من خلالها تحقيق أقصى طاقة إخراج 17V.
لذلك ، فإن وظيفة خوارزمية MPPT هي تشغيل الوحدة على 17V ، بحيث يمكن الحصول على كل 75W من الوحدة بغض النظر عن جهد البطارية.
  
يقوم محول الطاقة DC / DC ذو الكفاءة العالية بتحويل الجهد 17V عند دخل وحدة التحكم إلى جهد البطارية عند الإخراج.
نظرًا لأن محول DC / DC يخفض الجهد من 17 فولت إلى 12 فولت ، في هذه الحالة ، يكون تيار شحن البطارية في النظام الذي يدعم وظيفة MPPT:
  
   
(VMODULE / VBATTERY) × IMODULE ، أو (17V / 12V) × 4.45A = 6.30A.
  
   
إذا افترضنا أن كفاءة التحويل لمحول DC / DC هي 100٪ ، فإن تيار الشحن سيزيد بمقدار 1.85A (أو 42٪).
  
على الرغم من أن هذا المثال يفترض أن العاكس يقوم بمعالجة الطاقة من لوحة شمسية واحدة ، فإن الأنظمة التقليدية عادة ما يكون لها عاكس واحد متصل بألواح متعددة.
هذا الطبولوجيا له مزايا وعيوب على حد سواء حسب التطبيق.
  
   
2 خوارزمية MPPT
  
هناك ثلاثة أنواع رئيسية من خوارزميات MPPT: رصد الاضطراب ، زيادة تصرف ، والجهد المستمر.
غالباً ما يشار إلى الطريقتين الأوليين باسم "التسلق" لأنها تستند إلى الحقائق التالية:
  
   
على الجانب الأيسر من MPP ، يكون المنحنى في ارتفاع (dP / dV) 0) ، بينما على الجانب الأيمن من MPP ، يكون المنحنى لأسفل (dP / dV “0”).
  
تعتبر طريقة ملاحظة اضطراب المراقبة (P & O) هي الأكثر استخدامًا. تشغل الخوارزمية جهد التشغيل في اتجاه معين وعينات dP / dV. إذا كانت dP / dV موجبة ، فإن "الخوارزمية" تفهم أنها كانت تقوم فقط بضبط الجهد نحو MPP.
ﺛﻢ ﺳﻴﻘﻮم داﺋﻤﺎً ﺑﻀﺒﻂ اﻟﺠﻬﺪ اﻟﻜﻬﺮﺑﻲ ﻓﻲ هﺬا اﻻﺗﺠﺎﻩ ﺣﺘﻰ ﺗﺼﺒﺢ dP / dV ﺳﺎﻟﺒﺔ.
  
من السهل تنفيذ خوارزميات P & O ، ولكن في حالة التشغيل المستقر تتأرجح أحيانًا حول MPP.
وسرعة الاستجابة بطيئة ، وحتى في الظروف الجوية السريعة التغير ، من الممكن عكس الاتجاه.
  
تستخدم طريقة زيادة التوصيل (INC) زيادة تصرف dI / dV للمصفوفة الكهروضوئية لحساب الموجب والسالب من dP / dV. يمكن لشركة INC تتبع حالات التعرض للضوء المتغيرة بسرعة أكبر من P & O. ولكن مثل P * O ، يمكن أن يتأرجح ويخدع من خلال تغير الظروف الجوية بسرعة.
العيب الآخر هو أن التعقيد الإضافي يزيد وقت الحساب ويقلل من تردد أخذ العينات.
  
تعتمد الطريقة الثالثة "طريقة الجهد المستمر" على الحقائق التالية: بشكل عام ، VMPP / VOC0.76. تكمن المشكلة في هذه الطريقة في أنها تتطلب ضبط تيار صفيف PV إلى صفر لقياس جهد الدائرة المفتوحة للمصفوفة. بعد ذلك ، يتم ضبط جهد التشغيل للمصفوفة على 76٪ من القيمة المقاسة. ومع ذلك ، أثناء فصل الصفيف ، يتم إهدار الطاقة المتاحة.
وقد وجد أيضًا أنه على الرغم من أن 76٪ من جهد الدائرة المفتوحة يمثل تقريبًا جيدًا ، فإنه لا يتم دائمًا التوافق مع MPP.
  
بما أنه لا يمكن لخوارزمية MPPT أن تلبي جميع متطلبات الاستخدام المشتركة بنجاح ، فإن العديد من مهندسي التصميم سيسمحون للنظام أولاً بتقييم الظروف البيئية ومن ثم تحديد الخوارزمية التي تناسب الظروف البيئية الحالية.
في الواقع ، هناك العديد من خوارزميات MPPT المتاحة ، وليس من غير المألوف لمصنعي الألواح الشمسية توفير الخوارزميات الخاصة بهم.
  
   
بالنسبة إلى وحدات التحكم غير المكلفة ، بالإضافة إلى وظائف التحكم العادية في MCU ، فإن تنفيذ خوارزمية MPPT ليس مهمة سهلة. تتطلب الخوارزمية أن تتحكم وحدات التحكم هذه في قدرة حوسبة فائقة.
  
   
تعد وحدات التحكم الدقيقة المتطورة في الوقت الفعلي 32 بت ، مثل عائلة منصة Texas Instruments C2000 مناسبة لمجموعة متنوعة من التطبيقات الشمسية.
  
   
3 السلطة العاكس
  
هناك العديد من الفوائد لاستخدام العاكس واحد ، وأبرزها هو البساطة والتكلفة المنخفضة. يتم تحسين كفاءة نظام العاكس الفردي مع خوارزمية MPPT وغيرها من التقنيات ، ولكن فقط إلى حد معين. يمكن أن تختلف عيوب طوبولوجيا العاكس الواحدة اعتمادًا على التطبيق.
وأبرزها هو مشكلة الموثوقية: فطالما يفشل العاكس ، يتم إهدار الطاقة المولدة من جميع الألواح قبل إصلاح العاكس أو استبداله.
  
حتى إذا كان العاكس يعمل بشكل صحيح ، يمكن لطوبولوجيا العاكس المنفرد أن يكون لها تأثير سلبي على كفاءة النظام. في معظم الحالات ، تحتوي كل لوحة شمسية على متطلبات تحكم مختلفة لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة.
العوامل التي تحدد كفاءة كل لوحة هي: الاختلافات في تصنيع الوحدات الكهروضوئية الموجودة في اللوحة ، ودرجات الحرارة المحيطة المختلفة ، والظلال ، والسمت من شدة الضوء المختلفة (الطاقة الشمسية المستلمة).
  
بالمقارنة مع استخدام العاكس في النظام بأكمله ، فإن توفير العاكس الصغير لكل لوحة شمسية في النظام سيزيد مرة أخرى من كفاءة التحويل للنظام بأكمله.
تتمثل الفائدة الرئيسية لطبولوجيا العاكس الصغير في أنه حتى في حالة فشل أحد المحولات ، فإن عملية تحويل الطاقة لا تزال تحدث.
  
وتشمل المزايا الأخرى لاستخدام العاكس الصغير القدرة على ضبط معلمات التحويل لكل لوحة شمسية باستخدام PWM عالي الدقة. نظرًا لأن الغيوم والظلال والظلال تغير ناتج كل لوحة ، فإن توفير كل لوحة بعاكس دقيق فريد يسمح للنظام بالتكيّف مع ظروف التحميل المتغيرة.
وهذا يوفر أفضل كفاءة تحويل لكل لوحة والنظام بأكمله.
  
تتطلب معمارية العاكس الصغير لكل لوحة أن يكون لها MCU مخصصة لإدارة تحويل الطاقة.
ومع ذلك ، يمكن أيضًا استخدام وحدات MCU الإضافية هذه لتحسين مراقبة النظام واللوحات.
  
على سبيل المثال ، تستفيد مزارع الطاقة الشمسية الكبيرة من الاتصالات بين اللوحات للمساعدة في الحفاظ على موازنة الحمل وتسمح لمسؤولي النظام بالتخطيط المسبق لكمية الطاقة المتوفرة وما يجب فعله بهذه الطاقة.
ومع ذلك ، لتحقيق الاستفادة الكاملة من فوائد مراقبة النظام ، يجب على MCU دمج الأجهزة الطرفية للاتصال على رقاقة (CAN ، SPI ، UART ، الخ) لتبسيط التفاعل مع غيرها من العاكسون الدقيقة في المجموعة الشمسية.
  
في العديد من التطبيقات ، يمكن استخدام طوبولوجيا العاكس الصغير زيادة كفاءة النظام بشكل كبير. على مستوى الفريق ، من المتوقع أن تزيد الكفاءة بنسبة 30 ٪.
ومع ذلك ، ونظراً للتفاوت الكبير في التطبيقات ، فإن النسبة المئوية "المتوسطة" للتحسينات على مستوى النظام لا تعني الكثير.
  
   
تحليل التطبيق عند تقدير قيمة محول التردد الجزئي في تطبيق معين ، ينبغي النظر في الطوبولوجيا بعدة طرق.
  
في التطبيقات الصغيرة ، يمكن أن تواجه الألواح في الأساس نفس درجة الإضاءة والإضاءة والظل.
لذلك ، يكون دور العاكسون الصغير دورًا محدودًا في تحسين الكفاءة.
  
من أجل تشغيل الألواح بجهود مختلفة لتحقيق أقصى قدر من كفاءة الطاقة ، يلزم تحويل DC / DC لتوحيد جهد الخرج لكل لوحة إلى جهد التشغيل في بطارية تخزين الطاقة. لتقليل تكاليف التصنيع ، يمكن تصميم محول DC / DC والعاكس كوحدة واحدة.
يمكن أيضًا دمج محول التيار المباشر / التيار المتردد لخط الطاقة المحلي أو شبكة التوزيع في الوحدة.
  
يجب أن تتواصل الألواح الشمسية مع بعضها البعض ، مما يضيف الأسلاك والتعقيد.
هذا هو قضية أخرى بما في ذلك العاكسون ، محولات DC / DC والألواح الشمسية في الوحدة النمطية.
  
   
يجب أن تكون MCU لكل عاكس لديها القدرة الكافية لتشغيل خوارزميات MPPT متعددة لتناسب بيئات التشغيل المختلفة.
  
   
سيؤدي استخدام وحدات MCU متعددة إلى زيادة التكلفة المادية للنظام ككل.
  
في كل مرة تفكر فيها بتغيير العمارة ، ستنتبه إلى تكلفتها.
ولتلبية السعر المستهدف للنظام ، يعني وجود وحدة تحكم واحدة لكل لوحة أن تكلفة وحدة التحكم يجب أن تكون تنافسية وصغيرة ، ولكنها لا تزال تتعامل مع جميع مهام التحكم والاتصالات والحوسبة في وقت واحد.
  
يعد دمج أجهزة التحكم الطرفية الصحيحة على الشريحة والتكامل التناظري العالي عنصرين أساسيين لضمان انخفاض تكلفة النظام.
مطلوب أيضًا أداء عالي لتنفيذ خوارزميات مطورة لتحقيق الكفاءة في تحسين التحويل ومراقبة النظام وتخزين الطاقة.
  
بالإضافة إلى تلبية متطلبات العاكس الصغير نفسه ، يمكنه أيضًا التعامل مع MCUs التي تتطلب معظم النظام بأكمله ، بما في ذلك تحويل AC / DC ، تحويل DC / DC ، والاتصال بين اللوحات ، مما يقلل من تكلفة استخدام MCUs متعددة .
زيادة.
  
   
4 ميزات MCU
  
ويعتبر الوزن الدقيق لهذه المتطلبات عالية المستوى هو أفضل طريقة لتحديد الميزات التي تحتاجها وحدة MCU. على سبيل المثال ، مطلوب التحكم في توازن التحميل عند موازية الألواح. يجب أن تكون MCU المختارة قادرة على الكشف عن الحمل الحالي ويمكن أن ترفع أو تخفض جهد الخرج عن طريق تشغيل / إيقاف تشغيل خرج MOSFET.
هذا يتطلب سرعة عالية على رقاقة ADC لعينة الجهد والتيار.
  
لا يملك تصميم العاكس الصغير وضع "بدون تغيير". وهذا يعني أن المصممين يجب أن يكونوا قادرين ومبتكرين على تبني تقنيات وتقنيات جديدة ، خاصة في التواصل بين اللوحات والأنظمة. يجب أن تدعم MCU الأكثر ملاءمة مجموعة متنوعة من البروتوكولات ، بما في ذلك بعض التي لا يتم اعتبارها عادةً مثل Power Line Communications (PLC) وشبكة منطقة التحكم (CAN). على وجه الخصوص ، يمكن لاتصالات خطوط الطاقة أن تقلل تكاليف النظام بسبب عدم الحاجة إلى خطوط اتصال خاصة.
ولكن هذا يتطلب أن يكون MCU المدمج في PWM عالية الأداء ، ADC عالية السرعة ووحدة المعالجة المركزية عالية الأداء.
  
ميزة غير متوقعة ولكنها قيمة بالنسبة لوحدات MCU المصممة للتطبيقات التي تعمل بالطاقة الشمسية هي مذبذب مزدوج على الشريحة ، والذي يمكن استخدامه لكشف عطل الساعة لتحسين الموثوقية.
تساعد القدرة على تشغيل ساعتي نظام في نفس الوقت أيضًا على تقليل المشكلات المتعلقة بتركيب الألواح الشمسية.
  
نظرًا للعديد من الابتكارات في تصميم المحولات الصغرية الشمسية ، ربما تكون الميزة الأكثر أهمية للبرامج MCU هي برمجة البرامج.
تمنحك هذه الميزة أعلى مستوى من المرونة في تصميم الدوائر الكهربائية والتحكم فيها.
  
تم تجهيز وحدة التحكم الدقيقة C2000 بنواة معالجة رقمية متقدمة تعمل بفاعلية على معالجة العمليات الخوارزمية ومجموعة طرفية على رقاقة للتحكم في تحويل الطاقة ، وتستخدم على نطاق واسع في طبولوجيا العاكس ذات الألواح الشمسية التقليدية. عائلة Piccolo الجديدة من ميكروكنترولر سلسلة C2000 اقتصادية. أصغر مجموعة في هذه العائلة هي 38 دبابيس فقط ، ولكن هندستها أكثر تطوراً ، وتم تحسين الأجهزة الطرفية ، مما يرفع من فوائد التحكم في الوقت الفعلي 32 بت إلى انخفاض المتطلبات.
تطبيقات مثل المحولات الصغرى لتكلفة النظام الإجمالية.
  
بالإضافة إلى ذلك ، تقوم عائلة Piccolo MCU بدمج اثنين من مذبذبات الرنين على الشريحة من أجل مقارنة على مدار الساعة ، VREG على رقاقة مع إعادة تشغيل الطاقة وحماية من القوة إلى الأسفل ، متعددة عالية الدقة 150ps PWM ، و 12 بت 4.6
  
  
Megasample / الثانية ADC وواجهات بروتوكول الاتصال مثل I2C (PMBus) و CAN و SPI و UART.
  
  
  
   
الشكل 3: يتكون نظام MCU للأنظمة القائمة على PV-inverter الصغيرة من وحدة المعالجة المركزية والذاكرة والطاقة وساعة ، والأجهزة الطرفية.
  
الأداء هو السمة الرئيسية للمكبرات الدقيقة. على الرغم من أن عائلة Piccolo للأجهزة أصغر وأقل تكلفة من C2000 MCUs الأخرى ، فقد تحسنت وظيفتها ، مثل مسرّع قانون التحكم في النقطة العائمة القابل للبرمجة (CLA) ، والذي يتعامل مع خوارزميات التحكم عالية السرعة المعقدة لوحدة المعالجة المركزية.
هذا يلغي الحاجة إلى وحدة المعالجة المركزية لمعالجة I / O وحلقات التغذية المرتدة ، ويمكن تحسين الأداء من خلال عامل 5 في تطبيقات الحلقة المغلقة.
  
   
5 تحديات البطارية الضوئية
  
واحدة من عيوب أنظمة توليد الطاقة الشمسية هي كفاءة التحويل. يمكن للألواح الشمسية أن ترسم في المتوسط حوالي 1 ميغاواط من كل 100 مم 2 من الخلايا الضوئية. الكفاءة النموذجية هي حوالي 10 ٪.
إن عامل القدرة لمصدر الطاقة الكهروضوئية (أي نسبة متوسط الطاقة الكهربائية التي تنتجها الخلية الشمسية في الواقع إلى الطاقة الكهربائية المولدة نظريا في ظل ظروف إضاءة ضوء الشمس دائمًا) تبلغ حوالي 15٪ إلى 20٪.
  
   
هناك عدد من الأسباب لهذا ، بما في ذلك التغييرات في الشمس نفسها ، مثل الاختفاء التام ليلاً ، وحتى خلال النهار ، تؤدي الظلال والأحوال الجوية في كثير من الأحيان إلى تقليل الضوء.
  
يقدم التحويل الكهروضوئي المزيد من المتغيرات في حساب الكفاءة ، بما في ذلك درجة حرارة الألواح الشمسية وكفاءة ذروتها النظرية. مشكلة أخرى لمهندسي التصميم هي أن الجهد الذي تولده الخلية الكهروضوئية يختلف حوالي 0.5V بشكل غير منتظم. يمكن أن يكون لهذا التغيير تأثير خطير عند اختيار طوبولوجيا تحويل الطاقة.
على سبيل المثال ، بالنسبة لتقنية تحويل الطاقة غير الفعالة ، من الممكن استهلاك جزء كبير من الطاقة الضوئية المجمعة.
  
لاستيعاب حقيقة أن الشمس لا تضيء 24 ساعة في اليوم ، تحتاج أنظمة الطاقة الشمسية إلى احتواء البطاريات والإلكترونيات المعقدة اللازمة لشحن البطاريات بكفاءة.
عندما يتم دمج البطارية في النظام ، يتطلب شحن البطارية دارة تحويل DC / DC إضافية بينما يتطلب أيضًا إدارة البطارية ومراقبتها.
  
تتفاعل العديد من الأنظمة التي تعمل بالطاقة الشمسية أيضًا مع الشبكة ، مما يتطلب مزامنة المرحلة وتصحيح عامل القدرة. هناك أيضًا العديد من البيئات التي تتطلب عناصر تحكم معقدة. على سبيل المثال ، يجب إنشاء آلية تحذير من الخطأ لمنع حدوث أحداث مثل انقطاع التيار الكهربائي في الشبكة العامة. هذه هي فقط أهم الأشياء التي يجب على المهندسين تصميم النظر فيها.