آنالیز نرخ خرابی سیستمهای فتوولتائیک جهت ارتقاء قابلیت اطمینان آنها

مقطع: کارشناسی ارشد مهندسی برق

تعداد صفحات: 95

بخشی از متن:

در طی چند دهه اخیر، مصرف سوخت های فسیلی باعث تولید گازهای گلخانه ای و بالاخص افزایش ۳۰ درصدی غلظت اتمسفری دی اکسید کربن، باران های اسیدی و پدیده گرم شدن زمین و به وجود آمدن سایر پدیدههای مضر زیست محیطی شده است. مصرف بی رویه و روزافزون سوخت های فسیلی به عنوان منابع محدود انرژی و تأثیر آن بر محیط زیست، توجه جهانیان را به استفاده از انرژی های تجدیدپذیر مانند انرژی خورشید، باد و امواج، زمین گرمایی، زیست توده و ... جلب نموده است. نخستین و بارزترین مشخصه این منابع انرژی آن است که این نوع انرژیها با محیط زیست سازگار هستند. ویژگی های دیگری مانند قابلیت تولید در محل مصرف، سهولت در نصب و ... منجر به هدف گذاری چشمگیر کشورها در این زمینه شده است. شکل (۱۰۱) ظرفیت جدید تولید توان با استفاده از انرژی های تجدیدپذیر را به صورت سالانه از سال ۲۰۰۱ تا ۲۰۱۳ نشان مید

 

در این میان، سیستم های فتوولتائیک ابا ۱۳۹ گیگاوات ظرفیت نصب شده تا پایان سال ۲۰۱۳، سومین منبع تامین انرژی در میان انرژی های تجدیدپذیر است. در میان کشورهای جهان، آلمان با ظرفیت نصب شده 36/6 گیگاوات تا پایان سال ۲۰۱۳، رتبه اول را در بین سایر کشورها دارد. پس از آلمان، کشور چین با ظرفیت 18/6 گیگاوات در رتبه دوم قرار دارد که با روند کنونی به زودی از المان پیشی خواهد گرفت. ظرفیت نصب شده سیستم های فتوولتائیک نیز در جهان با سرعت زیاد در حال رشد است. شکل (۱-۲) روند رو به رشد نصب سیستمهای فتوولتائیک در جهان را طی سالهای ۲۰۰۴ تا ۲۰۱۳ نشان میدهد [۲]. با توجه به این شکل می توان دریافت در سال ۲۰۱۳، ظرفیت نصب این سیستمها در جهان به ۱۳۹ گیگاوات رسیده است. در این میان، کشور آلمان افزایش ظرفیتی به میزان ۳ / ۳ گیگاوات در سال ۲۰۱۳ نسبت به سال ۲۰۱۲ داشته است که این مقدار برای کشور چین برابر با 12/9 گیگاوات بوده است.

 

 

سیستمهای فتوولتائیک

یکی از راه های ساده و مطمئن استفاده از انرژی خورشید، که طبق پیش بینی های مختلف از جمله انرژیهای تجدیدپذیر با آینده روشن نیز می باشد، تبدیل مستقیم انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی با روش فتوولتائیک می باشد [۳]. مطابق با پیش بینی های انجام شده، تا اواخر قرن حاضر بخش عمده ای از انرژی مورد نیاز جهان، از این طریق تهیه خواهد شد [۴]. با توجه به استاندارهای بین المللی، اگر میانگین انرژی تابشی خورشید در روز، بالاتر از 3.5 کیلووات ساعت در مترمربع باشد، استفاده از سیستم های فتوولتائیک بسیار اقتصادی و مقرون به صرفه خواهد بود.
 سیستمهای فتوولتائیک بعد از جنگ جهانی دوم مورد استفاده قرار گرفته اند. هزینه ساخت این سیستمها در اوایل بسیار گران بود ولی به مرور زمان با استفاده از روشهای تولید مناسب، بالا بردن بازده، کاستن هزینه های تولید و نیز افزایش قیمت سوخت های فسیلی، این سیستمها توانستند هرچه بیشتر جایگاه خود را بین دیگر منابع تامین انرژی باز کنند. سیستم های فتوولتائیک نیاز به سوخت نداشته و برخلاف نیروگاه های فسیلی که قیمت برق تولیدی آنها متغیر و تابع قیمت نفت است، در نیروگاههای خورشیدی این نوسان وجود ندارد و می توان قیمت برق مصرفی را برای مدت طولانی ثابت نگه داشت.

اجزای تشکیل دهنده سیستمهای فتوولتائیک

اجزای اصلی سیستمهای فتوولتائیک شامل آرایه فتوولتائیک، مبدل DC به DC اینورتر و بخش های کنترلی برای کنترل اینورتر و کنترل مبدل DC به DC می باشد. در ادامه هر کدام از این اجزاء شرح داده میشود. سلول های خورشیدی از اجزای اصلی سیستم های فتوولتائیک هستند که مسئولیت تامین انرژی الکتریکی بر عهده این بخش است. یک سلول خورشیدی از جنس سیلیکون، ولتاژی بین 0/5 تا 0/6 ولت تولید می کند و به همین دلیل، تعداد زیادی از سلول ها را در یک ماژول خورشیدی به صورت سری متصل می کنند تا سطح ولتاژ بیشتری حاصل شود. مطابق با شکل (1-3) آرایه فتوولتائیک از اجتماع چند ماژول حاصل میشود.

از مبدل DC به DC برای افزایش سطح ولتاژ DC خروجی آرایه فتوولتائیک استفاده می شود. در سیستمهای فتوولتائیک همیشه مطلوب است که آرایه فتوولتائیک در نقطه بیشینه توان کار کند. با توجه به این حقیقت که نقطه بیشینه توان، به عنوان تابعی از دما و تابش تغییر می کند، نیاز به یک س یستم کنترلی برای دنبال کردن نقطه توان بیشینه می باشد. شکل (۱-۴) نمودار مشخصه جریان ولتاژ یک سلول خورشیدی را در تابش های مختلف نشان میدهد. همچنین نقطه بیشینه توان در شکل (۱-۵) مشخص شده است. با توجه به مدل آرایه های فتوولتائیک، ضروری است که از آرایه فتوولتائیک، جریان با تغییرات حداقل کشیده شود. ساده ترین مبدل DC به DC به منظور رسیدن به این هدف، مبدل بوست می باشد [۵].

همان طور که اشاره شد و با توجه به هزینه بالای سیستم های فتوولتائیک ضروری به نظر می رسد که مبدل در نقطه بیشینه توان کار کند تا حداکثر استفاده از انرژی تولیدی صورت گیرد. با اتصال مبدل به یک مدار کنترل کننده مناسب، نقطه بیشینه توان به درستی ردیابی خواهد شد. دامنه ریپل جریان ورودی می تواند با کار کردن مبدل در فرکانس بالا کاهش یابد، اما با افزایش فرکانس، تلفات کلیدزنی نیز افزایش می یابد. برای نگه داشتن بازده در سطح قابل قبول، مبدل interleaved boost را می توان به کار برد. مزیت مهم این مبدل این است که بدون افزایش فرکانس، ریپل ورودی تا زمانی که سیگنال گیت کلیدها به درستی زمان دهی شوند، می تواند به اندازه زیادی کاهش یابد [۶] از دیگر اجزای سیستم های فتوولتائیک، باتری می باشد که نیروی برق را برای استفاده در شب یا مواقعی که نور خورشید، توان لازم را برای مصرف کننده فراهم نمی کند، تامین می نماید. باتری های مورد استفاده در سیستمهای فتوولتائیک از نوع باتری های ساکن می باشد. باتری های ساکن به دلیل ساختار درونی شامل تعداد زیاد سیکل کاری، مشخصات صفحات داخلی به هم فشرده، شرایط کارکرد در حداکثر ولتاژ را دارند که با سیستم های فتوولتائیک سازگاری دارد. مواد تشکیل دهنده باتری های ساکن می تواند سرب اسیدی، نیکل کادمیوم و ... باشد. از آنجا که با ابری شدن هوا یا تغییر میزان تابش خورشید، توان تولیدی توسط آرایه فتوولتائیک نیز تغییر می کند، لذا کنترل شارژ و دشارژ و تثبیت ولتاژ خروجی سیستم، از جمله نکات بسیار مهم در سیستمهای فتوولتائیک می باشد که تنظیم آن بر عهده کنترل کننده مبدل می باشد. کنترل کننده مبدل در سیستمهای خورشیدی، جریان و ولتاژ شارژ و دشارژ باتری ها را تنظیم و کنترل می کند و باعث جلوگیری از آسیبهای احتمالی وارده بر باتری ها و حفظ طول عمر مفید کارکرد آنها می گردد. با استفاده از کنترل کننده مناسب ، بیشترین ظرفیت قابل دسترس باتری ها نیز مورد استفاده قرار می گیرد.
 اینورتر از دیگر اجزای سیستمهای فتوولتائیک می باشد. نقش یک اینورتر، تبدیل ولتاژ DC ورودی به ولتاژ AC متقارن با دامنه و فرکانس موردنظر است. اگر ولتاژ ورودی اینورتر ثابت باشد، اینورتر به نام اینورتر منبع ولتاژ و در صورتی که جریان ورودی ثابت باشد
اینورتر به نام اینورتر منبع جریان نامیده میشود. از جمله اینورترهای منبع ولتاژ می توان به اینورترهای مدولاسیون پهنای پالس (PWM)، اینورترهای موج مربعی و اینورترهای تک فاز با روش حذف ولتاژ ، اشاره کرد. اینورترها از نظر تعداد فاز خروجی، به دو دسته کلی اینورترهای تک فاز و اینورترهای سه فاز تقسیم می شوند. هر دسته می تواند بسته به نوع کاربرد، از کلیدهای کنترل شونده مانند IGBT ، MOSFET ، BJT و ... استفاده کند. همچنین اینورترها از نظر شکل موج خروجی به سه نوع خروجی به شکل موج مربعی، خروجی به شکل سینوسی اصلاح شده و خروجی به شکل سینوسی خالصه تقسیم می شوند.

 

مشاهده نمونه فایل و خرید