تحلیل کیفیت توان الکتریکی نصب سیستم‌های فتوولتائیک

چکیده

این مقاله، نتایج تحقیقاتی گسترده را درباره نصب سیستم‌های فتوولتائیک واقع در دانشگاه دریایی گدنیای لهستان ارائه می‌دهد. توضیحات مختصری در مورد نصب مورد بررسی و ایستگاه هواشناسی که امکان نظارت مستمر بر پارامترهای جوی را فراهم کرده، گنجانده شده است. نتیجه‌گیری‌های انتخاب شده‌ای از اندازه‌گیری‌های پارامترهای عملکرد نصب و همچنین نتایج مربوط به چگالی توان تابش خورشید در روزهای خاص به نمایش درآمده‌اند.

مقدمه

نصب‌های فتوولتائیک روز به روز در خانه‌ها، مکان‌های عمومی و ایستگاه‌های بزرگ انرژی خورشیدی مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرند. اما یکی از معایب بارز این نوع سیستم‌ها، تغییرات کارایی آن‌ها در فصول مختلف سال و در زمان‌های متفاوت روز است. کارایی این نصب‌ها به‌طور چشمگیری به شرایط جوی بستگی دارد، به‌خصوص به چگالی توان تابش خورشید و دما.

پنل‌های فتوولتائیک، که جزء اصلی سیستم‌های فتوولتائیک مطرح شده در این مقاله هستند، نقش کلیدی دارند. میزان تولید انرژی الکتریکی در این پنل‌ها تحت تأثیر جهت و سرعت باد قرار دارد، زیرا این پارامترها تأثیر زیادی بر کارایی جابه‌جایی حرارت ناشی از تابش مادون قرمز خورشید و پدیده‌های حرارتی خود به خود دارند.

علاوه بر این، پارامترهای جوی تحت تأثیر نوسانات فصلی و روزانه قرار می‌گیرند و به صورت مستقیم به محل نصب سیستم فتوولتائیک وابسته هستند.

ادبیات موجود نشان می‌دهد که انرژی تولید شده توسط پنل‌های فتوولتائیک، که اجزای اصلی تحلیل در مقاله حاضر هستند، وابستگی زیادی به چگالی توان تابش خورشید و به‌طور قابل توجهی به دما دارد.

در این مقاله، تنظیمات خاصی برای بررسی تأثیر شرایط جوی بر پارامترهای عملکرد نصب فتوولتائیک واقع در دانشگاه دریایی گدنیای لهستان بکار رفته و نتایج انتخابی اندازه‌گیری‌های این سیستم به شرح زیر آمده است.

ایستگاه هواشناسی

برای ثبت دقیق پارامترهای جوی، از ایستگاه هواشناسی طراحی شده توسط نویسندگان و نصب شده بر روی بام ساختمان دانشگاه دریایی گدنیای لهستان استفاده شد. این ایستگاه، که در شکل ۱ نمایش داده شده، شامل سه حسگر برای اندازه‌گیری دما، رطوبت، جهت و سرعت باد و چگالی توان تابش خورشید است و همچنین ماژول LB-۴۸۰ برای ذخیره نتایج اندازه‌گیری دارد. این داده‌ها می‌توانند به صورت آنلاین و از هر نقطه‌ای در جهان قابل مشاهده و تحلیل باشند، که این امر به لطف رابط اترنت موجود در این ماژول میسر شده است.

ماژول LB-۴۸۰ دسترسی به داده‌ها و تنظیمات این ایستگاه را با استفاده از پروتکل HTTP فراهم می‌کند. صفحه اصلی پیش‌فرض شامل جدولی است که نتایج جاری اندازه‌گیری‌ها را نمایش می‌دهد و به‌طور اتوماتیک هر ثانیه به روز می‌شود.

شکل ۱: حسگرهای ایستگاه هواشناسی مستقر در تیرک ساختمان دانشگاه دریایی گدنیای لهستان (A – ترموهیدرومتر، B – بادسنج، C – حسگر چگالی توان تابش خورشیدی)

در این مقاله، تأثیر شرایط جوی بر عملکرد پنل‌های فتوولتائیک منتخب مورد تحلیل قرار گرفته است. ایستگاه هواشناسی، که شرایط جوی را در محل دانشگاه دریایی گدنیای لهستان اندازه‌گیری می‌کند، توصیف شده است. موج‌های اندازه‌گیری شده چگالی توان تابش خورشیدی و دما در روزهای مشخص ارائه شده و تحلیل ترانزیت الکتروحرارتی پنل فتوولتائیک چندبلور که با بار مقاومتی خطی کار می‌کند، انجام شده است. همچنین نتایج محاسبات به دست آمده بیان شده و مورد بحث قرار گرفته است. علاوه بر این، تأثیر پارامترهای جوی بر شرایط خنک‌کنندگی پنل‌های فتوولتائیک نیز بررسی شده است.

نصب فتوولتائیک

سیستم فتوولتائیک که در دانشگاه دریایی گدنیای لهستان نصب شده، دارای توان نصب شده ۱۰.۴ کیلو وات پیک است و از پنل‌های فتوولتائیک سیلیکونی تشکیل شده است. این سیستم، که در شکل ۲ نمایش داده شده، بر اساس توپولوژی SMA FLEXIBLE STORAGE SYSTEM طراحی شده و از دستگاه‌های شرکت SMA بهره می‌برد. این شامل دو اینورتر شبکه‌ای از نوع Sunny Boy 5000TL-۲۱ است که در پیکربندی دو فاز کار می‌کنند و همچنین یک اینورتر جزیره‌ای از نوع Sunny Island ۶.0H وجود دارد. در این سیستم، از چهل پنل استفاده شده که هر یک دارای توان پیک ۲۶۰ وات هستند و این شامل بیست پنل مونوکریستالی – Axitec AC-260M/۱۵۶-60S و بیست پنل پلی‌کریستالی – Axitec AC-260P/۱۵۶-60S می‌شود. سازه نصب این پنل‌ها به گونه‌ای است که امکان تنظیم دستی زاویه افول آنها را فراهم می‌کند که می‌تواند ۲۰°, ۳۵°, ۵۰° یا ۶۰° باشد.

سیستم فتوولتائیک انرژی الکتریکی لازم را به شبکه انرژی محلی موجود در آزمایشگاه اپتو الکترونیک، فتوولتائیک و تکنیک فیبر نوری تأمین می‌کند.

شکل ۲: نمایی از نصب فتوولتائیک در دانشگاه دریایی گدنیای لهستان

معکوس‌ساز جداگانه

معکوس‌ساز جداگانه این امکان را فراهم می‌آورد که انرژی الکتریکی جریان مستقیم جمع‌آوری‌شده از چهار باتری ژل که به صورت سری متصل شده‌اند، با ولتاژ نامی ۱۲ ولت و ظرفیت ۲۲۰ آمپر ساعت (Ah) به انرژی جریان متناوب تبدیل شود. همچنین، تولید انرژی اضافی از طریق معکوس‌ساز شبکه در مواقعی که نور خورشید ضعیف است (مانند ابری بودن شدید یا شب) و نیز در صورت بروز آسیب به شبکه انرژی دانشگاه دنبال می‌شود. ارتباط بین هر دستگاه از طریق شبکه محلی اینترنت برقرار می‌شود. پارامترهای سیستم به خدمات آنلاین Sunny Portal از طریق دستگاهی به نام Sunny Home Manager ارسال می‌شوند، که این خدمات مدیریت از راه دور را با تنظیمات سیستم فتوولتائیک و نظارت بر آن فراهم می‌کند.

نتایج تحقیقات

با استفاده از ایستگاه هواشناسی که در بخش ۲ معرفی شده، پارامترهای جوی در محل نصب سیستم فتوولتائیک که در بخش ۳ توصیف شده است، اندازه‌گیری و ثبت گردیدند. این اندازه‌گیری‌ها از اکتبر ۲۰۱۵ آغاز شده و همچنان ادامه دارد.

به عنوان نمونه، در شکل ۳، تغییرات اندازه‌گیری‌شده چگالی توان تابش خورشیدی طی بیست و چهار ساعت نمایش داده شده است و در شکل ۴، قدرت تولید شده توسط این نصب در دوره‌های مربوطه نشان داده شده است. همچنین نویسندگان داده‌های انتخابی از تاریخ‌های زیر را برای ارائه انتخاب کرده‌اند: ۲۷ اکتبر ۲۰۱۵، ۲۷ نوامبر، ۲۴ دسامبر ۲۰۱۵، ۲۹ ژانویه ۲۰۱۶، ۲۷ فوریه ۲۰۱۶، ۲ آوریل ۲۰۱۶، ۲۶ آوریل ۲۰۱۶، ۲۵ می ۲۰۱۶، ۳۰ ژوئن ۲۰۱۶، ۲۹ ژوئیه ۲۰۱۶ و ۲۵ اوت ۲۰۱۶.

چنانکه قابل مشاهده است، منحنی‌های ایجاد شده برای تمامی روزهای بررسی‌شده الگوهای مشابهی دارند و در طول این دوره، چگالی توان تابش خورشیدی بین فصل‌های زمستان و تابستان حتی چهار برابر تغییر می‌کند. به دلیل تغییر زمان طلوع و غروب خورشید و نیز تغییرات در ارتفاع خورشید در بالای افق در ظهر، تغییرات حداکثر مقدار pV و زمان‌هایی که مقادیر pV به شکل محسوس افزایش می‌یابند، به وضوح قابل مشاهده است.

در منحنی‌های بررسی‌شده که در روزهای منتخب به‌دست آمده است، حداکثرهای محلی و مینیمم‌های متعددی قابل مشاهده است. این حداکثرهای محلی نتیجه نوسانات ابری در طول روزهای نشان‌داده‌شده هستند که باعث تغییرات چشمگیری در مقدار چگالی توان تابش خورشیدی می‌شوند. به عنوان مثال، در منحنی اندازه‌گیری‌شده در ۲۹ ژوئیه ۲۰۱۶، مشاهده می‌شود که در مدت ۱۰ دقیقه، مقدار pV از ۱۱۰۰ وات بر متر مربع (W/m2) به ۳۰۰ وات بر متر مربع کاهش می‌یابد. در مقابل، در روزهای آفتابی، منحنی pV(زمان) به شکل منحنی گاوسی نزدیک می شود.

شکل ۳. توزیع زمانی اندازه‌گیری شده چگالی توان تابش خورشیدی

همانطور که در شکل ۴ به چشم می‌خورد، قدرت خروجی سیستم فتوولتائیک به وضوح در هر روز و در طول سال تغییر می‌کند. جالب است که حداکثر قدرت خروجی این سیستم، از حدود ۵ کیلووات در دسامبر به حدود ۹ کیلووات در ژوئن می‌رسد.

شکل ۴. توزیع زمانی اندازه‌گیری شده قدرت خروجی سیستم فتوولتائیک

در منحنی‌های مشاهداتی، وابستگی انرژی تولید شده توسط سیستم به چگالی توان تابش خورشیدی pV به وضوح قابل مشاهده است. به ویژه، تغییرات در مقادیر pV (مشاهده شده در شکل ۳) تأثیر مستقیم بر میزان قدرت خروجی سیستم دارند. حداکثر مقدار قدرت خروجی برابر با مقدار نامی این پارامتر، در دوره بین آوریل و اکتبر به‌دست آمده است.

اطلاعاتی درباره زمان آغاز و پایان تولید برق در روزهای بررسی شده، در شکل ۵ آمده است.

شکل ۵. زمان شروع و توقف تولید انرژی توسط سیستم فتوولتائیک در روزهای انتخاب شده

به وضوح مشاهده می‌شود که این زمان بین نوامبر و ژانویه بسیار کوتاه بوده و تنها حدود ۷ ساعت است، در حالیکه در تابستان به حدود ۱۶ ساعت می‌رسد.

از نظر کاربران سیستم فتوولتائیک، اطلاعات مربوط به انرژی الکتریکی تولید شده توسط این سیستم بسیار مهم و حیاتی است. ارزش این انرژی به شدت به میزان انرژی خورشیدی وابسته است. در شکل ۶، مقادیر چگالی انرژی خورشیدی در روزهای انتخاب شده نشان داده شده است، در حالی که در شکل ۷، مقادیر انرژی الکتریکی تولید شده توسط سیستم در همان روزها ارائه شده است.

شکل ۶. چگالی انرژی خورشیدی در روزهای انتخاب شده

شکل ۷. انرژی الکتریکی تولید شده توسط سیستم فتوولتائیک در روزهای انتخاب شده

چنانکه می‌توان مشاهده کرد، شکل منحنی‌های ارائه‌شده در شکل‌های ۴ و ۵ بی شباهت نیست. حداقل مقدار انرژی تولید شده در دسامبر مشاهده شده که تنها ۲۵٪ از مقدار انرژی تولید شده در ماه مه است. تغییرات مشاهده شده در مقدار انرژی الکتریکی تولید شده، دو برابر تغییرات در مقدار چگالی انرژی خورشیدی است. مقدار انرژی الکتریکی تولید شده در هر روز در دوره بین آغاز آوریل و پایان آگوست تقریباً یکسان است و به حدود ۶۰ کیلووات ساعت (kWh) می‌رسد.

نتیجه‌گیری‌ها

در این مقاله، نتایج تحقیقات در مورد سیستم فتوولتائیک و ایستگاه هواشناسی واقع در دانشگاه دریایی گدنیای ارائه شده است. تحقیقات طولانی‌مدت نشان داد که قدرت خروجی نصب مورد نظر به طور مستقیم به چگالی توان تابش خورشیدی مربوط نیست. همچنین مشخص شد که نوسانات در چگالی توان تابش خورشیدی به دلیل عواملی چون ابری بودن متغیر، به میانگین می‌رسند. به علاوه، انرژی تولید شده توسط نصب مورد نظر در طول دوره‌ای از انتهای دسامبر تا آغاز آوریل حتی چهار برابر تغییر می‌کند و زمان تولید انرژی در این دوره دو برابر می‌شود. در مدت ۵ ماه، مقدار انرژی الکتریکی تولید شده روزانه به حداکثر خود می‌رسد.

منابع

1. D. Mulvaney, Solar’s Green Dilemma, IEEE Spectrum, No. 9, 2014, pp. 26-29
2. J. Singh, “Semiconductor devices: basic principles”, John Wiley&Sons, 2000
3. E. Klugmann-Radziemska, „Fotowoltaika w teorii i praktyce”, Wydawnictwo BTC, Legionowo, 2010.

مرجع‌ها

[۴] L. Castaner, S. Silvestre، „مدل‌سازی سیستم‌های فتوولتائیک با استفاده از Pspice”، انتشارات جان وایلی و پسران، ۲۰۰۲.

[۵] M.H. Rashid، “راهنمای الکترونیک قدرت”، انتشارات آکادمیک، الزویر، ۲۰۰۷.

[۶] E. Krac، K. Górecki: مدلسازی ویژگی‌های پانل‌های فتوولتائیک با در نظر گرفتن پدیده‌های حرارتی. مجموعه کنفرانس‌های IOP: علم و مهندسی مواد، جلد ۱۰۴، ۲۰۱۶، کنفرانس بین‌المللی میکروالکترونیک و بسته‌بندی IMAPS لهستان ۲۰۱۵، شماره ۰۱۲۰۱۳، صفحات ۱-۷، doi:۱۰.۱۰۸۸/۱۷۵۷-899X/۱۰۴/۱/۰۱۲۰۱۳.

[۷] W. Marańda، M. Piotrowicz: “استخراج پارامترهای مدل حرارتی برای ماژول‌های فتوولتائیک نصب‌شده در میدانی”، مجموعه مقالات 27مین کنفرانس بین‌المللی میکروالکترونیک (MIEL ۲۰۱۰)، نیš، صربستان، ۱۶-۱۹ مه، ۲۰۱۰.

[۸] K. Górecki، J. Zarębski: مدل‌سازی تاثیر عوامل انتخاب شده بر مقاومت حرارتی دستگاه‌های نیمه‌هادی. معاملات IEEE در مورد اجزا، بسته‌بندی و فناوری‌های تولید، جلد ۴، شماره ۳، ۲۰۱۴، صفحات ۴۲۱-۴۲۸

[۹] F.F. Oettinger، D.L. Blackburn: فناوری اندازه‌گیری نیمه‌هادی: اندازه‌گیری‌های مقاومت حرارتی، وزارت بازرگانی ایالات متحده، NIST/SP-۴۰۰/۸۶، ۱۹۹۰.

[۱۰] T Markvart، L Castañer: “راهنمای عملی فتوولتائیک‌ها: اصول و کاربردها”، آکسفورد: فناوری پیشرفته الزویر، ۲۰۰۳.

[11] راهنما کاربر LB480

[۱۲] E. Krac، K. Górecki: تاثیر پارامترهای جوی انتخاب شده بر ویژگی‌های پانل‌های فتوولتائیک. نشریه الکترونیکا، شماره ۵، ۲۰۱۶، صفحات ۴۰-۴۳.

نویسندگان: دکتر مهندس یاکوب دابروفسکی، مهندس اوا کراچ، پروفسور دکتر هاب اینژ. کرزیستوف گورِکی، دانشگاه دریایی گدانسک، کادر الکترونیک دریایی، خیابان مورسکا ۸۱-۸۷، ۸۱-۲۲۵ گدانسک، آدرس‌های ایمیل: j.dabrowski@we.am.gdynia.pl، e.krac@we.am.gdynia.pl، k.gorecki@we.am.gdynia.pl

منبع و شناسه ناشر: PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY، ISSN ۰۰۳۳-۲۰۹۷، جلد ۹۳ شماره ۲/۲۰۱۷. doi:۱۰.۱۵۱۹۹/۴۸.۲۰۱۷.۰۲.۴۴

منتشر شده توسط PQBlog

مهندس برق

بیشتر پست‌ها را مشاهده کنید

پرسش‌های متداول

نصب فتوولتائیک چیست؟

نصب فتوولتائیک سیستمی است که از پنل‌های خورشیدی برای تولید انرژی الکتریکی استفاده می‌کند.

چگونه می‌توان کیفیت توان را اندازه‌گیری کرد؟

کیفیت توان از طریق استفاده از آنالایزرهای کیفیت توان اندازه‌گیری می‌شود که پارامترهای مختلفی همچون فرکانس، ولتاژ و جریان را بررسی می‌کنند.

تأثیر شرایط جوی بر کیفیت توان چیست؟

شرایط جوی مانند دما و چگالی تابش خورشید می‌توانند تأثیرات قابل توجهی بر کیفیت توان و کارایی سیستم‌های فتوولتائیک داشته باشند.

منبع: powerquality.blog