طراحی سیستم قدرت فتوولتائیک: مقایسه بین دو نوع مختلف ماژول‌های خورشیدی

چکیده: فتوولتائیک (PV) اصطلاحی فنی است که برای تولید برق از نور خورشید به کار می‌رود. انرژی خورشیدی یکی از راهکارهای تأمین نیازهای الکتریکی در هر منطقه‌ای محسوب می‌شود. طراحی یک سیستم فتوولتائیک متصل به شبکه بر پایه داده‌های واقعی اهمیت بالایی دارد تا بهره‌وری سیستم تضمین گردد. این پژوهش با انجام یک مطالعه موردی روی شرکت ملی تولید برق حرارتی (NTPC) در گومتی نگر هند انجام شده است. در این کار، از روش ریاضیاتی نیوزیلند برای طراحی یک سیستم PV استفاده شده و مقایسه‌ای میان سیستم‌های PV سنتی و سیستم‌های PV نانو صورت گرفته است. نتایج نشان می‌دهد هزینه سیستم نانو-PV کمتر از سیستم سنتی PV بوده است.

مقدمه

تولید برق با بهره‌گیری از سیستم‌های فتوولتائیک کلاسیک، به تکامل فناوری سیستم‌های فتوولتائیک (PV) منتهی شده است [۱]. این سیستم‌ها برای تولید الکتریسیته کاملاً وابسته به نور خورشید هستند. جالب است بدانید کارآیی ماژول‌های فتوولتائیک سنتی کمتر از ماژول‌های نانویی است [۲][۳]. برای طراحی یک نیروگاه انرژی خورشیدی، دسترسی به برخی شرایط واقعی ضروری است: تابش خورشیدی، پروفایل بار، پتانسیل انرژی خورشیدی و فضای نصب مورد نیاز؛ همچنین میزان مصرف انرژی در این مناطق عاملی تعیین‌کننده در طراحی است و رشد احتمالی بار نیز مد نظر قرار می‌گیرد تا سیستم نصب‌شده به شکل بهینه عمل کند. این پیش‌بینی‌های پژوهشی پایه طراحی یک سیستم خورشیدی را تشکیل می‌دهند. به‌ویژه در مناطق دورافتاده، تعداد و ظرفیت باتری‌ها باید به گونه‌ای انتخاب شود که حداقل هدررفت انرژی رخ دهد. ایجاد تسهیلات برای کاهش هزینه و افزایش اطمینان در مناطق ایزوله، نیروی پیشران اصلی صنعت PV جهانی امروز است. از جمله کاربردهای شاخص PV که امروزه رواج دارند، می‌توان به سیستم‌های PV متصل به شبکه برای مناطق دورافتاده و ویلاها اشاره کرد [۴].

اجزای سیستم

نیازهای عملکردی و کاربردی سیستم، اجزای آن را تعیین می‌کند [۵]. اجزای اصلی یک سیستم PV همان‌طور که در شکل ۱ نشان داده شده است، شامل ماژول‌های PV، اینورتر با کنترل‌کننده MPPT، بانک باتری و بارهای مصرفی می‌باشد.

ماژول‌های PV:

شکل ۲ تصویری از ماژول PV ۲۲۰ واتی برند SunPower را نشان می‌دهد.

مشخصات فنی این ماژول در جدول ۱ ارائه شده است.

جدول ۱. پارامترهای ماژول PV 220W SunPower

شکل ۳ تصویر ماژول PV ۲۲۰ واتی برند Renesola از سری ماژول‌های خورشیدی پلی‌کریستالی ۱۵۶ را به تصویر می‌کشد. مشخصات فنی این ماژول نیز در جدول ۲ آمده است.

جدول ۲. پارامترهای ماژول PV 220W Renesola

نوع باتری به کار رفته در این سیستم ذخیره‌سازی، یک باتری ژل VRLA با قابلیت تخلیه عمیق و مشخصات ۱۲ ولت و ۲۰۰ آمپر-ساعت است. شکل ۴ نمایی از این باتری را نشان می‌دهد و جدول ۳ مشخصات کامل آن را درج می‌کند [۷]. باتری‌های ژل مزایای ویژه‌ای دارند؛ از جمله توانایی بازیابی خوب از تخلیه عمیق، ظرفیت بالای تخلیه عمیق و پایداری حرارتی عالی. حتی اگر این باتری‌ها به مدت ۳ روز تخلیه شوند، می‌توانند تا ۱۰۰ درصد ظرفیت خود بازیابی یابند.

جدول ۳. مشخصات باتری

اینورتر استفاده‌شده در این سیستم PV، مدلی سه‌فاز ۳۰ کیلوواتی است که وظیفه تبدیل DC به AC و اتصال به شبکه سراسری را بر عهده دارد. مشخصات فنی این اینورتر در جدول ۴ لیست شده است.

جدول ۴. مشخصات اینورتر سه‌فاز 30kW متصل به شبکه

زاویه شیب ماژول‌های PV معمولاً در نیمکره جنوبی رو به شمال و در نیمکره شمالی رو به جنوب تنظیم می‌شود. این کار باعث می‌شود در ساعت ظهر، ماژول‌ها ثابت به سمت خورشید باشند. در فصل زمستان، زاویه شیب تندتر خروجی را افزایش می‌دهد؛ در حالی که در تابستان، زاویه ملایم‌تر می‌تواند بازده بیشتری را فراهم آورد.

جدول ۵. زاویه شیب بهینه در عرض‌های جغرافیایی مختلف

طراحی و محاسبه سیستم PV (مطالعه موردی)

(NTPC) یک سازمان معتبر در منطقه شمالی کشور هند است. ساختمان معروف (NRHQ) متعلق به این سازمان در شهر گومتی نگر واقع شده است. مجموع بار الکتریکی این ساختمان در جدول ۶ ذکر شده است.

جدول ۶. بار ساختمان

نمودار مراحل و روش‌شناسی

در شکل ۴، رویکرد ریاضیاتی مورد استفاده برای طراحی سیستم PV خورشیدی بر اساس روش نیوزیلند، به صورت نموداری نشان داده شده است.

مفهوم ریاضی سیستم PV خورشیدی

ارزیابی سیستم فتوولتائیک (PV)

در این مقاله برای ارزیابی سیستم فتوولتائیک، روش طراحی نیوزیلند به‌کار گرفته شده و یک راهنمای ساده برای محاسبه کل انرژی هر پروژه، شامل تعداد ماژول‌های فتوولتائیک، تعداد باتری‌ها و ظرفیت اینورتر به کار رانده است. سیستم‌های خورشیدی می‌توانند در انواع مختلفی از شرایط و مقیاس‌ها اجرا شوند. در ابتدا باید میزان کل قدرت مصرفی معمولی و تعداد ساعات نور خورشید در روز را بر اساس موقعیت جغرافیایی تعیین کرد.

شکل ۴: نمودار جریان طراحی سیستم فتوولتائیک براساس روش نیوزیلند

A- ماژول فتوولتائیک SunPower 200W

اندازه‌گیری PV

انرژی بار طراحی (E_total)

در اینجا نتایج اندازه‌گیری‌های اولیه پنل‌ها ارائه می‌شود.

نتایج محاسبه‌های بار طراحی نیز در اینجا نمایش داده شده است.

ساختارهای مختلف سیستم فتوولتائیک سنتی می‌توانند به‌صورت زیر در جدول ۷ خلاصه شوند.

جزئیات فنی هر بخش از این جدول به‌صورت خلاصه آمده است.

توضیحات تکمیلی دیگر در این قسمت آورده شده است.

B- ماژول خورشیدی پلی‌کریستالی Renesola nano PV (۲۲۰W)

اندازه‌گیری PV

انرژی بار طراحی (E_total)

نتایج اندازه‌گیری‌های اولیه برای این ماژول نیز ارائه شده است.

نتایج محاسبهٔ بار طراحی برای این پاره از سیستم نیز در اینجا قرار دارد.

ساختارهای مختلف سیستم nano PV می‌توانند به‌صورت زیر در جدول ۸ خلاصه شوند.

جزئیات فنی این سیستم نیز در این جدول خلاصه شده است.

توضیحات تکمیلی دیگر در ادامه آورده شده است.

نتایج

نتایج نشان می‌دهند تعداد ماژول‌های nano PV نسبت به ماژول‌های فتوولتائیک سنتی بیشتر است، در حالی که باتری‌ها و ظرفیت اینورتر برای سیستم‌های متصل به شبکه تقریباً یکسان می‌مانند. فناوری نانو کارایی بیشتری به‌منظور عملکرد و هزینهον aggregatorهای المنخفض‌تری برای توان مشابه فراهم می‌کند. هزینه کل طراحی یک سیستم nano PV که به شبکه متصل است، نسبت به یک سیستم فتوولتائیک سنتی کم‌تر است؛ دلیل این تمرکز بر تعداد کمتر بانک‌های باتری است. گاهی افزایش کثیفای و زاویه شیب (H) منجر به کاهش تعداد ماژول‌های موازی در هر رشته می‌شود و در این حالت ظرفیت باتری به‌صورت متناسب با کاهش DoD افزایش می‌یابد.

منابع

1. M.N.Bandyopadhyay & O.P.Rahi, “Non-Conventional Energy Sources”, Proceedings of All India Seminar on Power Systems: Recent Advances and Prospects in 21st Century, AICTE, Jaipur, 17 February 2001, pp 1-3.
2. A. Dey, A. Tripathi, A Verma & A. Bandha, “Analysis of Solar Photovoltaic (SPV) Systems for Residential Applicating”, National Journal of the IE(I), Vol. 87, May 06, pp 6-9.
3. Tracy Dahl, “Photovoltaic Power Systems Technology”, White paper, http://www.polarpower.org, 2004, pp 1-33.
4. Angga Romana, Eko Adhi Setiawan & Icurnianto Joyonegoro, “Comparison of Two Calculation Methods for Designing the Solar Electric Power System for Small Island”, E35 Web of Conference 67,02052 (2018), 3rd i-TREC 2018, pp 1-6.
5. http://www.sma.de/en/solutions/medium-power-solutions/smasmart-home.html.
6. http://www.solarguru.com.au/PDFs/NG12-200.pdf.
7. https://www.yigitaku.com/wp-content/uploads/2018/07/12V-200Ah-Jel-Eng.pdf.
8. https://www.serveafri.com/products/60kw-solar-grid-tie-inverterthree-phase.
9. https://www.motherearthnews.com/renewable-energy/solarpower-systems-zmaz98onzraw.
10. Sarat Kumar Sahoo “Renewable and sustainable energy reviews solar photovoltaic energy progress in India: A review “, http://www.elsevier.com/locate/rser, Renewable and Sustainable Energy Reviews 59 (2016) 927–939.
11. Rupendra Pachauri, Om Prakash Mahela, Abhishek Sharma, Jianbo Bai, Yogesh K. Chauhan, Baseem Khan & Hassan Haes Alhelou, “Impact of Partial Shading on Various PV Array Configurations and Different Modeling Approaches: A Comprehensive Review”, DOI 10.1109/ACCESS.2020.3028473, IEEE Access.
12. Mohammed Yaqoot, Parag Diwan, Tara C. Kandpal, “Financial attractiveness of decentralized renewable energy systems – A case of the central Himalayan state of Uttarakhand in India”, Renewable Energy 101 (2017) 973e991.
13. Hamoodi SA, Hameed FI, Hamoodi AN. Pitch angle control of wind turbine using adaptive Fuzzy-PID controller. Mosul, Iraq: Northern Technical University (NTU), Engineering Technical College, EAI endorsed transactions on energy web; 2020 Jul.7. p. 1–8.
14. Hamoodi SA, Hamoodi AN, Haydar GM. Automated Irrig Syst based soil moisture using Arduino board. Bulletin of electrical engineering and informatics. Iraq: Northern Technical University (NTU), Engineering Technical College; 2020 June 3.p. 870–6.
15. Hamoodi AN, Hamoodi SA, Mohammed RA. Photovoltaic modeling and effecting of temperature and irradiation on I– Vand P–V characteristics. Northern Technical University (NTU), Engineering Technical College, Iraq. Int J Appl Eng Res India Publ. 2018;13(5):3123–7. http://www.ripublication.com.
16. Hamoodi AN, Hamoodi SA, Ibrahim MA. “Power factor correction of AC to DC converter using boost chopper.” Northern Technical University (NTU), Engineering Technical College, Iraq. J Eng Appl Sci. 2018;13(Special Issue 8):6440– 5.
17. Hamoodi AN, Hamoodi SA, Abdulla AG. “Photovoltaic-battery system tested under sun irradiance”. Northern Technical University (NTU), Engineering Technical College, Iraq. Lond J Eng Res. 2018;18(2):65–75.

نویسندگان

دکتر علی ناظم حمودی، دانشگاه فنی شمال (NTU)/دانشکده مهندسی، موصل-عراق. ایمیل: ali_n_hamoodi74@ntu.edu.iq.

وسیم خالد ابراهیم، دانشگاه فنی شمال (NTU)/دانشکده مهندسی، موصل-عراق. ایمیل: waseem_kh82@ntu.edu.iq.

اسیل ثامر ابراهیم، کارشناسی (۲۰۰۴) و کارشناسی ارشد (۲۰۱۴) در فناوری مهندسی کامپیوتر از دانشگاه فنی شمال (NTU) دارد. او در حال حاضر به عنوان مدرس دستیار در دپارتمان مهندسی کامپیوتر، دانشگاه فنی شمال (NTU)/دانشکده مهندسی، موصل-عراق فعالیت می‌کند. ایمیل: aseelthamer@ntu.edu.iq.

منبع & شناسه ناشر: PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY، ISSN ۰۰۳۳-۲۰۹۷، R. ۹۹ NR ۲/۲۰۲۳. doi:۱۰.۱۵۱۹۹/۴۸.۲۰۲۳.۰۲.۶۵

منتشر شده توسط PQBlog

پرسش‌های متداول

چگونه سیستم‌های فتوولتائیک طراحی می‌شوند؟

سیستم‌های فتوولتائیک بر اساس نیازهای واقعی از جمله تابش خورشیدی و پروفایل بار طراحی می‌شوند.

چه نوع ماژول‌های فتوولتائیک وجود دارد؟

دو نوع رایج ماژول‌های فتوولتائیک شامل ماژول‌های سنتی و نانو هستند.

مزایای سیستم‌های نانو PV چیست؟

سیستم‌های نانو PV معمولاً هزینه کمتری دارند و کارآیی بالاتری ارائه می‌دهند.

منبع: powerquality.blog