Maksimum güç noktası takibi - Maximum power point tracking

Maksimum güç noktası izleme ( MPPT ) veya bazen sadece güç noktası izleme ( PPT ), her koşulda enerji çıkarımını en üst düzeye çıkarmak için değişken güce sahip kaynaklarla kullanılan bir tekniktir. Teknik en yaygın olarak fotovoltaik (PV) güneş sistemlerinde kullanılır, ancak rüzgar türbinleri, optik güç iletimi ve termofotovoltaiklerle de kullanılabilir .

PV güneş enerjisi sistemleri, inverter sistemleri, harici şebekeler, akü grupları veya diğer elektrik yükleri ile olan ilişkileri bakımından birçok farklı konfigürasyonda mevcuttur. Güneş enerjisinin nihai hedefi ne olursa olsun, MPPT tarafından ele alınan temel sorun, güneş pilinden güç transferinin verimliliğinin güneş panellerine düşen güneş ışığı miktarına, güneş panelinin sıcaklığına ve güneş panelinin elektriksel özelliklerine bağlı olmasıdır. yük . Bu koşullar değiştikçe en yüksek güç aktarım verimini veren yük karakteristiği değişir. Güç aktarımını en yüksek verimlilikte tutmak için yük karakteristiği değiştiğinde sistemin verimliliği optimize edilir. Bu yük karakteristiğine maksimum güç noktası (MPP) denir . MPPT, bu noktayı bulma ve yük karakteristiğini orada tutma işlemidir. Elektrik devreleri, fotovoltaik hücrelere rasgele yükler sunmak ve daha sonra voltajı, akımı veya frekansı diğer cihazlara veya sistemlere uyacak şekilde dönüştürmek için tasarlanabilir ve MPPT, elde etmek için hücrelere sunulacak en iyi yükü seçme sorununu çözer. en kullanışlı güç çıkışı.

Güneş pilleri , IV eğrisine dayalı olarak analiz edilebilen doğrusal olmayan bir çıktı verimliliği üreten sıcaklık ve toplam direnç arasında karmaşık bir ilişkiye sahiptir . MPPT sisteminin amacı, herhangi bir çevresel koşul için maksimum gücü elde etmek için PV hücrelerinin çıktısını örneklemek ve uygun direnci (yükü) uygulamaktır. MPPT cihazları tipik olarak , elektrik şebekeleri, piller veya motorlar dahil olmak üzere çeşitli yükleri sürmek için voltaj veya akım dönüştürme, filtreleme ve düzenleme sağlayan bir elektrik gücü dönüştürücü sistemine entegre edilir .

Solar invertörler DC gücünü AC gücüne dönüştürür ve MPPT'yi içerebilir: bu tür invertörler güneş modüllerinden çıkış gücünü (IV eğrisi) örnekler ve maksimum gücü elde etmek için uygun direnci (yükü) uygular.
MPP'deki (P _mpp ) güç , MPP voltajının (V _mpp ) ve MPP akımının (I _mpp ) ürünüdür .

Arka plan

Fotovoltaik güneş pili IV eğrileri, maksimum güç aktarım noktasının bulunduğu eğrilerin dizini bir çizgiyle kesişir.

Fotovoltaik hücreler , çalışma ortamları ile üretebilecekleri maksimum güç arasında karmaşık bir ilişkiye sahiptir . Dolgu faktörü kısaltılmış, FF , güneş pilinin olmayan lineer elektrik davranışını karakterize eden bir parametredir. Doldurma faktörü, güneş pilinden gelen maksimum gücün açık devre gerilimi V _oc ve kısa devre akımı I _sc ürününe oranı olarak tanımlanır . Tablolanmış verilerde, genellikle bir hücrenin belirli koşullar altında optimal bir yük ile sağlayabileceği maksimum gücü tahmin etmek için kullanılır, P=FF*V _oc *I _sc . Çoğu amaç için, FF, _Voc ve I _sc , tipik koşullar altında bir fotovoltaik hücrenin elektriksel davranışının yararlı bir yaklaşık modelini vermek için yeterli bilgidir.

Herhangi bir çalışma koşulu kümesi için, hücreler, hücrenin akım ( I ) ve voltaj ( V ) değerlerinin maksimum güç çıkışı ile sonuçlandığı tek bir çalışma noktasına sahiptir . Bu değerler , Ohm kanununda belirtildiği gibi V / I'ye eşit olan belirli bir yük direncine karşılık gelir . P gücü, P=V*I ile verilir . Bir fotovoltaik hücre, faydalı eğrisinin çoğu için sabit bir akım kaynağı görevi görür . Bununla birlikte, bir fotovoltaik hücrenin MPP bölgesinde, eğrisi, akım ve voltaj arasında yaklaşık olarak ters bir üstel ilişkiye sahiptir. Temel devre teorisinden, IV eğrisinin türevi (grafik olarak, eğim) dI/dV'nin eşit olduğu ve I/V oranının (d P/dV =0 olduğu) karşısında bir cihazdan veya cihaza iletilen güç optimize edilir . Bu, maksimum güç noktası (MPP) olarak bilinir ve eğrinin "dizine" karşılık gelir.

Bu değerin tersi R=V/I direncine sahip bir yük cihazdan maksimum gücü çeker. Buna bazen hücrenin 'karakteristik direnci' denir. Bu, aydınlatma seviyesinin yanı sıra sıcaklık ve hücre yaşı gibi diğer faktörlere bağlı olarak değişen dinamik bir miktardır. Direnç bu değerden düşük veya yüksek ise çekilen güç maksimumdan daha az olacak ve bu nedenle hücre mümkün olduğu kadar verimli kullanılamayacaktır. Maksimum güç noktası izleyicileri, bu noktayı aramak ve böylece dönüştürücü devrenin bir hücreden mevcut maksimum gücü çıkarmasına izin vermek için farklı türlerde kontrol devresi veya mantığı kullanır .

Güç voltajı (P -V) eğrisi

Tam güç-voltaj (P-V) eğrisi mevcutsa, ikiye bölme yöntemi kullanılarak maksimum güç noktası elde edilebilir .

uygulama

Doğrudan güneş paneline bir yük bağlandığında, panelin çalışma noktası nadiren en yüksek güçte olacaktır. Panelin gördüğü empedans, güneş panelinin çalışma noktasını belirler. Böylece panelin gördüğü empedansı değiştirilerek çalışma noktası tepe güç noktasına doğru hareket ettirilebilir. Paneller DC cihazlar olduğundan, bir devrenin (kaynağın) empedansını diğer devreye (yük) dönüştürmek için DC-DC dönüştürücüler kullanılmalıdır. DC-DC dönüştürücünün görev oranının değiştirilmesi, panel tarafından görüldüğü gibi bir empedans değişikliği ile sonuçlanır. Belirli bir empedansta (yani görev oranı) çalışma noktası, en yüksek güç aktarım noktasında olacaktır. Panelin IV eğrisi, ışınım ve sıcaklık gibi atmosferik koşullardaki değişikliklerle önemli ölçüde değişebilir. Bu nedenle, dinamik olarak değişen çalışma koşullarında görev oranını sabitlemek mümkün değildir.

MPPT uygulamaları, panel voltajlarını ve akımlarını sıklıkla örnekleyen ve ardından görev oranını gerektiği gibi ayarlayan algoritmaları kullanır. Algoritmaları uygulamak için mikrodenetleyiciler kullanılır. Modern uygulamalar genellikle analitik ve yük tahmini için daha büyük bilgisayarlar kullanır.

sınıflandırma

Denetleyiciler, bir dizinin güç çıkışını optimize etmek için çeşitli stratejiler izleyebilir. Maksimum güç noktası izleyicileri, dizinin çalışma koşullarına göre farklı algoritmalar uygulayabilir ve bunlar arasında geçiş yapabilir.

Rahatsız et ve gözlemle

Bu yöntemde kontrolör, voltajı diziden küçük bir miktar ayarlar ve gücü ölçer; güç artarsa, güç artmayana kadar bu yönde başka ayarlamalar denenir. Buna perturb and gözlem yöntemi denir ve en yaygın olanıdır, ancak bu yöntem güç çıkışında salınımlara neden olabilir. Tepe tırmanma yöntemi olarak adlandırılır , çünkü maksimum güç noktasının altındaki voltaja karşı güç eğrisinin yükselmesine ve bu noktanın üzerindeki düşüşe bağlıdır. Perturb and gözlem, uygulama kolaylığı nedeniyle en yaygın kullanılan MPPT yöntemidir. Perturb and gözlem yöntemi, uygun bir tahmine dayalı ve uyarlanabilir tepe tırmanma stratejisinin benimsenmesi koşuluyla, üst düzey verimlilikle sonuçlanabilir.

artımlı iletkenlik

Artımlı iletkenlik yönteminde, kontrolör, bir voltaj değişikliğinin etkisini tahmin etmek için PV dizi akımı ve voltajındaki artımlı değişiklikleri ölçer. Bu yöntem kontrolörde daha fazla hesaplama gerektirir, ancak değişen koşulları perturb ve gözlem yönteminden (P&O) daha hızlı takip edebilir. P&O algoritmasının aksine, güç çıkışında salınım üretmez. Bu yöntem , voltaja ( ) göre güçteki değişimin işaretini hesaplamak için fotovoltaik dizinin artan iletkenliğini ( ) kullanır . Artımlı iletkenlik yöntemi, artımlı iletkenliği ( ) dizi iletkenliği ( ) ile karşılaştırarak maksimum güç noktasını hesaplar . Bu ikisi aynı olduğunda ( ), çıkış voltajı MPP voltajıdır. Kontrolör, ışınlama değişene ve işlem tekrarlanana kadar bu voltajı korur. ${\görüntüleme stili dI/dV}$ ${\görüntüleme stili dP/dV}$ $I_{\Delta }/V_{\Delta }$ ${\görüntüleme stili I/V}$ ${\ Displaystyle I/V=I_{\Delta }/V_{\Delta }}$

Artımlı iletkenlik yöntemi, maksimum güç noktasında ve bu gözleme dayanmaktadır . Diziden gelen akım, voltajın bir fonksiyonu olarak ifade edilebilir: . Bu nedenle, . Bunu sıfır verime eşitlemek: . Bu nedenle, artan iletkenlik, anlık iletkenliğin negatifine eşit olduğunda maksimum güç noktasına ulaşılır. Güç-voltaj eğrisinin özelliği ayrıca şunu gösterir: gerilim maksimum güç noktasından daha küçük olduğunda , yani ; Voltaj maksimum güç noktasından daha büyük olduğunda veya . Böylece, MPP izleyicisi, akım/gerilim değişimi ile akım geriliminin kendileri arasındaki ilişkiyi hesaplayarak güç-voltaj eğrisinin neresinde olduğunu bilebilir. ${\görüntüleme stili dP/dV=0}$ ${\görüntüleme stili P=IV}$ ${\görüntüleme stili P=I(V)V}$ ${\görüntüleme stili dP/dV=VdI/dV+I(V)}$ ${\görüntüleme stili dI/dV=-I(V)/V}$ ${\görüntüleme stili dP/dV>0}$ ${\görüntüleme stili dI/dV>-I/V}$ ${\görüntüleme stili dP/dV<0}$ ${\görüntüleme stili dI/dV<-I/V}$

Mevcut süpürme

Akım tarama yöntemi, PV dizisi akımı için bir tarama dalga biçimi kullanır, öyle ki PV dizisinin IV özelliği sabit zaman aralıklarında elde edilir ve güncellenir. Maksimum güç noktası voltajı daha sonra aynı aralıklarda karakteristik eğriden hesaplanabilir.

Sabit voltaj

MPP izlemedeki "sabit voltaj" terimi, farklı yazarlar tarafından farklı teknikleri tanımlamak için kullanılır; bunlardan biri çıkış voltajının tüm koşullar altında sabit bir değere ayarlandığı ve diğeri çıkış voltajının sabit bir orana dayalı olarak düzenlendiğidir. ölçülen açık devre voltajı ( ). İkinci teknik, bazı yazarlar tarafından aksine "açık voltaj" yöntemi olarak adlandırılır. Çıkış voltajı sabit tutulursa, maksimum güç noktasını izleme girişimi olmaz, bu nedenle MPP izlemenin başarısız olma eğiliminde olduğu durumlarda bazı avantajları olsa da, tam anlamıyla bir maksimum güç noktası izleme tekniği değildir, ve bu nedenle bazen bir MPPT yöntemini desteklemek için kullanılır. "Sabit voltaj" MPPT yönteminde ("açık voltaj yöntemi" olarak da bilinir), yüke verilen güç anlık olarak kesilir ve sıfır akımlı açık devre voltajı ölçülür. Kontrolör daha sonra açık devre voltajının 0.76 gibi sabit bir oranında kontrol edilen voltajla çalışmaya devam eder . Bu genellikle, beklenen çalışma koşulları için ampirik olarak veya modellemeye dayalı olarak maksimum güç noktası olarak belirlenen bir değerdir. Böylece PV dizisinin çalışma noktası, dizi voltajı düzenlenerek ve sabit referans voltajıyla eşleştirilerek MPP'nin yakınında tutulur . MPP'nin yanı sıra diğer faktörlere göre en iyi performansı vermek için değeri de seçilebilir, ancak bu teknikteki ana fikir, bir oran olarak belirlenmesidir . "Sabit voltaj" oranı yöntemindeki doğal yaklaşımlardan biri, MPP voltajının oranının yalnızca yaklaşık olarak sabit olmasıdır, bu nedenle daha fazla olası optimizasyon için yer bırakır. $V_{OC}$ $V_{OC}$ $V_{ref}=kV_{OC}$ $V_{ref}$ $V_{ref}$ $V_{OC}$ $V_{OC}$

Sıcaklık yöntemi

Bu MPPT yöntemi , güneş modülünün sıcaklığını ölçerek ve bir referansla karşılaştırarak MPP voltajını ( ) tahmin eder . Işınlama seviyelerindeki değişiklikler, maksimum güç noktası voltajı üzerinde ihmal edilebilir bir etkiye sahip olduğundan, etkileri göz ardı edilebilir - voltajın, sıcaklık değişiklikleriyle doğrusal olarak değiştiği varsayılır. $V_{mpp}$

Bu algoritma aşağıdaki denklemi hesaplar:

$V_{mpp}(T)=V_{mpp}(T_{ref})+u_{V_{mpp}}(T-T_{ref})$

Nereye:

$V_{mpp}$ belirli bir sıcaklık için maksimum güç noktasındaki voltajdır;

$T_{ref}$ bir referans sıcaklıktır;

${\görüntüleme stili T}$ ölçülen sıcaklıktır;

$u_{V_{mpp}}$ ( veri sayfasında mevcuttur) sıcaklık katsayısıdır . $V_{mpp}$

Avantajlar

Basitlik: Bu algoritma bir doğrusal denklemi çözer. Bu nedenle, çok fazla hesaplama gücü tüketmez.
Analog veya dijital devre olarak uygulanabilir.
Sıcaklık zamanla yavaş değiştiğinden, kararlı hal salınımı ve kararsızlığı yoktur.
Düşük maliyet: sıcaklık sensörleri genellikle çok ucuzdur.
Gürültüye karşı dayanıklı .

Dezavantajları

Düşük ışınlama seviyeleri için (örn. 200 W/m ^{2'nin altında} ) tahmin hatası göz ardı edilebilir olmayabilir .

yöntemlerin karşılaştırılması

Hem perturb hem de gözlem ve artan iletkenlik, PV dizisinin çalışma koşulu için güç eğrisinin yerel maksimumunu bulabilen ve böylece gerçek bir maksimum güç noktası sağlayan "tepe tırmanma" yöntemlerinin örnekleridir.

Perturb and gözlem yöntemi, kararlı durum ışıması altında bile maksimum güç noktası etrafında salınan güç çıkışı gerektirir.

Artımlı iletkenlik yöntemi, perturb ve gözlem (P&O) yöntemine göre bu değer etrafında salınım yapmadan maksimum güç noktasını belirleyebilmesi avantajına sahiptir. Perturb ve gözlem yönteminden daha yüksek doğrulukla hızla değişen ışınlama koşulları altında maksimum güç noktası takibi yapabilir. Bununla birlikte, artımlı iletkenlik yöntemi salınımlar üretebilir (istenmeden) ve hızla değişen atmosferik koşullar altında düzensiz performans gösterebilir. Algoritmanın P&O yöntemine kıyasla daha karmaşık olması nedeniyle örnekleme frekansı azalır.

Sabit voltaj oranı (veya "açık voltaj") yönteminde, açık devre voltajını ölçmek için fotovoltaik diziden gelen akım anlık olarak sıfıra ayarlanmalı ve daha sonra ölçülen voltajın önceden belirlenmiş bir yüzdesine, genellikle yaklaşık %76'ya ayarlanmalıdır. Akımın sıfıra ayarlandığı süre boyunca enerji boşa harcanabilir. Oran olarak %76'lık yaklaşıklık mutlaka doğru değildir. Uygulaması basit ve düşük maliyetli olmasına rağmen, kesintiler dizi verimliliğini azaltır ve gerçek maksimum güç noktasının bulunmasını sağlamaz. Ancak bazı sistemlerin verimleri %95'in üzerine çıkabilmektedir. $V_{MPP}/V_{OC}$

MPPT yerleştirme

Geleneksel solar inverterler , bir bütün olarak tüm PV dizisi (modül ilişkisi) için MPPT gerçekleştirir. Bu tür sistemlerde, inverter tarafından belirlenen aynı akım, dizideki (seri) tüm modüllerden geçer. Farklı modüllerin farklı IV eğrileri ve farklı MPP'leri olduğundan (üretim toleransı, kısmi gölgeleme, vb. nedeniyle) bu mimari, bazı modüllerin MPP'lerinin altında performans göstereceği ve bu da daha düşük verimlilikle sonuçlanacağı anlamına gelir.

Bazı şirketler (bkz. güç optimize edici ) şimdi ayrı modüllere bir maksimum güç noktası izleyici yerleştiriyor ve her birinin düzensiz gölgeleme, kirlenme veya elektriksel uyumsuzluğa rağmen en yüksek verimlilikte çalışmasına izin veriyor.

Veriler, aynı sayıda doğu ve batıya bakan modüllere sahip bir proje için bir MPPT'li bir invertere sahip olmanın, iki invertere veya birden fazla MPPT'ye sahip bir invertere sahip olmakla karşılaştırıldığında hiçbir dezavantaj oluşturmadığını göstermektedir.

Pillerle çalıştırma

Geceleri, şebekeden bağımsız bir PV sistemi, yükleri beslemek için piller kullanabilir. Tam olarak şarj edilmiş pil takımı voltajı, PV panelinin maksimum güç noktası voltajına yakın olsa da, pil kısmen boşaldığında, gün doğumunda bunun doğru olması olası değildir. Şarj etme, PV paneli maksimum güç noktası voltajının oldukça altındaki bir voltajda başlayabilir ve bir MPPT bu uyuşmazlığı çözebilir.

Şebekeden bağımsız bir sistemdeki piller tamamen şarj olduğunda ve PV üretimi yerel yükleri aştığında, bir MPPT artık paneli maksimum güç noktasında çalıştıramaz çünkü fazla gücün onu emecek yükü yoktur. MPPT daha sonra, üretim tam olarak talebi karşılayana kadar PV paneli çalışma noktasını tepe güç noktasından uzaklaştırmalıdır. (Uzay aracında yaygın olarak kullanılan alternatif bir yaklaşım, fazla PV gücünü dirençli bir yüke yönlendirerek, paneli mümkün olduğunca soğuk tutmak için panelin sürekli olarak en yüksek güç noktasında çalışmasına izin vermektir.)

Şebekeye bağlı bir fotovoltaik sistemde, güneş modüllerinden sağlanan tüm güç şebekeye gönderilecektir. Bu nedenle, şebekeye bağlı bir PV sistemindeki MPPT, PV modüllerini her zaman maksimum güç noktasında çalıştırmaya çalışacaktır.

Referanslar

daha fazla okuma

Bialasiewicz, JT (Temmuz 2008). "Fotovoltaik Güç Jeneratörlü Yenilenebilir Enerji Sistemleri: İşletme ve Modelleme". Endüstriyel Elektronikte IEEE İşlemleri . 55 (7): 2752–2758. doi : 10.1109/TIE.2008.920583 . S2CID 20144161 .
Poponi, Daniele (Nisan 2003). "Deneyim eğrilerine dayalı fotovoltaik teknolojisi için difüzyon yollarının analizi". Güneş Enerjisi . 74 (4): 331–340. Bibcode : 2003SoEn...74..331P . doi : 10.1016/S0038-092X(03)00151-8 .
Markvart, Tomas, ed. (Temmuz 2000). Güneş enerjisi (2. baskı). Wiley. s. 298 . ISBN'si 978-0-471-98852-6.

Dış bağlantılar

İlgili Ortam Maksimum güç noktası izleyici Wikimedia Commons

Daniel F. Butay tarafından MPPT izci ( Microchip PIC tabanlı)

Languages

In other projects