Кіріспе

Күн элементтерінің энергиясын алу әдісі

Максималды қуат нүктесін қадағалау (МҚНҚ) немесе кейде жай ғана қуат нүктесін қадағалау (ҚНҚ) – жағдайлар өзгеретін кезде энергияны барынша алу үшін өзгермелі қуат көздерімен қолданылатын техника. Бұл техника көбінесе фотоэлектрлік (PV) күн жүйелерінде қолданылады, бірақ сондай-ақ жел турбиналарында, оптикалық қуат беруде және термофотоэлектрде де қолданылуы мүмкін. PV күн жүйелері инвертор жүйелерімен, сыртқы желілермен, аккумуляторлармен және басқа да электр жүктемелерімен әртүрлі байланыстарда болады. МҚНҚ шешетін негізгі мәселе – күн элементінен қуат беру тиімділігі қолданылатын күн сәулесінің мөлшеріне, көлеңкеге, күн панелінің температурасына және жүктеменің электрлік сипаттамаларына байланысты. Осы жағдайлар өзгеретін кезде ең жоғары қуат беруді қамтамасыз ететін жүктеме сипаттамасы (импеданс) өзгереді. Жүйе жүктеме сипаттамасын өзгерту арқылы қуат беру тиімділігін максималды деңгейде ұстау үшін оңтайландырылады. Бұл оңтайлы жүктеме сипаттамасы максималды қуат нүктесі (МҚН) деп аталады. МҚНҚ – жағдайлар өзгеретін кезде жүктеме сипаттамасын реттеу процесі. Схемалар фотоэлектрлік элементтерге оңтайлы жүктеме беру үшін жасалуы мүмкін, содан кейін кернеуді, токты немесе жиілікті басқа құрылғыларға немесе жүйелерге сәйкес келтіруге болады. Күн элементтерінің температура мен жалпы кедергі арасындағы сызықтық емес байланысын ток-кернеу (I V) қисығы және қуат-кернеу (P V) қисықтары негізінде талдауға болады. МҚНҚ жасушаның шығысын өлшеп, максималды қуат алу үшін тиісті кедергіні (жүктемені) қолданады. МҚНҚ құрылғылары әдетте электр қуатын түрлендіретін жүйеге біріктіріледі, ол кернеуді немесе токты түрлендіруді, сүзгілеуді және электр желілерін, аккумуляторларды немесе моторларды қоса алғанда, әртүрлі жүктемелерді басқару үшін реттеуді қамтамасыз етеді. Күн инверторлары тұрақты токты айнымалы токқа түрлендіреді және МҚНҚ мүмкіндігімен жабдықталуы мүмкін. МҚН-дегі қуат (Pmpp) – МҚН кернеуінің (Vmpp) және МҚН тогының (Impp) көбейтіндісі. Жалпы, жартылай көлеңкеленген күн массивінің P V қисығында бірнеше максимум болуы мүмкін, ал кейбір алгоритмдер қисықтың жаһандық максимумына емес, жергілікті максимумда тоқтап қалуы мүмкін.

Өмірбаян

Фотоэлектрлік жасушалардың жұмыс жағдайы мен олардың өндіретін қуаты арасында күрделі байланыс бар. Толықтыру коэффициенті (FF) жасушаның сызықтық емес электрлік қасиеттерін сипаттайды. Толықтыру коэффициенті жасушадан алынатын максималды қуаттың, ашық тізбектегі кернеудің (Voc) және қысқа тізбектегі ток (Isc) көбейтіндісіне қатынасы ретінде анықталады. Кестелік деректер көбінесе нақты жағдайларда жасушаның оңтайлы жүктемемен қамтамасыз ететін максималды қуатын бағалау үшін қолданылады:

Көптеген жағдайларда FF, Voc және Isc жасушаның электрлік қасиеттерін әдеттегі жағдайларда бағалау үшін жеткілікті ақпарат болып табылады. Кез келген жағдайлар жиынтығы үшін жасушада ток (I) және кернеу (V) мәндері максималды қуатты шығаруға мүмкіндік беретін жалғыз жұмыс нүктесі болады. Бұл мәндер Ом заңымен көрсетілгендей V/I-ге тең жүктеме кедергісіне сәйкес келеді. Қуат P, P=V I формуласымен есептеледі. Фотоэлектрлік жасушаның көп бөлігінде тұрақты ток көзі ретінде жұмыс істейді. Дегенмен, фотоэлектрлік жасушаның ЖМҚ (Maximum Power Point) аймағында, оның қисығы ток пен кернеу арасындағы кері экспоненциалдық қатынасқа ие. Негізгі тізбек теориясы бойынша, құрылғыға берілетін қуат ЖМҚ-да оптималды болады, онда I-V қисығының dI/dV туындысы I/V қатынасына тең және қарама-қарсы (яғни dP/dV=0), және қисықтың "бұрылыс" нүктесіне сәйкес келеді. Осы мәннің кері шамасына тең кедергісі R=V/I бар жүктеме құрылғыдан максималды қуатты алады. Бұл кейде жасушаның "сипаттамалық кедергісі" деп аталады. Бұл жарықтандыру деңгейіне, сондай-ақ температура және жасушаның жағдайы сияқты басқа факторларға байланысты өзгеретін динамикалық шама. Кедергінің төмендеуі немесе артуы қуатты азайтады. Максималды қуат нүктесін іздеу құрылғылары осы нүктені анықтау үшін басқару тізбектерін немесе логиканы пайдаланады. Егер толық қуат кернеуінің (P-V) қисығы қолжетімді болса, онда максималды қуат нүктесін табу үшін бөлшектік әдіс қолданылуы мүмкін.

Іске асыру

Жүкті тікелей элементке қосылғанда, панельдің жұмыс нүктесі көбінесе ең жоғары қуатта болмайды. Панель көретін кедергі оның жұмыс нүктесін анықтайды. Импедансты дұрыс реттеу ең жоғары қуатқа қол жеткізуге мүмкіндік береді. Панельдер DC құрылғылары болғандықтан, DC-DC түрлендіргіштері бір тізбектің (көздің) импедансын екінші тізбекке (жүкке) түрлендіреді. DC-DC түрлендіргіштің жұмыс циклын өзгерту элементтің көретін кедергісін (жұмыс циклын) өзгертеді. Панельдің I-V қисығына сәулелену және температура сияқты атмосфералық жағдайлар елеулі әсер ете алады. MPPT алгоритмдері жиі панельдің кернеуі мен тогын өлшейді, содан кейін жұмыс циклын тиісінше реттейді. Микроконтроллерлер осы алгоритмдерді іске асырады. Қазіргі заманғы жүзеге асырулар көбінесе талдау және жүктемені болжау үшін күрделі компьютерлерді қолданады.

Жіктеу

Бақылаушылар қуат шығысын оңтайландыру үшін бірнеше стратегияларды қолдана алады. МППТ-лар жағдайларға қарай әртүрлі алгоритмдерге көше алады.

Көңілді қалдыру және бақылау

Бұл әдісте басқарушы массивтен келетін кернеуді аздап өзгертеді және қуатты өлшейді; егер қуат артатын болса, қуат енді өспейінше сол бағыттағы түзетулер жалғастырылады. Бұл perturb and observe (P&O) деп аталады және ең көп қолданылатын әдіс, бірақ бұл әдіс қуат шығысының құбылуына себеп болуы мүмкін. Оны «дөңгелекке көтерілу» әдісі деп те атайды, себебі ол ең жоғары қуат нүктесіне дейін кернеуге қарсы қуат қисығының өсуіне, ал одан жоғары – төмендеуіне байланысты. «Қайғырту және бақылау» әдісі оңай іске асырылуының арқасында ең көп қолданылады. Дұрыс болжау және бейімделуге қабілетті дөңгелекке көтерілу стратегиясы қолданылса, «қайғырту және бақылау» әдісі жоғары тиімділікке қол жеткізуге мүмкіндік береді.

Үдемелі өткізгіштік

Бұл әдісте басқарушы кернеудің өзгеруінің әсерін болжау үшін ток пен кернеудің ұлғайып өсетін өзгерістерін өлшейді. Бұл әдіс басқарушыда көбірек есептеулерді қажет етеді, бірақ P&O әдісіне қарағанда өзгеріп жатқан жағдайларды жылдамрақ анықтай алады. Шығыс қуаты тербелмейді. Кернеуге қатысты қуаттың өзгеру белгісін есептеу үшін фотоэлектрлік тізімнің инкременттік өткізгіштігі қолданылады. Инкременттік өткізгіштік әдісі ең жоғары қуат нүктесін (МЖҚН) инкременттік өткізгіштікті тізімнің өткізгіштігімен салыстыру арқылы анықтайды. Егер бұл екеуі тең болса, шығыс кернеуі МЖҚН кернеуіне тең болады. Бақылаушы осы кернеуді сәулелену өзгергенше сақтайды, содан кейін процесс қайталанады. Инкременттік өткізгіштік әдісі МЖҚН-де және тізімнен шығатын ток кернеудің функциясы ретінде өрнектеледі деген байқауға негізделген: Сондықтан, оны нөлге теңегенде: Демек, МЖҚН-ге инкременттік өткізгіштік мигдік өткізгіштіктің теріс мәніне тең болғанда жетеді. Қуат-кернеу қисығының сипаттамасы мынаны көрсетеді: кернеу МЖҚН-нен кішкентай болғанда, сондықтан; кернеу МЖҚН-нен үлкен болғанда, немесе Осылайша, трекер ток/кернеудің өзгеруі мен ток пен кернеудің арақатынасын есептеу арқылы қуат-кернеу қисығында қай жерде екенін біле алады.

Ағымдағы сыпыру

Ағымдағы сыпыру әдісі массивтік ток үшін сыпыру толқынының формасын қолданады, осылайша фотоэлектрлік массивінің (PV массивінің) I-V сипаттамасы алынып, белгілі бір уақыт интервалдарында жаңартылады. Содан кейін, ең жоғары қуат нүктесіндегі (МПП) кернеу осы интервалдарда сипаттама қисығынан есептелінеді.

Артықшылықтар

Қарапайымдық: Бұл алгоритм бір сызықтық теңдеуді шешеді. Сондықтан, ол аз есептеулерді қажет етеді. Оны аналогтық немесе цифрлық тізбек ретінде жүзеге асыруға болады. Температура уақыт өте баяу өзгеретіндіктен, тербеліс және тұрақсыздық мәселе тудырмайды. Төмен құн: температура сенсорлары әдетте арзан болады. Шуға төзімді.

Кемшіліктер

Төмен сәулелену деңгейлерінде (мысалы, 200 Вт/м²-ден төмен) бағалау қателігі аз болуы мүмкін емес.

Әдістерді салыстыру

P&O және инкременттік өткізгіштік екеуі де массивтің жұмыс жағдайы үшін қуат қисығының жергілікті максимумдарын табуға мүмкіндік беретін "тауға шығу" әдістерінің мысалдары болып табылады, сондықтан нақты MPP қамтамасыз етеді. (және т.б.) Бұл архитектураның мәні – кейбір модульдердің қуаттың максималды нүктесінен (MPP) төмен жұмыс істеуіне, нәтижесінде тиімділік төмендеуіне әкеледі. Оның орнына, әрбір модуль үшін жеке MPPT қолданылуы мүмкін, бұл тең емес көлеңке түсуіне, ластануға немесе электрлік үйлесімсіздікке қарамастан, олардың ең жоғары тиімділікпен жұмыс істеуіне мүмкіндік береді. Деректерге сәйкес, шығыс және батысқа қараған модульдердің саны бірдей болатын жобада бір MPPT-мен жабдықталған бір инвертордың пайдалануы, екі инвертор немесе бір MPPT-ден астам MPPT-мен жабдықталған бір инверторды пайдаланумен салыстырғанда ешқандай кемшіліктерге алып келмейді.

Батареямен жұмыс істеу

Түнде желіден тыс фотоэлектрлік жүйе жүктемелерді қуатпен қамтамасыз ету үшін аккумуляторларды пайдалана алады. Толық зарядталған аккумулятордың кернеуі фотоэлектрлік панельдің МДТ кернеуіне жақын болуы мүмкін, бірақ күн шыққанда аккумулятор ішінара зарядталған кезде бұл рас емес болуы мүмкін. Зарядтау PV панелінің МДТ кернеуінен едәуір төмен кернеуде басталуы мүмкін, ал МДТЖ бұл үйлесімсіздікті шеше алады. Аккумуляторлар толық зарядталғанда және фотоэлектрлік энергияның өндірісі жергілікті жүктемеден асып кеткенде, МДТЖ панельді оның МДТ-сында жұмыс істете алмайды, себебі артық қуатты сіңіруге ешқандай жүктеме болмайды. Сонда МДТЖ PV панелінің жұмыс нүктесін өндіріс сұранысқа сәйкес келгенше ең жоғары қуат нүктесінен ауыстыруға мәжбүр болады. (Ғарыш аппараттарында жиі қолданылатын баламалы тәсіл – артық PV қуатын кедергілік жүктемеге бағыттап, панельді мүмкіндігінше салқын ұстау үшін панельдің үздіксіз түрде ең жоғары қуат нүктесінде жұмыс істеуіне мүмкіндік беру.) Желіге қосылған жүйеде күн модульдерінен түсетін барлық қуат желіге жіберіледі. Сондықтан желіге қосылған жүйедегі МДТЖ әрқашан МДТ-да жұмыс істеуге тырысады.