دانلود رایگان ترجمه مقاله مدل تابشی گرای ماژول های فتوولتائیک با محیط Matlab / Simulink – الزویر ۲۰۱۰

مدل تابش-گرا برای ماژول فتوولتائیک با استفاده از Matlab / Simulink

Insolation-oriented model of photovoltaic module using Matlab/Simulink

چکیده
این مقاله، یک مدل جدید را برای ماژول فتوولتائیک (PV) ارائه می دهد که با استفاده از نرم افزار Matlab / Simulink پیاده سازی و تحلیل می شود. با توجه به اثر تابش نور خورشید روی دمای سلول، مدل ارائه شده، دمای محیط را به عنوان ورودی مرجع در نظر می گیرد و از تابش خورشیدی به عنوان یک پارامتر متغیر منحصر به فرد استفاده می نماید. سپس دمای سلول به صراحت توسط شدت نور خورشید تحت تاثیر قرار می گیرد. مشخصات جریان و توان خروجی با استفاده از مدل ارائه شده PV شبیه سازی می شود. تایید مدل از طریق اندازه گیری تجربی صورت می گیرد. تاثیر تابش خورشیدی بر دمای سلول باعث می شود که مشخصه خروجی عملی تر به نظر برسد. علاوه بر این، مدل PV تابش-گرا، تجزیه و تحلیل پویایی سیستم قدرت PV و بهینه سازی را به راحتی با استفاده از پارامترهای زیست محیطی درجه حرارت محیط و تابش خورشید میسر می سازد.

۱٫ مقدمه
امروزه، مردم در مورد سوخت فسیلی مصرف شده در نرخ کنونی بالا و همچنین آسیب زیست محیطی ناشی از تولید برق معمولی بسیار نگران هستند. منابع انرژی تجدید پذیر، نقش قابل توجهی در تامین انرژی جهان در آینده آینده ایفا خواهند نمود. در میان منابع انرژی تجدید پذیر، انرژی خورشیدی به دلیل حضور آن در همه جا ، فراوانی، و پایداری، ضروری ترین و منبع پیش شرط انرژی پایدار است. صرف نظر از تناوب نور خورشید، انرژی خورشیدی به طور گسترده ای در دسترس است و هزینه آن کاملا رایگان است. به تازگی، سیستم فتوولتائیک (PV) که به خوبی شناخته شده است و به طور گسترده ای برای تبدیل انرژی خورشیدی در کاربردهای برق مورد استفاده قرار گرفته است. این منبع انرژی می تواند در حال حاضر برق مستقیم (DC) را بدون اثرات زیست محیطی و انتشار از طریق تابش خورشیدی تولید کند. به عنوان یک دستگاه نیمه هادی، سیستم PV استاتیک، کامل، و عاری از قطعات متحرک است. این مشخصات باعث شده است که هزینه های بهره برداری و نگهداری آن بسیار کم باشد.
سلول PV نشان دهنده واحد تبدیل اساسی یک سیستم ژنراتور برق PV است. تابش خورشیدی، دمای سلول PV و ولتاژ عملیاتی به شدت مشخصات جریان خروجی و قدرت PV را تحت تاثیر قرار می دهد. با مشخصات غیر خطی، مدل PV برای اولین بار برای طراحی ردیاب حداکثر نقطه توان (MPPT) برای کاربردهای سیستم PV ساخته شده است. بسیاری از مدل های PV ریاضی در شبیه سازی کامپیوتری برای بیش از سه دهه گذشته ساخته شده اند (Angrist، ۱۹۸۲؛ Tsai و همکاران، ۲۰۰۸). این مدل ها به طور استادانه مشخصات خروجی را توصیف می کنند که به طور عمده توسط تابش خورشیدی، دمای سلول، و ولتاژ بار تحت تاثیر قرار می گیرد. در واقع، ناحیه مادون قرمز (IR) طیف خورشیدی با حدود ۴۲٪ از انرژی خورشیدی، گرما تولید می کند و به افزایش درجه حرارت در سلول های خورشیدی مبتنی بر نیمه هادی معمولی کمک می کند. دمای سلول عمدتاً وابسته به شدت تابش و دمای محیط (Messenger و Ventre، ۲۰۰۰) است. علاوه بر این، افزایش تابش، جریان نوری را بالا می برد اما به تخریب دمای اضافی جریان PV و توان خروجی منجر می شود (Patel، ۱۹۹۹). کار قبلی (Tsai و همکاران، ۲۰۰۸) نشان داد که تمام مدل های PV بدون در نظر گرفتن اثر شدت نور خورشید بر دمای سلول ساخته می شوند. این کار به من انگیزه داد تا یک مدل PV شدت-گرای نور خورشید را با در نظر گرفتن اثر تابش بر دمای سلول توسعه دهم. به تازگی، تعدادی از بسته های نرم افزاری شبیه سازی الکترونیک مبتنی بر مولفه توانی، مانند SPICE و محیط Matlab / Simulink، در طراحی و توسعه کاربردهای الکترونیک قدرت محبوب شده اند. یک کتابخانه سلول خورشیدی که جدید بود، در R2008b در جعبه ابزار Sim Electronics 1.3 نرم افزار Simulink می باشد. با این حال، این مدل های پیاده سازی شده توسط SPICE و Matlab / Simulink برای کاربردهای واقعی مناسب نیستند چرا که آنها اثر شدت نور خورشید در دمای سلول را در نظر نمی گیرند. یکپارچگی مدل های PV با مدل توربین بادی در ابزار محیط Matlab / Simulink SimPowerSystem برای تجزیه و تحلیل و طراحی سیستم های قدرت تجدید پذیر مناسب تر است. بر اساس مدل PV عمومی (Tsai و همکاران، ۲۰۰۸)، این مقاله بیشتر یک مدل PV جدید را به طور مستقیم برای در نظر گرفتن اثر شدت نور خورشید در دمای سلول پیاده سازی می نماید.
سهم اصلی این مقاله، اجرای مدل PV تابش-گرا است که می تواند استراتژی کاربر از الگوریتم MPPT را با در نظر گرفتن اثر تابش نور خورشید در دمای سلول توجیه نماید. تایید مدل ارائه PV شده با انجام یک سری از اندازه گیری های تجربی تایید می شود.

Abstract

This paper presents a novel model of photovoltaic (PV) module which is implemented and analyzed using Matlab/Simulink software package. Taking the effect of sunlight irradiance on the cell temperature, the proposed model takes ambient temperature as reference input and uses the solar insolation as a unique varying parameter. The cell temperature is then explicitly affected by the sunlight intensity. The output current and power characteristics are simulated and analyzed using the proposed PV model. The model verification has been confirmed through an experimental measurement. The impact of solar irradiation on cell temperature makes the output characteristic more practical. In addition, the insolation-oriented PV model enables the dynamics of PV power system to be analyzed and optimized more easily by applying the environmental parameters of ambient temperature and solar irradiance.

۱٫ Introduction

Nowadays, people are much concerned with the fossil fuel consumed at the present high rate as well as the environmental damage caused by the conventional power generation. Renewable energy resources will play a significant role in the world energy supply in the upcoming future. Among the renewable energy resources, solar energy is the most essential and prerequisite resource of sustainable energy because of its ubiquity, abundance, and sustainability. Regardless of the intermittency of sunlight, solar energy is widely available and completely free of cost. Recently, photovoltaic (PV) system is well recognized and widely utilized to convert the solar energy for electric power applications. It can generate direct current (DC) electricity without environmental impact and emission by way of solar radiation. Being a semiconductor device, the PV system is static, quite, and free of moving parts. These characteristics make it need very small operation and maintenance costs. PV cell represents the fundamental conversion unit of a PV power generator system. Solar insolation, PV’s cell temperature and operating voltage strongly influence the output current and power characteristics of PV. With nonlinear characteristics, PV model is first built to design the maximum power point tracker (MPPT) for PV system applications. Many mathematical PV models for in computer simulation have been built for over the past three decades (Angrist, 1982; Tsai et al., 2008). These models elaborately describe the output characteristics mainly affected by the solar insolation, cell temperature, and load voltage. In fact, the infrared (IR) region of the solar spectrum with about 42% solar energy generates waste heat and contributes to the increase of operating temperature in conventional semiconductor- based solar cells. The cell temperature is mainly dependent on the irradiance intensity and ambient temperature (Messenger and Ventre, 2000). In addition, the increase in irradiance would enhance the photocurrent but results in additional temperature degradation of PV current and power outputs (Patel, 1999). The previous work (Tsai et al., 2008) found that all PV models are built without considering the effect of sunlight intensity on cell temperature. This motivates me to develop a sunlight intensity-oriented PV model by taking the insolation effect on cell temperature into consideration. Recently, a number of powerful component-based electronics simulation software packages, such as SPICE and Matlab/Simulink, have become popular in the design and development of power electronics applications. A solar cell library that was new in R2008b is in SimElectronics 1.3 toolbox of Simulink. However, these models implemented by SPICE and Matlab/Simulink are not suitable for real applications because that they do not consider the effect of sunlight intensity on cell temperature. To integrate PV models with the wind turbine models in Matlab/ Simulink SimPowerSystem tool is more suitable for analysis and design of renewable power system. Based on the generalized PV model (Tsai et al., 2008), this paper further implements a novel PV model by directly taking the effect of sunlight intensity on cell temperature. The main contribution of this paper is the implementation of an insolation-oriented PV model, which can justify the user’s strategy of MPPT algorithm by taking account of the sunlight insolation effect on the cell temperature. The verification of the proposed PV model has bee confirmed by conducting a series of measurement through an experimental rig.