محاسبات طراحی نیروگاه خورشیدی

برای طراحی نیروگاه خورشیدی ابتدا باید میزان مصرف انرژی وسایل و محاسبات آنها را انجام بدهیم سپس با توجه به نیاز می توانیم وات و تعداد پنل خورشیدی، شارژ کنترلر، باتری خورشیدی، اینورتر، وسایل حفاظتی و کابل ها را مشخص کرد.

اجزای اصلی نیروگاه خورشیدی عبارتند از:

ماژول PV که نورخورشید رو به برق DC تبدیل می کند.

اینورتر که برق DC تولید شده توسط پنل های خورشیدی را به برق AC مصرفی بارهای AC تبدیل می کند.

شارژ کنترلر که ولتاژ و جریان خروجی از پنل به سمت باتری را تنظیم می کند و  از باتری در مقابل شارژ و دشارژ بیش از حد حفاظت می کند که موجب افزایش طول عمر باتری می شود.

باتری که برای ذخیره انرژی مورد نیاز وسایل برقی در طول شب و در روزهای ابری مورد استفاده قرار می گیرد.

محاسبات نیروگاه خورشیدی

گام ۱:تعیین میزان مصرف توان

اولین مرحله در طراحی سیستم فتوولتاییک خورشیدی این است که کل توان و انرژی مصرفی برای تمام بارهایی که نیاز به تغذیه دارند را مشخص کنیم:

۱–۱٫ میزان وات ساعت مصرفی هر وسیله را در طی یک روز محاسبه کنید. سپس مقادیر وات ساعت های مصرفی کلیة وسایل را برای یک روز با هم جمع کنید.

برای مثال ما، وسایل برقی به قرار زیر است (انتخاب وسایل کم مصرف در سیستم خورشیدی دارای اهمیت است):

• یک لامپ فلورسنت ۱۸ وات با ۴ ساعت استفاده در روز
• یک فن ۶۰ واتی با ۲ ساعت استفاده در روز
• یک یخچال ۷۵ واتی با ۲۴ ساعت کار در روز ( که کمپرسور در ۱۲ ساعت کار می کند و در ۱۲ ساعت خاموش)

۲–۱٫ عدد بدست آمده را در ۱٫۳ (بعضا ۱٫۲ رو هم در نظر می گیرن) ضرب کنید تا میزان وات ساعتی که پنل باید در طی یک روز تولید کند بدست بیاید. (ضریب ۱٫۳ میزان تلفات انرژی در سیستم است).

گام ۲: تعیین اندازة ماژول PV

سایزهای مختلف پنل های PV مقادیر متفاوت توان تولید می کنند. هر چه اندازة پنل بزرگتر باشد به همان میزان توان بیشتری تولید خواهد نمود. برای مشخص کردن اندازة ماژول PV، باید ابتدا بیشترین توان تولیدی را بدست آوریم. بیشترین توان تولیدی یا وات پیک( Wp) بستگی به ماژول PV و آب و هوای منطقة مورد نظر دارد. بدین منظور به فاکتوری به نام “پتانسیل تابش” که در هر مکانی متفاوت است نیاز داریم. (برای مشاهده ضریب تابش در نقاط مختلف ایران کلیک کنید).

برای تعیین اندازة ماژول به طریق زیر عمل می کنیم:

۱-۲) محاسبة وات پیک کل ( Wp Total ): میزان کل وات ساعت هایی که در طول روز نیاز داریم تا توسط ماژول تولید شود ( عدد بدست آمده از قسمت ۲-۱ ) را بر ضریب تابش تقسیم کنید تا وات پیک کلی که توسط پنل ها باید تولید شود بدست آید.

با فرض در نظر گرفت ضریب تابش ۳٫۴ خواهیم داشت:

۲-۲) محاسبة تعداد پنل های مورد نیاز برای سیستم: جواب بدست آمده از قسمت ۱ – ۲ را بر توان نامی پنل هایی که در اختیار دارید تقسیم کرده و حاصل بدست آمده را به سمت عدد صحیح بزرگتر گرد کنید. جواب، تعداد پنل هایی که باید استفاده کنید را مشخص می کند.

البته باید توجه داشت که حاصل این محاسبه حداقل پنل هایی که باید استفاده کنیم را مشخص می کند. مسلماً اگر پنل های بیشتری استفاده کنیم عملکرد سیستم بهتر خواهد بود و همچنین طول عمر باطری هم افزایش خواهد یافت.

مشخصات پنل در نظر گرفته شده:
Pm = 110 wp
Vm = 16.7 Vdc
Im = 6.6 a
Voc = 20.7 v
Isc = 7.5 a

بنابراین ۴ پنل ۱۱۰ واتی در نظر گرفته می شود.

گام ۳: انتخاب اینورتر

ابتدا بگذارید از اینجا شروع کنیم که وسایل الکتریکی دو نوع هستند :

وسایل برقی معمولی (مقاومتی ): این نوع وسایل در هنگام راه اندازی جریانی زیادتر از جریان حالت دائم کار خود از مدار نمی کشند. (البته در هنگام راه اندازی کمی زیادتر جریان دریافت می کنند ولی آنقدر زیاد نیست که در محاسبات تاثیر داشته باشد)

وسایل برقی دارای موتور: این وسایل در هنگام راه اندازی یک جریان راه انداز دارند یعنی جریان هنگام راه اندازی چند برابر جریان حالت دائم کار آنهاست.

پس در انتخاب اینورتر باید به این نکته توجه کرد که وسایل ما از کدام نوع هستند. اگر وسایل برقی موتوری را می خواهیم با اینورتر راه اندازی کنیم توان راه اندازی اینورتر باید حداقل هشت برابر توان وسیله موتوری باشد تا بتواند جریان گذرا یا جریان راه اندازی موتور را تامین کند. البته راه دیگر این است که بجای چند برابر کردن توان اینورتر می توانیم از سافت استارتر استفاده کنیم .

نکته: سافت استارتر وسیله ای است برای راه اندازی آرام موتور است یعنی جریان راه اندازی را در موتور کاهش می دهد. که این عامل علاوه بر کاهش تنش های میکانیکی موتور، تنش های الکتریکی را نیز کاهش می دهد و باعث افزایش طول عمر موتور می شود.

ما فرض می گیریم که سافت استارتر برای راه اندازی موتور یخچال داریم.

نکته: توان واقعی یا توان دائم کار همانطور که از نامش معلوم است به توانی می گویند که اگر ما آن توان را برای ساعت ها از وسیله دریافت کنیم هیچ گونه افت توان، داغ شدگی یا خاموشی دستگاه را شاهد نباشیم.

در صورت نیاز به خروجی AC بایستی از یک اینورتر استفاده کنیم. نکتة بسیار مهم در انتخاب اینورتر این است که ورودی اینورتر به هیچ وجه نبایستی از مجموع توان تمام وسایل برقی کمتر باشد. همچنین ولتاژ نامی اینورتر باید با ولتاژ بانک باتریها  برابر باشد.

برای سیستم های مستقل، اینورتر باید به اندازة کافی بزرگ باشد تا بتواند تمام وات مصرفی را تأمین نماید. اندازة اینورتر بین ۲۵ تا ۳۰ درصد بزرگتر از مجموع توان تمامی وسایل در نظر گرفته می شود . اگر از موتور یا کمپرسور استفاده نماییم اندازة اینورتر باید حداقل ۳ برابر ظرفیت آنها باشد تا بتواند جریان ضربه را تحمل کند.

برای سیستم های متصل به شبکه، ورودی اینورتر باید با آرایة PV برابر باشد تا عملکرد سیستم ایمن و مؤثر باشد.۴

یک اینورتر ۲۰۰ واتی در نظر گرفته می شود.

گام ۴: تعیین اندازة باتری

نوع باتری توصیه شده در سیستم های خورشیدی باتریهای دیپ سایکل (باتری با سیکل زیاد) است. در واقع باتری های مورد استفاده در سیستم های PV خورشیدی باید قابلیت این را داشته باشند که تا پایین ترین سطح انرژی دشارژ شده و سپس به سرعت شارژ شوند. (عموماً از باتری های لید اسید خشک استفاده می شود). همچنین ظرفیت آنها به اندازه ای باشد که بتواند وسایل و تجهیزات مورد استفاده را در شب و روزهای ابری به راه بیاندازد.

برای تعیین اندازة باتری به طریق زیر عمل می کنیم:

۱–۴٫ مجموع وات ساعت مصرفی کلیة وسایل را در طول یک روز محاسبه کنید.
۲–۴٫ عدد بدست آمده را بر ۰٫۸۵ تقسیم کنید ( به خاطر تلفات باطری ).
۳–۴٫ حاصل را بر ۰٫۶ تقسیم کنید ( به خاطر عمق دشارژ dod).
۴–۴٫ این عدد را بر ولتاژ نامی باتری تقسیم نمایید.
۵–۴٫ حال این عدد را در تعداد روزهایی که تابش خورشید وجود ندارد یا همان روزهای ابری (یعنی تعداد روزهایی که در واقع پنل ها توانی تولید نمی کنند) که نیاز داریم از سیستم ولتاژ بگیریم؛ ضرب کنید. ( معمولاً بین ۳ تا ۵ روز که بیشتر شرکتها ۲ روز رو با توجه به منطقه در نظر می گیرند)

می توان  ۶ باتری ۱۰۰ آمپری ۱۲ ولت در نظر گرفته شود.

گام ۵: تعیین اندازة شارژ کنترلر خورشیدی

شارژ کنترلر عموماً بر مبنای ظرفیت ولتاژ و جریان ارزیابی می شود . ولتاژ بایستی مطابق با باتری و آرایة PV در نظر گرفته شده و همین طور بتواند جریان آرایة PV را تحمل کند .
برای شارژ کنترلرهای نوع سری ، اندازة کنترلر بستگی به جریان ورودی کل PV که وارد کنترلر می شود و همچنین ساختار پنل PV دارد (سری یا موازی).
به طور استاندارد برای تعیین اندازة شارژ کنترلر جریان مدار کوتاه آرایة PV ( Isc ) را در عدد ۱٫۳ ضرب می کنند.

بنابراین یک شارژ کنترلر ۴۰ یا ۴۵ آمپری ۱۲ ولت را انتخاب می کنیم.

یو پی اس UPS

یو پی اس (UPS) با توپولوژی Passive Standby: شکل زیر نوع یو پی اس با تکنولوژی نامبرده را نشان می دهد. همانطور که دیده می شود اینورتر بصورت سری وصل گردیده است و به سادگی برای پشتیبانی تغذیه اصلی کمک می کند.
وقتی ولتاژ تغذیه ورودی AC از محدوده های مشخص شده خارج شود یا قطع گردد.اینورتر یو پی اس با استفاده از باتری فعال می گرددو تداوم تغذیه بار را با زمان سویئچینگ خیلی کوتاه (عموماً کمتر از ۱۰ میلی ثانیه) در حالت انرزی ذخیره شدهتضمین می کند.بار مستقیماًبه اینورتر یا از طریق سویئچ یو پی اس که می تواند الکترونیک یا الکترومکانیکی باشد منتقل می شود.
یو پی اس برای مدت زمان پشتیبانی روی تغذیه باتری به کار ادامه می دهد،زمانی کهولتاژ تغذیه ورودی AC به محدوده های مشخص شده تبدیل یا وصل می گردد، یو پی اس به حالت عادی خود بر می گردد.
مزایای این نوع یو پی اس عبارتند از:

• طراحی ساده
• قیمت پایین
• اندازه کوچک

معایب آن عبارتند از :

• عدم ایزولاسیون واقعی بار از سیستم توزیع برق اصلی
• زمان سویئچینگ زیاد
• عدم تنظیم ولتاژ و فرکانس خروجی
• عدم تنظیم فرکانس خروجی که به تغذیه اصلی ورودی AC بستگی دارد.

این نوع یو پی اس در بازار اغلب به یو پی اس نوع Off-Line معروف شده است.
بنابرین این نوع توپولوژی فقط برای نرخ های توان پایین (کمتر از ۶KVA)استفاده می گردد.برای تبدیل و تغییر فرکانس نمی تواند استفاده گردد.

————————————– پروژه شبیه سازی UPS در سیمولینک متلب ——————————-

1. یو پی اس با توپولوژی Line-interactive: شکل زیر یو پی اس با توپولوژی Line-interactive را نشان می دهد . در این توپولوژی اینورتر به صورت موازی وصل شده است وبا منبع تغذیه پشتیبان عمل می کند و نیز باتری را شارز می کند .
   استاندارد ها برای این نوع یو پی اس سه حالت عملکرد را تعریف می کند.
   • حالت عادی:
     بار با تغذیه اصلی محدود شده و از طریق اتصال موازی اینورتر یو پی اس با تغذیه AC اصلی تغذیه می گردد. فرکانس خروجی به فرکانس ورودی اصلی AC وابسته است.
   • حالت انرزی ذخیره:
     وقتی که ولتاژ تغذیه ورودی AC از محدوده های از قبل تنظیم شده یو پی اس خارج شود یا قطع گردد،اینورترو باتری تداوم تغذیه بار را حفظ می کند.سویئچ(برای مثال یک سویئچ استاتیک)تغذیه ورودی AC را برای پرهیز از تغذیه برگشتی از اینورتر قطع می کند.           ups برای مدت زمان انرژی ذخیره شده در این حالت کار می کند تا زمانیکه تغذیه ورودی AC وصل یا به محدوده های طراحی UPS باز گردد که در این حالت UPS به حالت عادی عملکرد خود باز می گردد .
   • حالت بای پس:
     ایننوع حالت UPS می تواند شامل یک مسیر بای پس نگهداری باشد.در هنگام بروز عیب داخلی در UPS بار میتواند مستقیماًاز طریق این مسیر بای پس به ورودی های بای پس وصل شود.
2. ups با توپولوژی Double Conversion: شکل زیر UPS یو پی اس با توپولوژی Double Conversion را نشان می دهد. اینورتر به صورت سری در بین ورودی AC و بار وصل شده است. تغذیه بار به صورت پیوسته از طریق اینورتر ادامه می یابد. استانداردها برای این نوع یو پی اس UPS نیز سه حالت عملکرد را تعریف می کنند.
   
   • حالت عادی:
     به طور پیوسته از ظریق ترکیب یکسوسازی/شارژر-اینورتر که تبدیل دوگانه AC-DC-AC را انجام می دهند. تغذیه می گردد که از ااینجا دلیل نامگذاری آن نیز مشخص می گردد.
   • حالت انرژی ذخیره:
     وقتی که ولتاژ ورودی AC از محدوده های از قبل تنظیم شده یو پی اس UPS خارج یا قطع گردد، اینورتر و باتری برای پشتیبانی تغذیه بار به کار ادامه می دهد. در این حالت یو پی اس UPS برای مدت زمان انرژی ذخیره شده به کار ادامه می دهد و یا تا زمانیکه تغذیه ورودی AC به محدوده های از قبل تنظیم شده یو پی اس UPS بازگردد که در این صورت به حالت عادی خود برمی گردد.
   • حالت بای پس:
     این نوع یو پی اس (UPS) عموماً به یک مسیریابی بای پس استاتیک (اغلب به نام یک سوئیچ استاتیک) تجهیز می شود. اگر این بای پس استاتیک در یو پی اس وجود داشته باشد، از این طریق بار می تواند بدون قطعی تحت شرایطی به طریق زیر به بای پس AC منتقل شود:
     • عیب داخلی یو پی اس (UPS)
     • ناپایداری های جریان بار
     • اضافه بار ها
     • اتمام زمان پشتیبانی باتری

   به هر حال وجود یک بای پس دلالت به این دارد که فرکانس های ورودی و خروجی بایستی معادل باشند و اینکه باید ترانسفورماتور در بای پس نصب شود، در حالیکه ولتاژهای ورودی و خروجی یکسان نباشند. یو پی اس (UPS) با منبع تغذیه AC بای پس برای تضمین انتقال بار بدون قطعی تغذیه همزمان گردد. لازم به ذکر است که مدار دیگری به نام بای پس نگهداری معمولا برای تضمین انتقال بار بدون قطعی تغذیه همزمان گردد. لازم به ذکر است که مدار دیگری به نام بای پس نگهداری معمولا برای تضمین انتقال بار بدون قطعی تغذیه برای هدف نگهداری یو پی اس (UPS) ارائه می شود. عملکرد آن توسط یک سوئیچ دستی انجام می گیرد.

3. مزایا:
   • حفاظت پیوسته بار از طریق اینورتر فراهم می شود، خواه تغذیه بار از ورودی AC یا از باتری نشئت گرفته باشد.
   • ایزولاسیون بار از سیستم توزیع برق که نتیجه انتقال هرگونه نوسانات مانند جهش های جریان و ولتاژ اضافه به طرف بار را حذف می کنند.
   • محدوده های وسیع ولتاژ ورودی و تنظیم دقیق ولتاژ خروجی
   • تنظیم دقیق فرکانس ورودی و امکان عملکرد یو پی اس UPS به عنوان مبدل فرکانس (اگر برای این منظور پیکر بندی شود) با غیر فعال کردن سوئیچ استاتیک
   • سطوح کارایی خیلی عالی تحت شرایط حالت گذار و حالت دائم
   • انتقال آنی به حالت انرژی ذخیره شده در هنگام بروز خرابی در منبع تغذیه AC
   • انتقال بدون وقفه به حالت بای پس

   عیب این نوع یو پی اس UPS ها قیمت بالای آن هاست که با وجود مزایای زیاد آن ها جبران می شود. کاملترین توپولوژی به منظور حفاظت بار ، امکانات تنظیم و سطوح کارایی بالا همین نوع توپولوژی Double Conversion می باشد که در بازار به تکنولوژی آنلاین معروف است. این نوع توپولوژی عملکرد بدون وقفه در طی انتقال های بار از حالت نرمال به حالت بای پس و به عکس را ممکن می سازد که این کار با استفاده از سوئیچ استاتیک انجام می شود. این نوع یو پی اس UPS همچنین، عدم وابستگی کامل ولتاژ و فرکانس خروجی را به ولتاژ و فرکانس ورودی تضمین می کنند. به واسطه مزایای زیاد اینگونه یو پی اس UPS ها، اغلب برای حفاظت بارهای بحرانی و کاربرد های حساس با نرخ های توان بالاتر از ۱۰KVA استفاده می شود.

آی جی بی تی IGBT

IGBT یکی از کلیدهای الکترونیک قدرت می باشد. ترانزیستور دو قطبی با درگاه عایق‌شده یا IGBT (کوتاه شده عبارت انگلیسی Insulated gate bipolar transistor) جز نیمه هادی قدرت بوده و در درجه اول به عنوان یک سوئیچ الکترونیکی استفاده می شود که در دستگاه های جدید برای بازده بالا و سوئیچینگ سریع استفاده میشود. این سوئیچ برق در بسیاری از لوازم مدرن از جمله خودروهای برقی، قطار، یخچال ها، تردمیل، دستگاه های تهویه مطبوع و حتی سیستم های استریو و تقویت کننده هااستفاده میشود. همچنین در ساخت انواع اینورترها،ترانسهای جوش و UPS کاربرد دارد.

در فرکانسهای بالای کلیدزنی از یک ترانزیستور جهت کنترل سطح ولتاژ DC استفاده میشود. با بالا رفتن فرکانس ترانزیستور دیگر خطی عمل نمی‌کند و نویز مخابراتی شدیدی را با توان بالا تولید میکند.به همین سبب در فرکانس کلیدزنی بالا از المان کم مصرف power MOSFET استفاده میشود. اما با بالا رفتن قدرت،تلفات آن نیز زیاد میشود.المان جدیدی به بازار آمده است که تمامی مزایای ۲قطعه فوق را دارد و دیگر معایب BJT و POWER MOSFET را ندارد.این قطعه جدید IGBT نام دارد.در طی سالهای اخیر بدلیل ارزانی و مزایای این قطعه از آن استفاده زیادی شده است.

آی جی بی تی IGBT (ترانزیستور دو قطبی با گیت عایق شده) یک نیمه هادی جدید و کاملاً صنعتی است که از ترکیب ۲ نوع ترانزیستور BJT و MOSFET ساخته شده است.بطوریکه از دید ورودی شما یک MOSFET را میبینید و از نظر خروجی یک BJT. BJTها و MOSFETها دارای خصوصیاتی هستند که از نقطه نظرهایی یکدیگر را تکمیل میکنند.

بی جی تی BJT ها در حالت روشن(وصل) دارای تلفات هدایتی کمتری هستند درحالیکه زمان سوئیچینگ آنها به خصوص در زمان خاموش شدن طولانی تر است. MOSFETها قادرند که به مراتب سریعتر قطع و وصل کنند بنابراین تلفات هدایت آنها بیشتر است. IGBT یک ترانزیستوری است که مزایای BJT و MOSFET را باهم دارد مثل:

امپدانس ورودی بالا مثل MOSFET
افت ولتاژ و تلفات کم مانند BJT
نظیر BJT دارای ولتاژ حالت روشن(وصل) کوچکی است.

اسامی پایه ها هم از روی همان اسامی قبلی انتخاب شده G از MOSFET و C,E از ترانزیستورهای BJT.در نتیجه با این ترکیب ساده شما المانی را استفاده میکنید دارای امپدانس بالای گیت و قابلیت تحمل ولتاژ بالا است.سرعت سوییچ کردن این نوع دارای محدودیت بوده بطور نمونه ۱KHz تا ۵۰KHz که در کل بین دو نوع BJT و MOSFET قرار میگیرد.و بخاطر امپدانس ورودی بسیار بالایی که دارد بسیار حساس می باشد.و بیشتر در کوره های القایی برای تقویت دامنه ولتاژ استفاده میشود. و در کل مورد استفاده این نوع ترانزیستورها بیشتر برای راه اندازی المانهای توان بالا می باشد.مهمترین و تقریباً تنها کارایی IGBT سوییچینگ جریانهای بالا میباشد

شبیه سازی ماشین القایی در متلب در 2 حالت با در نظر گرفتن اشباع و غیر اشباع

دانلود شبیه سازی متلب در ادامه مطلب

شبیه سازی ترانس با درنظر گرفتن حالت اشباع و غیر اشباع در متلب

دانلود در ادامه مطلب
          

شبیه سازی موتور DC تحریک مستقل در سیمولینک Matlab

شبیه سازی موتور DC تحریک مستقل در سیمولینکMatlab

استاتور موتور‌های جریان مستقیم توسط یک منبع خارجی تغذیه میشود که در نتیجه آن جریان جاری شده در استاتور یک میدان یکنواختی را زیر قطب‌ها به وجود می‌آورد حال اگر آرمیچر نیز توسط منبع خارجی و یا جریان خود استاتور تغذیه شود یک میدان مغناطیسی در آرمیچر نیز پدید خواهد آمد. از برهم کنش میدان‌های استاتور و آرمیچر چرخش حاصل میشود که نتیجه آن تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی خواهد بود. در موتورهای تحریک مستقل، تفذیه مدار تحریک از مدار آرمیچر جدا می باشد.

 

در این مطلب می توانید فایل شبیه سازی موتور تحریک مستقل در محیط سیمولینک نرم افزار Matlab را دریافت نمایید.

 دانلود در ادامه مطلب

شبیه سازی موتور dc shant

شبیه سازی موتور  dc shant به همراه گزارش کار کامل  در نرم افزار متلب

دانولد در ادامه مطلب

  

شبیه سازی فیلتر اکتیو سری و موازی در pscad

 دانلود در ادامه مطلب