وبلاگ

:
پایان نامه زیر به نحوه طراحی و ساخت مبدل DC-DC ایزوله شده با یک سطح ولتاژثابت dc ناشی از انرژی خورشیدی به یک سطح ولتاژکنترل شده خروجی با کیفیت مطلوب طراحی و ساخته شده است.
وجود ترانسفورمر ایزوله علاوه بر جداسازی الکتریکی خروجی از ورودی امکان خروجی های چند گانه و معکوس کننده جهت جریان را فراهم می سازد .ولتاژ ورودی این مبدل v dc 24و خروجی آن ولتاژ متغیر از 0 تا dc 220 با توان w 500 که تقریبا از توپولوژی push pull طبعیت شده و از 4 قسمت اساسی الف:منبع pv شامل 2 صفحه 12 ولتی ب : مبدل DC-AC  ج : ترانسفورمر ایزوله د: مبدل AC-DC
واژگان کلیدی:مبدل DC-DC –کانورتر-اینورتر
  کاربرد انرژی خورشیدی به عنوان یک منبع انرژی برای مصارف بزرگ از امیدهای آینده است.اشکال بزرگ در کاربرد انرژی خورشیدی،متمرکز نبودن،تناوبی بودن و ثابت نبودن مقدار تشعشع خورشید می‌باشد.اگر وسیله‌ایجهت متمرکز نمودن آن تهیه گردد،به طوری که نوسانات آنتأثیر زیادی بررویآن نگذارد،خورشید به یک منبع انرژی بزرگ مبدل می‌گردد که تا قرن‌هامی‌تواندتأمین کننده نیاز انرژی بشر باشد.با توجه به وضع انرژی در جهان و رشد جمعیت و مصرف انرژی،اگر به طور هوشمندانه رفتار شود ملاحظهمی‌گردد خورشید تنها منبع انرژی است که به وفور و بصورت رایگان و در همه ادوار در اختیار بشر می‌باشد.
در این فصل با سیستم‌های فتوولتائیک یا پنل های خورشیدی آشنا می‌شویم.این پنل ها با قرارگیری مناسب در معرض اشعه‌ی خورشید انرژیآن را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند در واقع پنل های خورشیدی از سلول‌های سیلیکونی ساخته می‌شوند و هنگامی که در معرض نور خورشید قرار می‌گیرند در اثر فعل و انفعالاتی در داخل آن حرکت الکترون‌ها را موجب شده و بدین طریق جریانDC را در خروجی این سلول و در کل آرایه‌ی فتوولتائیک خواهیم داشت.
1-1-سیستم‌های فتوولتائیک
سیستم‌های فتوولتائیک یكی ازپرمصرف‌ترین كاربرد انرژی نو می‌باشدوتاكنون سیستم‌های گوناگونی باظرفیت‌های مختلف 5/0وات تاچندمگاوات،درسراسرجهان نصب وراه اندازی شده است وباتوجه به قابلیت اطمینان وعملكرداین سیستم‌ها هر روزه برتعدادمتقاضیان آنهاافزوده می‌شود.از اینرو مطالعات زیادی پیرامون سیستم‌های فتوولتائیک در حال انجام است.
فتوولتائیک از دو کلمه فوتو که در زبان یونانی به معنای نور می‌باشد و کلمه ولتائیک به معنای الکتریسیته گرفته شده است لذا فتوولتائیک به معنای الکتریسیته نوری می‌باشد.به پدیده‌ای که در اثر تابش نور بدون استفاده از مکانیزم‌های محرک،الکتریسیته تولید کند پدیده فتوولتائیک و به هر سیستمی که از این پدیده استفاده کند سیستم فتوولتائیک گویند.به صفحه‌ای که انرژی تابشی خورشیدرا به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند،سلول یا باطری خورشیدی می‌گویند.سلول‌های خورشیدی به طورعمده ازسیلیسیوم ساخته می‌شود.
شکل1-1 نحوه عملکرد یک سلول فتوولتائیک
این سلول‌هاکریستال‌های صافی هستند که از یک سری لایه نازک از جنس نیمه هادی ساخته شده‌اند که ویژگی‌های الکترونیکی متفاوتی دارند و این امر موجب پیدایش میدان‌هایالکتریکی قوی درون آنها می‌شود.هنگامی که نور وارد کریستال می‌شود،الکترون‌هایی که توسط نور تولید می‌شوندبه وسیلهاین میدان‌ها جدا و اختلاف پتانسیلی بین وجوه بالایی و پایینی سلول بوجودمی‌آید،در صورتی که مسیر مدار بسته شود آنگاه این اختلاف پتانسیل جریان مستقیمی را بوجودمی‌آورد.برای بدست آوردن ولتاژ و جریان مورد نظر سلول‌ها را با آرایش‌های مختلف به هم متصل کرده و بصورت ماژول درمی‌آورند.ماژول‌ها روی یک صفحه یا قاب فلزی(معمولاً آلمینیومی)نصب شده و پنل یا صفحه فتوولتائیک را تشکیل می‌دهند[1].
شکل1-2 سلول،ماژول و آرایه فتوولتائیک
شکل1-3 ساختار داخلی سلول فتوولتائیک
از سری و موازی کردن سلول‌هامی‌توان به جریان‌ها و ولتاژهای مورد نظر رسید.سلول‌های سری شده ولتاژ بیشتر را بدستمی‌دهند و همچنین سلول‌های موازی شده جریان بیشتری را تولید می‌کنند.
شکل 1-4 اتصال الکتریکی سلول‌هابصورت سری و موازی
امروزه این گونه سلول‌هامعمولاً از سیلیسیم تهیه می‌شوند و سیلیسیم مورد نیاز از شن و ماسه تهیه می‌شود که در مناطق کویری کشور به وفور یافت می‌شود.سیلیسیم یک نیمه هادی است که به طور خالص از نظر هدایت الکتریکی،هادی ضعیفی است ولی اگر در موقع پالایش،به آن فسفر اضافه شود،با منفی(الکترون) پیدا کرده و در صورتی که بور به آن اضافه شود،بار مثبت(حفره) پیدا می‌کند.نوع اول را سیلیسیم نوع N و نوع دوم را نوع Pمی‌نامند.سیلیسیم دارای 4 الکترون در مدار خارجی خود می‌باشد،هنگامی که اتم فسفر به داخل کریستال سیلیسیم وارد شود با توجه به اینکه فسفر دارای 5 الکترون در مدار خارجی خود است 4 الکترون مدار خارجی فسفر با 4 الکترون مدار خارجی سیلیسم یک مدار بوجود آورده و به این ترتیب یک الکترون بصورت آزاد باقی می‌ماند و نیمه هادی نوع Nبوجودمی‌آید و به همین ترتیب چنانچه به جای فسفر اتم بور را که دارای 3 الکترون در مدار خارجی خود است به سیلیسیم اضافه کنیم یک حفره بوجودمی‌آید یعنی سیلیسیم بصورت مثبت باردار شده است در این هنگام کریستال نوع P را تشکیل داده‌ایم.
شکل1-5 نحوه تشکیل الکترون آزاد و حفره در ترکیب فسفر و بور با سیلیسیم
حال اگر یک طرف یک سیلیسیم نوعP را از نوع N باردار کنیم یک اتصال P-N به جود می‌آید.در طرف نوع Pحفره‌های آزاد و اتم بور با بار منفی و ساکن و در طرف نوع Nالکترون‌های آزاد و اتم‌های فسفر با بار مثبت وجود دارند.
حال اگر یک فوتون(ذره‌ای از نور) به اتصال P-N ما برخورد کند الکترون را از اتم سیلیسیم جدا کرده و در نتیجه حفره بوجودمی‌آورد.حفره‌ی مزبور تحت تأثیر میدان موجود به سمت ناحیه P و الکترون به سوی ناحیه N حرکت کرده و این دو حرکت مخالف با بارهای مختلف،یک جریان الکتریکی بوجودمی‌آورند.با اتصال کنتاکت هایی به رویه‌های قطعات نیمه هادی،مداری تشکیل می‌شود که اجازه برگشت الکترون‌ها را به اتصال نوع P از میان یک بار خارجی را می‌دهد.
برای هر سلول فتوولتائیک یک جریان اتصال کوتاه و یک ولتاژ مدار باز تعریف می‌شود.تحت آزمایش‌هایی که در شرایط متفاوتی در تابش خورشید 1000 و با سلولی در دمای 27 درجه سانتیگراد به عمل آمده مقدار جریان اتصال کوتاه بین 1 الی 2/1 آمپر در هر سانتیمتر مربع سطح سلول،ولتاژ مدار باز در حدود 55/0 الی 77/0 ولت بدست آمده است.میزان افزایش و یا کاهش ولتاژ به ازای هر درجه سانتیگراد،برابر 22/0 ولت آزمایش شده است.از آنجایی که در روزهای صاف آفتابی به طور متوسط شدت تشعشع خورشید در حدود 1000و درجه حرارت متوسط 27 درجه سانتیگراد می‌باشد،پس سلول‌های فتوولتائیک می‌توانند نتیجه مطلوبی در عملکرد خود داشته باشند.
-2-مزایاومعایب سیستم‌های فتوولتائیک
آلودگیهای زیست محیطی ناشی از سوخت‌های فسیلی و پایان پذیر بودن منابع آنها ،تلاش و تحقیقات وسیعی را در بکارگیری انواع دیگری از انرژی، بخصوص انرژی‌های جدید،موجب شده است.انرژی خورشیدی به دلیل نا محدود بودن ،در دسترس بودن و سازگاری با محیط زیست موجب شده است سیستم‌های فتوولتائیک بیشترین بازار تجاری را در زمینه کاربرد انرژی‌های نو داشته باشد .

پاره‌ای از ویژگی‌ها و مزایایسیستم‌های فتوولتائیک که موجب گسترش استفاده از آن در کشور های مختلف شده است در زیر آمده است.
1ـ بی نیازی به سوخت فسیلی
2ـ حفظ محیط زیست و عدم ایجاد آلودگی
3ـ طول عمر مفید بالا (بیش از 20 سال )
4ـ قابلیت اطمینان بالا به دلیل نداشتن بخش‌های متحرک مکانیکی
5ـ پایین بودن احتمال بروز حوادث خطرناک مانند انفجار وآتش سوزی
6ـ سهولت در نصب و راه اندازی و همچنین بی نیازی به تجهیزات پیچیده و نیروی انسانی متخصص
7ـ قابلیت تغییر توان با افزایش و کاهش ظرفیت سیستم‌های فتوولتائیک در صورت نیاز با بهره گرفتن از افزودن یا کاستن تعداد ماژول‌هادر مقابل موارد ذکر شده بزرگترین عیب سیستم‌های فتوولتائیک برای استفاده از توان‌های زیاد، قیمت بالای آن در مقایسه با سایر منابع است. اگر چه با پیشرفت تکنولوژی هزینه سیستم‌های فتوولتائیک روز به روزکاهش می‌یابد ،ولی قبل از هر اقدامی تحقیق و بررسی در زمینه صرفه اقتصادی جهت به‌کارگیری هر یک از منابع لازم و ضروری است.
1-3تکنولوژی‌های ساخت سلول‌های فتوولتائیک
برای ساخت این سلول‌ها سه نوع تکنولوژی ساخت وجود دارد که به شرح زیر می‌باشند:
1)تکنولوژی تک کریستالی (Monocrystalline or single crystal)
که در این حالت سلول خورشیدی در یک ورقه سیلیکونی کیفیت بالا ساخته می‌شود که در این سلول دارای بازده بیشتر نسبت به سلول‌های ساخته شده با تکنولوژی‌های دیگر است .
2)تکنولوژی پلی کریستالی (Polycrystalline)
در این روش سلول از یک بلوک سیلیکونی چند کریستال کیفیت پایین ساخته می‌شود که بازده و قیمت کمتری دارد .
3)تکنولوژی ورق _نازک (thin_film)
که سلول در چند پروسه مختلف ساخته می‌شود.این سلول‌ها بازده کمتری دارند ولی در عوض هزینه ساخت آنها بسیار کم است . [1]
شکل1-6 سلول‌های سیلیکانی و ورق نازک
1-4-اجزای سیستم‌های فتوولتائیک
به خاطر وجود تغییر در میزان شدت تابش پرتوهای خورشیدی در طول روز و در فصول مختلف، یک باطری به منظور ذخیره كردن انرژی الكتریكی تولیدی توسط آرایه‌های فتوولتائیک و به عنوان یک عامل واسط بین آرایه‌های خورشیدی و مصرف كننده انرژی الكتریكی برای بهره‌وری بیشتر مورد نیاز می‌باشد. یک سیستم فتوولتائیک خورشیدی، در طول روز كه تابش خورشید وجود دارد، پرتوهای خورشیدی را گردآورده و به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند، ولی زمانیکه انرژی خورشیدی در حد اعلای خود موجود می‌باشد، بندرت اتفاق می‌افتد كه دقیقاً منطبق با زمانی باشد كه به انرژی الكتریكی نیز نیاز وافر باشد. پدیدار گشتن ابرها در آسمان نیز برای سیستم‌های فتوولتائیک مشكل ایجاد می‌كند و چنانچه ابری بودن آسمان چندین روز به درازا بكشد، انرژی الكتریكی در مقایسه با روزهای صاف آفتابی كه خورشید شدت تابش بالائی دارد، میزان قابل ملاحظه‌ای كاهش پیدا خواهد كرد. واضح است در چنین روزهائی می‌توان از انرژی‌ای كه در روزهای صاف آفتابی تولید و ذخیره شده‌، استفاده كرده و انرژی الكتریكی متمركزی را تولید نمود بنابراین، اضافه كردن تجهیزات ذخیره‌سازی در سیستم‌های فتوولتائیک می‌تواند موجب افزایش قابلیت اعتماد سیستم برای تأمین مستمر انرژیالكتریكیگردد.معمولاً برای ذخیره‌سازی برق تولیدی در سیستم‌های فتوولتائیک با ظرفیت 3 كیلووات به بالااز باطری استفاده می‌گردد ولی برخی از سیستم‌های كوچکترمانند پمپ کننده‌های كوچك، بدون ذخیره سازی باطری طراحی می‌شوند.
پیل یا باتری‌های خورشیدی تنهامبدل انرژی تابشی خورشید به انرژی الکتریکی باجریان الکتریکی ازنوع مستقیم می‌باشندوتوانایی ذخیره سازی انرژی را ندارند.
برق تولیدی باتری‌هاDCولتاژمعمولاً 48یا24 ولت است که با یک اینورتر Pure sine wave به 230 ولتAC تبدیل می‌شود.
ازا بزارذخیره سازی دراین سیستم‌هااستفاده ازباتری‌های الکتروشیمیایی می‌باشد.
از سری و موازی کردن سلول‌های آفتابی می‌توان به جریان و ولتاژ قابل قبولی دست یافت. در نتیجه به یک مجموعه از سلول‌های سری و موازی شده پنل (مدول) فتوولتائیک گویند.
یک ماژولمی‌تواند متشكل از 32 سلول خورشیدی با قطر 5/7 سانتیمتری دارای مشخصات الكتریكی: ولتاژ نامی 12 ولت، جریان نامی 2/1 آمپر، قدرت پیک 18 وات،باشد. راندمان ماژول‌ها با توجه به راندمان سلول‌های خورشیدی و برخی افت‌های دیگر از قبیل جاسازی سلول‌ها در سطح ماژول‌ و اتصال الكتریكی آنها، حدود 7 الی 11 درصد در دمای 28 درجه سانتی‌گراد و شدت تابش نور خورشید100 ،كه به نام شرایط استاندارد خوانده می‌شود، می‌باشد. [1]
 وبه مجموعه پنلهای فتوولتائیک،یک آرایه خورشیدی گفته می‌شود.جریان الکتریکی حاصل ازپنل های فتوولتائیک ازنوع جریان وولتاژمستقیم می‌باشد. ( DC)
با توجه به توضیحات فوق سیستم‌های فتوولتائیک از اجزای زیر تشکیل شده‌اند:
سلول‌های خورشیدی
ماژول‌ها
آرایه‌ها
رگولاتور ولتاژ و کنترل کننده‌ها
باتری‌های ذخیره ساز انرژی الکتریکی
1-5- سلول خورشیدی
اندازه سلول خورشیدی می‌تواند با توجه به کاربرد موردنظر به نحو مطلوب انتخاب گردد.اندازه سلول از چندین میلیمتر مربع برای کاربرد های الکترونیکی مصرفی از قبیل ماشین حساب‌های جیبی،ساعت مچی و غیره تا اندازه استاندارد فعلی 10×10 سانتی متر مربع تغییر می‌کند(یک سلول خورشیدی با این اندازه چنانچه مستقیماً در معرض تابش نور خورشید قرار گیرد،قدرتی نزدیک به 5/1 وات می‌تواند تولید نماید).
شکل این سلول‌هامعمولاً مربع مستطیل می‌باشد ولی شکل‌های دیگری همچون دایره،نیم دایره و یا اشکال دیگر نیز تولید می‌گردد.این سلول‌ها بسیار نازک بوده و ضخامتی در حدود 3/0 میلیمتر دارند.
نکته‌ای که بسیار حائز اهمیت می‌باشد این است که با افزایش شدت تابش پرتوهای خورشیدی،میزان قدرت الکتریکی خروجی نیز افزایش می‌یابد و همچنین با افزایش دما،قدرت خروجی از سلول کاهش پیدا می‌کند.این کات باید در هنگام طراحی مورد توجه مهندسین قرار گیرد.با توجه به این امر راندمان ایده آل یک سلول در حدود 30 درصد می‌باشد(راندمان سلول‌های خورشیدی عبارتست از نسبت انرژی تابیده شده به انرژی الکتریکی تولید شده که بر حسب جنس سلول و طراحی آن متغیر می‌باشد).
روش‌های افزایش راندمان سلول‌ها را می‌توان در نکات زیر خلاصه کرد:
اتصالات الکتریکی سلول‌ها چنان طراحی شوند که حداکثر نور به نیمه هادی‌ها برسد.
پنل خورشیدی طوری و با زاویه‌ای در مقابل نور خورشید نصب شود که حداکثر نور در طول روز به آن برسد.
استفاده از موادی که جذب کننده مناسبی برای نور خورشید باشند،بدینوسیله برخورد موثر فوتون صورت گرفته و امکان آزادسازی الکترون حداکثر می‌گردد.
نصب یک فواره‌ی آب در کنار سایت نصب پنل ها به طوری که می‌دانیمفواره‌ها هوای اطراف خود را بسیار خنک می‌کنند که این امر از پایین آمدن راندمان پنل ها هنگام افزایش درجه حرارت هوا جلوگیری می‌کند(روش ارائه شده توسط گردآورنده‌ی این پروژه).
توضیح اضافی : می‌توان پنل ها را در صورت امکان در مزرعه نصب کرد که فواره علاوه بر آبیاری مزرعه به خنک سازی پنل ها نیز کمک شایانی می‌کند.
1-5-1ماژول‌ها
هر ماژول فتوولتائیک از تعدادی سلول خورشیدی تشکیل شده که به طور الکتریکی به یکدیگر اتصال داشته و در داخل یک قاب نگهدارنده جاسازی و محافظت می‌گردد.
یک ماژول معمولاً از 20 الی 40 سلول که بصورت سری و موازی به هم متصل شده‌اند،ساخته می‌شود.تعداد سلول‌های مورد نیاز در هر ماژول با توجه به قدرت الکتریکی درخواستی مشخص و در داخل قاب فلزی که کاملاً نفوذ ناپذیر است،قرار می‌گیرند.در حال حاضر ماژول‌هایی از نوع سلول‌های کریستال سیلیکون،در ولتاژ و جریان‌های الکتریکی متفاوت و در اندازه‌های فیزیکی 200 تا 800 سانتیمتر مربع ساخته شده است.
یک ماژول می‌تواند متشکل از 32 سلول خورشیدی با قطر 5/7 سانتیمتری دارای مشخصات الکتریکی : ولتاژ نامی 12 ولت،جریان نامی 2/1 آمپر،قدرت پیک 18 وات باشد.راندمان ماژول‌ها با توجه به راندمان سلول‌های خورشیدی و برخی افت‌های دیگر از قبیل جاسازی سلول‌ها در سطح ماژول و اتصال الکتریکی آنها،حدود 7 الی 11 درصد در دمای 28 درجه‌ی سانتیگراد و شدت تابش نور خورشید 100 میلی وات بر سانتی متر مربع که به نام شرایط استاندارد خوانده می‌شودمی‌باشد.