The efficiency of photovoltaic systems

Abstract

At this work the principle aim is to create new low cost hardware test circuitry that can emulate the behavior of solar cells under different insolation and temperature conditions. Another goal is to propose a new MPPT algorithm that could accurate and reliable estimate the maximum power operating point. The transcendental equation describing a solar cell IV characteristic contains current on both sides in a function of the form I = f (V, I). In this work, a current-independent voltage expression is derived for the maximum power point as a function of a new variable which is mathematically well defined. Validation is performed on four different photovoltaic modules. The best case scenario has shown a divergence in Pmpp of 0.08% while the worst 0.84%. The new method is examined for sensitivity, up to +/- 5% on values of five fitting parameters (Rs, Rsh, n, Io, Iph), with Iph to have the higher impact effect (up to 5% error). Two topologies, of VBE multiplier, have been proposed that can reliably emulate solar cell operation. Analysis shows that both circuits have the potential to deliver good quality characteristic IV curves with small RMSE (10^-3). The second improved VBE multiplier has the ability to operate over wider range of illumination and temperature conditions. Through this model it was possible to build a low cost (£230) fully functional prototype digital controlled emulator solar system “DiceSol”. A MPPT device has implemented based on a powerful mathematical modeling tool. The proposed method “Goose Waddle (GW)” was employed on a boost DC/DC converter configuration. Excellent static and dynamic performances were exhibited. At all cases considered convergence is higher than 98.53% while convergence time is on average 220 msec.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή ο κύριος στόχος είναι η δημιουργία ενός καινοτόμου χαμηλού κόστους κυκλώματος ελέγχου (hardware), το οποίο μπορεί να μιμηθεί την συμπεριφορά ηλιακών κυττάρων (solar cells) κάτω από διαφορετικές συνθήκες ηλιακής ακτινοβολίας και θερμοκρασίας. Επιπλέον, στόχος είναι να προτείνουμε ένα νέο αλγόριθμο ανίχνευσης του σημείου μέγιστης ισχύος (MPPT), ο οποίος θα μπορούσε να εκτιμήσει με ακρίβεια και αξιοπιστία το σημείο λειτουργίας μέγιστης ισχύος. Η πεπλεγμένη συνάρτηση η οποία περιγράφει την χαρακτηριστική ρεύματος – τάσης ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου περιέχει το μέγεθος του ρεύματος και στα δύο μέλη της εξίσωσης στη μορφή I = f (V, I). Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μία εξίσωση του ρεύματος ανεξάρτητης της τάσης προκύπτει ύστερα από μαθηματικούς υπολογισμούς για το σημείο μέγιστης ισχύος, ως συνάρτηση μίας νέας μεταβλητής η οποία είναι μαθηματικά καλώς ορισμένη. Η επικύρωση των παραπάνω πραγματοποιείται κατόπιν μελέτης σε τέσσερα διαφορετικά φωτοβολταϊκά στοιχεία. Στην καλύτερη περίπτωση η απόκλιση της προτεινόμενης μεθοδολογίας από το σημείο μέγιστης ισχύος Pmpp ήταν της τάξεως του 0,08%, ενώ στην χειρότερη περίπτωση το ποσοστό απόκλισης ήταν 0,84%. Η νέα προτεινόμενη μέθοδος εξετάζεται για μεταβολές μέχρι +/- 5% στις τιμές των 5 παραμέτρων προσαρμογής (Rs, Rsh, n, Io, Iph) με το Iph να έχει την μεγαλύτερη επίδραση (σφάλμα μέχρι 5%). Δύο τοπολογίες VBE πολλαπλασιαστή προτείνονται οι οποίες μπορούν με αξιοπιστία να μιμηθούν την λειτουργία ηλιακών κυψελών. Η ανάλυση που πραγματοποιήθηκε δείχνει ότι και τα δύο ηλεκτρονικά κυκλώματα έχουν την δυνατότητα να δώσουν ποιοτικές χαρακτηριστικές ρεύματος – τάσης με μικρό RMSE (10^-3). Η δεύτερη βελτιωμένη έκδοση του VBE πολλαπλασιαστή έχει την δυνατότητα λειτουργίας σε μεγαλύτερο εύρος μεταβολών ηλιακής ακτινοβολίας και θερμοκρασίας. Με την βοήθεια αυτού του μοντέλου ήταν δυνατή η κατασκευή ενός χαμηλού κόστους (£230) πλήρως λειτουργικού πρωτοτύπου ψηφιακά ελεγχόμενου εξομοιωτή ηλιακού συστήματος “DiceSol”. Μία συσκευή ανίχνευσης του σημείου μέγιστης ισχύος (MPPT) υλοποιήθηκε βασιζόμενη σε ένα ισχυρό μαθηματικό μοντέλο. Ο προτεινόμενος αλγόριθμος “Βηματισμός της Χήνας” χρησιμοποιήθηκε σε συνδεσμολογία μετατροπέα ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή τάση (ΣΤ/ΣΤ). Παρουσιάστηκε άριστη στατική και δυναμική συμπεριφορά. Σε όλες τις περιπτώσεις η σύγκλιση ήταν υψηλότερη του 98,53% καθώς ο χρόνος σύγκλισης είναι κατά μέσο όρο 220 msec.