Üzən fotovoltaik sistem (Floating Photovoltaic, FPV) fotovoltaik modulların göl, su anbarı və ya oxşar su səthlərində pontonlar və yanalma-bərkitmə sistemləri üzərində işlədildiyi günəş enerjisi istehsalı quruluşudur. Bu tədqiqatda tədqiqatçılar FPV sisteminin maksimum güc nöqtəsini daha sürətlə və daha az rəqslə izləmək üçün Təkmilləşdirilmiş Perturb and Observe (Improved Perturb and Observe, IP&O) alqoritmini iki induktorlu yüksəldici çevirici (Dual Inductor Boost Converter, DIBC) ilə birləşdirmiş və elektrik davranışını MATLAB/Simulink mühitində modelləşdirmişlər. Mənbədə DIBC 180–200 V giriş intervalından 300 V DC çıxış əldə etmək üçün layihələndirilmiş; iki 694 µH induktor, 20 kHz kommutasiya tezliyi və %33.3–40 doldurma əmsalı intervalı istifadə edilmişdir.

IP&O yanaşmasının əsas fərqi klassik P&O kimi P–V əyrisinin geniş hissəsində axtarış aparmaq əvəzinə, maksimum güc nöqtəsinin yerləşməsi gözlənilən dar sahəyə yönəlməsidir. Mənbə V_MPP-nin təxminən 0.76V_OC ətrafında olduğu barədə ədəbiyyat fərziyyəsindən istifadə edir və axtarış sahəsini P–V əyrisinin təxminən %10-luq hissəsi ilə məhdudlaşdırır. MATLAB/Simulink nəticələrində IP&O-nun ənənəvi P&O ilə müqayisədə pik aşmanı təxminən %70, qərarlaşma müddətini %23, pikə çatma müddətini %7 və yüksəlmə müddətini %5 azaltdığı; həmçinin pik qiymətdə %12 azalma təmin etdiyi bildirilmişdir.

Bu nəticələr DIBC və MPPT idarəetmə quruluşunun MATLAB/Simulink modeli üçün əldə edilmişdir. Məqalədə Kondampatti, Tamil Nadu-da real üzən PV platforması göstərilsə də, təqdim olunan ətraflı IP&O–DIBC dinamik göstəricilər müqayisəsi real güc çeviricisi avadanlığının uzunmüddətli sahə sınağı deyil. Həmçinin məqalənin başlığındakı “metaheuristic-driven” ifadəsinə baxmayaraq, metod bölməsində ayrıca və aydın müəyyən edilmiş metaevristik optimallaşdırma alqoritmi təqdim olunmur.

Üzən fotovoltaik sistem nədir?

Üzən fotovoltaik sistem PV modullarını qurudakı sabit dayaqlar əvəzinə su üzərində işləyən pontonlara və ya üzən platformalara yerləşdirən fotovoltaik enerji istehsalı sistemidir. Araşdırılan tədqiqatdakı FPV arxitekturası günəş panellərini, pontonları, yanalma-bərkitmə sistemini, elektrik kabellərini, MPPT ilə idarə olunan DC–DC çeviricini və sonrakı DC–AC güc çevrilməsi mərhələsini ümumi enerji zəncirində göstərir.

Mənbə quruda yerləşən PV qurğularında torpaq sahəsinə ehtiyacın FPV üçün əsas motivasiyalardan biri olduğunu qeyd edir. Su səthindəki sistemlərdə modul temperaturunun suyun soyutma təsirindən faydalana biləcəyi də müzakirə olunur. Məqalə ədəbiyyata əsaslanaraq üzən PV panellərin qurudakı sistemlərdən orta hesabla %11 daha yüksək səmərəlilik göstərə bildiyini bildirir; bu %11 qiyməti bu tədqiqatın Kondampatti təcrübəsindən əldə etdiyi yeni ölçmə deyil.

Tədqiqatdakı real FPV platforması

Mənbədə avadanlıq tətbiqi kimi göstərilən platforma Cənubi Hindistanın Tamil Nadu ştatındakı Kondampatti su anbarındadır. Sistem təxminən 29 m² sahə tutur və müəlliflər bunun su anbarının səthinin təxminən %20-sinə uyğun olduğunu bildirirlər.

Mənbənin üçüncü səhifəsindəki Şəkil 8(a) dörd uzun ponton üzərində daşınan altı panelli FPV platformasının izometrik görünüşünü göstərir. Dördüncü səhifədəki Şəkil 8(b) isə qurğunun ön görünüşünü və əsas ölçülərini göstərir.

PV elementinin elektrik modeli

Tədqiqatda PV elementi fotocərəyan mənbəyi, əks istiqamətli diod, ardıcıl müqavimət R_s və paralel müqavimət R_p vasitəsilə modelləşdirilmişdir. Mənbənin Şəkil 3-ü bu ekvivalent dövrəni göstərir.

İdeal PV elementi üçün Tənlik 1:

\[ I=I_{pv,cell}-I_{o,cell} \left[ \exp\left(\frac{qV}{akT}\right)-1 \right] \tag{1} \]

I_pv,cell daxil olan şüalanmanın yaratdığı cərəyanı, I_o,cell diodun əks doyma cərəyanını, q elektron yükünü, k Boltzmann sabitini, T PN keçidinin temperaturunu, a diodun ideallıq əmsalını və V elementin çıxış gərginliyini ifadə edir. Mənbə q = 1.6×10⁻¹⁹ C, k = 1.38×10⁻²³ J/K və 1 ≤ a ≤ 1.5 qiymətlərini verir.

Praktik PV modeli üçün ardıcıl və paralel müqavimətlər Tənlik 2-yə əlavə edilir:

\[ I=I_{pv} -I_o \left[ \exp\left(\frac{V+R_sI}{V_ta}\right)-1 \right] -\frac{V+R_sI}{R_p} \tag{2} \]

R_s ardıcıl müqaviməti, R_p paralel müqaviməti və V_t istilik gərginliyini ifadə edir. Tənlik real PV elementindəki omik və sızma itkilərinin ideal diod modelinə necə əlavə edildiyini göstərir.

İki induktorlu yüksəldici çevirici necə işləyir?

İki induktorlu yüksəldici çevirici iki induktor və kommutasiya olunan yarımkeçirici quruluşdan istifadə edərək aşağı DC giriş gərginliyini daha yüksək DC çıxış səviyyəsinə çevirən DC–DC güc elektronikası topologiyasıdır. Araşdırılan sistemdə DIBC PV massivindən gələn gərginliyi 300 V səviyyəsinə yüksəltmək və MPPT alqoritminin müəyyən etdiyi iş nöqtəsini güc pilləsinə tətbiq etmək üçün istifadə olunur.

Mənbənin Şəkil 4-ündə DIBC quruluşunda V_s giriş mənbəyi, L₁ və L₂ induktorları, M_s əsas MOSFET-i, diodlar və C₁–C₄ kondensatorları göstərilir. Məqalə çeviricinin fasiləsiz keçiricilik rejimində iki iş vəziyyətinə malik olduğunu bildirir.

Kiçik siqnallı vəziyyət fəzası modeli

Mənbə DIBC-nin xəttiləşdirilmiş, kiçik siqnallı, vəziyyət fəzasında ortalanmış modelini Tənlik 3 ilə verir:

\[ \begin{bmatrix} \dot V_C\\ \dot I_L \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \dfrac{1-D}{C} & -\dfrac{1}{CR_L}\\ 0 & -\dfrac{1-D}{L} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} I_L\\ V_C \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} 0\\ \dfrac{V_C}{L} \end{bmatrix}D \tag{3} \]

R_L yük müqavimətini, D doldurma əmsalını, V_C kondensator gərginliyini, I_L induktor cərəyanını, C filtr tutumunu və L induktivliyi göstərir. Bu ifadə mənbədə çap olunduğu şəkildə saxlanmışdır; məqalə ştrix/kiçik siqnal işarələmələrinin bütün ətraflı təriflərini ayrıca təqdim etmir.

DIBC-nin yüksəldici rejimində gərginliyin idarə olunması üçün mənbə Tənlik 4-də aşağıdakı ötürmə funksiyası quruluşunu verir:

\[ \frac{V_C'}{D} = \frac{V_C}{CL} \frac{1-D} {s^2+\dfrac{s}{R_LC}+\dfrac{(1-D)^2}{LC}} \tag{4} \]

Burada s tezlik oblastı dəyişənidir və mənbə s = jω = j2πf_s əlaqəsindən istifadə edir.

IP&O MPPT ənənəvi P&O-dan necə fərqlənir?

IP&O ənənəvi Perturb and Observe alqoritminin PV əyrisinin geniş hissəsində kiçik gərginlik dəyişiklikləri ilə maksimum güc nöqtəsini axtarması əvəzinə, maksimum güc nöqtəsinin yerləşməsi gözlənilən dar P–V sahəsini əvvəlcədən müəyyən edərək axtarış sahəsini kiçildir. Tədqiqatda V_MPP-nin təxminən 0.76V_OC olduğu barədə ədəbiyyat qəbulundan istifadə edilərək axtarış sahəsi ümumi güc əyrisinin təxminən %10-u ilə məhdudlaşdırılmışdır.

Ənənəvi P&O məntiqi

Ənənəvi P&O alqoritmi k anındakı gərginlik və gücü əvvəlki k−1 nümunəsi ilə müqayisə edir:

• P(k) və P(k−1) istifadə edilərək ΔP müəyyən olunur.
• V(k) və V(k−1) istifadə edilərək ΔV müəyyən olunur.
• Güc artırsa, perturbasiya eyni istiqamətdə davam etdirilir.
• Güc azalırsa, gərginlik perturbasiyasının istiqaməti dəyişdirilir.
• Bu əməliyyat MPP ətrafında fasiləsiz təkrarlanır.

Mənbənin Şəkil 5-i bu qərar ağacını göstərir. Ənənəvi P&O-nun əsas zəifliyi böyük perturbasiya addımlarında MPP ətrafında davamlı rəqs yarada bilməsidir.

IP&O-nun məhdudlaşdırılmış axtarışı

Mənbənin Şəkil 6-sı P–V əyrisini Area 1, Area 2 və Area 3 kimi üç sahəyə ayırır və MPP-ni ehtiva edən Area 2-ni axtarış sahəsi seçir. Məqsəd MPP-dən uzaq əyri hissələrini skan etməyə vaxt sərf etməməkdir.

IP&O gedişində əvvəlcə V₁ və V₂ sərhədləri müəyyən olunur. PV gərginliyi və cərəyanı ölçülərək P(k) hesablanır, sonra ΔP və ΔV müəyyən edilir. İş nöqtəsi V₁–V₂ intervalından kənardadırsa, doldurma əmsalı iş nöqtəsini Area 2-yə qaytaracaq istiqamətdə dəyişdirilir; Area 2 daxilində isə normal P&O qərar məntiqi tətbiq edilir.

Mənbə mətni üç sahə müəyyən etsə də, sonrakı cümlələrdən birində “Areas 3 and 4” ifadəsini işlədir. Şəkil 6-da Area 4 olmadığından bu uyğunsuzluq mənbədənkənar fərziyyə ilə düzəldilməmişdir.

Tədqiqatın metodu və nəticələri

PV panelinin və çeviricinin gərginlik səviyyələri

Bölmə 3.3-də tədqiqat üçün istifadə olunan polikristal panelin V_m = 38.73 V və I_m = 8.40 A olduğu qeyd edilir. Eyni bölmədə real iş zamanı modul gərginliyinin mühit temperaturundan və günəş şüalanmasından asılı olaraq təxminən 27–32 V arasında dəyişdiyi yazılır.

Buna qarşılıq, DIBC layihəsində 180–200 V giriş istifadə edilmişdir. Mənbə tək panel səviyyəsindəki 27–32 V ilə çevirici girişindəki 180–200 V arasındakı ardıcıl/paralel PV massiv birləşməsini ətraflı təqdim etmir. Buna görə Verianla mətnində birləşmə topologiyası mənbədənkənar fərziyyə ilə yaradılmamışdır.

Mənbədə panel spesifikasiyasının uyğunsuzluğu

Mənbə sahə sistemini həmçinin altı 330 Wp paneldən ibarət təxminən 2 kW qurğu kimi təsvir edir. Buna qarşılıq, standart sınaq şəraiti cədvəlindəki 245.88 W qiyməti əsas götürülsə, altı panelin cəmi təxminən 1.48 kW olar. Mənbə bu fərqin fərqli paneldən, fərqli sınaq şəraitindən və ya yazı səhvindən qaynaqlandığını açıqlamır.

MATLAB/Simulink sistemi

Mənbənin dördüncü səhifəsindəki Şəkil 9-da temperatur və şüalanma girişləri PV modelinə qoşulur, PV gərginliyi və cərəyanından MPPT idarəetmə siqnalı yaradılır, doldurma əmsalı kommutasiya pilləsinə ötürülür və DIBC vasitəsilə yüksəldilmiş DC gərginliyi sonrakı güc çevrilməsi mərhələsinə göndərilir.

Mənbə layihələndirilmiş DIBC üçün MATLAB bölməsində aşağıdakı ötürmə funksiyasını bildirir:

\[ T(s)= \frac{349.2} {4.286\times10^{-6}s^2+0.001948s+1} \tag{32} \]

Bu tənlik məqalədə “Equation 32” kimi nömrələnmişdir. Əvvəlki son tənlik Equation 4 olduğundan 5–31 intervalının olmaması mənbədaxili nömrələmə uyğunsuzluğudur.

IP&O dinamik cavabı nə qədər yaxşılaşdırıb?

Mənbənin MATLAB/Simulink müqayisəsinə görə IP&O ənənəvi P&O ilə müqayisədə xüsusilə aşma və qərarlaşma davranışında daha sürətli dinamik cavab göstərmişdir. Məqalə pik qiymət üçün %12, pik aşma üçün %70, qərarlaşma müddəti üçün %23, pikə çatma müddəti üçün %7 və yüksəlmə müddəti üçün %5 azalma bildirir; bu nəticələr simulyasiyaya əsaslanan zaman oblastı meyarlarıdır.

Qrafikdəki qiymətlər birbaşa Şəkil 12-dən oxunur; buna görə qrafikdə aydın vahidi və ya tərifi olmayan pik aşma qiymətinə mənbədə olmayan yeni vahid əlavə edilməmişdir.

Giriş dalğa formaları

Mənbə şüalanma və temperatur şəraitini 5 ms ətrafında dəyişdirərək DIBC giriş gərginliyinin 180 V-dan 200 V-a keçməsini araşdırır. Şəkil 10(a) 0–10 ms intervalındakı giriş gərginliyi və cərəyanını, Şəkil 10(b) isə 4.9995–5.0005 ms arasındakı ətraflı pulsasiya davranışını göstərir.

Bu qısa zaman pəncərəsində mənbə:

• giriş gərginliyinin pulsasiyasını təxminən 2.5 V,
• giriş cərəyanının pulsasiyasını təxminən 1.25 A

kimi bildirir.

Çıxış dalğa formaları

Şəkil 11-də IP&O ilə idarə olunan DIBC-nin çıxış gərginliyi və çıxış cərəyanı göstərilir. 4.9995–5.0005 ms təfərrüat pəncərəsində:

• çıxış gərginliyinin pulsasiyası təxminən 2.2 V,
• çıxış cərəyanının pulsasiyası təxminən 0.1 A

kimi bildirilmişdir.

Bu nəticələr mənbənin MATLAB/Simulink modeli daxilində DIBC-nin dəyişən giriş şəraitinə baxmayaraq yüksəldilmiş DC çıxışı saxlama davranışını göstərir. Lakin bu pulsasiya qiymətləri real güc elektronikası prototipinin osilloqrafla ölçülmüş dalğa formaları kimi təqdim olunmur.

Başlıqdakı “metaheuristic-driven” ifadəsi necə şərh edilməlidir?

Məqalənin orijinal başlığında “metaheuristic-driven” ifadəsi var. Buna baxmayaraq, metod bölmələrində ayrıca metaevristik axtarış alqoritmi, populyasiya, məqsəd funksiyası, uyğunluq funksiyası, iterasiya sayı və ya optimallaşdırma parametrləri müəyyən edilməmişdir. Faktiki idarəetmə metodu IP&O kimi izah olunur. Buna görə mənbə aydın şəkildə tətbiq edilmiş metaevristik MPPT optimallaşdırmasından daha çox, axtarış sahəsi məhdudlaşdırılmış təkmilləşdirilmiş P&O yanaşmasını göstərir.

Tədqiqatın əsaslandırdığı nəticələr

Tədqiqat verilmiş MATLAB/Simulink modeli çərçivəsində IP&O yanaşmasının ənənəvi P&O-ya nəzərən MPP ətrafındakı dinamik davranışı yaxşılaşdıra bildiyini əsaslandırır. Mənbə həmçinin DIBC topologiyasının layihələndirilmiş 180–200 V giriş və 300 V çıxış şəraiti üçün simulyasiya edildiyini, iki 694 µH induktor və 20 kHz kommutasiya tezliyi ilə modelləşdirildiyini göstərir.

Kondampatti-də real FPV daşıyıcı platformasının qurulması tədqiqatın üzən PV tətbiqi kontekstini fiziki baxımdan dəstəkləyir. Lakin mənbənin ətraflı elektrik göstəriciləri müqayisəsi MATLAB/Simulink-də aparılmışdır.

Tədqiqatın əsaslandırmadığı ümumiləşdirmələr

Tədqiqat IP&O-nun bütün PV sistemlərində və ya bütün atmosfer şəraitində ənənəvi P&O-dan eyni faizlərlə üstün olduğunu sübut etmir. Nəticələr istifadə olunan PV və çevirici modelindən, müəyyən edilmiş idarəetmə parametrlərindən və simulyasiya ssenarisindən asılıdır.

Məqalədə su anbarında uzunmüddətli real enerji istehsalı, illik enerji qazancı, real DIBC səmərəliliyi, MOSFET/induktor temperaturu, kommutasiya itkiləri, EMI ölçməsi və ya real mühitdə sürətli kölgələnmə sınağı bildirilmir. Buna görə simulyasiyada daha aşağı zaman oblastı meyarları birbaşa illik enerji səmərəliliyində eyni ölçüdə artım kimi şərh edilə bilməz.

Mənbənin gələcək tədqiqat təklifi kəskin ekoloji dəyişikliklərdə daha yaxşı dinamik cavab təmin etmək üçün süni intellekt əsaslı proqnozlaşdırıcı tənzimləyicinin mövcud quruluşa birləşdirilməsidir.

Mənbə və metod qeydi

Mənbənin elmi şərhində xüsusilə üç sərhəd qorunmalıdır. Birincisi, real FPV platforması ilə DIBC/IP&O-nun Simulink göstəriciləri eyni sübut növü deyil. İkincisi, başlıqda “metaheuristic-driven” ifadəsi olsa da, metod bölməsində ayrıca metaevristik optimallaşdırma alqoritmi müəyyən edilmir. Üçüncüsü, məqalənin müxtəlif bölmələrindəki PV panel gərginliyi, cərəyanı və güc qiymətləri bir-biri ilə tam uyğun deyil; bu qiymətlər mənbədənkənar fərziyyə ilə birləşdirilməməlidir.

Məqalə həmçinin üç sahəli IP&O qrafiki üçün mətnin bir yerində “Area 4” ifadəsini işlədir və Equation 4-dən birbaşa Equation 32-yə keçir. Bu məqamlar Verianla tərəfindən səssizcə düzəldilməmiş, mənbədaxili hesabat uyğunsuzluqları kimi saxlanmışdır.