Mfumo wa fotovoltaiki unaoelea (Floating Photovoltaic, FPV) ni mpangilio wa kuzalisha nishati ya jua ambamo moduli za fotovoltaiki huendeshwa juu ya pontoni na mifumo ya kufunga katika nyuso za maji za maziwa, hifadhi za maji au maeneo yanayofanana. Katika utafiti huu, watafiti waliunganisha algoriti ya Perturb and Observe Iliyoboreshwa (Improved Perturb and Observe, IP&O) na kigeuzi cha kuongeza volteji chenye indukta mbili (Dual Inductor Boost Converter, DIBC) ili kufuatilia nukta ya nguvu ya juu kabisa ya mfumo wa FPV kwa haraka zaidi na kwa mitetemo michache, na wakaunda modeli ya tabia ya umeme katika mazingira ya MATLAB/Simulink. Katika chanzo, DIBC ilisanifiwa kulenga toleo la 300 V DC kutoka katika masafa ya ingizo la 180–200 V; indukta mbili za 694 µH, masafa ya ubadilishaji wa swichi ya 20 kHz na masafa ya uwiano wa muda wa kuwasha ya %33.3–40 vilitumiwa.

Tofauti kuu ya mbinu ya IP&O ni kulenga eneo finyu ambamo nukta ya nguvu ya juu kabisa inatarajiwa kupatikana, badala ya kutafuta katika sehemu kubwa ya mkunjo wa P–V kama P&O ya kawaida. Chanzo hutumia dhana ya katika maandiko kwamba V_MPP iko karibu na 0.76V_OC, na huzuia eneo la utafutaji kuwa takribani %10 ya mkunjo wa P–V. Matokeo ya MATLAB/Simulink yameripoti kwamba, ikilinganishwa na P&O ya jadi, IP&O ilipunguza uvukaji wa kilele kwa takribani %70, muda wa kutulia kwa %23, muda wa kufikia kilele kwa %7 na muda wa kupanda kwa %5; pia ilipunguza ukubwa wa kilele kwa %12.

Matokeo haya yamepatikana kwa modeli ya MATLAB/Simulink ya muundo wa udhibiti wa DIBC na MPPT. Ingawa makala inaonyesha jukwaa halisi la PV linaloelea katika Kondampatti, Tamil Nadu, ulinganisho wa kina uliowasilishwa wa utendaji wa mienendo ya IP&O–DIBC si jaribio la muda mrefu la uwanjani la vifaa halisi vya kigeuzi cha nguvu. Aidha, licha ya kauli “metaheuristic-driven” katika kichwa cha makala, sehemu ya mbinu haitoi algoriti tofauti ya uboreshaji wa metaheuristiki iliyofafanuliwa wazi.

Mfumo wa fotovoltaiki unaoelea ni nini?

Mfumo wa fotovoltaiki unaoelea ni mfumo wa kuzalisha nishati ya fotovoltaiki unaoweka moduli za PV kwenye pontoni au majukwaa yanayoelea juu ya maji badala ya viunzi vilivyotulia ardhini. Usanifu wa FPV katika utafiti unaochunguzwa unaonyesha paneli za jua, pontoni, mfumo wa kufunga, nyaya za umeme, kigeuzi cha DC–DC kinachodhibitiwa na MPPT na hatua inayofuata ya kubadilisha nguvu ya DC–AC ndani ya mnyororo mmoja wa nishati.

Chanzo kinaeleza kwamba uhitaji wa ardhi katika mitambo ya PV ya nchi kavu ni mojawapo ya misukumo mikuu ya FPV. Pia kinajadili kwamba katika mifumo iliyo juu ya maji, halijoto ya moduli inaweza kunufaika na athari ya maji ya kupoza. Kwa kutegemea maandiko, makala inaeleza kwamba paneli za PV zinazoelea zinaweza kuonyesha ufanisi wa wastani wa %11 zaidi kuliko mifumo ya nchi kavu; thamani hii ya %11 si kipimo kipya kilichopatikana katika jaribio la utafiti huu wenyewe huko Kondampatti.

Jukwaa halisi la FPV katika utafiti

Jukwaa lililotolewa katika chanzo kama utekelezaji wa vifaa liko katika hifadhi ya maji huko Kondampatti, Tamil Nadu, Kusini mwa India. Mfumo unachukua eneo la takribani 29 m², na waandishi wanaeleza kwamba hili ni takribani %20 ya uso wa maji wa hifadhi hiyo.

Kielelezo 8(a) katika ukurasa wa tatu wa chanzo kinaonyesha mwonekano wa kiisometriki wa jukwaa la FPV lenye paneli sita linalobebwa na pontoni nne ndefu. Kielelezo 8(b) katika ukurasa wa nne kinaonyesha mwonekano wa mbele wa mkusanyiko na vipimo vyake vikuu.

Modeli ya umeme ya seli ya PV

Katika utafiti, seli ya PV imeundwa katika modeli kwa chanzo cha fotomkondo, diodi iliyo katika mwelekeo wa kinyume, resistansi ya mfululizo R_s na resistansi sambamba R_p. Kielelezo 3 cha chanzo kinaonyesha sakiti hii sawa.

Mlinganyo 1 kwa seli bora ya PV:

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

I_pv,cell huwakilisha mkondo unaozalishwa na mionzi inayoingia, I_o,cell mkondo wa kinyume wa kujaa wa diodi, q chaji ya elektroni, k thabiti ya Boltzmann, T halijoto ya muungano wa PN, a kigezo cha ubora wa diodi, na V volteji ya vituo vya seli. Chanzo kinatoa thamani za q = 1.6×10⁻¹⁹ C, k = 1.38×10⁻²³ J/K na 1 ≤ a ≤ 1.5.

Kwa modeli halisi ya PV, resistansi za mfululizo na sambamba huongezwa katika Mlinganyo 2:

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

R_s huwakilisha resistansi ya mfululizo, R_p resistansi sambamba, na V_t volteji ya joto. Mlinganyo unaonyesha jinsi hasara za kiomu na za uvujaji katika seli halisi ya PV zinavyoongezwa kwenye modeli bora ya diodi.

Kigeuzi cha kuongeza volteji chenye indukta mbili hufanyaje kazi?

Kigeuzi cha kuongeza volteji chenye indukta mbili ni topolojia ya elektroniki za nguvu ya DC–DC inayobadilisha volteji ndogo ya ingizo ya DC kuwa kiwango kikubwa zaidi cha toleo la DC kwa kutumia indukta mbili na muundo wa semikondakta unaowashwa na kuzimwa. Katika mfumo unaochunguzwa, DIBC hutumiwa kuongeza volteji kutoka katika safu ya PV hadi kiwango cha 300 V na kutekeleza nukta ya uendeshaji iliyowekwa na algoriti ya MPPT katika hatua ya nguvu.

Kielelezo 4 cha chanzo kinaonyesha katika muundo wa DIBC chanzo cha ingizo V_s, indukta L₁ na L₂, MOSFET kuu M_s, diodi na kapasita C₁–C₄. Makala inaeleza kwamba kigeuzi kina hali mbili za kufanya kazi katika modi ya upitishaji endelevu.

Modeli ya nafasi ya hali ya ishara ndogo

Chanzo kinatoa modeli ya DIBC ya ishara ndogo iliyofanywa kuwa ya mstari na kukokotolewa wastani katika nafasi ya hali kwa Mlinganyo 3:

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

R_L huonyesha resistansi ya mzigo, D uwiano wa muda wa kuwasha, V_C volteji ya kapasita, I_L mkondo wa indukta, C kapasitansi ya kichujio, na L induktansi. Usemi huu umehifadhiwa kama ulivyochapishwa katika chanzo; makala haitoi kando ufafanuzi wote wa kina wa alama za praimu/ishara ndogo.

Kwa udhibiti wa volteji wa modi ya kuongeza volteji ya DIBC, chanzo kinatoa katika Mlinganyo 4 muundo ufuatao wa funkseni ya uhamishaji:

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

Hapa s ni kigeu cha kikoa cha masafa, na chanzo hutumia uhusiano s = jω = j2πf_s.

IP&O MPPT inatofautianaje na P&O ya jadi?

Badala ya algoriti ya jadi ya Perturb and Observe kutafuta nukta ya nguvu ya juu kabisa katika sehemu kubwa ya mkunjo wa PV kwa mabadiliko madogo ya volteji, IP&O hupunguza eneo la utafutaji kwa kutambua mapema eneo finyu la P–V ambamo nukta ya nguvu ya juu kabisa inatarajiwa kupatikana. Katika utafiti, kwa kutumia dhana ya katika maandiko kwamba V_MPP ni takribani 0.76V_OC, eneo la utafutaji limezuiwa kuwa takribani %10 ya mkunjo wote wa nguvu.

Mantiki ya P&O ya jadi

Algoriti ya P&O ya jadi hulinganisha volteji na nguvu katika muda k na sampuli ya awali k−1:

• ΔP hubainishwa kwa kutumia P(k) na P(k−1).
• ΔV hubainishwa kwa kutumia V(k) na V(k−1).
• Nguvu ikiongezeka, badiliko linaendelezwa katika mwelekeo uleule.
• Nguvu ikipungua, mwelekeo wa badiliko la volteji hubadilishwa.
• Utaratibu huu hurudiwa daima karibu na MPP.

Kielelezo 5 cha chanzo kinaonyesha mti huu wa maamuzi. Udhaifu mkuu wa P&O ya jadi ni kwamba hatua kubwa za kubadilisha volteji zinaweza kusababisha mtetemo unaoendelea karibu na MPP.

Utafutaji uliowekewa mipaka wa IP&O

Kielelezo 6 cha chanzo hugawanya mkunjo wa P–V katika maeneo matatu, Area 1, Area 2 na Area 3, na huchagua Area 2 lenye MPP kama eneo la utafutaji. Lengo ni kutotumia muda kukagua sehemu za mkunjo zilizo mbali na MPP.

Katika mtiririko wa IP&O, mipaka V₁ na V₂ hubainishwa kwanza. Volteji na mkondo wa PV hupimwa ili kukokotoa P(k), kisha ΔP na ΔV hubainishwa. Nukta ya uendeshaji ikiwa nje ya masafa ya V₁–V₂, uwiano wa muda wa kuwasha hubadilishwa katika mwelekeo wa kuirudisha nukta hiyo katika Area 2; ikiwa ndani ya Area 2, mantiki ya kawaida ya maamuzi ya P&O hutumiwa.

Ingawa matini ya chanzo inafafanua maeneo matatu, katika mojawapo ya sentensi zinazofuata inatumia kauli “Areas 3 and 4”. Kwa kuwa hakuna Area 4 katika Kielelezo 6, kutolingana huku hakujarekebishwa kwa dhana kutoka nje ya chanzo.

Mbinu na matokeo ya utafiti

Viwango vya volteji vya paneli ya PV na kigeuzi

Katika Sehemu 3.3, inaelezwa kwamba paneli ya polikristalini iliyotumiwa katika utafiti ina V_m = 38.73 V na I_m = 8.40 A. Sehemu hiyo hiyo inaandika kwamba wakati wa uendeshaji halisi, volteji ya moduli hubadilika kati ya takribani 27–32 V kulingana na halijoto ya mazingira na mionzi ya jua.

Kwa upande mwingine, usanifu wa DIBC umetumia ingizo la 180–200 V. Chanzo hakitoi kwa kina muunganisho wa mfululizo/sambamba wa safu ya PV kati ya 27–32 V katika kiwango cha paneli moja na 180–200 V katika ingizo la kigeuzi. Kwa sababu hiyo, katika matini ya Verianla topolojia ya muunganisho haijaundwa kwa dhana kutoka nje ya chanzo.

Kutolingana kwa vipimo vya paneli ndani ya chanzo

Chanzo pia hueleza mfumo wa uwanjani kuwa usakinishaji wa takribani 2 kW wenye paneli sita za 330 Wp. Hata hivyo, thamani ya 245.88 W katika jedwali la hali za kawaida za majaribio ikitumika kama msingi, jumla ya paneli sita huwa takribani 1.48 kW. Chanzo hakielezi iwapo tofauti hii imetokana na paneli tofauti, hali tofauti za majaribio au kosa la uandishi.

Mfumo wa MATLAB/Simulink

Katika Kielelezo 9 kilicho katika ukurasa wa nne wa chanzo, viingizo vya halijoto na mionzi huunganishwa kwenye modeli ya PV, ishara ya udhibiti wa MPPT huzalishwa kutoka katika volteji na mkondo wa PV, uwiano wa muda wa kuwasha huhamishiwa kwenye hatua ya swichi, na volteji ya DC iliyoongezwa kupitia DIBC hutumwa kwenye hatua inayofuata ya kubadilisha nguvu.

Chanzo kinaripoti funkseni ifuatayo ya uhamishaji katika sehemu ya MATLAB kwa DIBC iliyosanifiwa:

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

Mlinganyo huu umepewa nambari “Equation 32” katika makala. Kwa kuwa mlinganyo wa mwisho uliotangulia ni Equation 4, kutokuwepo kwa masafa ya 5–31 ni kutolingana kwa upangaji wa nambari ndani ya chanzo.

IP&O iliboresha mwitikio wa mienendo kwa kiasi gani?

Kulingana na ulinganisho wa MATLAB/Simulink wa chanzo, IP&O ilionyesha mwitikio wa mienendo wa haraka zaidi kuliko P&O ya jadi, hasa katika tabia ya uvukaji na kutulia. Makala inaripoti upungufu wa %12 kwa ukubwa wa kilele, %70 kwa uvukaji wa kilele, %23 kwa muda wa kutulia, %7 kwa muda wa kufikia kilele na %5 kwa muda wa kupanda; matokeo haya ni vipimo vya kikoa cha muda vinavyotegemea uigaji wa kompyuta.

Thamani za grafu zinasomwa moja kwa moja kutoka katika Kielelezo 12; kwa hiyo, hakuna kipimo kipya kisichokuwa katika chanzo kilichoongezwa kwa thamani ya uvukaji wa kilele, ambayo haina kipimo au ufafanuzi ulio wazi kwenye grafu.

Maumbo ya mawimbi ya ingizo

Chanzo kinachunguza kuhamia kwa volteji ya ingizo ya DIBC kutoka 180 V hadi 200 V kwa kubadilisha hali za mionzi na halijoto karibu na 5 ms. Kielelezo 10(a) kinaonyesha volteji na mkondo wa ingizo katika kipindi cha 0–10 ms, na Kielelezo 10(b) kinaonyesha kwa kina tabia ya mawimbi madogo ya mabadiliko kati ya 4.9995–5.0005 ms.

Katika dirisha hili fupi la muda, chanzo:

• kinaripoti mawimbi madogo ya volteji ya ingizo kuwa takribani 2.5 V,
• na mawimbi madogo ya mkondo wa ingizo kuwa takribani 1.25 A

kama ilivyoelezwa.

Maumbo ya mawimbi ya toleo

Kielelezo 11 kinaonyesha volteji na mkondo wa toleo la DIBC inayodhibitiwa na IP&O. Katika dirisha la maelezo la 4.9995–5.0005 ms:

• mawimbi madogo ya volteji ya toleo ni takribani 2.2 V,
• mawimbi madogo ya mkondo wa toleo ni takribani 0.1 A

kama ilivyoripotiwa.

Matokeo haya yanaonyesha katika modeli ya MATLAB/Simulink ya chanzo tabia ya DIBC ya kudumisha toleo lililoongezwa la DC licha ya kubadilika kwa hali za ingizo. Hata hivyo, thamani hizi za mawimbi madogo hazijawasilishwa kama maumbo ya mawimbi ya prototipu halisi ya elektroniki za nguvu yaliyopimwa kwa osiloskopu.

Kauli “metaheuristic-driven” katika kichwa inapaswa kutafsiriwaje?

Kichwa asilia cha makala kina kauli “metaheuristic-driven”. Hata hivyo, sehemu za mbinu hazijafafanua algoriti tofauti ya utafutaji wa metaheuristiki, populasheni, funkseni lengwa, funkseni ya ufaafu, idadi ya marudio au vigezo vya uboreshaji. Mbinu halisi ya udhibiti imeelezwa kuwa IP&O. Kwa hiyo, chanzo kinaonyesha zaidi mbinu iliyoboreshwa ya P&O yenye eneo la utafutaji lililowekewa mipaka kuliko uboreshaji wa MPPT wa metaheuristiki uliotekelezwa wazi.

Hitimisho linaloungwa mkono na utafiti

Utafiti unaunga mkono kwamba, katika modeli ya MATLAB/Simulink iliyotolewa, mbinu ya IP&O inaweza kuboresha tabia ya mienendo karibu na MPP ikilinganishwa na P&O ya jadi. Chanzo pia kinaonyesha kwamba topolojia ya DIBC imefanyiwa uigaji kwa hali zilizosanifiwa za ingizo la 180–200 V na toleo la 300 V, na imeundwa katika modeli kwa indukta mbili za 694 µH na masafa ya ubadilishaji wa swichi ya 20 kHz.

Kusakinishwa kwa jukwaa halisi la kubeba FPV huko Kondampatti kunaunga mkono kimwili muktadha wa matumizi ya PV inayoelea wa utafiti. Hata hivyo, ulinganisho wa kina wa utendaji wa umeme wa chanzo umefanywa katika MATLAB/Simulink.

Ujumlishaji usioungwa mkono na utafiti

Utafiti hauthibitishi kwamba IP&O ina ubora kuliko P&O ya jadi kwa asilimia zilezile katika mifumo yote ya PV au hali zote za anga. Matokeo yanategemea modeli za PV na kigeuzi zilizotumiwa, vigezo vya udhibiti vilivyowekwa na senario ya uigaji wa kompyuta.

Makala hairipoti uzalishaji halisi wa muda mrefu wa nishati katika hifadhi ya maji, faida ya kila mwaka ya nishati, ufanisi halisi wa DIBC, halijoto ya MOSFET/indukta, hasara za ubadilishaji wa swichi, kipimo cha EMI au jaribio la kivuli kinachobadilika haraka katika mazingira halisi. Kwa hiyo, vipimo vya chini zaidi vya kikoa cha muda katika uigaji haviwezi kutafsiriwa moja kwa moja kuwa ongezeko la ukubwa uleule katika ufanisi wa nishati wa kila mwaka.

Pendekezo la chanzo kwa kazi ya baadaye ni kuunganisha kidhibiti cha utabiri kinachotegemea akili bandia na muundo uliopo ili kutoa mwitikio bora wa mienendo wakati wa mabadiliko makali ya mazingira.

Dokezo kuhusu chanzo na mbinu

Katika tafsiri ya kisayansi ya chanzo, mipaka mitatu inapaswa kudumishwa hasa. Kwanza, jukwaa halisi la FPV na utendaji wa Simulink wa DIBC/IP&O si aina ileile ya ushahidi. Pili, ingawa kichwa kina kauli “metaheuristic-driven”, sehemu ya mbinu haifafanui algoriti tofauti ya uboreshaji wa metaheuristiki. Tatu, thamani za volteji, mkondo na nguvu za paneli ya PV katika sehemu tofauti za makala hazilingani kikamilifu; thamani hizi hazipaswi kuunganishwa kwa dhana kutoka nje ya chanzo.

Makala pia inatumia kauli “Area 4” katika sehemu moja ya matini kwa grafu ya IP&O yenye maeneo matatu, na inaruka moja kwa moja kutoka Equation 4 hadi Equation 32. Hoja hizi hazijarekebishwa kimyakimya na Verianla, bali zimehifadhiwa kama kutolingana kwa taarifa ndani ya chanzo.