Suzuvchi fotoelektr tizim (Floating Photovoltaic, FPV) — fotoelektr modullar koʻl, suv ombori yoki shunga oʻxshash suv yuzalarida ponton va mahkamlash tizimlari ustida ishlatiladigan quyosh energiyasini ishlab chiqarish qurilmasidir. Ushbu tadqiqotda tadqiqotchilar FPV tizimining maksimal quvvat nuqtasini tezroq va kamroq tebranish bilan kuzatish uchun Takomillashtirilgan Perturb and Observe (Improved Perturb and Observe, IP&O) algoritmini ikki induktorli kuchaytiruvchi oʻzgartirgich (Dual Inductor Boost Converter, DIBC) bilan birlashtirib, elektr xususiyatlarini MATLAB/Simulink muhitida modellashtirganlar. Manbada DIBC 180–200 V kirish oraligʻidan 300 V DC chiqishni olishga moʻljallangan; ikkita 694 µH induktor, 20 kHz kommutatsiya chastotasi va %33.3–40 toʻldirish koeffitsiyenti oraligʻi ishlatilgan.

IP&O yondashuvining asosiy farqi klassik P&O kabi P–V egri chizigʻining keng qismida qidirish oʻrniga, maksimal quvvat nuqtasi boʻlishi kutiladigan tor sohaga eʼtibor qaratishidir. Manba V_MPP taxminan 0.76V_OC atrofida boʻlishi haqidagi adabiyot farazidan foydalanib, qidiruv sohasini P–V egri chizigʻining taxminan %10 lik qismi bilan cheklaydi. MATLAB/Simulink natijalarida IP&O anʼanaviy P&O ga nisbatan choʻqqi oshib ketishini taxminan %70, qaror topish vaqtini %23, choʻqqiga yetish vaqtini %7 va koʻtarilish vaqtini %5 kamaytirgani; shuningdek, choʻqqi kattaligini %12 kamaytirgani xabar qilingan.

Bu natijalar DIBC va MPPT boshqaruv tuzilmasining MATLAB/Simulink modeli uchun olingan. Maqolada Tamil Nadu shtatining Kondampatti hududidagi haqiqiy suzuvchi PV platformasi koʻrsatilgan boʻlsa-da, taqdim etilgan batafsil IP&O–DIBC dinamik koʻrsatkichlari taqqoslanishi haqiqiy quvvat oʻzgartirgich uskunasining uzoq muddatli dala sinovi emas. Bundan tashqari, maqola sarlavhasidagi “metaheuristic-driven” iborasiga qaramay, usul boʻlimida alohida va aniq taʼriflangan metaevristik optimallashtirish algoritmi berilmagan.

Suzuvchi fotoelektr tizim nima?

Suzuvchi fotoelektr tizim PV modullarini quruqlikdagi qoʻzgʻalmas tayanchlar oʻrniga suv ustida ishlaydigan ponton yoki suzuvchi platformalarga joylashtiradigan fotoelektr energiya ishlab chiqarish tizimidir. Koʻrib chiqilgan tadqiqotdagi FPV arxitekturasi quyosh panellari, pontonlar, mahkamlash tizimi, elektr kabellari, MPPT boshqaruvli DC–DC oʻzgartirgich va keyingi DC–AC quvvat oʻzgartirish bosqichini umumiy energiya zanjirida koʻrsatadi.

Manba quruqlikdagi PV qurilmalarining yer maydoniga ehtiyoji FPV uchun asosiy sabablardan biri ekanini taʼkidlaydi. Suv yuzasidagi tizimlarda modul harorati suvning sovitish taʼsiridan foyda koʻrishi mumkinligi ham muhokama qilinadi. Maqola adabiyotlarga tayanib, suzuvchi PV panellar quruqlikdagi tizimlardan oʻrtacha %11 yuqori samaradorlik koʻrsatishi mumkinligini bildiradi; bu %11 qiymat ushbu tadqiqotning Kondampattidagi oʻz tajribasidan olingan yangi oʻlchov emas.

Tadqiqotdagi haqiqiy FPV platformasi

Manbada uskunaviy amalga oshirish sifatida berilgan platforma Janubiy Hindiston, Tamil Nadu, Kondampattidagi suv omborida joylashgan. Tizim taxminan 29 m² maydonni egallaydi va mualliflar bu suv ombori yuzasining taxminan %20 iga tengligini bildiradilar.

Manbaning uchinchi sahifasidagi 8(a)-rasm toʻrtta uzun ponton koʻtarib turgan olti panelli FPV platformasining izometrik koʻrinishini koʻrsatadi. Toʻrtinchi sahifadagi 8(b)-rasm esa qurilmaning old koʻrinishi va asosiy oʻlchamlarini koʻrsatadi.

PV elementining elektr modeli

Tadqiqotda PV elementi fototok manbai, teskari yoʻnalgan diod, ketma-ket qarshilik R_s va parallel qarshilik R_p orqali modellashtirilgan. Manbaning 3-rasmi ushbu ekvivalent zanjirni koʻrsatadi.

Ideal PV elementi uchun 1-tenglama:

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

I_pv,cell tushayotgan nurlanish hosil qiladigan tokni, I_o,cell diodning teskari toʻyinish tokini, q elektron zaryadini, k Boltzmann doimiysini, T PN oʻtish haroratini, a diodning ideallik koeffitsiyentini va V element chiqish kuchlanishini ifodalaydi. Manba q = 1.6×10⁻¹⁹ C, k = 1.38×10⁻²³ J/K va 1 ≤ a ≤ 1.5 qiymatlarini beradi.

Amaliy PV modeli uchun ketma-ket va parallel qarshiliklar 2-tenglamaga qoʻshiladi:

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

R_s ketma-ket qarshilikni, R_p parallel qarshilikni va V_t issiqlik kuchlanishini ifodalaydi. Tenglama haqiqiy PV elementidagi omik va sizib oʻtish yoʻqotishlari ideal diod modeliga qanday qoʻshilishini koʻrsatadi.

Ikki induktorli kuchaytiruvchi oʻzgartirgich qanday ishlaydi?

Ikki induktorli kuchaytiruvchi oʻzgartirgich ikkita induktor va kommutatsiyalanuvchi yarimoʻtkazgich tuzilmasidan foydalanib, past DC kirish kuchlanishini yuqoriroq DC chiqish darajasiga oʻzgartiradigan DC–DC kuch elektronika topologiyasidir. Koʻrib chiqilgan tizimda DIBC PV massividan keladigan kuchlanishni 300 V darajasiga koʻtarish va MPPT algoritmi belgilagan ish nuqtasini quvvat bosqichiga tatbiq etish uchun ishlatiladi.

Manbaning 4-rasmida DIBC tuzilmasidagi V_s kirish manbai, L₁ va L₂ induktorlari, M_s asosiy MOSFET i, diodlar va C₁–C₄ kondensatorlari koʻrsatilgan. Maqola oʻzgartirgich uzluksiz oʻtkazuvchanlik rejimida ikkita ish holatiga ega ekanini bildiradi.

Kichik signalli holatlar fazosi modeli

Manba DIBC ning chiziqlashtirilgan kichik signalli, holatlar fazosida oʻrtachalashtirilgan modelini 3-tenglama bilan beradi:

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

R_L yuk qarshiligini, D toʻldirish koeffitsiyentini, V_C kondensator kuchlanishini, I_L induktor tokini, C filtr sigʻimini va L induktivlikni bildiradi. Bu ifoda manbada bosilgan shaklda saqlangan; maqola shtrix/kichik signal belgilanishlarining barcha batafsil taʼriflarini alohida bermaydi.

DIBC ning kuchaytirish rejimidagi kuchlanish boshqaruvi uchun manba 4-tenglamada quyidagi uzatish funksiyasi tuzilmasini beradi:

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

Bu yerda s chastota sohasi oʻzgaruvchisi boʻlib, manba s = jω = j2πf_s munosabatidan foydalanadi.

IP&O MPPT anʼanaviy P&O dan qanday farqlanadi?

IP&O anʼanaviy Perturb and Observe algoritmining PV egri chizigʻi keng qismida kichik kuchlanish perturbatsiyalari orqali maksimal quvvat nuqtasini qidirishi oʻrniga, maksimal quvvat nuqtasi boʻlishi kutiladigan tor P–V sohasini oldindan belgilab, qidiruv maydonini kichraytiradi. Tadqiqotda V_MPP taxminan 0.76V_OC boʻlishi haqidagi adabiyot farazi qoʻllanib, qidiruv sohasi butun quvvat egri chizigʻining taxminan %10 i bilan cheklangan.

Anʼanaviy P&O mantiqi

Anʼanaviy P&O algoritmi k paytdagi kuchlanish va quvvatni oldingi k−1 namunasi bilan taqqoslaydi:

• P(k) va P(k−1) yordamida ΔP aniqlanadi.
• V(k) va V(k−1) yordamida ΔV aniqlanadi.
• Quvvat oshsa, perturbatsiya shu yoʻnalishda davom ettiriladi.
• Quvvat kamaysa, kuchlanish perturbatsiyasi yoʻnalishi oʻzgartiriladi.
• Bu amal MPP atrofida uzluksiz takrorlanadi.

Manbaning 5-rasmi ushbu qaror daraxtini koʻrsatadi. Anʼanaviy P&O ning asosiy zaifligi katta perturbatsiya qadamlarida MPP atrofida doimiy tebranish hosil qilishi mumkinligidir.

IP&O ning cheklangan qidiruvi

Manbaning 6-rasmi P–V egri chizigʻini Area 1, Area 2 va Area 3 deb uch sohaga ajratadi va MPP ni oʻz ichiga olgan Area 2 ni qidiruv sohasi sifatida tanlaydi. Maqsad MPP dan uzoq egri chiziq qismlarini tekshirishga vaqt sarflamaslikdir.

IP&O jarayonida avval V₁ va V₂ chegaralari belgilanadi. PV kuchlanishi va toki oʻlchanib P(k) hisoblanadi, keyin ΔP va ΔV aniqlanadi. Ish nuqtasi V₁–V₂ oraligʻidan tashqarida boʻlsa, toʻldirish koeffitsiyenti ish nuqtasini Area 2 ga qaytaradigan yoʻnalishda oʻzgartiriladi; Area 2 ichida esa odatiy P&O qaror mantiqi qoʻllanadi.

Manba matni uch sohani taʼriflagan boʻlsa-da, keyingi jumlalardan birida “Areas 3 and 4” iborasini ishlatadi. 6-rasmda Area 4 yoʻqligi sababli bu nomuvofiqlik manbadan tashqari faraz bilan tuzatilmagan.

Tadqiqot usuli va natijalari

PV paneli va oʻzgartirgich kuchlanish darajalari

3.3-boʻlimda tadqiqot uchun ishlatilgan polikristall panelning V_m = 38.73 V va I_m = 8.40 A ekani bildiriladi. Shu boʻlimda haqiqiy ishlash vaqtida modul kuchlanishi atrof-muhit harorati va quyosh nurlanishiga bogʻliq holda taxminan 27–32 V orasida oʻzgarishi yozilgan.

Bunga qarshi ravishda DIBC loyihasida 180–200 V kirish ishlatilgan. Manba bitta panel darajasidagi 27–32 V bilan oʻzgartirgich kirishidagi 180–200 V orasidagi ketma-ket/parallel PV massiv ulanishini batafsil bermaydi. Shu sababli Verianla matnida ulanish topologiyasi manbadan tashqari faraz asosida yaratilmagan.

Manbadagi panel spetsifikatsiyasi nomuvofiqligi

Manba dala tizimini oltita 330 Wp paneldan iborat taxminan 2 kW qurilma deb ham taʼriflaydi. Biroq standart sinov sharoitlari jadvalidagi 245.88 W qiymat asos qilib olinsa, oltita panelning jami taxminan 1.48 kW boʻladi. Manba bu farq boshqa panel, boshqa sinov sharoiti yoki yozuv xatosidan kelib chiqqan-chiqmaganini tushuntirmaydi.

MATLAB/Simulink tizimi

Manbaning toʻrtinchi sahifasidagi 9-rasmda harorat va nurlanish kirishlari PV modeliga ulanadi, PV kuchlanishi va tokidan MPPT boshqaruv signali hosil qilinadi, toʻldirish koeffitsiyenti kommutatsiya bosqichiga uzatiladi va DIBC orqali oshirilgan DC kuchlanish keyingi quvvat oʻzgartirish bosqichiga yuboriladi.

Manba loyihalashtirilgan DIBC uchun MATLAB boʻlimida quyidagi uzatish funksiyasini xabar qiladi:

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

Bu tenglama maqolada “Equation 32” deb raqamlangan. Oldingi oxirgi tenglama Equation 4 boʻlgani uchun 5–31 oraligʻining yoʻqligi manba ichidagi raqamlash nomuvofiqligidir.

IP&O dinamik javobni qanchalik yaxshiladi?

Manbaning MATLAB/Simulink taqqoslashiga koʻra, IP&O anʼanaviy P&O ga nisbatan, ayniqsa oshib ketish va qaror topish xususiyatlarida, tezroq dinamik javob koʻrsatgan. Maqola choʻqqi kattaligi uchun %12, choʻqqi oshib ketishi uchun %70, qaror topish vaqti uchun %23, choʻqqiga yetish vaqti uchun %7 va koʻtarilish vaqti uchun %5 kamayishni xabar qiladi; bu natijalar simulyatsiyaga asoslangan vaqt sohasi mezonlaridir.

Grafik qiymatlari bevosita 12-rasmdan oʻqiladi; shu sababli grafikda aniq birligi yoki taʼrifi boʻlmagan choʻqqi oshib ketishi qiymatiga manbada yoʻq yangi birlik qoʻshilmagan.

Kirish toʻlqin shakllari

Manba nurlanish va harorat sharoitlarini 5 ms atrofida oʻzgartirib, DIBC kirish kuchlanishining 180 V dan 200 V ga siljishini tekshiradi. 10(a)-rasm 0–10 ms oraligʻidagi kirish kuchlanishi va tokini, 10(b)-rasm esa 4.9995–5.0005 ms orasidagi pulsatsiyaning batafsil xususiyatlarini koʻrsatadi.

Ushbu qisqa vaqt oynasida manba:

• kirish kuchlanishi pulsatsiyasini taxminan 2.5 V,
• kirish toki pulsatsiyasini taxminan 1.25 A

deb bildiradi.

Chiqish toʻlqin shakllari

11-rasmda IP&O boshqaruvli DIBC ning chiqish kuchlanishi va chiqish toki koʻrsatilgan. 4.9995–5.0005 ms batafsil koʻrish oynasida:

• chiqish kuchlanishi pulsatsiyasi taxminan 2.2 V,
• chiqish toki pulsatsiyasi taxminan 0.1 A

deb xabar qilingan.

Bu natijalar manbaning MATLAB/Simulink modeli doirasida DIBC oʻzgaruvchan kirish sharoitlariga qaramay oshirilgan DC chiqishni saqlashini koʻrsatadi. Ammo bu pulsatsiya qiymatlari haqiqiy kuch elektronika prototipining ossillograf bilan oʻlchangan toʻlqin shakllari sifatida taqdim etilmaydi.

Sarlavhadagi “metaheuristic-driven” iborasi qanday talqin qilinishi kerak?

Maqolaning asl sarlavhasida “metaheuristic-driven” iborasi bor. Shunga qaramay, usul boʻlimlarida alohida metaevristik qidiruv algoritmi, populyatsiya, maqsad funksiyasi, moslik funksiyasi, iteratsiyalar soni yoki optimallashtirish parametrlari taʼriflanmagan. Amalda qoʻllangan boshqaruv usuli IP&O deb tushuntiriladi. Shu sababli manba aniq amalga oshirilgan metaevristik MPPT optimallashtirishdan koʻra, qidiruv sohasi cheklangan takomillashtirilgan P&O yondashuvini koʻrsatadi.

Tadqiqot tasdiqlaydigan xulosalar

Tadqiqot berilgan MATLAB/Simulink modeli doirasida IP&O yondashuvi anʼanaviy P&O ga nisbatan MPP atrofidagi dinamik xususiyatlarni yaxshilashi mumkinligini tasdiqlaydi. Manba, shuningdek, DIBC topologiyasi loyihalashtirilgan 180–200 V kirish va 300 V chiqish sharoitlari uchun simulyatsiya qilinganini, ikkita 694 µH induktor va 20 kHz kommutatsiya chastotasi bilan modellashtirilganini koʻrsatadi.

Kondampattida haqiqiy FPV tayanch platformasining qurilgani tadqiqotning suzuvchi PV qoʻllanishi kontekstini jismonan asoslaydi. Biroq manbaning batafsil elektr koʻrsatkichlari taqqoslanishi MATLAB/Simulink da bajarilgan.

Tadqiqot tasdiqlamaydigan umumlashtirishlar

Tadqiqot IP&O barcha PV tizimlarida yoki barcha atmosfera sharoitlarida anʼanaviy P&O dan ayni foizlarda ustun ekanini isbotlamaydi. Natijalar ishlatilgan PV va oʻzgartirgich modeli, belgilangan boshqaruv parametrlari va simulyatsiya ssenariysiga bogʻliq.

Maqolada suv omborida uzoq muddatli haqiqiy energiya ishlab chiqarish, yillik energiya yutugʻi, haqiqiy DIBC samaradorligi, MOSFET/induktor harorati, kommutatsiya yoʻqotishlari, EMI oʻlchovi yoki haqiqiy muhitda tez soyalanish sinovi xabar qilinmagan. Shu sababli simulyatsiyadagi pastroq vaqt sohasi mezonlarini bevosita yillik energiya samaradorligining xuddi shuncha oshishi deb talqin qilib boʻlmaydi.

Manbaning kelgusi ish taklifi keskin atrof-muhit oʻzgarishlarida yaxshiroq dinamik javobni taʼminlash uchun sunʼiy intellektga asoslangan bashoratlovchi boshqaruvchini mavjud tuzilma bilan birlashtirishdir.

Manba va usul haqida izoh

Manbani ilmiy talqin qilishda ayniqsa uchta chegarani saqlash kerak. Birinchidan, haqiqiy FPV platformasi bilan DIBC/IP&O ning Simulink koʻrsatkichlari bir xil dalil turi emas. Ikkinchidan, sarlavhada “metaheuristic-driven” iborasi boʻlsa-da, usul boʻlimida alohida metaevristik optimallashtirish algoritmi taʼriflanmagan. Uchinchidan, maqolaning turli boʻlimlaridagi PV panel kuchlanishi, toki va quvvati qiymatlari oʻzaro toʻliq mos emas; bu qiymatlar manbadan tashqari faraz bilan birlashtirilmasligi kerak.

Maqola, shuningdek, uch sohali IP&O grafigi uchun matnning bir joyida “Area 4” iborasini ishlatadi va Equation 4 dan bevosita Equation 32 ga oʻtadi. Bu jihatlar Verianla tomonidan sezdirmasdan tuzatilmagan, manba ichidagi hisobot nomuvofiqliklari sifatida saqlangan.