अधिकतम शक्ति-बिन्दु अनुसरण

अधिकतम बिजली पाइंट ट्रैकिंग (एमपीपीटी) या कभी-कभी सिर्फ बिजली पाइंट ट्रैकिंग (पीपीटी),  एक ऐसी तकनीक है जिसका उपयोग चर ऊर्जा स्रोतों के साथ किया जाता है ताकि परिस्थितियाँ भिन्न होने पर ऊर्जा निष्कर्षण को अधिकतम किया जा सके। तकनीक का सबसे अधिक उपयोग फोटोवोल्टिक (पीवी) सौर प्रणालियों के साथ किया जाता है, लेकिन इसका उपयोग वातचालित टर्बाइन, ऑप्टिकल शक्ति संचरण और थर्मोफोटोवोल्टिक्स के साथ भी किया जा सकता है।

पीवी सौर मंडल के अंर्तवर्तक प्रणाली, बाहरी ग्रिड, बैटरी बैंक और अन्य विद्युत भार से अलग-अलग संबंध हैं। एमपीपीटी द्वारा संबोधित केंद्रीय समस्या यह है कि सौर कोशिका से बिजली हस्तांतरण की दक्षता उपलब्ध सूर्य के प्रकाश, छायांकन, सौर पैनल तापमान और भार की विद्युत विशेषताओं पर निर्भर करती है। जैसे-जैसे ये स्थितियाँ परिवर्तित हैं, भार विशेषता (प्रतिबाधा) जो उच्चतम शक्ति हस्तांतरण परिवर्तन देती है। प्रणाली को तब अनुकूलित किया जाता है जब उच्चतम दक्षता पर शक्ति अंतरण रखने के लिए भार की विशेषता बदल जाती है। इस इष्टतम भार विशेषता को अधिकतम बिजली पाइंट (एमपीपी) कहा जाता है। एमपीपीटी भार विशेषताओं को समायोजित करने की प्रक्रिया है क्योंकि स्थितियां परिवर्तित होती हैं। परिपथ को फोटोवोल्टिक कोशिकाओं को इष्टतम भार प्रस्तुत करने के लिए डिज़ाइन किया जा सकता है और फिर अन्य उपकरणों या प्रणालियों के अनुरूप वोल्टेज, विद्युत धारा या आवृत्ति को परिवर्तित किया जा सकता है।

तापमान और कुल प्रतिरोध के मध्य सौर कोशिका के गैर-रैखिक संबंध का विश्लेषण विद्युत धारा वोल्टता (I-V) विशेषता वक्र और बिजली वोल्टेज (P-V) वक्र के आधार पर किया जा सकता है। एमपीपीटी कोशिका आउटपुट का प्रतिदर्श लेता है और अधिकतम शक्ति प्राप्त करने के लिए उचित प्रतिरोध (भार) उपयोजित करता है। एमपीपीटी उपकरण सामान्यतः एक विद्युत शक्ति परिवर्तक प्रणाली में एकीकृत होते हैं जो बिजली ग्रिड, बैटरी या मोटर्स सहित विभिन्न भारों को चलाने के लिए वोल्टेज या विद्युत धारा रूपांतरण, निस्यंदन और विनियमन प्रदान करता है। सौर प्रतिवर्तित्र डीसी बिजली को एसी बिजली में परिवर्तित करते हैं और एमपीपीटी को सम्मिलित कर सकते हैं।

एमपीपी (Pmpp) पर शक्ति एमपीपी वोल्टेज (Vmpp) और एमपीपी विद्युत धारा (Impp) का उत्पाद है।

सामान्यतः, आंशिक रूप से छायांकित सौर सरणी के पीवी वक्र में कई शिखर हो सकते हैं, और कुछ एल्गोरिदम वैश्विक अधिकतम वक्र के बदले स्थानीय अधिकतम में फंस सकते हैं।

पृष्ठभूमि
फोटोवोल्टिक कोशिकाओं का उनके प्रचालन वातावरण और उनके द्वारा उत्पादित शक्ति के मध्य एक जटिल संबंध होता है। भरण कारक (FF) कोशिका के गैर-रैखिक विद्युत व्यवहार को दर्शाता है। भरण कारक को कोशिका से खुला परिपथ वोल्टता Voc और लघुपथ धारा Isc के उत्पाद की अधिकतम शक्ति के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है। सारणीबद्ध डेटा का उपयोग प्रायः उस अधिकतम शक्ति का अनुमान लगाने के लिए किया जाता है जो एक कोशिका दी गई परिस्थिति के अंतर्गत एक इष्टतम भार प्रदान कर सकता है:

$$P=FF*Voc*Isc$$.

अधिकांश उद्देश्यों के लिए, FF, Voc, और Isc सामान्य परिस्थितियों में कोशिका के विद्युत व्यवहार का एक उपयोगी अनुमानित दृश्य देने के लिए पर्याप्त जानकारी है।

किसी भी स्थिति के समुच्चय के लिए, कोशिकाओं में एक एकल प्रचालन बिंदु होता है जहां कोशिका के विद्युत प्रवाह (I) और वोल्टेज (V) के मान अधिकतम विद्युत शक्ति उत्पादन की अनुमति देते हैं। ये मान एक विशेष भार प्रतिरोध के अनुरूप हैं, जो ओम के नियम द्वारा निर्दिष्ट V / I के समान है। शक्ति P द्वारा दी गई है:

$$P=V*I$$.

एक फोटोवोल्टिक कोशिका, अपने अधिकांश उपयोगी वक्र के लिए, निरंतर स्थिर स्रोत के रूप में कार्य करता है। तथापि, एक फोटोवोल्टिक कोशिका के एमपीपी क्षेत्र में, इसकी वक्र में विद्युत धारा और वोल्टेज के मध्य लगभग व्युत्क्रम घातीय संबंध होता है। मूल परिपथ सिद्धांत से, उपकरण को दी जाने वाली शक्ति को अनुकूलित (एमपीपी) किया जाता है जहां व्युत्पन्न (रेखीय रूप से, ढलान) I-V वक्र का dI/dV समान है और I/V अनुपात के विपरीत है (जहां dP/dV = 0) और वक्र के नी के सामान होती है।

इस मान के व्युत्क्रम के समान प्रतिरोध R=V/I के साथ एक भार उपकरण से अधिकतम शक्ति प्राप्त करता है। इसे कभी-कभी कोशिका का 'विशेषता प्रतिरोध' कहा जाता है। यह एक गतिशील मात्रा है जो रोशनी के स्तर के साथ-साथ तापमान और कोशिका की स्थिति जैसे अन्य कारकों के आधार पर परिवर्तित है। कम या अधिक प्रतिरोध बिजली उत्पादन को कम करता है। इस बिंदु की पहचान करने के लिए अधिकतम बिजली पाइंट ट्रैकर्स नियंत्रण परिपथ या तर्क का उपयोग करते हैं।

यदि एक पूर्ण शक्ति-वोल्टेज (P-V) वक्र उपलब्ध है, तो एक द्विभाजन विधि का उपयोग करके अधिकतम शक्ति बिंदु प्राप्त किया जा सकता है।

कार्यान्वयन
भार को सीधे कोशिका से संयोजित करते समय, पैनल का प्रचालन बिंदु शायद ही शिखर शक्ति पर होता है। पैनल द्वारा देखी गई प्रतिबाधा इसके परिचालन बिंदु को निर्धारित करती है। प्रतिबाधा को यथार्थ रूप से समुच्चय करने से शिखर शक्ति प्राप्त होती है। क्योंकि पैनल डीसी उपकरण हैं, DC-DC कन्वर्टर्स एक परिपथ (स्रोत) के प्रतिबाधा को दूसरे परिपथ (भार) में बदल देते हैं। DC-DC कन्वर्टर के कर्तव्य अनुपात को बदलने से कोशिका द्वारा देखा जाने वाला प्रतिबाधा (ड्यूटी अनुपात) बदल जाता है। पैनल का I-V वक्र विकिरण और तापमान जैसी वायुमंडलीय स्थितियों से काफी प्रभावित हो सकता है।

एमपीपीटी एल्गोरिदम प्रायः पैनल वोल्टेज और धाराओं का प्रतिदर्श लेते हैं, फिर परिणामस्वरूप कर्तव्य अनुपात समायोजित करें। माइक्रोकंट्रोलर्स एल्गोरिदम को उपयोजित करते हैं। आधुनिक कार्यान्वयन प्रायः विश्लेषण और भार पूर्वानुमान के लिए अधिक परिष्कृत अभिकलित्र का उपयोग करते हैं।

वर्गीकरण
बिजली आउटपुट को अनुकूलित करने के लिए नियंत्रक कई रणनीतियों का पालन कर सकते हैं। शर्तों के अनुसार एमपीपीटी कई एल्गोरिदम के मध्य स्विच कर सकते हैं।

परेशान करना और निरीक्षण करना
इस पद्धति में नियंत्रक सरणी से वोल्टेज को एक छोटी राशि से समायोजित करता है और शक्ति को मापता है; यदि शक्ति बढ़ती है, तो उस दिशा में और समायोजन की कोशिश की जाती है जब तक कि शक्ति में वृद्धि न हो। इसे गड़बड़ी और निरीक्षण (पी एंड ओ) कहा जाता है और यह सबसे आम है, तथापि यह विधि बिजली उत्पादन को दोलन कर सकती है। इसे पहाड़ी पर चढ़ने की विधि के रूप में भी जाना जाता है, क्योंकि यह अधिकतम शक्ति बिंदु के नीचे वोल्टेज के विरुद्ध शक्ति के वक्र के उदय और उस बिंदु से ऊपर गिरने पर निर्भर करता है। इसके कार्यान्वयन में आसानी के कारण पर्टर्ब और निरीक्षण सबसे अधिक इस्तेमाल की जाने वाली विधि है। पर्टर्ब और ऑब्जर्व विधि का परिणाम शीर्ष स्तर की दक्षता में हो सकता है, बशर्ते कि एक उचित भविष्य कहनेवाला और अनुकूली पहाड़ी चढ़ाई की रणनीति अपनाई जाए।

वृद्धिशील चालन
इस पद्धति में, वोल्टेज परिवर्तन के प्रभाव की भविष्यवाणी करने के लिए नियंत्रक वृद्धिशील विद्युत धारा और वोल्टेज परिवर्तनों को मापता है। इस पद्धति के लिए नियंत्रक में अधिक संगणना की आवश्यकता होती है, लेकिन P&O की तुलना में परिवर्तित परिस्थितियों को अधिक तेज़ी से ट्रैक कर सकता है। बिजली आउटपुट दोलन नहीं करता है। यह वृद्धिशील चालन का उपयोग करता है ($$dI/dV$$) वोल्टेज के संबंध में बिजली में परिवर्तन के संकेत की गणना करने के लिए फोटोवोल्टिक सरणी ($$dP/dV$$). वृद्धिशील चालन विधि वृद्धिशील चालन की तुलना करके MPP की गणना करती है ($$I_\Delta / V_\Delta$$) सरणी चालन के लिए ($$I / V$$). जब ये दोनों एक ही हों ($$I / V = I_\Delta / V_\Delta$$), आउटपुट वोल्टेज एमपीपी वोल्टेज है। नियंत्रक इस वोल्टेज को तब तक बनाए रखता है जब तक कि विकिरण में परिवर्तन नहीं होता है और प्रक्रिया दोहराई जाती है।

वृद्धिशील चालन पद्धति अवलोकन पर आधारित है कि MPP पर, $$dP/dV = 0$$, ओर वो $$P = IV$$. सरणी से धारा को वोल्टेज के कार्य के रूप में व्यक्त किया जा सकता है:

$$P = I(V)V$$.

इसलिए, $$dP/dV = VdI/dV + I(V)$$. इसे शून्य यील्ड के समान समुच्चय करना: $$dI/dV = -I(V)/V$$. इसलिए, MPP तब प्राप्त होता है जब वृद्धिशील चालन तात्कालिक चालन के ऋणात्मक के समान होता है। बिजली-वोल्टेज वक्र विशेषता दर्शाती है कि: जब वोल्टेज एमपीपी से छोटा होता है, $$dP/dV > 0 $$, इसलिए $$ dI/dV > -I/V $$; जब वोल्टेज MPP से बड़ा होता है, $$dP/dV < 0 $$ या $$ dI/dV < -I/V $$. इस प्रकार, एक ट्रैकर विद्युत धारा/वोल्टेज और विद्युत धारा वोल्टेज के परिवर्तन के संबंध की गणना करके यह जान सकता है कि यह बिजली-वोल्टेज वक्र पर कहां है।

विद्युत धारा स्वीप
विद्युत धारा स्वीप विधि एरे करंट के लिए स्वीप वेवफॉर्म का उपयोग करती है जैसे कि पीवी एरे की I-V विशेषता निश्चित समय अंतराल पर प्राप्त और अपडेट की जाती है। एमपीपी वोल्टेज की गणना उसी अंतराल पर विशेषता वक्र से की जा सकती है।

लगातार वोल्टेज
लगातार वोल्टेज विधियों में एक सम्मिलित है जिसमें आउटपुट वोल्टेज को सभी स्थितियों के तहत एक स्थिर मूल्य पर विनियमित किया जाता है और एक जिसमें आउटपुट वोल्टेज को मापा ओपन परिपथ वोल्टेज के निरंतर अनुपात के आधार पर नियंत्रित किया जाता है ($$V_{OC}$$). बाद वाली तकनीक को ओपन वोल्टेज विधि भी कहा जा सकता है। यदि आउटपुट वोल्टेज को स्थिर रखा जाता है, तो एमपीपी को ट्रैक करने का कोई प्रयास नहीं होता है, इसलिए यह सख्ती से एमपीपीटी तकनीक नहीं है, तथापि यह उन मामलों में काम करता है जब एमपीपी ट्रैकिंग विफल हो जाती है, और इस प्रकार इसे कभी-कभी पूरक रूप से उपयोग किया जाता है। ओपन वोल्टेज विधि में, बिजली वितरण क्षण भर में बाधित होता है और शून्य करंट वाले ओपन-परिपथ वोल्टेज को मापा जाता है। नियंत्रक तब ओपन-परिपथ वोल्टेज के 0.76 जैसे निश्चित अनुपात पर नियंत्रित वोल्टेज के साथ संचालन फिर से शुरू करता है $$V_{OC}$$. यह आम तौर पर एक मूल्य है जिसे एमपीपी होने के लिए पूर्व निर्धारित किया गया है, या तो अनुभवजन्य रूप से या मॉडलिंग के आधार पर, अपेक्षित परिचालन स्थितियों के लिए। सरणी वोल्टेज को विनियमित करके और इसे निश्चित संदर्भ वोल्टेज से मिलान करके सरणी के प्रचालन बिंदु को एमपीपी के पास रखा जाता है $$V_{ref}=kV_{OC}$$. का मान है $$V_{ref}$$ एमपीपी के साथ-साथ अन्य कारकों के सापेक्ष इष्टतम प्रदर्शन देने के लिए चुना जा सकता है, लेकिन केंद्रीय विचार यह है $$V_{ref}$$ के अनुपात में निर्धारित किया जाता है $$V_{OC}$$. विधि में निहित अनुमानों में से एक यह है कि MPP वोल्टेज का अनुपात $$V_{OC}$$ केवल लगभग स्थिर है, इसलिए यह आगे के संभावित अनुकूलन के लिए जगह छोड़ता है।

तापमान विधि
यह विधि एमपीपी वोल्टेज का अनुमान लगाती है ($$V_{mpp}$$) सौर मॉड्यूल के तापमान को मापने और एक संदर्भ के साथ तुलना करके। क्योंकि विकिरण स्तरों में परिवर्तन का एमपीपी वोल्टेज पर नगण्य प्रभाव पड़ता है, इसलिए इसके प्रभावों को नजरअंदाज किया जा सकता है - वोल्टेज को तापमान के साथ रैखिक रूप से भिन्न माना जाता है।

यह एल्गोरिथ्म निम्नलिखित समीकरण की गणना करता है:

$$V_{mpp}(T)=V_{mpp}(T_{ref})+u_{V_{mpp}}(T-T_{ref})$$ कहाँ:

$$V_{mpp}$$ किसी दिए गए तापमान के लिए अधिकतम शक्ति बिंदु पर वोल्टेज है;

$$T_{ref}$$ एक संदर्भ तापमान है;

$$T$$ मापा तापमान है;

$$u_{V_{mpp}}$$ का तापमान गुणांक है $$V_{mpp}$$ (डेटा शीट में उपलब्ध)।

लाभ

 * सरलता: यह एल्गोरिथ्म एक रेखीय समीकरण को हल करता है। इसलिए, इसमें कम संगणना की आवश्यकता होती है।
 * एक एनालॉग या डिजिटल परिपथ के रूप में उपयोजित किया जा सकता है।
 * क्योंकि तापमान समय के साथ धीरे-धीरे बदलता है, दोलन और अस्थिरता गैर-कारक हैं।
 * कम लागत: तापमान सेंसर की सूची सामान्यतः सस्ती होती है।
 * शोर (इलेक्ट्रॉनिक्स) के खिलाफ मजबूत।

नुकसान

 * अनुमान त्रुटि कम विकिरण स्तरों के लिए नगण्य नहीं हो सकती है (जैसे 200 W/m से नीचे)2).

विधियों की तुलना
पी एंड ओ और वृद्धिशील चालन दोनों पहाड़ी चढ़ाई के तरीकों के उदाहरण हैं जो सरणी की परिचालन स्थिति के लिए स्थानीय अधिकतम शक्ति वक्र का पता लगा सकते हैं, और इसलिए एक वास्तविक एमपीपी प्रदान करते हैं।

पी एंड ओ स्थिर अवस्था विकिरण के तहत भी अधिकतम बिजली पाइंट के आसपास बिजली उत्पादन दोलन पैदा करता है।

वृद्धिशील चालकता दोलन के बिना अधिकतम शक्ति बिंदु निर्धारित कर सकती है। यह पी एंड ओ की तुलना में उच्च सटीकता के साथ तेजी से परिवर्तित विकिरण स्थितियों के तहत एमपीपीटी कर सकता है। तथापि, यह विधि दोलनों का उत्पादन कर सकती है और तेजी से बदलते वायुमंडलीय परिस्थितियों में अनियमित रूप से प्रदर्शन कर सकती है। पी एंड ओ की तुलना में एल्गोरिथम की उच्च जटिलता के कारण प्रतिदर्श आवृत्ति कम हो गई है।

निरंतर वोल्टेज अनुपात (या ओपन वोल्टेज) विधि में, विद्युत धारा में शून्य पर समुच्चय होने के दौरान ऊर्जा खो सकती है। के रूप में 76% का अनुमान है $$V_{MPP}/V_{OC}$$ अनुपात आवश्यक रूप से सही नहीं है। तथापि सरल और कम लागत को उपयोजित करने के लिए, रुकावटें सरणी दक्षता को कम करती हैं और वास्तविक एमपीपी को खोजने को सुनिश्चित नहीं करती हैं। हालाँकि, कुछ प्रणालियों की दक्षता 95% से ऊपर पहुँच सकती है।

प्लेसमेंट
पारंपरिक सौर प्रतिवर्तित्र संपूर्ण सरणी के लिए एमपीपीटी का प्रदर्शन करते हैं। ऐसी प्रणालियों में प्रतिवर्तित्र द्वारा निर्धारित एक ही धारा, स्ट्रिंग (श्रृंखला) में सभी मॉड्यूलों से प्रवाहित होती है। क्योंकि अलग-अलग मॉड्यूल में अलग-अलग I-V वक्र और अलग-अलग एमपीपी होते हैं (विनिर्माण सहिष्णुता, आंशिक छायांकन के कारण, आदि) इस आर्किटेक्चर का मतलब है कि कुछ मॉड्यूल अपने एमपीपी, लागत दक्षता के नीचे प्रदर्शन करेंगे। इसके बदले, एमपीपीटी को अलग-अलग मॉड्यूल के लिए तैनात किया जा सकता है, जिससे असमान छायांकन, मिट्टी या बिजली के बेमेल के बावजूद प्रत्येक शिखर दक्षता पर काम कर सके।

डेटा सुझाव देता है कि एक परियोजना के लिए एक एमपीपीटी के साथ एक प्रतिवर्तित्र जिसमें पूर्व और पश्चिम की ओर मॉड्यूल की समान संख्या होती है, दो इनवर्टर या एक से अधिक एमपीपीटी के साथ एक प्रतिवर्तित्र की तुलना में कोई नुकसान नहीं होता है।

बैटरी ऑपरेशन
रात में, एक ऑफ- विद्युत ग्रिड पीवी प्रणाली भार की आपूर्ति के लिए बैटरी का उपयोग कर सकता है। तथापि पूरी तरह से चार्ज बैटरी पैक वोल्टेज पीवी पैनल के एमपीपी वोल्टेज के करीब हो सकता है, लेकिन बैटरी के आंशिक रूप से डिस्चार्ज होने पर सूर्योदय के समय यह सच होने की संभावना नहीं है। पीवी पैनल एमपीपी वोल्टेज से काफी नीचे वोल्टेज पर चार्जिंग शुरू हो सकती है, और एक एमपीपीटी इस बेमेल को हल कर सकता है।

जब बैटरी पूरी तरह से चार्ज हो जाती है और पीवी उत्पादन स्थानीय भार से अधिक हो जाता है, तो एमपीपीटी अपने एमपीपी पर पैनल को संचालित नहीं कर सकता क्योंकि अतिरिक्त शक्ति में इसे अवशोषित करने के लिए कोई भार नहीं होता है। एमपीपीटी को तब तक पीवी पैनल प्रचालन प्वाइंट को पीक बिजली पाइंट से दूर ले जाना चाहिए जब तक उत्पादन मांग से मेल नहीं खाता। (अंतरिक्ष यान में सामान्यतः उपयोग किया जाने वाला एक वैकल्पिक दृष्टिकोण अधिशेष पीवी शक्ति को एक प्रतिरोधी भार में बदलना है, जिससे पैनल को जितना संभव हो उतना ठंडा रखने के लिए पैनल अपने शिखर शक्ति बिंदु पर लगातार काम कर सके। )

ग्रिड से जुड़ी प्रणाली में, सौर मॉड्यूल से सभी वितरित बिजली ग्रिड को भेजी जाती है। इसलिए, ग्रिड कनेक्टेड प्रणाली में एमपीपीटी हमेशा एमपीपी पर काम करने का प्रयास करता है।

बाहरी संबंध

 * MPPT tracker by Daniel F. Butay (Microchip PIC based)