अधिकतम शक्ति-बिन्दु अनुसरण

अधिकतम बिजली प्वाइंट ट्रैकिंग (एमपीपीटी) या कभी-कभी सिर्फ बिजली प्वाइंट 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 प्वाइंट (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 निर्गत 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 पीक 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 खुले 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 सकती 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 प्वाइंट 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 प्वाइंट की पहचान करने के लिए अधिकतम बिजली प्वाइंट 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 प्वाइंट प्राप्त किया जा सकता है।

कार्यान्वयन
भार को सीधे कोशिका से संयोजित करते समय, पैनल का प्रचालन प्वाइंट शायद ही पीक शक्ति पर होता है। पैनल द्वारा देखी गई प्रतिबाधा इसके परिचालन प्वाइंट को निर्धारित करती है। प्रतिबाधा को यथार्थ रूप से समुच्चय करने से पीक शक्ति प्राप्त होती है। क्योंकि पैनल डीसी उपकरण हैं, DC-DC परिवर्तक एक परिपथ (स्रोत) के प्रतिबाधा को दूसरे परिपथ (भार) में बदल देते हैं। DC-DC परिवर्तक 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
शक्ति निर्गत को अनुकूलित करने के लिए नियंत्रक कई रणनीतियों का अनुकरण कर सकते हैं। परिस्थिति के अनुसार एमपीपीटी कई एल्गोरिदम के मध्य स्विच कर सकते हैं।

क्षोभ 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 क्षोभ और निरीक्षण (पी&ओ) कहा जाता है और यह सबसे सामान्य है, तथापि यह विधि बिजली उत्पादन को दोलन कर सकती है। इसे पर्वतारोहण की विधि के रूप में भी जाना जाता है, क्योंकि यह अधिकतम शक्ति प्वाइंट के नीचे वोल्टेज के विरुद्ध शक्ति के वक्र के उदय और उस प्वाइंट से ऊपर गिरने पर निर्भर करता है। इसके कार्यान्वयन में आसानी के कारण क्षोभ और निरीक्षण सबसे अधिक उपयोग की जाने वाली विधि है। क्षोभ और ऑब्जर्व विधि का परिणाम शीर्ष स्तर की दक्षता में हो सकता है, बशर्ते कि एक उचित भविष्यसूचक और अनुकूली पर्वतारोहण की रणनीति अंगीकृत की 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। शक्ति निर्गत दोलन नहीं करता है। यह वोल्टेज ($$dI/dV$$) के संबंध में बिजली में परिवर्तन के संकेत की गणना करने के लिए फोटोवोल्टिक सरणी के वृद्धिशील प्रवाहकत्त्व ($$dP/dV$$) का उपयोग करता है। वृद्धिशील चालन विधि वृद्धिशील चालन $$I_\Delta / V_\Delta$$ की तुलना सरणी चालन ($$I / V$$) से करके एमपीपी की गणना करती है। जब ये दोनों समान होते हैं        ($$I / V = I_\Delta / V_\Delta$$), निर्गत वोल्टेज एमपीपी वोल्टेज होता 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 एमपीपी पर, $$dP/dV = 0$$, ओर वह $$P = IV$$ है। 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, एमपीपी 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, $$dP/dV > 0 $$, तो $$ dI/dV > -I/V $$; जब वोल्टेज एमपीपी से बड़ा होता है, तो $$dP/dV < 0 $$ 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 धारा के लिए स्वीप वेवफॉर्म का उपयोग करती है जैसे कि पीवी एरे की I-V विशेषता निश्चित समय अंतराल पर प्राप्त और अद्यतनीकृत की जाती है। एमपीपी वोल्टेज की गणना उसी अंतराल पर विशेषता वक्र से की जा सकती है।

नियत वोल्टता
लगातार वोल्टेज विधियों में एक सम्मिलित है जिसमें निर्गत वोल्टेज को सभी स्थितियों के अंतर्गत एक स्थिर मूल्य पर विनियमित किया जाता है और एक जिसमें निर्गत वोल्टेज को मापा विवृत परिपथ वोल्टता ($$V_{OC}$$) के निरंतर अनुपात के आधार पर नियंत्रित किया जाता है। बाद वाली तकनीक को विवृत वोल्टता विधि भी कहा जा सकता है। यदि निर्गत वोल्टता 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 प्रकरणो में काम करती है जब एमपीपी ट्रैकिंग विफल हो जाती है, और इस प्रकार इसे कभी-कभी पूरक रूप से उपयोग किया जाता है। निर्गत वोल्टता विधि में, बिजली वितरण क्षण भर में बाधित होता है और शून्य धारा वाले विवृत-परिपथ वोल्टता को मापा जाता है। इसके बाद नियंत्रक विवृत-परिपथ वोल्टेज $$V_{OC}$$ के एक निश्चित अनुपात, जैसे 0.76 पर नियंत्रित वोल्टेज के साथ संचालन आरम्भ करता है। यह प्रायः 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 $$V_{ref}=kV_{OC}$$ से अनुकूल करके सरणी के प्रचालन प्वाइंट को एमपीपी के पास रखा जाता है। $$V_{ref}$$ का मान अन्य कारकों के साथ-साथ एमपीपी के सापेक्ष इष्टतम प्रदर्शन देने के लिए चयन किया जा सकता है, लेकिन केंद्रीय विचार यह है $$V_{ref}$$ को $$V_{OC}$$ के अनुपात के रूप में निर्धारित किया जाता है। विधि में अंतर्निहित सन्निकटनों में से एक यह है कि एमपीपी वोल्टेज से $$V_{OC}$$ का अनुपात केवल लगभग स्थिर है, इसलिए यह आगे के संभावित अनुकूलन के लिए जगह छोड़ता है।

तापमान विधि
यह विधि सौर मॉड्यूल के तापमान को मापकर और एक संदर्भ के साथ तुलना करके एमपीपी वोल्टेज ($$V_{mpp}$$) का अनुमान लगाती है। क्योंकि विकिरण स्तरों में परिवर्तन का एमपीपी वोल्टेज पर नगण्य प्रभाव पड़ता है, इसलिए इसके प्रभावों को उपेक्षित 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 प्वाइंट पर वोल्टेज;

$$T_{ref}$$ एक संदर्भ तापमान है;

$$T$$ मापा तापमान है;

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

लाभ

 * सरलता: यह एल्गोरिथ्म एक रेखीय समीकरण को हल करता है। इसलिए, इसमें कम संगणना की आवश्यकता होती है।
 * एक समधर्मी या अंकीय 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 सामान्यतः सस्ती होती है।
 * शोर के खिलाफ मजबूत।

नुकसान

 * कम विकिरण स्तरों (जैसे 200 W/m2 से नीचे) के लिए अनुमान त्रुटि नगण्य नहीं हो सकती है।

विधियों की तुलना
P&O और वृद्धिशील आचरण दोनों पर्वतारोहण विधियों के उदाहरण हैं जो सरणी की परिचालन स्थिति के लिए स्थानीय अधिकतम शक्ति वक्र पा सकते हैं, और इसलिए एक वास्तविक एमपीपी प्रदान करते हैं।

P&O स्थिर अवस्था विकिरण के अंतर्गत भी अधिकतम बिजली प्वाइंट के आसपास बिजली उत्पादन दोलन पैदा करता है।

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

निरंतर वोल्टेज अनुपात (या निर्गत वोल्टता ) विधि में, विद्युत धारा में शून्य पर समुच्चय होने के दौरान ऊर्जा लुप्त हो सकती है। $$V_{MPP}/V_{OC}$$ अनुपात के रूप में 76% का अनुमान आवश्यक रूप से सटीक 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।

नियोजन
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, आदि के कारण) इस वास्तुकला 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 पीक दक्षता पर काम कर सके।

डेटा सलाह 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 प्रतिवर्तित्र या एक से अधिक एमपीपीटी के साथ एक प्रतिवर्तित्र की तुलना में कोई नुकसान नहीं होता है।

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

जब बैटरी पूरी तरह से आवेशित 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 प्वाइंट से दूर ले जाना चाहिए जब तक उत्पादन मांग से मेल नहीं खाता। (स्पेसक्राफ्ट में सामान्यतः उपयोग किया जाने वाला एक वैकल्पिक दृष्टिकोण अधिशेष पीवी शक्ति को प्रतिरोधी भार में बदलना है, जिससे पैनल को जितना संभव हो उतना ठंडा रखने के लिए पैनल अपने पीक शक्ति प्वाइंट पर लगातार काम कर सके। )

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

बाहरी संबंध

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