نئی مودولر مانیٹورنگ سولیشن فوٹو وولٹک اور توانائی کے ذخیرہ کرنے والے توانائی پیداوار نظاموں کے لئے
1. تعارف اور تحقیق کا پس منظر
1.1 سولر صنعت کی موجودہ حالت
ایک بڑے پیمانے پر دستیاب تجدید کاروباری توان کا ذریعہ ہونے کے ناطے، سورجی توان کی ترقی اور استعمال کو عالمی توان کے ماحولیاتی تبدیلی کا مرکز بنایا گیا ہے۔ حکومتی پالیسیوں کے ذریعے درانداز کیے جانے کے بعد، فوٹو وولٹک (PV) صنعت کو تیز رفتار ترقی حاصل ہوئی ہے۔ اعدادوشمار ظاہر کرتے ہیں کہ چین کی PV صنعت "بیسویں پانچ سالہ منصوبہ" کے دوران 168 گنا کی ترقی کر چکی ہے۔ 2015 کے اختتام تک، نصب شدہ PV کیپیسٹی 40,000 MW سے زائد ہو گئی تھی، جس نے تین سال تک عالمی طور پر پہلے نمبر پر قائم رہا ہے، اور مستقبل میں مزید ترقی کی توقع ہے۔
1.2 موجودہ مسائل اور فنی چیلنجز
تیز رفتار ترقی کے باوجود، روایتی PV توان کے ذخیرہ نظام کو عملی استعمال میں کئی فنی مسئلے کا سامنا کرنا پڑتا ہے:
- PV آرائی کے مسائل: لود وولٹیج اور توان کی ضروریات کو پورا کرنے کے لیے، عام طور پر کئی فردی PV سیلز کو سیریز اور پیراللیل میں جوڑا جاتا ہے۔ یہ ساخت کسی بھی جزوی سائے کے لیے خاص طور پر حساس ہوتی ہے، جس کی وجہ سے "مismatch" کی نقصانات اور ہٹ سپوٹ کے اثرات ہوتے ہیں، جس سے نظام کی توان کی تولید کی کارکردگی اور سلامتی کم ہو جاتی ہے۔
- توان کے ذخیرہ بیٹری پیک کے مسائل: بیٹری پیک بھی سیریز-پیراللیل کی کانفرنس کا استعمال کرتے ہیں، جس کی وجہ سے بالانس کے مسائل کا سامنا کرنا پڑتا ہے۔ بیٹری کی غیر مساویت سائز کے ساتھ بدتر ہوتی ہے، جس کی وجہ سے نظام کی پیچیدگی میں اضافہ ہوتا ہے اور کیپیسٹی کی کمی اور لمبائی کی کمی کی وجہ سے بڑے پیمانے پر استعمال کو روکا جاتا ہے۔
- موجودہ ٹیکنالوجیوں کی کمزوریاں: کچھ محققین نے پاسیو بالانس کے مینجمنٹ کے طریقوں کا پیش کیا ہے، لیکن یہ طریقے صرف بالانس کے مسئلے کو منتقل کرتے ہیں بغیر کے کہ ملٹی ماڈیول سیریز کنکشن کے نیچے والے سرکٹس پر اثر کو مکمل طور پر دیکھتے ہوئے۔ ان کے پاس PV سیلز جیسے کی کلیدی کمپوننٹس کے انتخاب کے لیے سائنسی رہنما ہونے کی کمی ہے۔
II. کلیہ نظام کا حل اور ٹاپولوجی
اس حل کا مرکزی مقصد نئی، مڈیولر، اور سکیلبل پاور سسٹم ٹاپولوجی کو تعمیر کرنا ہے۔
2.1 طبقہ بند نظام کی ترتیب
نظام کو بنیادی یونٹ سے اوپر کی طرف تین طبقات میں طبقہ بند کیا گیا ہے:
- مڈیول (بنیادی یونٹ):
- ترکیب: ایک واحد PV سیل، ایک واحد ذخیرہ بیٹری (متناسب وولٹیج اور کیپیسٹی کے ساتھ)، چار پاور سوچز، اور ایک مستقل کنٹرولر۔
- فункشن: سب سے چھوٹی خودکار یونٹ کے طور پر، کنٹرولر چار سوچز کو مینج کرتا ہے تاکہ PV سیل اور بیٹری کو مستقل طور پر کنکٹ یا ڈسکنکٹ کیا جا سکے، جس سے پانچ کارکردگی کے موڈس میں فلیکسیبل سوچنگ ممکن ہو۔
- سیریز سٹرینگ:
- ترکیب: کئی اس طرح کے مڈیول کو سیریز میں جوڑ کر بنایا جاتا ہے۔
- فункشن: سٹرینگ کی کل آؤٹ پٹ وولٹیج کو بڑھاتا ہے تاکہ نیچے والے DC/DC بوسٹ کنورٹر کی ان پٹ وولٹیج کی رینج کے مطابق ہو۔
- نظام:
- ترکیب: کئی سیریز سٹرینگ کو پیراللیل میں جوڑ کر بنایا جاتا ہے، جو DC/DC کنورٹر کے ذریعے مشترکہ DC بس کو جوڑتا ہے۔
- فункشن: DC بس مستقیماً DC لوڈ کو توان فراہم کر سکتا ہے یا DC/AC انورٹر کے ذریعے AC لوڈ کو توان فراہم کر سکتا ہے۔
2.2 کلیدی فوائد
یہ ٹاپولوجی، فردی سیل کے سطح پر مستقل کنٹرول کے ذریعے، روایتی سیریز سٹرکچرز کے مثبت سائے کے اثرات اور بیٹری بالانس کے مسائل کو بنیادی طور پر مکمل طور پر ختم کرتا ہے۔ صحیح کمپوننٹ کے انتخاب کے ساتھ، نظام کو PV سیل کو مکمل طور پر اپنے میکسیمم پاور پوائنٹ (MPP) کے قریب کام کرنے کی اجازت دیتی ہے، جس کی وجہ سے اضافی MPPT سرکٹس اور پیچیدہ بیٹری مینجمنٹ سسٹم (BMS) کی ضرورت ختم ہو جاتی ہے۔
III. طبقہ بند مونیٹرنگ کا منصوبہ
یہ حل طبقہ بند کنٹرول کا منصوبہ استعمال کرتا ہے تاکہ مقامی سے عالمی سطح تک میزان میں مونیٹرنگ حاصل کی جا سکے۔
3.1 مڈیول سطح کا مونیٹرنگ منصوبہ (خودکار کنٹرول)
ہر مڈیول خودکار طور پر اپنے حالات (PV آؤٹ پٹ وولٹیج، بیٹری وولٹیج) کے مطابق نیچے کے 5 کارکردگی کے موڈس میں سوچنگ کرتا ہے:
|
کارکردگی کا موڈ |
سوچ کا حالت (S1/S2/S3/S4) |
کارکردگی کا وصف |
معمولی سوچنگ کے شرائط (مثال کے طور پر 3.7V Li-ion کے لیے) |
|
موڈ 1: مشترکہ فراہمی |
ON/ON/ON/OFF |
دونوں PV اور بیٹری لوڈ کو توان فراہم کرتے ہیں۔ |
معمولی U_BAT (3.0V~4.2V) AND کافی روشنی U_pv(oc) > U_BAT + 0.2V |
|
موڈ 2: صرف PV فراہمی |
OFF/ON/ON/OFF |
بیٹری کو ڈسکنکٹ کر دیا گیا ہے، صرف PV توان فراہم کرتا ہے۔ |
معمولی U_BAT BUT معتدل روشنی U_pv(oc) ≤ U_BAT + 0.2V |
|
موڈ 3: صرف بیٹری فراہمی |
ON/OFF/ON/OFF |
PV کو ڈسکنکٹ کر دیا گیا ہے، صرف بیٹری توان فراہم کرتا ہے۔ |
معمولی U_BAT BUT کوئی روشنی/رات کا وقت۔ |
|
موڈ 4: اسٹینڈ بائی/PV کو چارجنگ نہیں کیا جا رہا ہے |
OFF/OFF/OFF/ON |
دونوں ڈسکنکٹ ہیں، نظام کو بائیپاس کر دیا گیا ہے، PV کو چارجنگ نہیں کیا جا رہا ہے۔ |
بیٹری مکمل (U_BAT ≥ 4.2V) AND ان پٹ وولٹیج U_in < 16V |
|
موڈ 5: PV کو چارجنگ کیا جا رہا ہے |
ON/ON/OFF/ON |
دونوں ڈسکنکٹ ہیں، PV بیٹری کو چارجنگ کرتا ہے۔ |
بیٹری کی کم وولٹیج (U_BAT < 3.0V) AND روشنی دستیاب ہے U_pv(oc) > U_BAT + 0.2V |
3.2 سٹرینگ سطح کا مونیٹرنگ منصوبہ (وولٹیج کے تنظیم کنٹرول)
سٹرینگ سطح کا مونیٹرنگ DC/DC کنورٹر کی ان پٹ وولٹیج (U_in) کو کلیدی پیرامیٹر کے طور پر استعمال کرتا ہے، سوچنگ/ڈسکنکٹنگ مڈیولز کے ذریعے وولٹیج کو مستحکم کرتا ہے۔
- کنٹرول کا مقصد: یقینی بنانا کہ U_in DC/DC سرکٹ کی کام کرنے کی مجاز رینج (مثال کے طور پر 12V ~ 22V) میں رہے۔
- ٹھریشہولڈ کنٹرول لاجک (مثال کے طور پر 24V نظام کے لیے):
- کم وولٹیج ٹھریشہولڈ (16V): اگر U_in < 16V، تو مونیٹرنگ نظام خودکار طور پر سٹرینگ میں اسٹینڈ بائی موڈ میں مگر نرم بیٹری کے ساتھ مڈیولز کو تلاش کرتا ہے، اور ان کو کنکٹ کرنے کا حکم دیتا ہے، تاکہ DC/DC کو کم ان پٹ وولٹیج کی وجہ سے بند نہ ہو۔
- زیادہ وولٹیج ٹھریشہولڈ (20V): اگر U_in > 20V، تو نیا مڈیول کنکٹ کرنے کی محدودیت یقینی بناتی ہے کہ U_in DC/DC کی زیادہ سے زیادہ ان پٹ وولٹیج سے زیادہ نہ ہو۔
- پروٹیکشن ٹھریشہولڈ (12V): اگر U_in < 12V، تو سٹرینگ کو ختم سمجھا جاتا ہے، اور اسے زبردستی ڈسکنکٹ کر دیا جاتا ہے۔ تمام مڈیولز اسٹینڈ بائی موڈ میں داخل ہوتے ہیں تاکہ کافی تعداد کی بیٹریاں کیپیسٹی کو واپس حاصل کر لیں۔
3.3 نظام سطح کا مونیٹرنگ منصوبہ (عالمی حفاظت)
نظام سطح کا مونیٹرنگ توان کی فراہمی کی کیفیت کو یقینی بنانے پر مرکوز ہے، جہاں DC بس وولٹیج (U_bus) کلیدی مونیٹرنگ پوائنٹ ہے۔
- کنٹرول لاجک: DC بس وولٹیج کو مسلسل مونیٹر کیا جاتا ہے۔ اگر وولٹیج کسی بحرانی ٹھریشہولڈ (مثال کے طور پر 24V نظام کی ریٹنگ کا 80%، یعنی 22V) سے کم ہو جائے، تو یہ ظاہر کرتا ہے کہ کل نظام کی توان کم ہے۔ مونیٹرنگ نظام عالمی بند کرنے کا حکم دے گا تاکہ انورٹر اور لوڈ کی معدات کی حفاظت کی جا سکے، اور AC سائیڈ کی توان کی کیفیت کو یقینی بنایا جا سکے۔
IV. کلیدی کمپوننٹ کا انتخاب کا طریقہ
PV سیلز اور ذخیرہ بیٹری کے درمیان میچنگ کے مسئلے کو حل کرنے کے لیے، یہ حل سولر توان کی استعمال کی کارکردگی کو مکمل طور پر بڑھانے کا مقصد رکھتا ہے۔
- کلیدی خیال: اس نظام میں، PV سیل کی کارکردگی کی وولٹیج کو بیٹری کی وولٹیج کے ذریعے بند کیا گیا ہے، جس کی وجہ سے ان کی وولٹیج پیرامیٹرز کے میچنگ کا اہمیت ہوتا ہے۔
- انتخاب کا ماڈل: PV سیل کے انجینئرنگ ریاضیاتی ماڈل (درجہ حرارت اور روشنی کے اثرات کو شامل کرتے ہوئے) کے بنیاد پر، نظام کی کارکردگی η کو بیٹری کی وولٹیج U_BAT اور PV سیل کے میکسیمم پاور پوائنٹ وولٹیج U_mp کے طور پر تابع کے طور پر نکالا گیا ہے۔
- نتیجہ: 3.7V ذخیرہ بیٹری کے لیے جس کی کارکردگی کی وولٹیج 3.9V~4.0V کے آس پاس ہے، محاکیت کے نتائج ظاہر کرتے ہیں کہ نظام کی سولر توان کی استعمال کی کارکردگی سب سے زیادہ ہوتی ہے جب PV سیل کا U_mp تقریباً 4.25V ہوتا ہے۔ اس لیے، عملی انتخاب میں PV سیل کا U_mp 4.2V ~ 4.3V کے رینج میں کنٹرول کیا جانا چاہئے۔
V. متوقع نتائج
- مکمل طور پر کارکردگی کی بہتری: مڈیولر مستقل کام کرنے سے سیریز سٹرکچرز کے مثبت سائے کے اثرات اور ہٹ سپوٹ کے مسائل کو مکمل طور پر ختم کر دیا گیا ہے، یقینی بناتا ہے کہ ہر یونٹ کارکردگی کے ساتھ کام کرتا ہے۔ ساتھ ہی، PV اور ذخیرہ کے درمیان صحیح وولٹیج میچنگ کی وجہ سے میکسیمم پاور پوائنٹ ٹریکنگ (MPPT) کے بغیر اضافی سرکٹس کی ضرورت سے بچا جاتا ہے، جس سے توان کی تولید کی کارکردگی میں بہت بڑھاوا ہوتا ہے۔
- مدد کی مدت اور قابلیت: مڈیولر سٹرکچر کی وجہ سے بیٹری پیک کی غیر مساویت کے موجب ہونے والے بالانس کے مسائل کو مکمل طور پر حل کر دیا گیا ہے، اوور چارجنگ اور اوور ڈسچارجنگ سے بچا جاتا ہے، جس کی وجہ سے کل نظام کی مدد کی مدت میں اضافہ ہوتا ہے۔ طبقہ بند مونیٹرنگ کا منصوبہ مقامی سے عالمی سطح تک کئی طبقات کی حفاظت فراہم کرتا ہے، جس کی وجہ سے نظام کی مضبوطی میں بہت بڑھاوا ہوتا ہے۔
- کوسٹ کی مکمل بہتری اور آسان O&M: یہ ڈیزائن مکمل طور پر پیچیدہ MPPT ٹریکرز اور بیٹری مینجمنٹ سسٹم (BMS) کی ضرورت کو ختم کر دیتا ہے، جس کی وجہ سے ہارڈوئیر کی لاگت کم ہو جاتی ہے۔ اس کا "لیگو جیسا" ڈیزائن انストالیشن، مینٹیننس، اور ایکسپنشن کو بہت آسان بناتا ہے۔ ایک ہی مڈیول کی کمزوری کل کام کرنے کو متاثر نہیں کرتی ہے، جس کی وجہ سے کل لائف سائیکل کی لاگت کم ہو جاتی ہے۔
