सस्ती विंड-सोलर हाइब्रिड समाधान: बक-बूस्ट कन्वर्टर और स्मार्ट चार्जिंग सिस्टम की लागत कम करते हैं
सारांश
यह समाधान एक नवीन उच्च-कार्यक्षमता वायु-सौर हाइब्रिड पावर जनरेशन सिस्टम का प्रस्ताव करता है। मौजूदा तकनीकों के मुख्य कमियों, जैसे कम ऊर्जा उपयोग, छोटी बैटरी की लंबाई और खराब सिस्टम स्थिरता, को दूर करने के लिए, यह सिस्टम पूरी तरह से डिजिटल नियंत्रित बक-बूस्ट डीसी/डीसी कन्वर्टर, इंटरलीव्ड पैरेलल तकनीक और एक बुद्धिमत्ता-संचालित तीन-चरणीय चार्जिंग एल्गोरिथ्म का उपयोग करता है। यह अधिक विस्तृत वायु गति और सौर विकिरण की श्रेणी में अधिकतम शक्ति बिंदु प्रतिफलन (MPPT) की सक्षमता प्रदान करता है, जिससे ऊर्जा पकड़ की कार्यक्षमता में बहुत बढ़ोतरी होती है, बैटरी की सेवा जीवन को प्रभावी रूप से बढ़ाया जाता है और समग्र सिस्टम की लागत कम हो जाती है।
1. परिचय: उद्योग की दर्दनाक बिंदुएं और मौजूदा कमियाँ
पारंपरिक वायु-सौर हाइब्रिड सिस्टम में महत्वपूर्ण दोष होते हैं जो उनके व्यापक अनुप्रयोग और लागत-आभारिता को सीमित करते हैं:
- संकीर्ण वोल्टेज इनपुट श्रेणी: सिस्टम आमतौर पर सरल बक कन्वर्टर का उपयोग करते हैं, जो केवल तभी बैटरी को चार्ज कर सकते हैं जब वायु टरबाइन या सौर पैनल द्वारा उत्पन्न वोल्टेज बैटरी के वोल्टेज से अधिक होता है। कम वायु या कम प्रकाश की स्थिति में, उत्पन्न वोल्टेज अपर्याप्त होता है, जिससे नवीकरणीय ऊर्जा व्यर्थ हो जाती है।
- गंभीर ऊर्जा व्यर्थ: जब वायु या सौर ऊर्जा अधिक होती है, तो पारंपरिक सिस्टम आमतौर पर रेझिस्टिव ब्रेकिंग (डमी लोड) का उपयोग करते हैं ताकि अतिरिक्त विद्युत ऊर्जा को गर्मी के रूप में विसरित किया जा सके और बैटरी का ओवरचार्जिंग से बचा जा सके, जिससे बहुत ऊर्जा व्यर्थ हो जाती है।
- छोटी बैटरी की लंबाई: ऊपर उल्लिखित अपर्याप्त ऊर्जा पकड़ और अपर्याप्त ओवरचार्जिंग संरक्षण मेकानिज्म के कारण, बैटरी आमतौर पर अपर्याप्त चार्ज या ओवरचार्ज की स्थिति में रहती है, जिससे उनका चक्र जीवन बहुत कम हो जाता है और रखरखाव की लागत बढ़ जाती है।
- कम नियंत्रण परिशुद्धता और खराब स्थिरता: अधिकांश सिस्टम सरल नियंत्रण रणनीतियों का उपयोग करते हैं, जिनमें वोल्टेज और धारा का परिशुद्ध नियंत्रण नहीं होता, जिससे शक्ति गुणवत्ता अस्थिर हो जाती है। यथावत लोड संचालन की सुनिश्चितता के लिए, बड़ी क्षमता की जनरेशन और संचयन उपकरणों की आवश्यकता होती है, जो प्रारंभिक निवेश को बढ़ाती है।
2. समाधान के मुख्य घटक
यह सिस्टम 11 मुख्य घटकों से बना है जो एक साथ काम करके एक बुद्धिमत्ता-संचालित, कार्यक्षम ऊर्जा पकड़, संचयन और वितरण नेटवर्क बनाते हैं।
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घटक संख्या |
नाम |
मुख्य कार्य |
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1 |
सौर पैनल |
प्रकाश ऊर्जा को डीसी विद्युत में परिवर्तित करता है; एक प्राथमिक ऊर्जा स्रोत। |
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2 |
वायु टरबाइन |
वायु ऊर्जा को एसी विद्युत में परिवर्तित करता है; एक प्राथमिक ऊर्जा स्रोत। |
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3 |
वायु शक्ति कन्वर्टर |
मुख्य रूप से बक-बूस्ट डीसी/डीसी कन्वर्टर; वायु-उत्पन्न वोल्टेज/धारा को नियंत्रित करता है। |
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4 |
सौर शक्ति कन्वर्टर |
मुख्य रूप से बक-बूस्ट डीसी/डीसी कन्वर्टर; सौर-उत्पन्न वोल्टेज/धारा को नियंत्रित करता है। |
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5 |
पूरी तरह से डिजिटल नियंत्रक |
सिस्टम का मस्तिष्क (MCU/DSP); बुद्धिमत्ता-संचालित नियंत्रण (MPPT, तीन-चरणीय चार्जिंग, इंटरलीव्ड) को लागू करता है। |
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6 |
बैटरी/लोड इंटरफेस |
बैटरी और लोड को जोड़ता है; बुद्धिमत्ता-संचालित ऊर्जा वितरण की सक्षमता प्रदान करता है। |
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7 |
लीड-एसिड बैटरी |
अतिरिक्त ऊर्जा को संचित करता है ताकि लोड को वायु/सूरज की अनुपस्थिति में ऊर्जा प्रदान की जा सके। |
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8 |
लोड |
पावर उपभोग का अंत, जैसे कि दूरस्थ बेस स्टेशन, आवासीय उपयोग, सीमा पोस्ट। |
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9 |
संचार इंटरफेस |
CAN/RS485/422 बस का समर्थन करता है जिससे होस्ट PC के साथ संचार हो सके; दूर से मॉनिटरिंग की सक्षमता प्रदान करता है। |
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10 |
कीबोर्ड/डिस्प्ले |
स्थानीय HMI प्रदान करता है जिससे पैरामीटर सेटिंग और स्थिति मॉनिटरिंग की जा सके। |
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11 |
वायु शक्ति रेक्टिफायर सर्किट |
वायु टरबाइन से एसी आउटपुट को डीसी में रेक्टिफाय करता है ताकि बाद के कन्वर्टरों का उपयोग किया जा सके। |
3. मुख्य तकनीकी लाभ
3.1 व्यापक इनपुट वोल्टेज श्रेणी वाला बक-बूस्ट डीसी/डीसी कन्वर्टर
- मुख्य तकनीक: वायु और सौर दोनों कन्वर्टर बक-बूस्ट डीसी/डीसी टोपोलॉजी का उपयोग करते हैं।
- दर्दनाक बिंदु का समाधान: पारंपरिक बक कन्वर्टरों की वोल्टेज सीमाओं को दूर करता है।
- कम इनपुट वोल्टेज (बूस्ट मोड): जब वायु गति रेटेड मान (rpm < ω₀) से कम हो या प्रकाश अपर्याप्त हो, और उत्पन्न वोल्टेज बैटरी वोल्टेज से कम हो, तो कन्वर्टर स्वचालित रूप से बूस्ट मोड में ऑपरेट करता है ताकि चार्जिंग के लिए वोल्टेज बढ़ाई जा सके।
- उच्च इनपुट वोल्टेज (बक मोड): जब वायु/सौर संसाधन अधिक हों और उत्पन्न वोल्टेज बैटरी वोल्टेज से अधिक हो, तो कन्वर्टर स्वचालित रूप से बक मोड में स्विच हो जाता है ताकि चार्जिंग हो सके।
- दो लागू योजनाएं:
- कैस्केडेड बक-बूस्ट डीसी/डीसी: अलग-अलग बूस्ट/बक नियंत्रण के लिए 2 पावर स्विचों का उपयोग करता है; उच्च परिशुद्धता, उच्च प्रदर्शन स्थितियों के लिए उपयुक्त।
- बुनियादी बक-बूस्ट डीसी/डीसी: एकल PWM ड्यूटी साइकल (<50% बक, >50% बूस्ट) द्वारा नियंत्रित 1 पावर स्विच का उपयोग करता है; सरल संरचना, कम लागत।
3.2 इंटरलीव्ड पैरेलल नियंत्रण (मुख्य नवाचार)
- तकनीकी सिद्धांत: डिजिटल नियंत्रक दो पैरेलल डीसी/डीसी कन्वर्टरों के लिए PWM सिग्नलों को 180-डिग्री द्वितीयक फेज शिफ्ट के साथ चलाता है, पारंपरिक इन-फेज पैरेलल संचालन के विपरीत।
- तकनीकी प्रभाव:
- कम रिपल: आउटपुट धारा रिपल एक दूसरे को रद्द करते हैं, जिससे कुल रिपल धारा का पीक-टू-पीक मान बहुत कम हो जाता है, जिससे लोड को शुद्ध और स्थिर डीसी शक्ति प्रदान की जाती है।
- दोगुनी आवृत्ति, कम नुकसान: कुल आउटपुट धारा का रिपल आवृत्ति एकल कन्वर्टर की स्विचिंग आवृत्ति की दोगुनी हो जाती है, जिससे रिपल आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए कम स्विचिंग आवृत्ति का उपयोग किया जा सकता है, जिससे स्विचिंग नुकसान कम हो जाता है और समग्र सिस्टम की कार्यक्षमता में सुधार होता है।
3.3 बुद्धिमत्ता-संचालित तीन-चरणीय चार्जिंग मोड
डिजिटल नियंत्रक बैटरी की चार्जिंग स्थिति (SOC) के आधार पर चार्जिंग रणनीति को गतिविधि से नियंत्रित करता है, जिससे कार्यक्षमता और संरक्षण के बीच एक अनुकूल संतुलन प्राप्त होता है:
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चार्जिंग मोड |
ट्रिगर स्थिति |
नियंत्रण रणनीति |
मुख्य उद्देश्य |
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मोड I: निरंतर धारा + MPPT |
जब बैटरी SOC कम हो। |
यदि वायु/सौर ऊर्जा पर्याप्त हो, तो बैटरी को अधिकतम अनुमत निरंतर धारा से चार्ज किया जाता है; यदि ऊर्जा की कमी हो, तो MPPT को प्राथमिकता दी जाती है, जिसमें सभी पकड़ी गई ऊर्जा का उपयोग चार्जिंग के लिए किया जाता है। |
तेजी से चार्ज पूरा करता है, ऊर्जा पकड़ को अधिकतम करता है, बैटरी को लंबे समय तक अपर्याप्त चार्ज से नुकसान से बचाता है। |
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मोड II: निरंतर वोल्टेज + MPPT |
जब बैटरी वोल्टेज फ्लोट चार्ज सेटपॉइंट तक पहुंच जाती है। |
बैटरी टर्मिनल वोल्टेज को निरंतर रखता है ताकि ओवरचार्जिंग से बचा जा सके। यदि अतिरिक्त ऊर्जा शेष रहती है, तो MPPT मोड में स्विच करता है ताकि लोड को ऊर्जा प्रदान किया जा सके या अतिरिक्त ऊर्जा पकड़ी जा सके। |
ओवरचार्जिंग से बचाता है, लंबाई बढ़ाता है, जबकि ऊर्जा का अधिक कार्यक्षम उपयोग जारी रहता है। |
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मोड III: ट्रिकल चार्ज |
जब बैटरी पूरी तरह से चार्ज हो जाती है। |
स्व-विद्युत विसर्जन को भरने के लिए एक छोटा फ्लोट चार्ज लगाता है, जिससे पूर्ण चार्ज बनाए रखा जाता है। |
बैटरी की स्वास्थ्य बनाए रखता है, तैयारी सुनिश्चित करता है, सेवा जीवन को और बढ़ाता है। |
3.4 पूरी तरह से डिजिटल बुद्धिमत्ता-संचालित नियंत्रण
उच्च-प्रदर्शन MCU या DSP केंद्रित, सिस्टम वायु टरबाइन, सौर पैनल और बैटरी से वास्तविक समय में वोल्टेज और धारा डेटा का संग्रह करता है। एम्बेडेड एल्गोरिथ्म का उपयोग करके, यह:
- वास्तविक समय में MPPT गणना करता है ताकि अधिकतम ऊर्जा पकड़ सुनिश्चित की जा सके।
- बुद्धिमत्ता-संचालित रूप से चार्जिंग मोडों का निर्धारण और स्विचिंग करता है।
- परिशुद्ध रूप से PWM सिग्नल उत्पन्न करता है ताकि कन्वर्टरों को चलाया जा सके और इंटरलीव्ड नियंत्रण लागू किया जा सके।
4. लाभ और स्केलेबिलिटी
4.1 मुख्य तकनीकी लाभ
- बहुत बढ़ा हुआ संसाधन उपयोग: व्यापक इनपुट वोल्टेज श्रेणी सिस्टम को निम्न-ग्रेड ऊर्जा (जैसे, हल्की हवाएं, सूरजोदय/सूरजास्त कम प्रकाश) को पकड़ने की सक्षमता प्रदान करती है, जो पारंपरिक सिस्टम नहीं पकड़ सकते, जिससे वायु और सौर ऊर्जा की उपयोगी श्रेणी में बहुत बढ़ोतरी होती है।
- बहुत बढ़ा हुआ सिस्टम कार्यक्षमता: MPPT एल्गोरिथ्म युनिटों को उनके अधिकतम शक्ति बिंदु पर संचालित करने की सुनिश्चितता प्रदान करता है। इंटरलीव्डिंग तकनीक से कम नुकसान के साथ, समग्र सिस्टम ऊर्जा कार्यक्षमता पारंपरिक समाधानों से बहुत आगे होती है।
- बहुत बढ़ा हुआ बैटरी जीवन: बुद्धिमत्ता-संचालित तीन-चरणीय चार्जिंग एल्गोरिथ्म बैटरी को ओवरचार्जिंग और गहरे डिस्चार्ज से प्रभावी रूप से रोकता है
