توسعه کنترل کننده های کمکی برای سیستم آبیاری خورشیدی

افزایش استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر (RES) روندی در سراسر جهان برای کاهش بار منابع انرژی متعارف است. هند به دلیل موقعیت جغرافیایی خود دارای پتانسیل عظیم انرژی خورشیدی است. تخمین زده می شود که حدود 5000 PWh (5 X 10¹⁸ Wh) تابش خورشید در توده زمین هند سالانه، و بنابراین ابتکارات متعددی توسط GoI برای افزایش استفاده از انرژی PV در زمان های اخیر انجام شده است. طرح Pradhan Mantri Kisan Urja Suraksha evem Utthan Mahabhiyan (PM KUSUM) نیز ابتکار وزارت انرژی های نو و تجدیدپذیر (MNRE) است که در سال 2019 برای افزایش استفاده از انرژی خورشیدی در بخش کشاورزی آغاز شد به طوری که حدود 25 گیگاوات انرژی خورشیدی بر اساس داده های موجود در آژانس بین المللی انرژی (IEA)، تعداد پمپ های آبیاری دیزلی و متصل به شبکه موجود در کشور در سال 2018 به ترتیب 8.8 و 21.1 میلیون برآورد شده است. در هند، بخش کشاورزی مسئول مصرف حدود 17 درصد از کل مصرف انرژی است. پس از نصب موفقیت‌آمیز سیستم آبیاری مبتنی بر پمپ‌های الکتریکی افزایش یافته، انتظار می‌رود مصرف کل انرژی بیشتر افزایش یابد و بنابراین سیستم آبیاری خورشیدی می‌تواند جایگزین خوبی برای به حداقل رساندن بار بر روی ایستگاه‌های تولید پایه زغال سنگ (GS) باشد که همچنان به عنوان بار پایه GS عمل می‌کنند. [1]، [2]. برق سالانه تولید شده توسط نیروگاه های خورشیدی و تولید ناخالص برق از سال 2015 تا 2020 در جدول 1 آورده شده است که به وضوح نشان می دهد که افزایش قابل توجهی در سهم تولید انرژی خورشیدی در تولید انرژی ناخالص در چند سال اخیر وجود دارد. [3].

از آنجایی که هدف GoI افزایش سهم ظرفیت نصب شده انرژی الکتریکی مبتنی بر منابع غیرفسیلی به 40٪ تا سال 2030 است، افزایش مقیاس انرژی خورشیدی متصل به شبکه مهم می شود. همزمان با نصب نیروگاه های خورشیدی در مقیاس بزرگ، ابتکاری برای نیروگاه های PV غیرمتمرکز کوچک یا سایر نیروگاه های مبتنی بر تجدیدپذیر تا ظرفیت 2 مگاوات نیز صورت گرفت که می توانند مستقیماً به ایستگاه فرعی شرکت های توزیع متصل شوند و در نتیجه کاهش مصرف برق را کاهش دهند. تلفات انتقال و توزیع (T&D) از طریق طرح PM-KUSUM. بر توسعه نیروگاه های تجدیدپذیر ترجیحاً توسط کشاورزان در زمین های بایر یا غیرقابل کشت که می توانند با فروش انرژی سبز به شرکت های توزیع درآمد خود را افزایش دهند، تأکید شد. همچنین می‌توان از زمین‌های قابل کشت برای نیروگاه‌های مبتنی بر PV استفاده کرد تا روی پایه‌ها نصب شوند و محصولات زیر آن کشت شوند. حوزه دیگر این طرح جایگزینی پمپ های دیزل کشاورزی با پمپ های آب خورشیدی یا پمپ های کشاورزی متصل به شبکه خورشیدی است. این نه تنها بار منابع معمولی را کاهش می دهد، بلکه انتشار گلخانه ای را نیز کاهش می دهد. علاوه بر این، بار یارانه مصرفی برق کشاورزی را برای دولت کاهش می دهد. طرح PM-KUSUM دارای اجزای زیر است [1]، [4].

من.

مؤلفه A: تحت این مؤلفه، هدف راه اندازی مجموعاً 10 گیگاوات غیرمتمرکز زمین یا نیروگاه متصل به شبکه خورشیدی یا سایر نیروگاه های مبتنی بر انرژی های تجدیدپذیر با ظرفیت 500 کیلووات تا 2 مگاوات است. ظرفیت نیروگاه کمتر از 500 کیلووات ممکن است با توجه به امکان سنجی فنی-تجاری توسط کشورها مجاز باشد [5]. در ابتدا قرار است نیروگاه های 100 مگاواتی به صورت پایلوت نصب شوند. نیروگاه ها باید در درجه اول در زمین های بایر یا غیر قابل کشت توسعه داده شوند و انرژی تولید شده به سمت 11 کیلوولت هر پست روستایی تزریق می شود.

ii

جزء B: مربوط به نصب پمپ های خورشیدی مستقل 17.5 Lac با ظرفیت تا 7.5 اسب بخار برای جایگزینی پمپ های آبیاری دیزلی در مناطقی است که منبع شبکه در دسترس نیست. مکان سایت مشخص نشده است زیرا اندازه پانل کوچکتر خواهد بود. به طور کلی، پمپ های خورشیدی مستقل تنها برای 100 تا 150 روز در سال استفاده می شوند و بنابراین برای استفاده موثر از انرژی خورشیدی، استفاده از کنترل کننده پمپ خورشیدی جهانی (USPC) توصیه می شود. [6]. پس از نصب USPC امکان راه اندازی سایر تجهیزات برقی مانند سردخانه، شارژ باتری، آسیاب آرد و … به همراه پمپ آب وجود خواهد داشت که باعث افزایش درآمد کشاورزان می شود.

III.

جزء C: تحت این جزء، سولاریزاسیون 10 پمپ کشاورزی متصل به شبکه Lac باید در جایی انجام شود که ظرفیت PV خورشیدی دو برابر ظرفیت پمپ (به کیلووات) باشد. در ابتدا، 10٪ از مقدار هدف، یعنی 1 Lac در حالت آزمایشی خورشیدی خواهد شد. از آنجایی که اندازه پانل کوچکتر خواهد بود، مکان سایت مشخص نشده است و انرژی تولید شده مستقیماً به سمت توزیع تزریق می شود.

منابع انرژی تجدیدپذیر (RES) اغلب به دلیل ماهیت غیرقابل پیش بینی آنها در معرض مسائل مربوط به قابلیت اطمینان قرار می گیرند و بنابراین برنامه ریزی GS سنتی برای مهندسان قدرت چالش برانگیز می شود. به طور کلی، نیمرخ بار در هر سیستم توزیع بسیار غیر خطی است و بنابراین صاف کردن منحنی بار مطلوب است تا بتوان ذخیره چرخش را کاهش داد. با توجه به نفوذ منابع انرژی تجدیدپذیر در سیستم توزیع، از جمله سیستم های آبیاری متصل به شبکه خورشیدی، پیچیدگی سیستم بیشتر می شود. بنابراین، در این کار تلاش می‌شود تا با سوئیچینگ عاقلانه سیستم آبیاری خورشیدی، با در نظر گرفتن در دسترس بودن تولید PV و شرایط شبکه شهری در امتداد شرایط مختلف مزرعه کشاورزی، مشخصات بار سیستم توزیع صاف شود. اگرچه چندین کار مرتبط با کشاورزی هوشمند وجود داشت که در آن جابجایی خودکار پمپ های آبیاری انجام می شد، اما هیچ یک از کارها قبل از انجام کلیدزنی پمپ، ویژگی های شبکه برق را در نظر نگرفتند. [1]، [2]. پاسخ تقاضا (DR) یک حوزه تحقیقاتی محبوب در زمان‌های اخیر است که در آن می‌توان مصرف برق را در شرایط اوج بار کاهش یا تغییر داد که مشابه هدف روش پیشنهادی است. بلوک دیاگرام سیستم پیشنهادی مطابق شکل 1 خواهد بود. دو نوع کنترل کننده در اینجا پیشنهاد شده است که سیستم بدون میکروکنترلر پیشنهاد شده است. [1] یک کنترلر ارزان تر و ساده تر است. به منظور بهبود تطبیق پذیری سیستم، یک کنترل کننده مبتنی بر میکروکنترلر متعاقباً در [7] که می تواند سوئیچینگ پمپ را به شیوه ای بسیار موثر کنترل کند.

خاک لومی رسی به دلیل موقعیت جغرافیایی آن در منطقه گنجم بسیار رایج است. ترکیب لوم رسی حدود 30-40 درصد خاک رس و 25-45 درصد ماسه است. از آنجایی که ذرات رس بسیار ریز هستند، درصد بالاتر خاک رس، خاک را سنگین و متراکم می کند که به همین دلیل خاک لومی رسی دارای معایبی خواهد بود. کار با خاک لوم رسی بسیار مرطوب دشوار است زیرا برای حفظ آب متورم می شود. اگر این وضعیت برای مدت طولانی تری ادامه یابد، رشد گیاه ممکن است مختل شود. در مقابل، زمانی که خاک خشک می شود، رس جمع می شود اما انباشته می شود که منجر به تشکیل کلوخ های متراکم خاک و ترک خوردن سطح آن می شود. این نشان می دهد که در طول کشت محصول در این نوع خاک باید از آبیاری بیش از حد و کم آبیاری خودداری شود و بنابراین سیستم آبیاری باید به گونه ای طراحی شود که تا حد امکان بتوان از دو انتهایی جلوگیری کرد. اگرچه خاک لومی رسی از کشت تقریباً همه محصولات پشتیبانی می کند، شلتوک رایج ترین محصول کشت شده در این بخش جنوبی اودیشا است. هنگام توسعه کنترل‌کننده پمپ آبیاری پیشنهادی، این مشاهدات مورد توجه قرار گرفت و بنابراین کنترل‌کننده نمونه اولیه برای مزارع کشاورزی شالی‌کاری که دارای خاک لوم رسی هستند مناسب‌تر خواهد بود.

بخش بعدی این مقاله به تشریح کارها و محصولات مختلف موجود در حوزه سیستم کنترل کننده پمپ آبیاری می‌پردازد. مقایسه اثر پیشنهادی با برخی از آثار موجود نیز در این بخش آمده است تا تازگی کار را مشخص کند. از آنجایی که موضوع کار مدیریت انرژی است، اصول اساسی در بخش 3 مورد بحث قرار گرفت. این بخش همچنین شامل شرح پاسخ تقاضا و اهمیت مدیریت انرژی در شبکه های نفوذپذیر تجدیدپذیر است. تجزیه و تحلیل مفصلی از ولتاژ توزیع برق در انجام شد [2]، [8]که بر اساس آن نکات کلیدی شناسایی و در کار پیشنهادی مورد استفاده قرار گرفت. تجزیه و تحلیل پروفیل ولتاژ به دست آمده در مناطق شهری و روستایی در بخش بعدی آورده شده است. پس از آن، بخش روش‌شناسی که در آن چشم‌انداز طراحی دو کنترل‌کننده، یعنی بدون میکروکنترلر و مبتنی بر میکروکنترلر مورد بحث قرار گرفت، دنبال می‌شود. پیاده‌سازی سخت‌افزاری سیستم و نتایج به‌دست‌آمده توسط سیستم توسعه‌یافته در بخش 6 آورده شده است. از نتایج به‌دست‌آمده، در بخش آخر نتیجه‌گیری شده و برخی از حوزه‌های آتی این کار مورد بحث قرار می‌گیرد.