قسمت هجدهم دوره آنلاین

ویدیو قسمت هجدهم دوره آنلاین

شارژ خودرو برقی با انرژی خورشیدی و بادی

در این ارائه به بررسی موارد زیر می‌­پردازیم :

۱) چرا نیاز به شارژ خودروهای الکتریکی از منابع تجدیدپذیر داریم؟

۲) به چه مبدل­‌های قدرتی برای شارژ خودروهای الکتریکی از انرژی خورشیدی و بادی نیاز داریم؟

۳) چگونه می‌­توانیم شارژ هوشمند خودروهای الکتریکی را از منابع انرژی تجدیدپذیر عملی کنیم؟

تولید برق در حال حاضر

علت اصلی حرکت به سمت خودروهای الکتریکی این است که هیچگونه آلایندگی ندارند و بازهی آن‌ها از خودروهای موتور احتراق داخلی بالاتر است. اگرچه خودروهای الکتریکی تنها در صورتی پایدار خواهند بود که برقی که برای شارژ آن‌ها استفاده می‌­شود از منابع انرژی تجدیدپذیر و نه از سوخت­‌های فسیلی تامین شود. در این نمودار معادل میزان انتشار کربن­ دی اکسید از یک ارزیابی چرخه جریان می­‌بینیم که شامل انتشار ناشی از خودروها، انتشار ناشی از سوختن، تعمیر و نگه­داری وسیله نقلیه و بازیافت پس از پایان عمر وسیله نقلیه است. انتشارات ناشی از خودروهای موتور احتراق داخلی در سمت راست به نمایش درآمده درحالی که در سمت چپ انتشارات مربوط به خودروهای الکتریکی که از منابع مختلف شارژ شده‌­اند را نشان می‌­دهد. به طور واضح می­‌توان دید که خودروهای الکتریکی از دیدگاه عمرکاری حتی زمانی که از شبکه برق تحت سوخت­‌های فسیلی شارژ شوند انتشار بسیار پایین­تری دارند. اگرچه اگر برق از منابعی که انتشار کربن دی اکسید ندارند مثل انرژی باد یا انرژی هسته­‌ای تامین شود انتشار خالص خودرو الکتریکی حتی به مقادیر پایین­تری کاهش می‌­یابد و انتشار گازهای گلخانه­‌ای می­‌تواند به صفر برسد. پس شارژ خودروهای الکتریکی از منابع انرژی تجدیدپذیر امری ضروری است تا این خودروها در آینده به معنای واقعی پایدار شوند.

راه‌های توسعه شارژ خودرو برقی با انرژی تجدیدپذیر

حال ببینیم چگونه می­‌توانیم شارژ خودروهای الکتریکی با انرژی خورشیدی و باد را توسعه دهیم. با انرژی باد شروع می‌­کنیم. در مورد انرژی باد سه فاکتور اصلی در طراحی سیستم شارژ نقش اساسی ایفا می‌­کنند. اول اینکه امروزه انرژی­ بادی به طور معمول در زمین­‌ها و مزارعی تولید می­‌شود که از مکان‌­هایی که خودروهای الکتریکی شارژ می‌­شوند بسیار دور است. این بدین معنی است که انرژی باید از مسافت طولانی بین منبع تامین کننده و محل شارژ خودرو الکتریکی منتقل شود. دوم اینکه انرژی یک توربین بادی معمولا در محدوده مگاوات قرار دارد در حالی که شارژر خودرو الکتریکی در محدوده کیلووات کار می‌­کند. این امر تفاوت بزرگ در مقیاس قدرت و پتانسیل یک توربین بادی برای شارژ چندین خودرو را نشان می‌­دهد. در نهایت تولید انرژی باد در زمستان و شب‌­ها ماکزیمم است از این رو انرژی بادی برای شارژ خودروهای الکتریکی در منزل و شب­‌ها بسیار مناسب است.

از دیدگاه تبدیل انرژی، ژنراتورهای بادی معمولا جریان AC با فرکانس­‌های مختلف تولید می­‌کنند. دو مبدل AC به DC و DC به AC پشت سر هم قرار گرفته‌­اند تا جریان AC با فرکانس متغیر را به جریان AC ولتاژ بالا یا ولتاژ متوسط ۵۰ یا ۶۰ هرتزی تبدیل کنند که برای انتقال برق در مسافت‌­های بالا استفاده می‌­شود. این جریان سپس به جریان AC ولتاژ پایین کاهش داده می‌­شود و خودروی الکتریکی می­‌تواند با جریان AC یا DC شارژ شود.

زمانی که از انرژی خورشیدی برای شارژ خودرو الکتریکی استفاده می‌­کنیم قضیه کمی متفاوت خواهد بود. اول اینکه پنل­‌های خورشیدی این قابلیت را دارند که علاوه بر مزارع خورشیدی روی سقف ساختمان‌­ها نصب شوند. بنابراین انرژی خورشیدی می‌­تواند نزدیک به جایی که خودرو الکتریکی شارژ می‌­شود تولید شود که اتلاف ناشی از انتقال انرژی را کاهش می­‌دهد. دوم اینکه انرژی تولیدی پنل‌­های خورشیدی روی سقف خانه‌­ها در محدوده کیلووات قرار دارد که در محدوده شارژرهای خودروهای الکتریکی است. در نهایت بر عکس انرژی بادی، انرژی خوردشیدی هنگام روز و در تابستان ماکزیمم است. بنابراین انرژی خورشیدی برای شارژ خودروهای الکتریکی روزها و در محل کار بسیار مناسب است.

ساده‌­ترین راه برای شارژ خودروهای الکتریکی از انرژی خورشیدی استفاده از مبدل­‌های خورشیدی فتوولتائیک است. در داخل این مبدل یک مبدل DC به DC از پنل­‌های خورشیدی در نقطه ماکزیمم آنها کار می‌­کشد. سپس یک مبدل DC به AC جریان DC را به جریان AC ۵۰ یا ۶۰ هرتزی برای شارژ خودروی الکتریکی تبدیل می­‌کند. اگرچه در این روش یک عیب وجود دارد. پنل­‌های فتوولتائیک و باتری خودروهای الکتریکی اساسا با جریان مستقیم یا DC کار می‌­کنند و با این روش ما جریان DC پنل­‌های فتوولتائیک را به جریان AC تبدیل کرده و سپس برای شارژ خودرو الکتریکی آن را به جریان DC تبدیل می‌­کنیم. این بدین معنی است که یک تبدیل جریان غیرضروری در این روش وجود دارد. از این رو برای رسیدن به بازدهی بیشتر استفاده از یک مبدل DC به DC عایق شده و شارژ مستقیم خودرو الکتریکی از پنل­‌های خورشیدی است. مثالی را بررسی می­‌کنیم. در دانشگاه دلفت یک شارژر خورشیدی DC با توان ۱۰ کیلووات ساخته شده است که سه مبدل قدرت درون خود دارد. مبدل DC به DC برای پنل خورشیدی، مبدل DC به DC عایق شده برای خودرو الکتریکی و مبدل DC به AC برای اتصال به شبکه برق. با استفاده از این طراحی می­‌توان از پنل­‌های خورشیدی به جریان مستقیم برای شارژ خودرو الکتریکی رسید. ثانیا اگر خودرو الکتریکی در کار نباشد این سیستم به عنوان مبدل انرژی خورشیدی عمل می­‌کند و جریان پنل‌­های خورشیدی را مستقیما به شبکه برق می‌­دهد. سوم اینکه اگر انرژی خورشیدی نباشد این سیستم به عنوان یک شارژر معمولی DC عمل می­‌کند و خودرو الکتریکی را از شبکه برق شارژ می‌­کند. در نهایت شارژ دوجهتی است و قابلیت تکنولوژی V2G را دارد. پس نه تنها خودرو الکتریکی می‌­تواند از شبکه شارژ شود بلکه می­‌تواند برق را به شبکه نیز انتقال دهد.

جنبه‌­ی منحصر به فرد ترکیب شارژ خورشیدی و تکنولوژی V2G این است که باتری خودرو الکتریکی اکنون می­‌تواند به عنوان منبع برق انرژی تجدید پذیر به کار گرفته شود. سناریویی را تصور کنید که با استفاده از انرژی خورشیدی بتوانید خودرو خود را در محل کار شارژ کنید و سپس به خانه برگردید و با استفاده از V2G برق خانه خود را تامین کنید.

البته چالش اصلی در شارژ خودروهای الکتریکی با انرژی­‌های تجدید پذیر، تغییرپذیری انرژی تولیدی است. یک مثال را بررسی می­‌کنیم. در این نمودار می‌­توان عملکرد تولید انرژی روزانه یک سیستم خورشیدی ۱۰ کیلوواتی در هلند را در یک سال مشاهده کرد که در طول فصل‌­های مختلف تغییر می‌­کند. در نمودار می­توانیم ماکزیمم تولید در تابستان و مینیمم تولید در زمستان را مشاهده کنیم. همچنین جالب است بدانید عملکرد روزانه تولید می‌­تواند در محدوده ۱ تا ۷۵ کیلووات در طول سال تغییر کند. این بدین معنی است که برای سیستم شارژ خودرو الکتریکی در هلند که توان آن از انرژی خورشیدی تامین می­‌شود شما می­‌توانید کمتر از نصف ظرفیت باتری kWh ۳۰ خودروی نیسان لیف را در زمستان، حدود یک خودرو لیف را در بهار و تقریبا دو خودرو لیف را در تابستان شارژ کنید. توجه داشته باشید که بسته به موقعیت جغرافیایی و شرایط آب­‌و­هوایی این شرایط می‌­تواند بهتر یا بدتر شود. در هر صورت همیشه تغییرات فصلی و روزانه در تولید وجود دارد که باید در نظر گرفته شود.

انرژی بادی از طرف دیگر رفتار برعکس دارد. در این نمودار می­‌توان تغییرات U برعکس در میانگین تولید انرژی باد را در یک سال در هلند مشاهده کرد که تولید بیشتری در زمستان و تولید کمتری در تابستان وجود دارد. حال چگونه بر این تغییرات انرژی تجدید پذیر غلبه کنیم. یک راه غلبه بر این تغییرات این است که ابعاد نصب پنل‌­های خورشیدی و توربین­‌های بادی را به گونه‌­ای تغییر دهیم که حتی زمانی که انرژی خورشید و باد مینیمم است انرژی کافی داشته باشیم. عیب روش این است که سبب تولید اضافی و اتلاف انرژی خورشیدی و بادی زمانی که این انرژی­‌ها در ماکزیمم خود قرار دارند می‌­شود. به طور مثال در این نمودار کسری از اتلاف انرژی تجدیدپذیر کل هنگامی که ترکیب متفاوتی از پنل­‌های خورشیدی و توربین‌­های بادی برای تامین برق شبکه نصب شده­‌اند را مشاهده می‌­کنیم. سمت چپ مربوط به سناریو تولید صد در صدی با انرژی باد و سمت راست مربوط به تولید کامل توسط انرژی خورشیدی است. چیزی که این نمودار نشان می‌­دهد این است که کلید اصلی برای کاهش اتلاف انرژی نصب بهینه ترکیبی از این دو است بنابراین تغییرات تولید در شب و روز و تابستان و زمستان با هم به تعادل خواهند رسید. راه دوم برای به تعادل رسیدن انرژی تجدیدپذیر شارژ هوشمند است. زمانی که تولید انرژی خورشیدی و بادی بالاست توان شارژ خودرو الکتریکی نیز می‌­تواند افزایش یابد و بالعکس توان شارژ زمانی که تولید انرژی تجدیدپذیر پایین است می‌­تواند کاهش یابد. این امر مزیت دوگانه دارد که سبب پایداری بیشتر خودروهای الکتریکی با استفاده از انرژی سبز و کاهش فشار بر شبکه به دلیل مقیاس بزرگ انرژی تجدیدپذیر تولیدی می‌­شود.

در مورد شارژ AC اگر می‌­خواهید شارژ هوشمند را پیاده سازی کنید سیگنال مدولاسیون پالس عرضی روی پایلوت کنترل اتصال دهنده نوع ۱ و نوع ۲ شارژهای AC می­تواند به طور پیوسته کنترل شود تا جریان شارژ خودرو الکتریکی بر اساس تولیدات خورشیدی و بادی تنظیم شود. برای شارژرهای Chademo DC و Combo ارتباطات CAN و PLC با تغییر توان بر اساس تولیدات خورشیدی قابل تنظیم است.

برای دیدن قسمت‌های بعدی دوره اینجا کلیک کنید

برای دیدن قسمت‌های قبلی دوره اینجا کلیک کنید