Design and Performance Analysis of a Dual-Battery Solar PV Laptop Charging System Using MATLAB/Simulink

दुनिया के कई हिस्सों में, स्वच्छ ऊर्जा का वादा अक्सर जटिल मशीनरी और महंगे उपकरणों से बंधा हुआ महसूस होता है। सौर ऊर्जा, जो सूर्य के प्रकाश को सीधे बिजली में बदल देती है, एक परिपक्व तकनीक है, लेकिन लैपटॉप जैसे संवेदनशील इलेक्ट्रॉनिक्स को चार्ज करने के लिए इसका उपयोग करना एक विशिष्ट चुनौती पेश करता है। धूप निरंतर नहीं होती; यह बादलों और दिन के समय के साथ बदलती रहती है, जिससे इससे उत्पन्न होने वाली बिजली में भारी उतार-चढ़ाव आता है। हालाँकि, अधिकांश इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को सुरक्षित रूप से संचालित होने के लिए बिजली के एक स्थिर, अपरिवर्तित प्रवाह की आवश्यकता होती है। इस अंतर को पाटने के लिए, इंजीनियर आमतौर पर परिष्कृत इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रकों (कंट्रोलर्स) पर भरोसा करते हैं जो लगातार वोल्टेज को समायोजित करते हैं, लेकिन ये घटक लागत, वजन और विफलता के बिंदुओं को बढ़ा देते हैं। किसी दूरस्थ गाँव या फील्ड शोधकर्ता के लिए, जिसके पास पावर ग्रिड तक पहुँच नहीं है, लक्ष्य यह तरीका खोजने का है जिससे बिना किसी कंप्यूटर के प्रबंधन के सौर ऊर्जा को विश्वसनीय रूप से संग्रहीत और वितरित किया जा सके।

बहरीन और जॉर्डन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक अलग रास्ता अपनाया है, जिसमें उन्होंने जटिल डिजिटल मस्तिष्क के बजाय सरल मैकेनिकल स्विचों पर आधारित एक सौर चार्जिंग सिस्टम डिजाइन किया है। उनका कार्य, जो एक हालिया अध्ययन में विस्तृत है, दो मानक 12-वोल्ट बैटरी और एक रिले-आधारित स्विचिंग तंत्र का उपयोग करने वाले सेटअप पर केंद्रित है। रिले अनिवार्य रूप से एक विद्युत रूप से संचालित स्विच है, जो एक लाइट स्विच के समान है जो एक सिग्नल के आधार पर खुद को चालू और बंद करता है। शोधकर्ताओं ने इस प्रणाली का एक कंप्यूटर सिमुलेशन बनाया ताकि वे देख सकें कि वास्तविक दुनिया की स्थितियों में यह कैसा प्रदर्शन करेगा, और यह परीक्षण किया कि क्या एक सरल, कम लागत वाला व्यवस्था बिना उन्नत पावर मैनेजमेंट चिप्स के लैपटॉप को चलाने में सक्षम है।

उनके डिजाइन के पीछे का मुख्य विचार दो बैटरियों को व्यवस्थित करने का एक चतुर तरीका है। जब सूरज चमक रहा होता है और सिस्टम बैटरियों को चार्ज कर रहा होता है, तो दोनों इकाइयों को अगल-बगल, या समानांतर (पैरेलल) में जोड़ा जाता है। इससे वे एक सुरक्षित, कम वोल्टेज पर एक साथ भर सकती हैं। हालाँकि, जब सूरज ढल जाता है या लैपटॉप को बिजली की आवश्यकता होती है, तो सिस्टम स्वचालित रूप से बैटरियों को एक अलग व्यवस्था में बदल देता है, उन्हें एक के बाद एक, या श्रेणी (सीरीज) में जोड़ देता है। यह पुनर्गठन वोल्टेज को दोगुना कर देता है, जिससे एक मानक लैपटॉप चलाने के लिए आवश्यक 19 से 21 वोल्ट प्राप्त होता है। पूरी प्रक्रिया को एक वोल्टेज रेगुलेटर द्वारा प्रबंधित किया जाता है जो ज़ेनर डायोड (Zener diodes) जैसे बुनियादी घटकों का उपयोग करके बिजली की आपूर्ति के उतार-चढ़ाव को सुचारू बनाता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि लैपटॉप को बिजली का एक स्थिर प्रवाह मिले।

यह अवधारणा कितनी कारगर है, यह परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ताओं ने MATLAB/Simulink नामक सॉफ्टवेयर का उपयोग करके एक विस्तृत डिजिटल मॉडल बनाया। इस वर्चुअल वातावरण ने उन्हें सौर पैनलों, बैटरियों और स्विचिंग तंत्र के व्यवहार को व्यापक परिस्थितियों में दोहराने की अनुमति दी। उन्होंने 1000 वाट प्रति वर्ग मीटर की तीव्रता वाले तेज, दोपहर के सूरज से लेकर केवल 200 वाट प्रति वर्ग मीटर वाले मंद, बादल छाए हुए दिनों तक सब कुछ सिम्युलेट किया। उन्होंने तापमान को भी बदला, सिस्टम का परीक्षण 15 डिग्री सेल्सियस के ठंडे से लेकर 45 डिग्री सेल्सियस के गर्म तापमान तक किया, ताकि यह देखा जा सके कि गर्मी इसके प्रदर्शन को कैसे प्रभावित करती है।

सिमुलेशन के परिणाम उत्साहजनक थे। तेज धूप में, सिस्टम ने लगभग 85 प्रतिशत की दक्षता के साथ बिजली प्रदान की, जिसका अर्थ है कि सौर पैनलों द्वारा पकड़ी गई प्रत्येक इकाई ऊर्जा में से लगभग 85 प्रतिशत लैपटॉप तक पहुँची। जब सूरज कमजोर था और विकिरण (इरेडिएंस) गिरकर 200 वाट प्रति वर्ग मीटर रह गया, तब भी सिस्टम कार्यात्मक बना रहा, और लगभग 65 प्रतिशत की दक्षता बनाए रखी। सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि आउटपुट वोल्टेज उल्लेखनीय रूप से स्थिर रहा। डिस्चार्जिंग चरण के दौरान, जब बैटरियां लैपटॉप को शक्ति दे रही थीं, वोल्टेज में 3 प्रतिशत से भी कम का उतार-चढ़ाव हुआ, जो सुरक्षित संचालन के लिए आवश्यक 19 से 21 वोल्ट की सीमा के भीतर रहा। सिस्टम ने जटिल एल्गोरिदम या उच्च-लागत वाले कंट्रोलर की आवश्यकता के बिना चार्जिंग और डिस्चार्जिंग मोड के बीच संक्रमण को सफलतापूर्वक प्रबंधित किया।

शोधकर्ताओं ने यह भी जांचा कि समय के साथ सिस्टम कैसा व्यवहार करता है। उन्होंने देखा कि जैसे-जैसे बैटरियां चार्ज हुईं, उनका वोल्टेज लगातार बढ़ता गया जबकि उनमें बहने वाली करंट कम होती गई, जो एक स्वाभाविक व्यवहार है जो दर्शाता है कि सिस्टम इच्छित रूप से काम कर रहा है। बैटरियों का तापमान सुरक्षित सीमाओं के भीतर रहा, जिससे सिम्युलेटेड चार्जिंग चक्रों के दौरान अत्यधिक गर्म होने के कोई संकेत नहीं मिले। जब बैटरियों ने लैपटॉप को बिजली देना शुरू किया, तो वोल्टेज स्थिर रहा, और सिस्टम ने तब भी बिजली की आपूर्ति जारी रखी जब बैटरियां धीरे-धीरे खाली हो रही थीं। अध्ययन ने पुष्टि की कि प्रस्तावित रिले-आधारित स्विचिंग तंत्र ऊर्जा प्रवाह को प्रभावी ढंग से प्रबंधित कर सकता है, जो एक स्थिर बिजली स्रोत प्रदान करता है जो सरल और मजबूत है।

अपने डिजाइन की तुलना अन्य मौजूदा समाधानों से करते हुए, लेखकों ने सरलता का एक विशिष्ट लाभ रेखांकित किया। कई वर्तमान सौर चार्जिंग सिस्टम 'मैक्सिमम पावर पॉइंट ट्रैकिंग' (MPPT) कंट्रोलर या उन्नत DC-DC कन्वर्टर पर निर्भर करते हैं, जो प्रभावी तो हैं लेकिन महंगे और जटिल भी हैं। इन प्रणालियों को अक्सर स्थापित करने और रखरखाव के लिए विशेष ज्ञान की आवश्यकता होती है। इसके विपरीत, प्रस्तावित ड्यूल-बैटरी सिस्टम उन घटकों का उपयोग करता है जो व्यापक रूप से उपलब्ध और सस्ते हैं। हालांकि इस सरल सिस्टम की दक्षता शीर्ष-स्तरीय MPPT सिस्टम की तुलना में थोड़ी कम है, जो 90 प्रतिशत तक पहुंच सकते हैं, लेकिन यह बदलाव लागत और जटिलता में भारी कमी लाता है। यह डिजाइन विशेष रूप से उन ऑफ-ग्रिड अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है जहाँ दक्षता के अंतिम अंश को निकालने की तुलना में सामर्थ्य और विश्वसनीयता अधिक महत्वपूर्ण है।

अध्ययन इस निष्कर्ष पर पहुँचता है कि यह दृष्टिकोण पोर्टेबल सौर चार्जिंग के लिए एक व्यावहारिक समाधान प्रदान करता है। यह प्रदर्शित करता है कि एक ड्यूल-बैटरी आर्किटेक्चर और एक मैकेनिकल स्विचिंग तंत्र का उपयोग करके, एक ऐसा सिस्टम बनाना संभव है जो प्रभावी और सुलभ दोनों है। सिमुलेशन के परिणाम बताते हैं कि ऐसा उपकरण दूरस्थ स्थानों में लैपटॉप के लिए एक विश्वसनीय बिजली स्रोत प्रदान कर सकता है, जिससे जटिल इलेक्ट्रॉनिक्स की आवश्यकता समाप्त हो जाती है। हालांकि निष्कर्ष कंप्यूटर सिमुलेशन पर आधारित हैं, अंतर्निहित सिद्धांत स्थापित इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग पर आधारित हैं, और लेखक उल्लेख करते हैं कि अगला कदम इन परिणामों को वास्तविक दुनिया में सत्यापित करने के लिए एक भौतिक प्रोटोटाइप बनाना होगा। फिलहाल, यह कार्य एक कम लागत वाले, आत्मनिर्भर ऊर्जा सिस्टम के लिए एक स्पष्ट ब्लूप्रिंट प्रदान करता है जो उन स्थानों तक लैपटॉप कंप्यूटिंग की सुविधा ला सकता है जहाँ पावर ग्रिड नहीं पहुँचता है।