Development and Experimental Validation of a Dual-Input Dual-Output DC-DC Converter for PV–Battery Hybrid Energy Systems

सूर्य एक उदार लेकिन चंचल साथी है। यह दिन के दौरान ऊर्जा की एक निरंतर धारा प्रदान करता है, फिर भी वह धारा रात में गायब हो जाती है या भारी बादलों के नीचे मंद पड़ जाती है। एक सौर ऊर्जा प्रणाली को वास्तव में उपयोगी होने के लिए, इसे केवल सूर्य पर निर्भर नहीं रहना चाहिए; इसे उस ऊर्जा को संग्रहीत करने के एक तरीके की आवश्यकता है जब प्रकाश फीका पड़ जाए और जब आकाश बादलों से घिरा हो तो अंतराल को सुचारू बनाने के एक तरीके की आवश्यकता है। यहीं पर हाइब्रिड सिस्टम आते हैं, जो बैटरी के साथ सौर पैनलों को जोड़कर एक विश्वसनीय शक्ति स्रोत बनाते हैं। हालाँकि, इन विभिन्न ऊर्जा स्रोतों को एक एकल लोड (भार) से जोड़ना पारंपरिक रूप से एक अव्यवस्थित काम रहा है। इंजीनियरों को अक्सर सौर पैनलों और बैटरी के लिए अलग-अलग पावर कन्वर्टर्स बनाने पड़ते थे, और फिर उन्हें आपस में जोड़ना पड़ता था। यह दृष्टिकोण भारी, महंगा और अक्षम था, जिससे ऊर्जा को एक स्थान से दूसरे स्थान पर ले जाने की प्रक्रिया में ऊर्जा नष्ट हो जाती थी। चुनौती लंबे समय से एक ऐसे एकल, कॉम्पैक्ट उपकरण को खोजने की रही है जो दोनों ओर से ऊर्जा के प्रवाह को बिना अपना नियंत्रण खोए संभाल सके।

हाल ही में एक अध्ययन में, शिराज यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने इस समस्या को हल करने के लिए एक नए प्रकार के पावर कनवर्टर को डिजाइन करके निपटा, जो दोनों ऊर्जा स्रोतों के लिए एक केंद्रीय केंद्र (हब) के रूप में कार्य करता है। दो अलग-अलग मशीनों का उपयोग करने के बजाय, उन्होंने एक एकल उपकरण बनाया जो एक सौर सरणी (array) और एक बैटरी से एक साथ बिजली स्वीकार करता है, और फिर बैटरी के चार्जिंग और डिस्चार्जिंग को स्वचालित रूप से प्रबंधित करते हुए लोड को बिजली वितरित करता है। उनके आविष्कार का मूल एक तारों, कैपेसिटर और एक विशेष चुंबकीय घटक, जिसे टी-सोर्स नेटवर्क (T-source network) कहा जाता है, की एक चतुर व्यवस्था है। इस नेटवर्क को बिजली के लिए एक परिष्कृत ट्रैफिक कंट्रोलर के रूप में समझें, जो सौर पैनलों से लोड तक, या बैटरी से लोड तक, या यहाँ तक कि अतिरिक्त सौर शक्ति को बैटरी चार्ज करने के लिए वापस भेजने के लिए प्रवाह को निर्देशित करने में सक्षम है। शोधकर्ताओं ने एक गणितीय मॉडल बनाया ताकि यह अनुमान लगाया जा सके कि यह सिस्टम कैसे व्यवहार करेगा, फिर उन्होंने अपने विचारों का वास्तविक दुनिया में परीक्षण करने के लिए एक भौतिक प्रोटोटाइप बनाया।

उन्होंने जो उपकरण बनाया है वह एक 'डुअल-इनपुट, डुअल-आउटपुट' कनवर्टर है, जिसका अर्थ है कि इसमें ऊर्जा प्रवेश करने के दो स्थान हैं और बाहर निकलने के दो स्थान हैं। एक इनपुट सौर पैनलों से जुड़ा है, और दूसरा बैटरी से। आउटपुट बिजली के भार (लोड्स) को शक्ति देने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। सिस्टम परिस्थितियों के आधार पर यह जानने में स्मार्ट है कि क्या करना है। यदि सूरज चमक रहा है और लोड को पैनलों द्वारा उत्पादित शक्ति से कम शक्ति की आवश्यकता है, तो अतिरिक्त ऊर्जा को बैटरी चार्ज करने के लिए मोड़ दिया जाता है। यदि सूरज कमजोर है या गायब है, और लोड को अधिक शक्ति की आवश्यकता है जो पैनल प्रदान कर सकते हैं, तो बैटरी उस अंतर को भरने के लिए आगे आती है। यह सुनिश्चित करने के लिए कि सौर पैनल हमेशा अपने सर्वोत्तम स्तर पर काम करें, टीम ने 'हिल क्लाइंबिंग' (hill climbing) नामक एक नियंत्रण पद्धति का उपयोग किया। यह एल्गोरिदम लगातार सिस्टम में सूक्ष्म समायोजन करता है, यह जाँचता है कि क्या विद्युत सेटिंग्स में एक छोटा सा बदलाव अधिक शक्ति का परिणाम देता है। यदि ऐसा होता है, तो सिस्टम उस दिशा में आगे बढ़ता रहता है जब तक कि वह शिखर तक न पहुँच जाए, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि पैनल अपनी क्षमता को कभी व्यर्थ न करें।

अपने डिजाइन को सिद्ध करने के लिए, शोधकर्ताओं ने अपनी लैब में एक कामकाजी मॉडल बनाया और इसे कठोर परीक्षणों की एक श्रृंखला से गुजारा। उन्होंने उपकरण से एक बैटरी और एक सिम्युलेटेड सौर स्रोत को जोड़ा और देखा कि यह बदलती परिस्थितियों के प्रति कैसी प्रतिक्रिया देता है। एक परीक्षण में, उन्होंने केवल बैटरी द्वारा लोड को संचालित करने से शुरुआत की, फिर धीरे-धीरे सौर शक्ति को बढ़ाया। सिस्टम ने सुचारू रूप से संक्रमण किया, बैटरी पर तनाव को कम किया जब तक कि सौर पैनलों ने पूरी तरह से कार्यभार नहीं संभाल लिया। जैसे-जैसे सौर शक्ति और बढ़ी, सिस्टम ने स्वचालित रूप से बैटरी को चार्जिंग मोड में बदल दिया, जिससे अतिरिक्त ऊर्जा को संग्रहीत किया गया। एक अन्य परिदृश्य में, उन्होंने तब सिस्टम का परीक्षण किया जब सौर शक्ति बहुत अधिक थी, जो लोड की आवश्यकता से कहीं अधिक थी। उपकरण ने इस ऊर्जा के सैलाब को सफलतापूर्वक प्रबंधित किया, लोड को स्थिर बिजली आपूर्ति बनाए रखते हुए बैटरी को कुशलतापूर्वक चार्ज किया। इन परीक्षणों के दौरान, आउटपुट वोल्टेज स्थिर रहा, जिससे पता चला कि नियंत्रण प्रणाली अपना काम कर रही है, भले ही इनपुट में भारी उतार-चढ़ाव हो रहे हों।

परिणाम प्रभावशाली थे। शोधकर्ताओं ने अपने नए कनवर्टर की दक्षता मापी और पाया कि जब बैटरी लोड की आपूर्ति करती है तो यह 94 प्रतिशत दक्षता पर काम करती है, और जब सौर शक्ति लोड की मांग से अधिक होती है और बैटरी चार्ज हो रही होती है, तो यह 92 प्रतिशत पर काम करती है। ये संख्याएँ उच्च हैं, जो दर्शाती हैं कि रूपांतरण प्रक्रिया के दौरान बहुत कम ऊर्जा ऊष्मा के रूप में नष्ट हुई। टीम ने अपने भौतिक प्रोटोटाइप की तुलना कंप्यूटर सिमुलेशन से भी की, और वास्तविक दुनिया के माप लगभग पूरी तरह से भविष्यवाणियों से मेल खाते थे। गणित और मशीन के बीच यह सहमति इस बात का पुख्ता प्रमाण देती है कि डिजाइन ठोस है और आगे के विकास के लिए तैयार है। अध्ययन ने यह भी पुष्टि की कि उपकरण के भीतर इलेक्ट्रॉनिक स्विचों पर वोल्टेज का तनाव सुरक्षित सीमाओं के भीतर था, जिसका अर्थ है कि घटकों को उनकी टूटने की सीमा तक नहीं धकेला जा रहा है।

यह कार्य हाइब्रिड ऊर्जा प्रणालियों को अधिक कॉम्पैक्ट और कुशल बनाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है। कई कनवर्टर्स के कार्यों को एक एकीकृत संरचना में संयोजित करके, शोधकर्ताओं ने आवश्यक भागों की संख्या को कम कर दिया है, जिससे सिस्टम की लागत और भौतिक आकार कम हो जाता है। जटिल बाहरी सर्किट्री के बिना चार्जिंग और डिस्चार्जिंग मोड के बीच निर्बाध रूप से स्विच करने की क्षमता सिस्टम को अधिक मजबूत और प्रबंधित करने में आसान बनाती है। हालांकि इस अध्ययन ने एक एकल सौर स्रोत और एक एकल बैटरी के साथ एक विशिष्ट सेटअप पर ध्यान केंद्रित किया, लेकिन यहाँ प्रदर्शित सिद्धांत भविष्य में अधिक जटिल प्रणालियों पर लागू किए जा सकते हैं। शोधकर्ताओं का सुझाव है कि भविष्य के कार्य दूसरे आउटपुट पोर्ट के नियंत्रण को परिष्कृत करने और और भी व्यापक परिचालन स्थितियों के लिए डिजाइन को अनुकूलित करने पर केंद्रित हो सकते हैं। फिलहाल, इस डुअल-इनपुट, डुअल-आउटपुट कनवर्टर का सफल सत्यापन अधिक विश्वसनीय और कुशल नवीकरणीय ऊर्जा प्रणालियों की ओर एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है, जो हमें एक ऐसे भविष्य के करीब लाता है जहाँ सौर ऊर्जा को ठीक उसी समय संग्रहीत और उपयोग किया जा सकता है जब इसकी सबसे अधिक आवश्यकता होती है।