CC BY
0
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОСВЕЩЕННОСТИ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ НА ВЫХОДНУЮ МОЩНОСТЬ ПРИ ЗАРЯДКЕ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ
В.Ю. Чернышев, студент
Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (Россия, г. Москва)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-11-3-248-256
Аннотация. В статье рассмотрены подходы к расчётам параметров данного типа задач. Проведено сравнение ПО для расчёта. Построены математические модели солнечной батареи, преобразователя напряжения и регулятора. Проанализировано влияние освещенности солнечной батареи в приложении к задаче зарядки бортовой аккумуляторной батареи.
Ключевые слова: солнечная панель, преобразователь напряжения, МРРТрегулятор, МКА.
Традиционно, система электропитания МКА состоит из:
- ФЭП;
- Преобразователь напряжения;
- Система управления;
- АКБ;
Как правило, задачи выбора этих компонентов связаны, поскольку приходится учитывать сразу несколько параметров - мощность ФЭП, КПД преобразователя, параметры СУ и её эффективность, ёмкость, токовые и мощ-ностные характеристики АКБ. Далее важной является задача характеристик системы при различных параметрах освещенности ФЭП и подстройка характеристик системы.
Существуют методы примерной оценки каждого из этих параметров, однако они не позволяют с достаточной точностью оптимизировать систему, а лишь дают примерные характеристики с высокими коэффициентами запаса. При серьёзной проработке системы данных методов оказывается недостаточно и появляется потребность в ином, более точном, но не значительно более долгом по времени расчёта методе.
Методы расчёта электрических схем
SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) - симулятор электронных
схем общего назначения с открытым исходным кодом. Является мощной программой, используемой в разработке как интегральных схем, так и печатных плат для проверки целостности схемы и для анализа её поведения.
На основе данного метода было разработано огромное количество CAE пакетов. Для оценки возможности приложения к решению поставленных задач было выбрано ПО LTSpice.
Моделирование ФЭП
Фотоэлектрические преобразователи
(ФЭП) или солнечные элементы - это полупроводниковые изделия, которые преобразует солнечное излучение в электрический ток. Преобразование энергии в ФЭП основано на фотовольтаическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.
Модель солнечной батареи представляет собой ряд идеальных компонентов:
- Источник тока;
- Диод с настроенным током насыщения;
- Шунт-резистор;
- Паразитное последовательное сопротивление.
Рис. 1. Схема модели ФЭП
Дополнительно могут быть введены функции напряжения и тока от температуры. Однако в данной работе с целью упрощения схемы и ускорения расчета влияние температуры на характеристики ФЭП не вводились.
Для построения схемы использовались параметры ФЭП MSX-60 производства компании Solarex. Была выбрана схема из 36 последовательно установленных ФЭП.
10 12 14 Voltage (VI
Рис. 2. ВАХ ФЭП MSX-60
Таблица 1. Характеристики ФЭП MSX-60
Параметр Значение
Напряжение холостого хода ^0), В 21.1
Ток короткого замыкания (Ьс0), А 3.8126
Ток насыщения (Ь), А 2.5245e-10
Количество подключенных ФЭП (№ег, ^ег), шт. 36, 1
Факторы идеальности (Eg, N 1.12, 0.9784
Сопротивление шунта ^рег1), Ом 153.5644
Паразитное сопротивление ^ег1), Ом 0.38572
Моделирование преобразователя напряжения
Существует огромное количество различных видов преобразователей напряжения, начиная от простого делителя напряжения,
заканчивая сложными DC/DC преобразователями с обратной связью по току и напряжению. В МКА для преобразования напряжения с ФЭП, как правило, используются MPPT (Maximum Power Point Tracking) регуляторы, либо преобразователи напряжения, управляемые ШИМ сигналом.
MPPT регуляторы дают ощутимый выигрыш в мощности только при условии использования большого количества ФЭП суммарной площадью более 1 кв. м.
Базово эти регуляторы отличаются лишь СУ. В плане силовой электроники они являются простейшими buck преобразователями, которые подразделяются на 3 вида: step-down, boost и комбинированный. Step-down на выходе даёт пониженное относительно входного напряжение, boost - повышенное. Комбинированный buck преобразователь сочетает в себе обе эти функции.
Рис. 3. Схема типового step-down buck преобразователя
Принцип step-down buck преобразователя заключается в понижении входного напряжения за счет использования управляемого переключателя, традиционно представленного N-канальным полевым транзистором. Появ-
ляющиеся при этом колебания тока сглаживаются при помощи индуктивности и ёмкости, параметры которых высчитываются по следующим формулам:
L =
Vout*(Vin-Vout) ML*fs*Vin
(1)
где: УоШ - напряжение на выходе, В; У±п - напряжение на входе, В;
- допустимые колебания тока, А; /5 - частота переключения транзистора, Гц.
С =
Ml
8*fs*bV0.
(2)
где: АУоШ - допустимое отклонение выходного напряжения, В.
Моделирование системы управления
Система управления представлена двумя контурами - контроллер напряжения и регулятором Perturb & Observe.
Контроллер напряжения представляет собой СУ с отрицательной обратной связью, на
вход которому поступают два значения - выходное напряжение и результирующее воздействие регулятора Perturb & Observe. Интегратором вычисляется результирующее выходное
значение, которое конвертируется в значение скважности ШИМ сигнала для полевого транзистора.
Рис. 4. Схема регулятора напряжения
Контроллер Perturb & Observe работает согласно одноимённому принципу - с определенной частотой считывается значение выходного напряжения. Экстраполятор нулевого порядка преобразовывает дискретные значения апериодического звена 1-го порядка. С
заданной частотой переключения полевого транзистора сравниваются значения и происходит понижение, либо повышение напряжения на заданную величину с целью «попадания» в целевое значение напряжения.
Рис. 5. Схема контроллера Perturb & Observe
Определение влияния освещённости Для упрощения графического обозначения
ФЭП на его мощность на схеме, модель ФЭП была скомпилирована в
отдельный компонент.
Рис. 6. УГО модели ФЭП International Journal of Humanities and Natural Sciences, vol. 11-3 (98), 2024
Расчётная модель состоит из источника напряжения, модели ФЭП и нагрузки. Источник напряжения VI задаёт параметр напряжения холостого хода - таким образом модели-
руется освещенность ФЭП. Ш - модель ФЭП, заданная параметрами, описанными выше. V2 - активная нагрузка, необходимая для расчёта мощностной характеристики ФЭП.
Вычисление мощностных характеристик при изменении освещенности
,dc V2 0 21.1 0,01 VI 0 21.1 5.275
" solar cell pa ra го te res .pa ram llser=l llper=l .pa ram S0=21.1 Isc0=3.8128 .pa ram Rserl = 0.38572 Rperl = 153.5644 .param Is=2.5245e-10 Eg=1.12 N=35.09424 освещённость вывод
s_m E_OllT
Л™ ЩА
O m
V 2
PULSE(0 21.1 O 1 ln) Rser=lu
Рис. 7. Расчётная модель для определения мощности ФЭП в зависимости от освещённости
Проводился расчёт типа DC Sweep - варьирование параметров источников для определения токовых и мощностных характеристик цепей постоянного тока. Был задан диапазон
(0 ... 21.1 В) и шаг (5.275 В) варьирования напряжения источника VI. Диапазон напряжения для снятия мощностных характеристик - 0 ... 21.1 В.
Рис. 8. Характеристики мощности ФЭП для разных уровней освещенности
Определение влияния освещенности на мощность в прикладной задаче зарядки АКБ
Расчётная модель состоит из нескольких групп компонентов: ФЭП с задающим параметром, buck преобразователь и СУ Характе-
ристики ФЭП были взяты из документации производителя (табл. 1). Параметры ёмкости и индуктивности были рассчитаны по формулам, описанным выше, и оптимизированы для обеспечения малых колебаний напряжения и тока. Параметры СУ были выбраны стандарт-
ные для общего вида MPPT регуляторов и из- АКБ (10.7 В с отклонением не более 0.4 В). менены для обеспечения уровня напряжения
Рис. 9. Расчётная модель для определения влияния выходной мощности
Исследуем влияние освещённости на выдаваемое напряжение, поскольку необходимо обеспечить достаточный уровень напряжения, который не выходит за границы напряжения при 100% и 0% State of Charge параметра ба-
тареи. Расчет проводился методом DC Sweep с варьированием значения напряжения на источнике V1, который симулирует уровень освещенности батареи.
Рис. 10. Зависимость выходного напряжения от освещённости
Как можно заметить, значение напряжения не выходит за допустимые границы. Можно сделать вывод о стабильности системы регулирования.
Далее была проведена оценка стабильности работы регулятора. Расчет проведен методом Transient Analysis. Для этого в момент време-
ни 150 мс от начала анализа значение светимости было уменьшено со 100% до 50% за промежуток времени в 1 мс. Через 150 мс значение светимости вновь возвращено в точку 100%. На отметке времени в 450 мс значение светимости было вновь опущено до 50%.
—1-1-1-1-1-1-1-1—
100ms 150ms 200ms 250ms 300ms 350ms 400ms 450ms
Рис. 11. Влияние скачков освещенности на выходное напряжение
На графике видно, что время регулирования составляет порядка 50 мс, а скачки напряжения остаются в границах 9 ... 12 В. С учётом допустимых кратковременных скачков напряжения на АКБ, полученное время регулирования принято считать допустимым.
Также оценим выходную мощность в зависимости от освещенности ФЭП. Вновь обратимся к методу DC Sweep, варьируя установочное напряжение в диапазоне от 0% до 100%.
Рис. 12. График зависимости выходной мощности от освещенности
Получена ожидаемая линейная зависимость - мощность падает при уменьшении освещенности.
Дополнительно было проведено сравнение результатов анализа выходной мощности с buck преобразователем в чистом виде и с MPPT регулятором.
Рис. 13. Сравнение результатов расчётов
Как видно из графиков, мощностные ха- можно заметить, что появляется выигрыш в рактеристики идентичны. Однако есть прове- системе с МРРТ регулятором. сти анализ с увеличенным количеством ФЭП,
Рис. 14. Сравнение мощностей с увеличенной площадью ФЭП
Таким образом, можно сделать вывод, что использование МРРТ регуляторов может быть неэффективно с экономической точки зрения - МРРТ регуляторы стоят гораздо дороже
стандартных buck преобразователей, но не дают выигрыша по мощности. Заключение
В рамках данной работы было проанализировано влияние освещенности солнечной ба-
тареи в приложении к задаче зарядки бортово- В будущих работах целесообразно решить
го АКБ. Исследованы подходы к расчётам па- данную задачу с реалистичными моделями раметров данной задачи. Построены модели компонентов, что позволит точнее ответить на СБ, преобразователя напряжения и его регуля- вопрос целесообразности использования тора. Определено влияние освещенности на MPPT регуляторов в МКА. выходную мощность.
Библиографический список
1. Saad Motahhir, Abdelilah Chalh, El Ghzizal Abdelaziz, Souad Sebti - Modeling of Photovoltic Panel by using Proteus // Journal of Engineering Science and Technology Review.
2. Basic Calculation of a Buck Converter's Power Stage - Texas Instruments - Application Report, August 2015.
3. Хоровиц П., Хилл У Искусство схемотехники (перевод). - 7-е изд. - М.: БИНОМ, 2016. -700 c.
4. Solarex - MSX-64 and MSX-60 Photovoltaic Modules // Solarex. - [Электронный ресурс]. -Режим доступа: https://www.solarelectricsupply.com/media/custom/upload/Solarex-MSX64.pdf (дата обращения: 05.06.2024).
5. Абдуллин А.А. Общая электроника. Методические указания к лабораторному практикуму в программе LTSpice / А.А. Абдуллин, К.С. Горшков, С.Ю. Ловлин, Н.А. Поляков, М.В. Никитина -1-е изд. - Санкт-Петербург: Университет ИТМО, 2019. - 42 c.
STUDY ON THE EFFECT OF ILLUMINATION ON SOLAR PANEL ON THE OUTPUT POWER OF BATTERY CHARGING SCHEME
V.Yu. Chernyshev, Student
Bauman Moscow State Technical University
(Russia, Moscow)
Abstract. In the article the approaches to calculating the parameters of this type of tasks are investigated. Different software was compared. Mathematical models of a solar battery, a voltage converter and a regulator are constructed. The influence of the illumination of the solar battery in the application to the task of charging the on-board battery is analyzed.
Keywords: solar panel, voltage converter, MPPT regulator, small satellite.
