CC BY
885
ISSN 1992-6502 (Print)_
2015. Т. 19, № 4 (70). С. 77-83
ISSN 2225-2789 (ОпИпв) http://journal.ugatu.ac.ru
УДК 620.92:621.311.001.57
Моделирование солнечной панели в программе матьав/бмиимк
1 2 Б. Н. Шарифов , Т. Р. Терегулов
1 Energetik_tty@mail.ru, 2 t15@bk.ru ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» (УГАТУ)
Поступила в редакцию 18 мая 2015 г.
Аннотация. Рассматривается моделирование солнечной панели в среде МА^АВ^тШтк. Модель разработана с использованием основных уравнений фотоэлектрических солнечных элементов, которые учитывают воздействия уровня солнечного излучения и перепадов температур. Проведена экспериментальная проверка расчетных соотношений МАТ1_АВ-модели на солнечной панели типа ТСМ-210БВ.
Ключевые слова: солнечная панель; МА^АВ^тШтк; вольт-амперная характеристика.
Создание новых эффективных фотоэлектрических элементов является одной из актуальных задач развития солнечной энергетики. В последние годы фотоэлектрические элементы используются в системах водоснабжения, насосных и кондиционерных станций в отдаленных и изолированных районах, где линии электропередач недоступны или экономически нецелесообразны. В связи с этим оценка эффективности их работы является достаточно важной. Необходимо иметь возможность определить выходные зависимости солнечных панелей (СП) под действием разнообразных факторов окружающей среды, сравнить эффективность использования СП из различных материалов, оценить поведение фотоэлектрических преобразователей в различных режимах работы. Для эффективного использования фотоэлектрических элементов необходимо знать точку максимальной мощности и обеспечить такой режим, чтобы отдаваемая мощность при изменении окружающих условий была наибольшей. При отработке СП используют имитаторы солнечных батарей, позволяющие воспроизводить характеристики СП под влиянием разнообразных внешних воздействий.
Определение поведения и воспроизведения характеристик солнечного элемента (СЭ) и СП осуществляется с помощью моделирования. По сравнению с экспериментом математическое моделирование представляет более быстрый, гибкий и дешевый способ отработки СП. Для воспроизведения характеристик СЭ и СП чаще всего используются аналитические
модели, которые строятся на базе эквивалентной электрической схемы и основного уравнения СП. Работы по моделированию характеристик СП активно ведутся за рубежом, результаты исследований рассматриваются на международных научно-технических конференциях [1-3]. Перспективность [1-3] внедрения солнечной энергетики заставляет и российских исследователей интересоваться вопросами моделирования СП. В данной статье рассматривается вопрос моделирования солнечной панели в программе Matlab/Simulink.
Солнечная панель строится из серии последовательно-параллельной комбинации фотоэлектрических солнечных элементов по эквивалентной схеме на рис. 1.
Рис. 1. Эквивалентная схема солнечного элемента
Выходной ток солнечного элемента определяется следующим образом [1]
1с = !рн -10 <е
7(Ус+Яя1с)
- 1\-~
Ус + Я,1с
я»,
(1)
е
где 1рк - фототок, А; 10 - обратный ток насыщения диодов, А; 1С - рабочий ток, А; УС - рабочее напряжение, В; е - заряд электрона (1,106х10-1У кл); к - постоянная Больцмана (0,138х10-23 Дж/К); А - диод, фактор идеализации; ТС - температура окружающей среды, в градусах Кельвина; Я - последовательное сопротивление солнечного элемента представляет собой внутреннее сопротивление ячейки текущему току и зависит от глубины р-п перехода, примесей и сопротивление контактов [4], Ом; - шунтирующее сопротивление (сопротивление тока утечки в землю), Ом.
Поскольку шунтирующее сопротивление Язк гораздо больше, чем последовательное сопротивление последнее слагаемое в уравнении (1) становится незначительным по сравнению с суммой начальных составляющих, следовательно, последним слагаемым можно пренебречь, тогда уравнение (1) преобразуется
1с = - 1о
~(УС + Яя1с)
- 1
(2)
Эквивалентная схема солнечного элемента без учета выглядит следующим образом (рис. 2).
Рис. 2. Эквивалентная схема солнечного элемента без учета обратного сопротивления диода (Я8ь)
Выходное напряжения Ус солнечного элемента является функцией фототока 1С, что в основном определяется током нагрузки в зависимости от уровня солнечной инсоляции и температуры окружающей среды. С учетом (2) определяем выходное напряжение солнечного элемента Ус
V. = АкТс_ щ.
+ 1о - 1с
(3)
Уравнение (3) дает напряжение единичного фотоэлемента, которое затем умножается на количество ячеек соединенных последовательно.
Переменная величина температуры окружающей среды ТС влияет на выходное напря-
жение и фототок ячейки, и называется температурным эффектом. Температурные эффекты представлены в модели как температурные коэффициенты выходного напряжения Сту и фототока Ст1
Стк = 1 + рт (Тс - ТП );
С-п = 1 ТП - Тс ).
(4)
(5)
где, Рт = 0.004 и ут = 0.06 -температурные коэффициенты; Тп = 25°С .[5]
Если температура окружающей среды не изменяется существенно в дневное время, уровень солнечной инсоляции изменяется в зависимости от количества солнечного света и облачности. Изменение уровня солнечной инсоляции вызывает изменение рабочей температуры фототока в ячейки, которая в свою очередь, влияет на величину выходного напряжения. Например, если уровень солнечной инсоляции увеличивается от 5x1 до Sx2 , рабочая температура и фототок будут увеличены с Тс1 до Тс2 и до 1р\а , соответственно. Таким образом, изменения уровня солнечной инсоляции влияющей на величину фототока и рабочей температуры можно описать через две константы Сзу и С81
С V = 1 + Рт а 8 Тх - §с);
С я = 1+5- Т - 5с),
(6) (7)
где 5С - значение уровня солнечной инсоляции в ходе тестирование солнечной панели, при ТП - -250С, 5Х - уровень солнечной инсоляции для расчетного момента времени.
Изменение температуры ДТС, обусловленное изменением уровня солнечной инсоляции определяется, используя следующее уравнение
АТс =а5 - 5С ).
(8)
Постоянная а5=0,03 представляет отклонение изменение рабочей температуры в ячейке обусловленного изменением уровня солнечной инсоляции [5]. Используя поправочные коэффициенты СТу, СТ1, С8у и С81 можно получать значения напряжения У8Х и фототока /рьх ячейки для соответствующей температуры Тх и уровня солнечной инсоляции 5х, следующим образом:
V = С С У ■
' сх ТУ 5У С '
ТУ 5У С >
т = С С I
1 ркх Т1 51 рк'
(9)
(10)
в
е
АкТ.
е
е
с
Моделирование солнечной панели производится с использованием элементов программы МАТЬАВ^тиПпк (рис. 3-5), в соответствии с уравнениями (3-10). Компьютерная модель выполнена для кремниевой монокристаллической СП типа TCM-210SB, которая имеет следующие технические данные (табл. 1)
Таблица 1. Паспортные данные исследуемой солнечной панели
Тип солнечной панели TCM-210SB
Номинальная мощность 210Вт
Напряжение холостого хода 44В
Рабочее напряжение 38В
Рабочий ток 5,87А
КПД 17,34%
Площадь поверхности 1,26 м2
Количество фотоэлементов 72
Рис. 3. Модель солнечной панели в МаИаЪ/БтиИпк
Рис. 4. Модель подсистемы PV Subsystem
Рис. 5. Модель подсистемы Subsystem 1
Рис.6. Вольт-амперная характеристика солнечной панели ТСМ-201ЙВ для уровня освещенности 1000Вт/м2
На рис. 6 представлены расчетные характеристики тока и мощности солнечной панели ТСМ-210йВ для уровня освещенности солнечного элемента Е = 1000 Вт/м2. Из рисунка видно, что наибольшая эффективность солнечной панели возникает при фиксированном положении рабочей точки при максимальной мощности.
Для сравнения достоверности модели, на кафедре электромеханики Уфимского государ-
ственного авиационного технического университета проводилось экспериментальное исследование характеристик солнечной панели типа ТСМ-210ЙВ при изменении уровня солнечной инсоляции от 1000 до 300 Вт/м2 которая является наиболее доступной на широте Республики Башкортостан. Результаты сравнения приведены в табл. 2 и рис. 7
А ,
5,Вт/М Р. Вт
Рис. 7. Диаграмма изменения выходной мощности солнечной панели типа ТСМ-2108В в зависимости от уровня солнечной инсоляции за один день
Таблица 2
Сравнение экспериментальных и расчетных данных
о, Вт/т2 302,3 408,8 505,5 607,1 717 794 911 1000
Т, °С 21 25 36 33 33 32 33 32
Рас. Экс. Рас. Экс. Рас. Экс. Рас. Экс. Рас. Экс. Рас. Экс. Рас. Экс. Рас. Экс.
I А 1 вых.} 2,2 1,6 2,9 2,5 3,3 2,6 3,7 3,3 4,2 3,9 4,4 4,4 4,9 4,6 5,2 5,2
^вых^ В 22 35,5 26,5 35,4 30,1 35 33,7 35 34,5 34,7 35,5 34,5 36,7 34,3 36,9 36,3
Рвых., Вт 48,4 56,5 76 76,1 103,7 94,2 123 115,2 146 133,4 157,1 152,8 169 161 194 189
Из таблицы видно, что результаты модели совпадают с результатами эксперимента с точностью от 5% до 15%, большие отклонения получаются при малых значениях уровня солнечной инсоляции. Важно отметить, что диапазон работы данной модели при допустимых отклонениях (меньше 5%) действителен для уровня солнечной инсоляции более 300 Вт/м2 . При значениях Sx<300Вт/м2 модель дает большие отклонения от реальной СП, что является основным недостатком данной модели. Для устранения этого недостатка применяются специальные корректировочные коэффициенты в уравнениях (6) и (7) соответственно.
С 5у = 1 + Рта5 (Бх - Зс ;
Сщ = 1 + ОТ"( - 0с
(11)
(12)
где Коу = Кц = 0,247
Результаты изменения выходной мощности солнечной панели от уровня солнечной инсоляции при значениях SХ<300Вт/м2 приведены на рис. 8.
Рис. 8. Диаграмма изменения выходной мощности солнечной панели типа ТСМ-210ЙВ в зависимости от уровня солнечной инсоляции до 350 Вт/м2
ВЫВОДЫ
1. Построена компьютерная Matlab-модель солнечной панели включающая в себя солнечные элементы и активную нагрузку. Модель солнечной панели выполнена по модульному принципу.
2.Разработана блок-система солнечной панели для размещения в библиотеке Matlab/Simulink.
3. Экспериментальная проверка расчетных соотношений Matlab-модели солнечной панели типа TCM-210SB подтвердила их справедливость.
4. Получены выражения, позволяющие рассчитывать характеристики солнечного элемента с учетом уровня солнечной инсоляции и температуры окружающей среды.
5. Создана упрощенная формула для расчета мощности СП применительно к региону Республики Башкортостан в диапазоне солнечной инсоляции 300-1000 Вт/м2.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Фролкова Н. О. Компьютерное моделирование вольтампретных характеристик солнечных батарей / И. В. Абраменкова, Н. О. Фролкова // Тезисы докладов XIV международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. 2008. С. 381-383 [Frolkova N. O. Computer simulation voltampetric characteristics of PV cells / I. V. Abramenkova, N. O. Frolkova // Abstracts of the XIV international scientific-technical conference of students and postgraduates , 2008, 381-383pp]
2.Фролкова Н. О. Моделирование последовательного и параллельного сопротивления в структуре реального солнечного элемента / И. В.Абраменкова, Н. О.Фролкова, О. А. Фролков // Материалы X Международной конференции «Системы компьютерной математики и их приложения» СКМП. 2009. С. 3-5. [Frolkova N. O. Modeling of series and parallel impedances in the structure of the real solar cell / I. V. Abramenkova, N.O.Frolkova, O. A.Frolkov, // materials of the X International conference "Systems of computer mathematics and their applications" SCMP, 2009. PP 3-5]
3. Фролкова Н. О. Моделирование влияния температуры на выходную характеристику солнечных элементов / Н. О. Фролкова, О. А. Фролков. // Материалы докладов 6-й межрегиональной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Информационные технологии, энергетика и экономика». 2009. Т. 2. С.80-83. http://www.gosbook.ru/system/files/documents/2011/01/31 /3_Serdiuk.ppt (дата обращения: 05.10.2012) [Frolkova N. O. Modelling the influence of temperature on output characteristic of solar cells / N.O.Frolkova, O. A. Frolkov. // Abstracts of 6th interregional scientific-technical conference of students and postgraduates "Information technologies, energy and the economy", 2009 volume 2, pp. 80-83.]
4. Удалов С. Н. Возобновляемые источники энергии, Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007. 432 с. [Udalov S. N.Renewable energy sources, Novosibirsk: Publishing house NSTU, 2007-432 pp]
5.1. H. Altas , A.M. Sharaf:. A Photovoltaic Array Simulation Model for Matlab-Simulink GUI Environment, Proc. 17th Annu. Conf. Solar Energy Soc. Canada, Toronto, Ont., Canada, 1991. Pp. 65-67.
ОБ АВТОРАХ
ШАРИФОВ Бохирджон Насруллоевич , асп. каф. э/мех. Дипл. инж.-э/мех. (Таджикс. техн. ун-т им. акад. М. С. Оси-ми, 2012). Готовит дис. о парал. работе солн. э/станций в Республики Башкортостан.
ТЕРЕГУЛОВ Тагир Рафаэлевич, доц. каф. э/мех. Дипл. инж.-э/мех. (УГАТУ, 2001). Канд. техн. наук по э/мех. комплексам и системам (УГАТУ, 2004). Иссл. в обл. магнитоэлектрических. генераторов в реж. перемен. скоростей и нагрузок.
METADATA
Title: Research of the characteristics of the solar panel in the
program MATLAB/Simulink. Authors: B. N.Sharifov1, T. R. Teregulov2. Affiliation:
Ufa State Aviation Technical University (UGATU), Russia. Email: energetik_tty@mail.ru, t15@bk.ru. Language: Russian.
Source: Vestnik UGATU (scientific journal of Ufa State Aviation Technical University), vol. 19, no. 4 (70), pp. 77-83, 2015. ISSN 2225-2789 (Online), ISSN 1992-6502 (Print). Abstract: This article discusses the modeling of the solar panel in Matlab/simulink. The model is developed using the basic equations of photovoltaic solar cells which take into account the impact of solar radiation and temperature changes. Was the experimental verification of design ratios of Matlab models for the solar panel type TCM-210SB. Key words: the solar panel; MATLAB/Simulink; volt-ampere
characteristic. About authors:
SHARIFOV, Bohirdzhon Nasrulloevich, Postgrad. (PhD) Student, Dept. of electrical engineering. electrical engineer (Tajik Technical University, 2012).
TEREGULOV, Tagir Raphaelovich, Ph. D., Assoc. DEP. electromechanics. Dipl. Electrical engineer (USATU, 2001). Ph. D. in Electromechanical complexes and systems (USATU, 2004). Study magnet electric generator in modes variable speeds and loads
