Моделювання параметрів елемента сонячних панелей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

DOI: 10.6084/m9.figshare.5483947

УДК 621.354.7

МОДЕЛЮВАННЯ ПАРАМЕТР1В ЕЛЕМЕНТА СОНЯЧНИХ ПАНЕЛЕЙ Панов Леонщ ¡ванович 1, Луценко Юл1я Юрнвна1

1 Одеський нацiональний полггехшчний унiверситет Адреса для кореспонденцп: Юлiя Луценко - студент

Мiсце роботи: Одеський нащональний полiтехнiчний унiверситет м.Одеса, Укра'на Email: Pogorelova101 @gmail.com

Анотащя. Наше повсякденне життя важко уявити без електрики. Проблема енергозабезпечення е актуальною проблемою сьогодення. Джерела енергп е вичерпними, тому вирiшення проблеми - використання нових, невичерпних джерел енергп. Серед невичерпних джерел енергп, яю доцiльно використовувати на територп Укра'ни вiдносять: сонячну енергiю та енерпю вiтру. В данiй стат буде розглянуто перетворення сонячно'' енергп в електрику . Для перетворення сонячно'1 енергп в електричну використовують сонячш панелi. Для повного забезпечення обладнання енерпею вiд сонячно'1 панелi не вистачае, одше'' панелi, використовуються -поля сонячних панелей. Використання велико'' кiлькостi сонячних панелей викликае цший ряд складнощiв, серед яких видшено основнi: цiна, площа, обслуговування Ключов1 слова: сонячнi панелi, сонячна енергетика, енерпя, освiтлення Вступ. Встановлювати сонячш панелi може бути економiчно i фiнансово доцiльно. Конкретнi термiни повернення швестицш сильно залежать вiд власного споживання (чим воно бшьше - тим довшi термiни) та вщ вартостi електроенергп (чим вона дорожча, тим скорее швестицп повертаються)

Треба постшати з встановленням сонячних панелей, бо з роками ставка "зеленого" тарифу буде зменшуватися (чим тзшше приеднався - тим менша ставка).

Все описане стосуеться встановлення сонячних панелей фiзичними особами на дахах на фасадах приватних домогосподарств.

Мета i задача досл1дження: визначення параметрiв модулю сонячно'' панелi при осв^ленш, моделювання параметрiв при змiнi вхщних-вихщних характеристик та змiнi значення ширини елементу перетворювача сонячно'' енергп. Проведення моделювання в програмi COMSOL Multiphysic.

Матерiали та методи. для проведення моделювання важливо знати i розум^и процес перетворення сонячно'' енергп в електричну, знати i розумiти не тшьки структуру фотоелектричного

ISSN 2311-1100 CC-BY-NC

елементу, а й що таке первиш перетворювачi, принцип ix д^, недолiки й переваги ix вхщш i вихiднi

характеристики.

Процес перетворення сонячноТ енергн в електричну.

Перетворення сонячно'1' енергй в електричну вщбуваеться завдяки явищу фотоефекту. Явище фотоефекту вiдбуватися в натвпровщниках ,якi i використовують для створення перетворювачiв сонячно'1' енергй .

Рисунок.1. Фотоелектричний елемент.

Прямi перетворювачi енергл -сонячнi панелi (створеннi на основi об'еднання фотомодулiв) [1]. Сонячна батарея або модуль - деяка кшьюсть одиночних комiрок фотоелектричних перетворювачiв (ФЕП), що мехашчно об'eднанi в однш конструкцп електрично-з'eднанi для отримання визначеного рiвнi електрично'1' потужностi iз встановленими рiвнями робочих струму та напруги.

Переваги:

• доступшсть i невичерпшсть сонячного випромiнювання;

• екологiчна безпека для навколишнього середовища;

• економiчнiсть процесу використання ФЕП;

• мшмальний рiвень планового технiчного обслуговування та висока надшшсть;

Недолiки:

• залежшсть вiд погоди, часу доби та пори року, i як наслщок необхiднiсть акумуляцп енергп;

• порiвняно висока вартiсть конструкцп;

Параметри сонячних панелей: потужшсть, напруга холостого ходу, напруга при максимальнш потужностi, струм при максимальнш напрузi ,коефiцieнт корисно'1' дп. Коефiцieнт корисно'1' дп -вщношення максимально'!' вихщно'!' потужностi до потужносп падаючого сонячного потоку.

контролер Ывентоо

Рисунок.2. Схема перетворення сонячно'1 енергп в електричну

Шсля перетворення сонячно'1 енергп в фотоелементах ,пот1к сонячно'1 енергп потрапляе на кремнieву пластину ,пiсля електричний струм поступае на контролер. З контролера заряду струм поступае акумулятор. При досягнеш напруги 12-14вольт контролер вщключить сонячну панель вщ акумулятору i заряд зупиниться. З акумулятору отримуемо постшний вихiдний струм. Для отримання змшного струму акумулятор з'еднаний з швертором.[2] Пiсля включення в схему швертора, сонячнi панелi тдключають до побутових пристро!в. Для визначення кшькосп енергп споживаймо людиною за день проаналiзовано даннi з таб.1

Таблиця.1. Кiлькiсть споживано! енергп побутовими приладами

Прилад Вт Год/день Вт/день

Електричний чайник 2000 0,30 600

Холодильник 300 16 4800

Телевiзор 60 6 360

Освiтвiтлення (3 економлампи) 60 8 480

Комп'ютер 500 6 3000

Всьго 6,540

З дано'' таблицi видно ,що в день споживач по середшм показникам, споживае не менше 6-

ISSN 2311-1100 CC-BY-NC

8кВТ на день. Потужшсть 1 сонячно! панелi на даний час складае 260 Вт/год. Для точност

розрахунку вiзьмемо 6 сонячних годин на день. Провiвши прост розрахунки Рза день =Ргод*1Кшхон. год=260*6=1.5кВт за день - потужнiсть 1-но! сонячно! панелi. Для стащонарного будинку потрiбно 4-5 сонячних панелей. Що може виявитись економiчно не випдно та буде займати не малу площу. Середня вартiсть 1 -е! панелi 250 доларiв, а площу 1.62 м2. Тобто для 4-5 панелей данш будуть таю: 1000-1250$ i площу 6.48 i 8.1 м2. Це вартiсть тшьки само! панелi без контролеру акумулятора i та iнвентору[3] Для вихщних параметрiв сонячно! панелi постае необхщшсть в покращення коефiцiента корисно! дп - показник визначаеться як процентне вщношення вироблено! електрично! енергп до потужносп падаючого сонячного свiтла.

Експериментальш дан1: Для проведення експеременту було взято модель 1-го модулю сонячно! панелi з дюдом для яко! було проведене моделювання при рiзних температурах, залежностi нормовано! щiльностi струму елемента сонячно! батаре! вiд його напруги, залежшсть нормовано! щiльностi струму вщ напруги при змiнi ширини елемента сонячно! батаре!, вольт-амперна характеристика при рiзних значеннях ширини елемента сонячно! батаре!. Дане моделювання спрямовано на отримання залежност ККД модуля сонячно! батаре! вщ ширини елемента сонячно! батаре!.

Рисунок.3. бивалентна схема елементу сонячно! батаре! на основi моделi з одним дiодом. Для дано! моделi згiдно з1-шим законом Юргофу можна записати:

1=1д+1ш-1ф (1)

Згщно iншого:

V=IRh (2)

1д=10(еЯУ/Акт-1) (3)

I=V/R ш (4)

I=l0(eq(v-IRn)/AkT-1)+V-iRn/Rm - 1ф

(5)

Модель елемента сонячного елемента CIGS повинна бути отримана при використанш електричних, оптичних i геометричних параметрiв.

Свiтло поглинаеться за допомогою елемента сонячно'х батаре' i генеруеться струм.

тому вш призводить до оптичних втрат. Основш послiдовнi опору i шунтуючi опору сонячного елемента CIGS. Поперечний струм в верхньому шарi (ZnO: А1) i тильному контакт (Мо) не однаковий, i тому щ шари створюють розподiленi послщовш опору. Розподiленi послiдовнi опору Rzno: А1, 1, Rzno: А1, 2, ..., Rzno: А1, п для ZnO: А1 i Rмo, 1, Rмo, 2, ..., Rмo, п для Мо як представлено на рис.4. iснуе також додатковий отр Rс, 1 i Rс, 2 на кордош ZnO: А1 - провщна паста i проводить паста - молiбден. Шар CIGS забезпечуе шунтуючу ланцюг мiж фронтальним i тильним контактом. На рисунку 3 даний шунтируючий ланцюг представлений резисторами Rш, 1, Rш, 2.

Для моделювання елемента сонячно'х' батаре'х' типу CIGS використовуемо середу COMSOL Mu1tiphysics. Фiзичний процес, що вiдбуваеться в шарi абсорбера, можна описати формулою 6, засновано' на формулi (6)

Даний елемент сонячно'х батаре' був промодельований для напруги V в дiапазонi вщ 0 В до 0,65 В (внаслщок того, що дана модель заснована на моделi одного дюда) i для кожно' напруги отримана щiльнiсть струму J. Рисунок 3 показуе потенцiйне розподш в елементi сонячно'х батаре' для V = 0,1

У верхньому шарi вщбуваеться поглинання свiтла. Даний шар не щеальний,

J=J0(eq(v-IRH)/AkT-1) + V-IR/Rm + Jф

(6)

В.

Рисунок.4. Потенцшно розподiл сонячного елемента при V = 0,1 (В)

На рис.4. Представлена залежшсть нормовано'1 щшьносп струму елемента сонячно! батаре! типу CIGS вщ його напруги, отримане з допомогою COMSOL Multiphysics

- ----

■

- \

■ \ \ \

\

- \

у

О 0,05 O.I 0.15 0.2 О, ¿Ъ О.З О. 3 5 О. -1 О 45 0.5 0.55 О.б 0.65

V i

Рисунок.5. Графiчне представлення залежностi нормовано! щшьносп струму елемента сонячно! батаре! вщ його напруги

Для отримання максимального ККД сонячно! батаре! п необхщно провести моделювання даного елемента сонячно! батаре! при рiзних значеннях параметра w - товщини елемента сонячно! батаре!, при цьому кожен раз зшмаючи отриману залежшсть нормовано! щшьносп струму вщ напруги елемента. Площа сонячного модуля становить 264 см2. В таблиц 2 представлен змiнюванi

ISSN 2311-1100 CC-BY-NC

параметри сонячно'1 батаре'1, TaKi як товщина елемента сонячно'1 батаре'1 w, кiлькiсть елементiв в

модулi n, загальна площа S, яку займае модулем, частка втрат, послщовний onip Rs.[4]

Таблиця 2. Змшш параметри сонячно'1 пaнелi

w [ш] rif-1 S [см ] Доля потерь \°/а\ R s [Ом смг]

1.0 220 264,0 ЗО.О 0.4

1.5 146 262,8 20.0 0 6

2.0 1 10 264,0 1 5.0 0 8

2.5 88 264,0 12.0 1.0

3.0 73 262,8 10.0 1.2

3.5 62 260,4 8.6 1.4

4 0 55 264,0 7.5 1.6

5.0 44 264,0 б.О 2.0

6 0 36 259,2 5.0 2.4

7 0 3 1 260,4 4.0 2 8

8.0 27 259,2 3.5 3.2

90 24 259,2 з.о 3 6

Для моделювання елемента при piзнoму значенш ширини елемента сонячно'1 батаре'1 необхщно знати значення пoслiдoвнoгo

опору Rs, внaслiдoк того, що це значення не е постшним при piзнoму знaченнi ширини - при збшьшенш ширини елемента, пoслiдoвний oпip збшьшуеться в зв'язку з втратами в верхньому провщному шapi.

1 ÜMM

1 Smiui

Рисунoк.5.Зaлежнiсть нормовано'1 щiльнoстi струму вiд напруги при змш ширини елемента сонячно'1 батаре'1 типу CIGS

Рисунок.6. Вольт-амперна характеристика при рiзних значеннях ширини елемента сонячно! батаре!

Далi проводиться розрахунок продуктивное^ модуля сонячно! батаре! типу CIGS.

Э _1_I_I_I_I_I_I_!_I_

0123456739 10

Ширина эпементэ солнечном о-эта ре и [мат]

Рисунок .7. Залежнiсть ККД модуля сонячно! батаре! вщ ширини елемента сонячно! батаре! типу CIGS

Результати дослщження.

1.Потенцiйне розподiл в елеменп сонячно! батаре! для V = 0,1 В Можна визначити що найбшьший нагрiв елементу при таких параметрах :

Питомий отр провщно! пасти для сонячних панелей ( на основi ZnO: А1) 0,18 ом/см2 значення струму 1= 35*10-4 А, для V = 0,1 В

2. Залежшсть нормовано! щшьносп струму вщ напруги при змш ширини елемента сонячно! батаре! типу CIGS - При шириш сонячно! батаре! типу CIGS вiд 1 до 9 мм значення нормовано! щшьносп струму вщ напруги постшне , до значення щшьносп= 0,6 показники зазнають спаду.

-

ISSN 2311-1100 CC-BY-NC

3.Вольт-амперна характеристика при pi3HHx значеннях ширини елемента сонячно! батаре!.

Найбшьше значення напруги V=140 i струму I=0,05 А при шириш 1 мм, найменьше V=10 В i струму 1=0,35 А при шириш 9мм.

4.Визначення максимального ККД, вiдносно рiзно! ширини елемента сонячно! батаре! типу CIGS. При шириш 4-5мм максимальне значення ККД=13 % -це найвище значення.

ISSN 2311-1100

СПИСОК ВИКОРИСТАНО1 Л1ТЕРАТУРИ:

СС-БУ^С

1. Андреев В. М. Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии // Соросовский образовательный журнал. 1996. № 7. С. 93-98.

2. Арбузов Ю. Д., Евдокимов В. М. Основы фотоэлектричества. М.: Изд-во ГНУ ВИЭСХ, 2007. 292 с.

3. Виссарионов В.И., Дерюгина Г.В., Кузнецова В.А., Малинин Н.К.,СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА: Учебное пособие для вузов / Под ред. В.И.Виссарионова. - М.: Издательский дом МЭИ, 2008. - с.Фролкова Н. О. Компьютерное моделирование ольтампретных характеристик солнечных батарей /И. В. Абраменкова, Н. О. Фролкова // Тезисы докладов XIV международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. 2008. С. 381-383