CC BY
67
УДК <0\ 019
(JULI1KA JAI LHLI НИ Ф01 ÜJJILK I PH4LLKÜI ü МОДУЛИ
П. В Бепяео"'. В. С. Мшпепко'. Д. А Подберезкин"1. Р. А. Эм" 1 Омский государственный технический университет, с. Омск Россия 'Олский г\±ю.мышлинчо-зконими чиский юши:*гдж, v. Омск, Россия
Аннотация - Рассмотрен.! методика компьютерного молелнровання вальт-лмперных п вольт-згттных характеристик солнечных модулей при злтененнн отдельных элементов панелей. Разработана модель d программном комплексе Marlab Simiihuk. позооляюшая онсшшг.ть снижение вырабатываемой
1Н1.№[жп1 мищнопи си 1НРЧНым VIU.IIVJICVI iijiii i рненнн iimiPio и.ш i|iyinihi i.ihmhhmik \шду im.
Ключевые слом: моделирование солнечных модулей, затспеппс солнечного модуля.
Т Впрдрнин
В процессе эксплуатации фотоэлектрических модулей о некоторых случаях возникает проблема затенения части элементов модуля, к вследствие ухудшения выходных характеристик мощности модуля. Факторов для возникновения тени может быть множество: тень от набегающих облаков, неправильный монтаж и установка фотоэлектрических модулей с наличием затенения и тл.
Элементы модуля конструктивно зачастую соединены последовательно, очевидно, что в них протекает одинаковый ток. при частичном затенении хотя бы одного элемента последовательней аспн. снижается тек. Еыра-
Г|<11ЫК;1ГММЙ .ЧЛГМсГНТНЫ И Г1КП КГЦ- КГ И НО ПК К'КХ ШГДИНГННМХ ЮС.1ГДОНИ ГГЛЬНО 'ШГМГНЮХ
При полном затепеппн элемента элемент уходит в режим короткого замыкашш, и выработка электрической ¿ы?р1 иеи модуля лрекргицаею!.
Соответственно. влияние затененного элемента па остальные приводит к тому, что вырабатываемая мощ
Н4ХГН НИ нкипгнгмнмх :-»11ГМГН1*Х ]ИИ<ГИКИГПЯ НИ Ш1]К"К МИТГНКННОШ :-и1ГМГКГИ КИ». ГЛР^уПКНР, НИДГИИГ МОЩНО-
сти вырабатываемой модулем.
Последствия затенения элементов могут негативно сказаться на работе модул* и привести к его перегрев)' и выходу из строя.
Для ограничения падения мощности на модуле производители зключают в конструкцию модулей шунтирующие диоды, которые позволяют обходить затененные элементы, но применение шунтирующих диодов повышает стоимость модуля, поэтому экономически целесообразным считается применять диоды для шутгпгровашгя минимум 15 илгмгн пж
Количество шунтирглощнх диодов зависит от количества элементов в модуле, как правило, для модулей, со-спимщих их .ч.гмгнтк, ри к но
Поскольку матемапгческии расчет падения мощности фотоэлектрического модуля при эатенешш является сложным к трудоемким, для теоретической опенки падения мощности была разработана модель фотоэлектрического модуля для компьютерного моделирования.
П. Постановка задачи
Необходимо разработать имитационную модель фотоэлектрического модуля по техническим характеристикам IЦП 1И.<К< 1Д И1ГЛ И I КО<М1)ЖН(к-|ЬК1 ОП.ГНКИ ПРИГНИ ОСКгЧЦГН-
ноети о ереде МЛТЪЛВ 201/1(>^шш1тк Моделирование в данной среде при изменении параметров позволит получить данные, на основании которых можно будет сделать выводы о «пригни кличиии ичмгнгним кхпдных и;1р>-мг 1]»:1к н.ч нмходнмг характеристики фотоэлектрических модулей, а именно падение мощности выработки в зависимости от степени освещенности.
Ш. Теория
Моделирование затенения фотоэлектрического модуля и]м»«1н);(шмн-к на иримгрг модунч ФОМ -I 50 [1] Технические данные модуля: Пиковая мощность (Ртах). Бт (0 ~ 13%) 150 Напряжение при пнксвон мощности (Утр), В 19 Ток при пиковой мощности (1щр). А 8.51 Ток короткого замыкания (1ес), А 8 53 Напряжение холостого хода (\ос), В 22.60 Максимальное напряжение в системе (УЕ>С). В 1000
Солнечные элементы: ТгХНО.Ю! ия Мино^мпилличп киг
Ко.нгчествэ элемеиюв. шт. 36 последовательно сседенены. Размер элементов, мм 156x156 Количество днолов 2 Тглгтгрлтурныг коэффкгтигк-ь-
N00" (±2 СС), °С 47 Термокоэффплиеит Ршах. 'VС -0.43Ь Терхюкоэффплиент I«:. -0.037
Ри1 1 Яи.'! модули, ехгмл электрического соедипешм ФЭ и шунтирующих диод«ж
Термокос ффициепт Voc, %'°С С.29? Температура эксплуатации. °С -40 -185
Для моделирования модуля была построена модель в пакете Matlab Simulink. представленная на рас. 2, включает в себя следующие олокн \1\: Current Senscr-датчкк тока Voltage Sensor -датчик напряжения Variab.e Resis:o- переменный резистор _Чашр - елок задания переменных значений XY Graph - блок цпя построения графиков PS-Sminlink Converter - конвертер сигналов То Worksprcc блок для сохранения расчетных данных Subsystem— блик шшсис1смы иус^оавлен на рис. 4 Solver Coofiguration- блок для задания конфигурации решения.
Риг ? Модмь К IlilKrir пиЛиЬ
fi 5o:i Qirame.ert: ïdai С* Il
Sua Cefl
TiisLlotkiudeb э sulci «_r I аьс joialel cuntinclui ut с lu ei l su.ru:. .no expie eu dI dudes eni a piiclfc 'eïiïlw. Ri» Id. n j>nitx.iecJ пгокэ wiiln tea-Unu: RnHicoUj>uUiiieit lisgr/c* jy
1 = Ы- Ь~(<ГЪХ-И*ЪУИ1*У1)>-Ц ■ fcZ*t«n'OW RbV0C*70H) - (У*Г teVFjJ
/«I ptr к Is ai l iï a к Uie JijJtr sa.Lisliui .«nwl:, v\ :: Uir Il tsutd .ul.ojs. 4ei il N2 aie Ile luaily (o-lu »
Iduilt çinîaLiicueTueib) ûiil) ¿.h bllir suiai- -leneia.eil luntil.
vodebef r-dueed com plenty «n be spccfied in ic mort. The qudty rocrcr чел;:. 'or ? norph^us »la ond ^okalr hîsa vaueiith« orce o( : to 2. "ht jIi>sgoI siQial in» ut I Iî thôirrajbr»« 1фс irterdt/i nWfn*2
rdlnQ or :he ttH Tie sjlo"-aena etid cuirent bi Is jKsn by 1*(ЦМУ1г01 wtere :p№ Is :he raasired safe -•l?ii* a'.eiJ in ciifvi uioJo uslC.
Ссхпдз
соисгсгэсопяес Configurer T<yr poutre ЭэрегЛю::*
Pararnetvrze tr. 3r 5»c «u; tit o iJ g/c wl:«Kv 5 pa Binatti -1
SI "JlL-.iu.il III VI I, bL. 8.33 A
Opcfi-cKxirt \otoqe, Voc 0.031 V
k-rnrivinra used frir m>>ftQiramt»nl4 ИК пни
Quslty -socr, u: 1.5
Sc-rcc rcib.ctiic, Rs: 0 Ohm
OK Cmcal 4яЬ A&y
Рис. 3 Окно задания параметров блоков solar cell
Блек подсистемы Subsystem ттредстаттяет гобой найгр ш Ъб. последовательно соединенных ФЭ (solar cell) л гтунтнруюптге диодов представлен на риг 4 [3]
i 1 П ~~t 1 г -J
4 j ГУ В ! м ■i V / 1J - —ч —»1 if i % $ J 4- "V —• 1 т -ч -}
—с*—
-м--
Рис. 4. Структура блока Subsystem
^ BI эск С ararnatir:: S ^аг <ldl ЗоЬг С:*
This block Todcb о гост сг1 эз a parallel ссп-ЬгзКэг о; a currcnt соигск, two exponential diodco and a parallel icoc:or, Rp, thirl rtс rornrrtei ir seres v/ith в гсоггвтсс Лз. The octpU current lb дглп эу
• = ipr • Kr;ft/4(V-I-Rey(N'Vr»-l)- (V+r*:yRp
wnere 15 oid [=2 in the dude saturation oirrerts. vt is ihe thenrd yoUoje. N and N? ore ihe cuoity factor? luiit- fiiiisbiui i-i't/fiuen-s) atJ Ipfi fc>llit suiai-qeiir a.rd .uiieii.
MDdcIc of redjeed «xrfiotty car be ipccfiod in tho mack The qusliry factor varocfir amorphic cdl:, and tyocaly has a valta n the range of L to 2. The physical acnal njutr e the гггйглеэ (Sgh: rUrsty) n WAnA2 Wirj on the The solir-generated current [jh 15 ciwn ty Ir* (IphO.'W) where ГрЮ is the ntaasurec scl?r gereratBd current for rraJunce iru.
5e«Sx|S
Ге1 rhvriiorfetlr« ror.tlQ irrlinn | leTpefeture L^sncence
Rra ordir Icnicc-oturc coefficient for Iph. TT1И:
0 1/K -
E»*cy qoj, EG: 1.11 eV -
Tsmpsratuir еюогепс юг is. ТХГ5:. Tsinporatura c«aoren" for Rc, TRS1: 3
0
Measjrwer- tentperatjre: 25 С -
ие<лсз afiKlaicn lemperaxre: z> L -
1 OX I I Ccnocl I 1 M? J I Apply
Рис. 5. Окно задания температурных коэффициентов
Моделирование осуществлялось 2 вариантами задания параметров с 8 параметрами к 5 по упрощенной схеме с заданием параметров через ток короткого замыкания и напряжение холостого хода, при этом расхождения
К полученных ]К-Ну.1КПГГ/1Х ОЫ.1И НС {HHHHIfJIhHKI Д.1Я СОКр;11ГНИИ К]Х*МГНИ ]И1ЧГИ)К примгнч-м у ИТХПИ.ГННуЮ
схему.
Мятмлятичггки модглъ гпгкг^тгго модул* с ялдлнигм S impaVfTpOR имггт глгдутолтутл rxevy члмсцгкия [4] рис б.
Phi fi Cxrva чампценим |ioio*.irh ^жчп ммо ншгигнга
с заданием 5 параметров исходных данных
Стандартное уравнение выходного тока в элементе выглядит следующим образом[5]
I = 1„н ~ U - 1)-СV + / R,)/Rp (1)
где Iyj- фототок равный:
lph — Jphо " ^ (?)
1г - интенсивность света в W/m2, падающем на элемент. IphO значение генерируемого тока при освещенности ЬО
Ts— ГОК ШН'.МЩГНИМ диода
VI тепловое напряжение, k'l'/q.
К — IliX'lOHHHrIM КопКЦМ/ШИ
Т - параметр температуры моделирования устройства, q— эпгмгнтарнътй vpj,l чгсктронл
N - фактор качества ¡диодный коэффициент эмиссии) днода. V - выходное напряжение солнечного модуля. Яр - параллельное сопротивление Jis последовательное сопротивление
Поскольку модель е заданием t параметров имеет упрощенную форму и допущения:
— сопротивление? — бесконечно.
- при иэмепешш температуры сопротивление Rs пе изменяется.
Ти»*г при модглирокании нг раггмафишинх-ь irvnrpaiypHor гсчмгнгнис Mcviy-int, принт« ,р|уп(книг. нш температура была неизменной н равной т=255С
Тогда уравнение выходного тока приобретает зкд [6]:
I = /р„ - Is ■ _ j) (3;
Мсщность. вырабатываемая модулем будет равна 12. 6J
Г=И1 (4)
где U - выходное напряжение. 1- выходной ток
Выходная мощность является основной технической характеристикой ФЭМ.
Результаты моделирования семейства вольт-амперных и вольт-ваттных характеристик модуля при различной «х'кпцгншкп и прннгдгн-»! на риг. 7 у риг 8
9 Я 5 8 7 5 7 6 5 6 5.5 5
45
4
3 5
г» 2 1.5 1
0.5
11 13 15 Напряче»-*« 11В
17
19
?1
?3
п
Рис. 7. Результат моделирования вольт-ампер:40й характеристнкн модуля ФСМ-150М
12 14 11апря«спи5 И 0
Рис. Ь. Результат моделирования вольт-ваттной характеристики модуля ФСМ-151)
24 25
Опенка потерн мошноегк при изменении величины освеигения имеет линейный характер, что подтверждается графиком зависимости рис. 91 [7, 8].
ТТрИЦГЬТНИЯ ОПГНКИ ИНкЛШКХМ шпгрю и<»1ЦНСК ГИ км]»гигм№1лимй ФЭМ, I Ц)иГ|.11Н «гнно ?0% при ( НИЖГНкИ велнчгспл освепгения па 200 Вт/м".
Чмс..юзы:г значение юч«. .маиснмальнии ¿ю-д.чосии (ТММ) сведены ь габлт;\'.
ТАБЛИЦА 1
ЗНАЧЕНИЕ ТОЧЕК МАКСИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ
Цветовая градация эсвспкнно'стн. Осзещешюсть, Пт/м! Вырабатываемая т.толтностт., Пт Процент от номинальной мощности. % Напряжение ВТММГ П Тек в ТММ ТА
юоо 1!>0 100 19.03 7,93
800 118.8 ¡9.2 18.7 Ь 6.6Ь
600 87,19 183П 4.47
400 Эб-Ч 37,6 17.83 ЗД6
200 26,65 1/.8 г.'.ои 1.Ь7
Для оценки изменений релтма работы ФЭМ были построены графики зависимости выходных параметров от освещенности, представленные на рнс. Я, рис. 10 е рис. 11 [9].
г
Рнс. 9. График зависимо ста вырабатываемой модулем мощности от величины ссэещепия
Рнс. 10 Графнк зависимости 7ММ по напряжению от величины освещения
1*нс. 11.1 рафик зависимости 1ММ не току от величины освещения
Из построенных графиков наглядно видно, что перемещение точен максимальной мощности ТММ прк из-мгчлпга кг-и*гины огкгтт-ения тгчгте— нг.-данейтгый тлрлктгр и гметцлетг* и пбллгть бплггг ничкота плпряжгни* и меньшего токе при >мсныисннн освещенности. При этом впднс. чте основное падение мощности обусловлснс умепьшепнем выходного тока порядка 16? с при еппжешш освещенности па каждые 200 Вт/м". исходное напряжение снижается незначительно порядка 1.5% при уменьшении освещенности на кзадае 200 Вт ы [10]
Полученные график риг 7 и риг Я можно жлолмлмтъ .п.тгя теоретической оценки огптгчглггкного режима работы ФЭМ. Идя модуля ФЭМ-150М прк различной освещенности определены пределы еыходного тока и выходного напряжения, позволяющие ползать максимальные значения выходной мощности, результаты све дены в табл. 2 [1 И-
ТАБЛИЦА 2
ОТИМАШТТЛГ. ЗТТАЧ~" ГИЯ ТТАТТРЯ71СГТТИЯ И ТОКА <t>lV
Ol вещ^нкос. ь 0н1има.1ьные значения J ока [ Ошнмальные значения ниирл- Выхидьаи мощ-
IJT/M2 (1 ММ), А жг-тоя 1.11 ность Р, Ит
юоо 7,57-8.1 (7,93) 1Е,31-13,6В (19,03) 149-150
800 6.L-6.4 (6,3) 18.03-19.28(18,75) 117,8-118,8
600 4,6-4,8(4,7) 17.93-18.65(18,3) 86,98-87,19
400 3.07 3,25 (3,16) 17,26 18,27(17,83) 56,01 56,34
200 1.16 1.65(1.57) 15.77 17.78(17) 26 26,65
Результаты построения вольт амперных характеристик совпадают с расчетными в программе The System Advisor Model (SAM).
Gcnoi ln1«nn«1»n
Mvdu * driu plion Oti иk. pvlvu'aillite li¡.on rmJiJe
Cd typi moeoSi Unihl*«« nwitf rr»
No mini I op« rat ha «I ttnpe-iftr« <7 "C
И
Nomincl Moramian Tows Teilt lletmq: et SIC
1ДЧЧ1 Wrir ЕГккпц- 17.1111 'i
CiM. nl -Vuftoyc (ТЛК" • VC «l STC
Lk.xlii.ji S-tculniti»»
Ma<*rnum«x«r point испэое(>пм 19 у
Masirur-р:лс/рст: ;j-rc-it(H»( 7Ü0 Л
Цршспиг и и У
iluilu 4uil Ljiial 'yJ 313 А
"cjnpcra-.ificocPiccntcfVoi ОЛ; '-,'1 ~
I •mperek-lecc»4*ir тНс с# 1с< . .
Те» t*ts.ureii*f"ii. tr К'Гтде. jjna цчШ. -СЫ38 V"С Vnac-cf cdbin Э1-Ц»
Caloibttaod plct Сетелс poycrr;tiJUe nliccr troculc
Sladvlf lojli.|l.W.S it
n>taJLlion k
\ \ . .....V. V V
\
jb- |~wp;tarY auitfugheqlil <x -»tlo
UudufeVulugeCVol.:
Рис. 1J Окно программного комплекса I he System Advisor Model (SAM)
При оценке адекватности модели. построенной d Matlab Simulmk. применялось сравпепие получешсых гра фнков ЗАХ с графиками ВАХ производителя и граонкаьт. полученными в программном комплексе The System Advisor Model (SAM}, построенная модель показала высокую сходимость результатов при теоретическом сравнении и практическом опыте [12].
IV. Результаты экспериментов
При моделировании была ироидеецена чле.кгнш-л оценка вы;.aGa 1ыва:.\юи мощное jи up л уменыпгнни общей освещенности. Обивное падение мощное iu обусловлено уменьшением выходною юка пун снижении ГН"ЧГЩГТТКГ*-~V выходное НЧТТрТАГНИГ ГНТГЖЛГТГЯ НГЛН-ГТКТГ.ТЧНО Рлггхтотргны ОТТТТГМгТЛЬКЬТГ пелги\п»т рлботьт Ф')М-1 "Я)У при гнкжгнки уроки» осяещгнностн
V. ОЕСУЖЛПШЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
По результатам моделирования ФЭМ при изменении параметра оевспсинк мы лолучнлн семейство вольт-амперных и вольт ваттных характеристик, на есповашш которых можно сделать вывод об изменении выходных параметров мощности, напряжения и тока ФЭМ
VI Выводы и злклкпешь; В данной статье была рассмотрена имитационная модель фотоэлектрического модуля марки ФЭМ-150М.
».тггодлря ИГПГСТЬЧОРЛКИК-' ДТННОН УОДГ.ГИ ОЪТ.ТО огугтегтк-тгно КЛМГНГНИГ RrWTTTR.' ОГВГЩГКЧОГТИ МОДуЛЯ
Выводы:
1. Перемещение точки максимальной мощности ТММ при изменении Ееличины освещенноетн имеет нелинейный характер.
2. Точки максимальной мощности ТММ смещаются в область более низкого напряжения н меньшего тока прн уменьшении освещенности.
3. Основное падение мощности обусловлено уменьшением выходного тока порядка 16% прн снижении освещенности на каждые 200 Вт/м2.
4. Выходное напряжение снижается незначительно, порядка 1.5% при уменьшении освещенности на каждые 200 Вт/м:.
5. Определены пределы выходного тока н выходного напряжения для модуля ФЭМ-150М при различной освещенности, позволяющие получать максимальные значения выходной мощности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Электроный ресурс, сайт компании «Реалеолар» по продаже модулей ФСМ-150М. URL: littp://realsolar.ш/
2. Черных И. В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB. SimPowerSystems и Siinulnik. М. ДМК Пресс: СПб.: Питер, 2008. 28S с.
3. Мигунов Я. Н. Моделирование солнечного элемента в графической среде simulink // Молодежный научно-технический вестник. 2015. №. 7. С. 9.
4. Raiuaprabha R. MATLAB Based Modelling to Study tlie Influence of Shading an Series Connected SPVA // Second International Conference on Emerging Trends m Engineering and Technology. 2009 December 16—18:
5. Бордина H M.. Летнн В. A_ Моделирование вольт-амперных характеристик солнечных элементов и солнечных батаре Н Электротехн. Промышленность. Сер. 22. Химические и физические источники тока 1986
6. Козаков Д. А., Цыганков Б. К. Моделирование характеристик фотоэлектрических модулей в Matlab.'Siniuliiik У Политематнческий сетевой электронный кучный журнал Кубанского государственного аграрного чииверситета. 2015. №. 112
7. Базнлевский А. Б.. Лукьяненко М. В. Моделирование вольт-амперных характеристик солнечных батарей // Вестник Сибирского государственного аэрокосмнческого университета им. академика МФ Решехнева. 2005. №. 4.
8. Salmi Т. [et aL] Matlab 'simulmk based modeling of photovoltaic cell // International Journal of Renewable Energy Research (BRER) 2012. Vol. 2. no 2. P. 213-218.
9. Фролкова H. О. Компьютерное моделирование волыа.мпретных характернашк солнечных батарей И Тезисы докладов 14 международной научно-технической конференции студентов и аспирантов . 2008. С. 381383.
10. С tow J. A., Manning С. D. Development of a PliotoToltaic Array Model for Use // Power-Electronics Simulation Studies. EEE Proceedings of Electric Power Applications. 1999. Vol. 146. no. 2. P. 193—200.
11. Беляев П. В.. Олесиюк К. С. Способы использования солнечного излучения //Динамика систем, механизмов и машин. 2014. № 1. С. 202-204.
12. Беляев П. В.. Комарова Н. Г. Состояние гелиоэнергетики в мире // Динамика систем, механизмов н пашни 2014. № 1. С. 198-202.
