СОЛНЕЧНЫЕ ПАНЕЛИ НА ОСНОВЕ РАЗЛИЧНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Солнечная энергетика – одна из самых быстро развивающихся отраслей энергетики в мире. Преобразование света в электрическую энергию происходит с использованием солнечных батарей. В основном солнечные панели являются надежными источниками питания электронной аппаратуры. Но для достижения наибольшей надежности и большего КПД, необходимо изучение солнечных батарей. Одним из основных способов изучения является моделирование. В качестве среды разработки модели была выбрана графическая среда.

Simulink.Целью данной работы является разработка модели СБ, в которой, изменяя соответствующий диодный коэффициент n, изменяются выходные характеристики солнечной батареи.

Модель солнечной батареи разработана на основе уравнения вольтамперной характеристики единичного солнечного элемента с использованием библиотеки SimPowerSystem (рис.2) [1].

Обычно используемая эквивалентная схема солнечного элемента с сосредоточенными параметрами, работающего в стационарном режиме содержит генератор тока с большим внутренним сопротивлением. Величина тока пропорциональна освещенности и называется фототоком [2]. Схема замещения солнечного элемента приведена на рис.1.

Рисунок 1. Схема замещения солнечного элемента

Уравнение ВАХ солнечного элемента имеет вид (1):

Для перехода от модели единичного СЭ к модели СБ используются формула:

Где:

Np – число параллельно соединенных элементов;

Iph – фототок, А.

Существует выражение, позволяющее определить значение фототока при заданных значениях температуры и освещенности.

Где:

Isc – ток короткого замыкания, A;

ki – температурный коэффициент тока к.з.;

Gn – номинальный уровень освещенности, Вт/м^2.

Где:

I0 – ток насыщения, A;

q – заряд электрона, Кл;

Rs – последовательное сопротивление, Ом;

n – коэффициент диодности;

K – постоянная Больцмана;

Ns – число последовательно соединенных элементов;

Так как ток насыщения зависит от физических характеристик СЭ, например, коэффициента диффузии электронов в полупроводнике, но не зависит от освещенности, то пересчитывать I0 для заданной освещенности не нужно. Необходимо учесть его зависимость от температуры:

Где:

Irs – обратный ток насыщения, A;

Tn – номинальная температура, °C;

Eg0 – ширина запрещенной зоны.

Где:

Uoc – напряжение холостого хода, B.

Где:

Rsh – шунтирующее сопротивление, Ом.

Рисунок 2. Модель солнечной батареи в Simulink

Предлагаемая модель позволяет воспроизводить характеристики СБ, изготовленных из разных материалов, задавая соответствующий диодный коэффициент n и значение ширины запрещенной зоны Eg.

Значения коэффициента n для некоторых материалов даны в таблице 1.

Таблица 1.

Зависимость параметра n от материала СЭ и технологии изготовления

Результаты моделирования ВАХ СБ при различных коэффициентах n представлены на рис.3.

Рисунок 3. ВАХ при различных коэффициентах n

При увеличении коэффициента n, коэффициент заполнения и максимальная мощность уменьшаются. Предлагаемый подход позволяет исследовать характеристики СЭ различных типов, повышая точность имитирования ВАХ. Коэффициент n представляет собой степень идеальности диода в аналитической модели СЭ и определяется эмпирически, эту величину варьируют для уточнения формы ВАХ и расчетных данных модели.

Список литературы:

1. Фролов М.В. Моделирование затенения солнечной батареи в Simulink/ Фролов М.В. //Научное сообщество студентов XXI столетия. технические науки: сб. ст. по мат. LXXVIII междунар. студ. науч.-практ. конф. № 6(77).
2. Фролов, М.В. Имитация работы солнечной панели в среде Matlab/Simulink / М.В. Фролов, В.Н. Рогов// Сборник материалов 53-й научно-технической конференции – 2019. – часть 1. С.152-155.
3. Официальный сайт компании Sunrise: http://www.sunriseenergy.cn/en/ upfile/cpdownload/EN_SR-M660.pdf (дата обращения 11.01.2019).
4. Фролкова Н.О. Моделирование солнечных батарей на основе различных полупроводников // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук – 2011. – 179 с.
5. Раушенбах Г. Cправочник по проектированию солнечных батарей. М.: Энергоатомиздат, 1983. 360 с.