Статья опубликована в рамках: X Международной научно-практической конференции «Научное сообщество студентов XXI столетия. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ» (Россия, г. Новосибирск, 04 апреля 2013 г.)

Наука: Технические науки

Секция: Моделирование

Скачать книгу(-и): Сборник статей конференции

Библиографическое описание:
Зотов В.А. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ С ФОТОЭЛЕМЕНТОМ В РЕЖИМЕ ОТБОРА МАКСИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ // Научное сообщество студентов XXI столетия. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ: сб. ст. по мат. X междунар. студ. науч.-практ. конф. № 10. URL: http://sibac.info/archive/technic/10.pdf (дата обращения: 09.08.2020)
Проголосовать за статью
Конференция завершена
Эта статья набрала 0 голосов
Дипломы участников
Диплом лауреата
отправлен участнику

ИМИТАЦИОННОЕ  МОДЕЛИРОВАНИЕ  ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ  СИСТЕМЫ  С  ФОТОЭЛЕМЕНТОМ  В  РЕЖИМЕ  ОТБОРА  МАКСИМАЛЬНОЙ  МОЩНОСТИ

Зотов  Виктор  Алексеевич

студент  электротехнического  факультета  ТГУ,  г.  Тольятти

E-mail: 

Позднов  Максим  Владимирович

научный  руководитель,  канд.  техн.  наук,  доцент  кафедры  «Промышленная  электроника»,  ТГУ,  г.  Тольятти

 

Ни  для  кого  не  секрет,  что  на  сегодняшний  день  проблема  поиска  новых  источников  энергии  весьма  актуальна  —  нефть,  природный  газ,  уголь  —  все  это  ограниченные  энергоресурсы  и  их  запасы,  согласно  статистике  [3],  при  текущем  темпе  потребления  закончатся  менее  чем  через  45,  170,  420  лет  соответственно.  В  отличие  от  ограниченных  ресурсов  солнечная  энергия  представляет  собой  практически  неиссякаемый  источник,  по  данным  статистики,  его  энергии  хватит  еще  на  5  миллиардов  лет.  Для  стран,  небогатых  традиционными  энергоресурсами  (нефть,  природный  газ,  уголь)  солнечная  энергия  может  являться  перспективным  направлением  развития  энергетики  на  альтернативных  энергоресурсах.  Судить  о  перспективах  солнечной  энергетики  мы  можем  на  примере  Германии,  которая  на  данный  момент  лидирует  в  преобразовании  солнечной  энергии  —  в  2010  году  36  %  выработанной  во  всем  мире  солнечной  энергии  приходилось  на  долю  Германии,  20  %  всей  произведенной  электроэнергии  этой  страны  вырабатывается  с  использованием  солнечных  батарей.

Основой  любой  солнечной  батареи  являются  фотоэлементы  (ФЭ),  которые  непосредственно  осуществляют  фотоэлектрическое  преобразование  солнечной  энергии.  Основным  материалом  для  изготовления  ФЭ  является  кремний,  батареи  на  его  основе  на  данный  момент  имеют  максимальный  КПД  —  до  19  %  у  коммерческих  образцов  и  до  24,2  %  у  лабораторных  [2,  с.  44].  Однако  высокий  КПД  может  быть  достигнут  только  в  режиме  максимальной  мощности.  Организация  указанного  режима  представляет  собой  сложную  задачу. 

ФЭ  любого  типа  обладает  нелинейной  статической  вольтамперной  характеристикой  (ВАХ)  [1,  с.  20],  характерный  ее  вид  представлен  на  рисунке  1а.  Подключение  нагрузки  R  к  ФЭ  существенно  изменяет  положение  рабочей  точки  на  ВАХ  и  влияет  на  электрическую  мощность,  вырабатываемую  в  этой  нагрузке.  Основываясь  на  ВАХ,  можно  построить  график  зависимости  мощности  P  выделяемой  на  нагрузке  от  напряжения  на  ФЭ  (см.  рис.1б).  Эта  характеристика  имеет  максимум  в  точке  А2,  которая  называется  точкой  максимальной  мощности  (ТММ).  Для  того,  чтобы  осуществлять  преобразование  солнечной  энергии  с  максимальным  КПД  необходимо,  чтобы  в  процессе  работы  ФЭ  нагрузкой  R  поддерживался  режим  работы  в  точке  А2.  Положение  этой  точки  на  ВАХ  ФЭ  достигается  в  случае  линейной  нагрузки  при  сопротивлении  R=R2  (рис.  1а.). 

 

Рисунок  1.  а)  ВАХ  и  нагрузочные  прямые  R1<R2<R3  системы  ФЭ  +  нагрузка;  б)  зависимость  мощности  от  напряжения

 

Очевидно,  что  при  значениях  сопротивлений  отличных  от  R2,  например  R1  и  R3,  вырабатываемая  мощность  будет  ниже  (рис.  1б).  Таким  образом,  параметры  нагрузки  оказывают  влияние  на  эффективность  работы  ФЭ.

Кроме  нагрузки  на  эффективность  фотоэлектрического  преобразования  оказывают  влияния  различные  факторы  —  температура  ФЭ,  его  освещенность  и  старение.  Кривая  ВАХ  под  влиянием  этих  факторов  смещается  (рис.2),  что  приводит  к  изменению  положения  ТММ,  и  уменьшению  вырабатываемой  мощности  при  неизменной  нагрузке.  Рисунок  2  демонстрирует,  как  смещается  ВАХ  и  изменяется  положение  ТММ  под  воздействием  температуры  и  освещенности.

Рисунок  2.  ВАХ  ФЭ  в  зависимости  от:  а)  освещенность,  Ф3<Ф2<Ф1;  б)  температуры,  T12<T3.

 

Применение  электрических  преобразователей  в  качестве  промежуточного  звена  между  ФЭ  и  нагрузкой  позволяет  задавать  положение  рабочей  точки,  основываясь  на  параметрах  фотоэлемента.  При  этом  сам  преобразователь  осуществляет  преобразование  электрических  параметров  ток  —  напряжение  от  ФЭ  к  нагрузке  и  должен  обладать  высоким  КПД.

Организация  работы  ФЭ  с  преобразователем  в  точке  максимальной  мощности  возможна  расчетным  или  следящим  способом.  Расчетный  способ  заключается  в  следующем:

1.  путем  математического  расчета  на  основе  экспериментальных  данных  устанавливается  зависимость  положения  ТММ  на  ВАХ  от  различных  значений  температуры  и  освещенности;

2.  датчиками  измеряется  температура  и  освещенность;

3.  по  полученной  в  пункте  1  зависимости  и  на  основании  данных,  полученных  в  пункте  2,  система  управления  (СУ)  преобразователя  определяет  положение  ТММ  на  ВАХ  и  осуществляет  работу  в  этой  точке  с  заданной  погрешностью.

Недостатками  являются:

1.  необходимость  применять  датчики  температуры  и  светового  потока  ФЭ;

2.  расхождение  экспериментальных  условий  снятия  характеристик  с  эксплуатационными.

Второй  способ  —  следящий  —  обеспечивается  введением  обратной  связи  по  электрическим  величинам  (ток  и  напряжение  на  ФЭ),  вычислением  мощности  и  корректировкой  положения  рабочей  точки  в  сторону  увеличения  мощности.  Данный  режим  является  более  эффективным,  т.  к.  любое  воздействие  внешних  факторов,  приводящих  к  изменению  ВАХ,  отслеживается  СУ  по  вычисленной  мощности.

Для  поиска  ТММ  предлагается  использовать  следящий  метод  последовательного  приближения  с  пошаговым  вычислением  мощности. 

Алгоритм  вычисления  положения  ТММ  представлен  в  виде  блок-схемы  на  рисунке  3. 

Суть  работы  алгоритма  заключается  в  том,  что  в  начальный  момент  задается  ток  Iзад  рабочей  точки  ВАХ,  в  данной  точке  оценивается  мощность,  выделяемая  в  нагрузке  R  и  производится  пробный  шаг  +DI  по  току,  затем  производится  повторное  вычисление  мощности.  Дальнейшая  работа  алгоритма  осуществляется  однотипно  и  направлена  на  изменение  тока  Iзад  в  сторону  увеличения  мощности.  Направление  увеличения  мощности  оценивается  по  знаку  производной  .  В  случае  положительного  значения  осуществляется  положительный  шаг  DI  и  наоборот.  Отыскание  ТММ  циклически  непрерывно  и  производится  с  точностью  шага  DI.

Описанный  алгоритм  реализован  в  модуле  Simulink  среды  математического  моделирования  MatLab.

Рисунок  3.  Блок  схема  алгоритма

 

В  качестве  преобразователя  был  выбран  импульсный  преобразователь  постоянного  напряжения  повышающего  типа  второго  рода  (ИППН-2).  Выбор  данного  преобразователя  вызван  следующими  причинами:

1.  потребление  тока  преобразователя  непрерывно,  что  позволяет  регулировать  значение  тока  в  рабочей  точке  на  ВАХ  изменением  тока  преобразователя;

2.  необходимость  повышения  выходного  напряжения,  обеспечивается  тем,  что  выбранный  преобразователь  является  преобразователем  повышающего  типа.

Схожими  параметрами  с  выбранным  преобразователем  обладают  преобразователи  ИППН-1  и  ИППН-3,  но  их  использование  подразумевает  прерывистое  потребление  тока,  что  приводит  к  провалам  мощности  и  снижению  ее  среднего  значения  и  невозможно  без  использования  специальных  мер. 

Рисунок  4.  Имитационная  модель  преобразователя  и  его  системы  управления  в  среде  MatLab

 

Условно  модель  можно  разделить  на  следующие  функциональные  блоки: 

·     Блок  преобразователя  1  —  имитирует  работу  импульсного  преобразователя  напряжения  ИППН-2  (рисунок  5).  Выходным  сигналом  Pout  этого  блока  является  среднее  значение  мощности,  произведенной  ФЭ.

·     Блок  расчета  и  определения  знака  производной    2  —  в  этом  блоке  производится  вычисление  производной  мощности  от  тока  и  определение  знака  производной.

·     Блок  корректировки  тока  преобразователя  3  —  исходя  из  знака  производной,  блок  3  корректирует  значение  тока  преобразования  в  сторону  увеличения  мощности.  Входными  величинами,  влияющими  на  моделирование,  являются  в  этом  блоке  шаг  тока  задания  DI  (delta  i)  и  погрешность  тока  задания  (delta  i2),  т.  е.  погрешность  с  которой  будет  протекать  реальный  ток  в  ФЭ.

Рисунок  5.  Имитационная  модель  импульсного  преобразователя

 

Средняя  мощность,  вырабатываемая  ФЭ,  вычисляется  блоком  “Product”,  как  произведение  напряжения  и  тока  ФЭ,  а  затем  усредняется  блоком  “Transfer  function”. 

В  имитационной  модели  ИППН-2  работа  фотоэлемента  моделируется  схемой  замещения  (рис.  6)  [1,  с.  20].  Источник  тока  J  задает  ток  КЗ  ФЭ,  пороговое  напряжение  диода  VD  определяет  напряжение  в  ТММ,  а  R  определяет  наклон  участка  ВАХ  ФЭ,  где  он  работает  в  режиме  близком  к  КЗ.

 

Рисунок  6.  Имитационная  модель  ФЭ

 

Имитационная  проверка  работоспособности  разработанного  алгоритма  была  осуществлена  с  использованием  параметров  солнечного  модуля  ЕТ-Р672280:

·     Ток  короткого  замыкания  Iкз  =  7,98  А;

·     Напряжение  холостого  хода  Uхх  =  43,78  В;

·     Максимальная  мощность  Pmax  =  280  Вт;

·     Ток  в  режиме  максимальной  мощности  Imax  =  7,63  А;

·     Напряжение  в  режиме  максимальной  мощности  Umax  =  36,7  В.

Сопротивление  нагрузки  задавалось  равным  R=2100  Ом.

Диаграммы  на  рисунках  ниже  характеризуют  работу  системы  ФЭ-преобразователь.  На  диаграмме  рис.  8а  видно,  что  поиск  ТММ  выполняется  последовательным  увеличением  тока  с  шагом  DI=0,4  А  за  общее  время  0,1  с.  Мощность,  вырабатываемая  ФЭ  (рис.  8б),  увеличивается  с  увеличением  тока  задания,  пока  не  достигнет  максимума,  затем  следует  существенный  провал  мощности,  возникающий,  когда  ток  задания  превышает  значение  тока  максимальной  мощности,  что  приводит  к  снижению  КПД  ФЭ.  Характер  этого  провала  объясняется  крутым  спадом  зависимости  P(I)  в  области  точки  максимальной  мощности  (см.  типовую  зависимость  мощности  от  тока  рис.  7).

 

Рисунок  7.  Зависимость  мощности  от  тока  при:  а)  различной  освещенности,  Ф3<Ф2<Ф1;  б)  различной  температуре  ,  T12<T3

 

На  диаграммах  видно,  что  после  провала  мощности  СУ  отреагировала  уменьшением  тока  задания,  при  этом  мощность  возросла. 

 

Рисунок  8.  Диаграммы:  а)  тока  задания;  б)  вырабатываемой  мощности  ФЭ

 

Моделирование  с  меньшим  шагом  DI  показано  на  рис.9 

Для  ускорения  процесса  моделирования  был  увеличен  начальный  ток  задания  (Iзад=7,5  А).  Из  диаграммы  на  рисунке  9  б  видно,  что  уменьшение  шага  вычисления  тока  задания  позволило  значительно  уменьшить  провалы  мощности  по  сравнению  с  рис.  8б. 

Рисунок  9.  Диаграммы:  а)  тока  задания;  б)  вырабатываемой  мощности  ФЭ

 

Выводы

В  результате  проделанной  работы  была  создана  имитационная  модель  фотоэлектрического  преобразователя  и  его  системы  управления.  Использование  преобразователя,  работающего  по  вышеописанному  алгоритму,  позволяет  учитывать  факторы,  влияющие  на  эффективность  работы  ФЭ,  и  способствует  более  эффективному  использованию  его  энергетических  возможностей.

Выявлена  особенность  организации  режима  максимальной  мощности  -  при  выборе  шага  вычисления  тока  задания  необходимо  учитывать  крутой  характер  наклона  кривой  для  того,  чтобы  избежать  провалов  мощности.

 

Список  литературы

1.Афанасьев  В.П.  Тонкопленочные  солнечные  элементы  на  основе  кремния  [Текст]  /  В.П.  Афанасьев,  Е.И.  Теруков,  А.А.  Шерченков.  —  2-е  изд.  —  СПб.:  Изд-во  СПбГЭТУ  «ЛЭТИ»,  2011.  168  с. 

2.Оршанский  И.С.  Проблемы  успехи  и  перспективы  развития  фотоэнергетики  [Текст]  //  Автономная  энергетика.  —  2011.  —  №  9.  —  С.  37—53.

3.Worldometers  //  Worldometers.info:  информ.-справочный  портал.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.worldometers.info/ru/  (Дата  обращения:  2.02.2013).

 

Проголосовать за статью
Конференция завершена
Эта статья набрала 0 голосов
Дипломы участников
Диплом лауреата
отправлен участнику

Комментарии (1)

# Вадим 06.04.2016 20:55
ОК

Оставить комментарий

Форма обратной связи о взаимодействии с сайтом