авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 |

Моделирование солнечных батарей на основе различных полупроводников

-- [ Страница 2 ] --

Представлена модель СБ и описаны различные случаи затенения батарей. Показана положительная роль шунтирующих диодов в СБ: они предохраняют работу батареи, когда один из элементов полностью затенен, но уменьшают выходное напряжение системы (рисунок 3). Анализ потерь мощности и деградации ВАХ СБ при затенениях является достаточно сложной задачей. Моделирование влияния теней произвольной формы на характеристики СБ дает возможность оценить потери мощности при различных вариантах затенения.

а)  б)  Моделирование затенения СБ: -5 б)

Рисунок 3 – Моделирование затенения СБ:

а – СБ из 18 СЭ с затененными фотоэлементами и шунтирующими диодами

б - сравнение ВАХ частично затененной и не затененной батареи

Удобство использования языка PSpice состоит в простоте описания случаев затенения СБ и шунтирующих диодов в конструкции батареи. Недостатки такого имитационного языка – громоздкость, необходимость корректировки исходных файлов для задания различных условий окружающей среды, необходимость сначала библиотечного, а затем схемного описания компонентов. Такой способ моделирования не позволяет легко переходить от единичного СЭ к СБ произвольной конфигурации. Для построения обобщенной модели СБ необходимо использовать другую имитационную среду.

В главе 4 описана модель СЭ и универсальная модель солнечных батарей в среде Matlab Simulink с использованием принципов визуального программирования. Солнечные батареи представляют собой последовательно-параллельную комбинацию СЭ. В основу имитирования солнечных батарей положена модель фотоэлемента, математическое описание которой приведено в диссертации. Даны зависимости фототока СЭ и обратного тока насыщения от температуры и освещенности, для вычисления которых используется информация производителей. В приведенные формулы включены энергия запрещенной зоны полупроводника и диодный коэффициент n, позволяющие проводить моделирование СЭ из различных полупроводников. Дано соотношение, позволяющее найти последовательное сопротивление фотоэлемента.

В первом приближении зависимость плотности тока короткого замыкания от спектральной характеристики СЭ определяется с учетом спектрального распределения энергии солнечного излучения по длинам волн и спектральной характеристики фотоэлемента из данного полупроводникового материала. Чем больше точек спектральной характеристики исследуемого СЭ известно, тем выше точность моделирования выходных характеристик фотоэлементов.

Воздействие ионизирующего излучения космического пространства приводит к значительной деградации характеристик СЭ. Обычно известны коэффициенты деградации основных параметров СЭ под действием соответствующих флюенсов радиации. Эти данные вводятся в модель СЭ и позволят построить ВАХ и ВВХ фотоэлемента в заданных условиях.

Полагаем, что солнечная батарея состоит из Ns последовательно объединенных, Np параллельно объединенных фотоэлементов. Ток короткого замыкания батареи , напряжение холостого хода СБ , последовательное сопротивление .

Вольтамперная характеристик СБ описана формулой (1)

, (1)

где Is – обратный ток насыщения;

k – постоянная Больцмана;

Т –рабочая температура;

q – заряд электрона.

Для аналитического описания СБ справедливы зависимости фототока и обратного тока насыщения СЭ от температуры и освещенности.

Одним из важнейших параметров солнечных батарей является их выходная емкость, позволяющая воспроизводить поведение СБ в динамических условиях. Имеющиеся модели выходной емкости сложны для математического представления, их параметры не определены.

Известно, что выходная емкость СБ представляет собой сумму барьерной и диффузионной емкостей батареи. Барьерная и диффузионная емкости – функции тока, текущего через каждый СЭ. Значение этих емкостей постоянно меняется. Для стандартной конфигурации СБ диффузионная емкость может быть рассчитана согласно приближенной формуле (2).

, (2)

Величину барьерной емкости полагаем равной мкФ.

Статические потери из-за разброса технологических параметров для кремниевых СБ составляют менее 1 %. Для тонкопленочных элементов такие показатели несколько выше (около 2 %). Вследствие старения потери могут увеличиться до 12 %.

При последовательном объединении СЭ общий ток элементов определяется величиной тока СЭ с худшими параметрами, при этом напряжение модуля представляет сумму напряжений отдельных элементов с присущим им разбросом параметров. При параллельном объединении нескольких модулей присутствует разброс параметров модулей по току. Для описания представленных эффектов предложен исполняемый.m-файл, в котором выполнен расчет СБ произвольной конфигурации при помощи команды формирования массива случайных величин в заданном интервале. Полученные результаты используются для воспроизведения ВАХ СБ. К области технологического разброса параметров относятся также различные значения последовательного сопротивления отдельных фотоэлементов.

Данные по надежности и деградации характеристик СБ с течением времени в информации производителей не приводятся. Ухудшение характеристик СБ с течением времени не имеет стихийного характера. Процесс старения проходит в две стадии: в течение первого года эксплуатации СБ подвергаются быстрой деградации характеристик (1-3 %), а далее следует медленное линейное старение (0,5-1 % в год). Для учета старения СЭ определяется время эксплуатации, конфигурация батареи и соответствующий коэффициент деградации.

Для оценки потерь, связанных с неравномерностью работы солнечных элементов, или для расчета выходных параметров частично освещенных солнечных батарей вводится коэффициент k2. Он учитывает изменение плотности потока излучения, зависит от расстояния до Солнца, потерь в стеклянном покрытии и угла падения излучения. Для большинства кремниевых СЭ, использующихся в плоских космических и наземных батареях, его значение составляет от 0  k2  2 до 0,5  k2  1,5.

При частичном затенении одиночного элемента или их группы снижение выходной мощности происходит вследствие уменьшения поступающей в элемент световой энергии и увеличения внутренних потерь энергии в неосвещенной части элемента. Общую активную площадь элемента обозначим At, её освещенную часть Ai, выходной ток короткого замыкания частично затененного элемента будет равен rIsc, где r=Ai/At. В общем виде ВАХ СБ, состоящий из rNp освещенных элементов и (1-r)Np затененных СЭ, описывается формулой (3):

. (3)

Ток освещенной части СБ определяется формулой (4):

, . (4)

Темновая составляющая тока, которая не зависит от коэффициента освещенности k2, описывается формулой (5):

, . (5)

Модели СЭ и СБ оформлены в виде библиотеки компонентов. Каждый из компонентов можно использовать для имитирования сложных фотоэлектрических систем.

В главе 5 проведено сравнение качественных и количественных результатов моделирования с теоретическими и практическими результатами изысканий отечественных и зарубежных исследователей.

Для верификации модели фотоэлемента используются кремниевый СЭ К4702 и СЭ GaInP2/GaAs/Ge фирмы Spectrolab. Расчетные значения параметров СЭ соответствуют эталонным значениям с погрешностью менее 2%.

Последовательное сопротивление Rs зависит от технологии изготовления СЭ и сильно влияет на его характеристики (рисунок 4): при уменьшении Rs уменьшается коэффициент заполнения FF и максимальная мощность Pmax.

 ВАХ и ВВХ СЭ при различных-17

Рисунок 4 –ВАХ и ВВХ СЭ при различных значениях Rs

При увеличении коэффициента n (рисунок 5), описывающего свойства полупроводникового материала, FF и Pmax уменьшаются. 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. Используя различные значения коэффициента n, проводится моделирование СЭ из различных полупроводников.

Результаты моделирования влияния освещенности и температурных эффектов совпадают с теоретическими. Ионизирующее излучение (рисунок 6) уменьшает значения тока короткого замыкания, напряжения холостого хода и максимальной мощности СЭ GaInP2/GaAs/Ge.

  ВАХ и ВВХ СЭ при различных-18

Рисунок 5 – ВАХ и ВВХ СЭ при различных значениях n

 Выходные характеристики-19

Рисунок 6 –Выходные характеристики GaInP2/GaAs/Ge СЭ без облучения и под действием радиационного облучения 11014, 31014, 11016 МэВ электрон/см2

Для верификации модели СБ рассмотрим несколько коммерческих модулей из различных материалов. ВАХ и ВВХ модуля ST40 фирмы Shell Solar, изготовленного на базе CIS-элементов, представлены на рисунке 7. Для вычисления координат точки максимальной мощности и сравнения заданных и полученных в ходе имитирования характеристик предложен.m-файл. Влияние освещенности на выходные характеристики модуля Suntech170W на основе монокристаллических кремниевых СЭ показано на рисунке 8. Результаты моделирования ВАХ и ВВХ модуля HIT215N, изготовленного из монокристаллического кремния с тонкой пленкой аморфного кремния, под действием различных температур представлено на рисунке 9.

  ВАХ и ВВХ модуля ST40 -20

Рисунок 7 – ВАХ и ВВХ модуля ST40

  ВАХ и ВВХ модуля Suntech170W под-21

Рисунок 8 – ВАХ и ВВХ модуля Suntech170W под действием различных уровней освещенности

  Моделирование влияния-22

Рисунок 9 – Моделирование влияния различных температур

на выходные характеристики модуля HIT215N

Анализ выходных характеристик в стандартных условиях, а также при различных уровнях освещенности и температурах, показал соответствие данных моделирования теоретическим и имеющимся экспериментальным значениям. Погрешность результатов моделирования не превысила 6%. Погрешность расчета последовательного сопротивления была оценена с использованием известных данных для модуля SM 50 фирмы Siemens и составила 6 %.

Моделирование выходной емкости показано на примере модуля MSX50 из поликристаллического кремния (рисунке 10). Порядок величины выходной емкости и форма зависимости С(V) соответствуют ожидаемым данным.

Рисунок 10 – Зависимость C(V) модуля MSX50

Для имитирования влияния разброса технологических параметров была исследована солнечная батарея конфигурации Ns=128, Np=6 СЭ К4702 (рисунок 11). Изменение ВАХ и ВВХ наблюдается вследствие того, что СЭ, объединенные в батареи последовательно-параллельным способом, не работают в собственных точках максимальной мощности. Напряжение при последовательном объединении СЭ представляет сумму напряжений фотоэлементов с разбросом параметров 5%. Аналогичные рассуждения справедливы для токов объединенных параллельно СЭ.

  Моделирование СБ с идеальными-24

Рисунок 11 Моделирование СБ с идеальными параметрами

и при технологическом разбросе параметров 5%

Деградацию выходных характеристик СБ, состоящей из двух модулей MSX50 через год, 7 лет и 10 лет относительно идеальных ВАХ и ВВХ показаны на рисунке 12. В течение первого года происходит достаточно сильная деградация характеристик, которая с течением времени стабилизируется.

  Деградация ВАХ и ВВХ СБ через-25

Рисунок 12 – Деградация ВАХ и ВВХ СБ через год, 7 и 10 лет относительно идеальных выходных характеристик

Уменьшение плотности потока излучения вследствие различных причин (туман, пыль) ведет к значительному уменьшению тока короткого замыкания и мощности, отдаваемой батареей (рисунок 13).

 Рисунок 13– Моделирование влияния потерь-26

Рисунок 13– Моделирование влияния потерь мощности излучения

на ВАХ и ВВХ при k2=0,7 и k2=0,95

При помощи соответствующего значения коэффициента k2 можно учесть факторы, влияющие на количество излучения, достигающего активной поверхности СЭ. Моделирование различных уровней затенения СБ дает наименьшую погрешность для случая затенения равных частей активной площади элементов.

Математическая модель описывает реальный объект лишь с некоторой степенью приближения. В ходе моделирования было произведено тестирование и верификация результатов имитирования СБ. Изменения выходных характеристик и расчетных параметров солнечных элементов и батарей согласуются с известными теоретическими и практическими результатами. Ожидаемая точность математической модели СБ оценочно составляет 10 % с учетом погрешности входных данных и погрешности математических вычислений. Для точного определения погрешности модели требуется проведение дополнительных экспериментов и работа с базой данных измеренных ВАХ и ВВХ.

Созданная модель адекватна, поскольку соответствует исследуемому объекту относительно выбранной системы его свойств. Модель обладает свойствами продуктивности, наглядности и соответствует поставленным целям исследования.

Показано практическое применение модели СБ при проектировании наземных и космических ФЭС. Сфера использования фотоэлектрических преобразователей быстро расширяется. Установочная мощность систем колеблется в диапазоне от нескольких ватт до нескольких мегаватт в зависимости от назначения. Модель СБ позволяет оценить энергетические возможности ФЭС при различных условиях окружающей среды с учетом конструктивных и технологических особенностей батареи. Модель СБ применима при решении задач наземной отработки систем электропитания космических аппаратов. Представленная модель используется для построения интеллектуального имитатора СБ с компьютерным управлением. Интеллектуальный имитатор способен не только воспроизводить ВАХ батарей, но и оценивать изменение их характеристик при различных воздействиях, приближая тем самым испытания к реальным условиям эксплуатации энергосистемы космических аппаратов.

В заключении сформулированы основные результаты проведенных исследований.

В приложениях дано описание моделей СЭ и СБ на языке PSpice и в среде Matlab Simulink, а также приведены характеристики солнечных элементов и солнечных модулей, использованных для верификации модели.

Основные РЕЗУЛЬТАТЫ и выводы

  1. Развита универсальная модель солнечных батарей, в которой в качестве входных параметров используется известные данные производителей. Впервые в модели предусмотрена возможность имитирования солнечных батарей из различных полупроводниковых материалов с учетом следующих комплексных воздействий: различных уровней освещенности и температур, потерь падающего солнечного излучения и затенения СБ, радиационного облучения, конструктивных особенной солнечных батарей, разброса технологических параметров и деградации характеристик СБ с течением времени, выходной емкости солнечных батарей.
  2. Выполнен анализ конструктивных и технологических особенностей различных полупроводниковых солнечных батарей. Результаты анализа включены в математическое описание характеристик СБ.
  3. Разработана библиотека моделей солнечных элементов и батарей, позволяющая осуществлять исследования фотоэлектрических генераторов различного назначения. При переходе от языка имитационного моделирования PSpice к среде имитирования Matlab Simulink развит параметрический сервис моделей, обеспечена гибкая реализация с возможностью проверки данных моделирования и обеспечен простой способ внесения изменений.
  4. Проведено сравнение ВАХ и ВВХ ряда солнечных батарей с использованием модели СБ. Моделирование солнечных батарей различных конфигураций позволяет определить оптимальное количество солнечных элементов в батарее для конкретной задачи с учетом изменения характеристик батареи под действием факторов окружающей среды с течением времени.
  5. Впервые предложено использование универсальной модели солнечных батарей в качестве основы построения интеллектуального имитатора СБ, позволяющего проводить наземную отработку систем электроснабжения космических аппаратов. Применение предложенной модели обеспечивает воспроизведение выходных характеристик СБ в течение всего срока активного существования космических аппаратов.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Публикации в центральных изданиях, включенных в перечень периодических изданий ВАК РФ

  1. Фролкова, Н.О. Микропроцессорная система управления формированием выходных характеристик солнечной батареи / И.В.Абраменкова, О.А.Фролков, Н.О.Фролкова, А.О.Ширяев // Приборы и системы. Управление, контроль диагностика.-2008.- №1.- С. 8-10

2. Публикации в других изданиях



Pages:     | 1 || 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.