A SYSTEM FOR MEASUREMENTS OF THE PV MODULE PARAMETERS IN REAL OPERATIONAL CONDITIONS
The measuring and calculation system for determining of electrical characteristics of photovoltaic (PV) modules in real conditions by the method of alternating active loading is developed. The theoretical method of processing experimental data, developed in this work, allows one to determine on the...
Gespeichert in:
| Datum: | 2019 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2019
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/199 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Vidnovluvana energetika |
| Завантажити файл: |  |
Institution
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1871103244905742336 |
|---|---|
| author | Gaevskii, O. Ivanchuk, V. Korniienko, I. |
| author_facet | Gaevskii, O. Ivanchuk, V. Korniienko, I. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "O. Gaevskii",
"institution": "NTUU \"Igor Sykorsky Kyiv Polytechnic Institute\", Peremogy pr. 37, Kyiv 03056, Ukraine, tel\/fax: +380 44 204 8191, Renewable Energy Institute, NAS of Ukraine, Gnat Khotkevich str. 20-а, Kyiv 02094, Ukraine, tel\/fax: : +380 44 206 2809"
},
{
"author": "V. Ivanchuk",
"institution": "NTUU \"Igor Sykorsky Kyiv Polytechnic Institute\", Peremogy pr. 37, Kyiv 03056, Ukraine, tel\/fax: +380 44 204 8191"
},
{
"author": "I. Korniienko",
"institution": "NTUU \"Igor Sykorsky Kyiv Polytechnic Institute\", Peremogy pr. 37, Kyiv 03056, Ukraine, tel\/fax: +380 44 204 8191"
}
] |
| author_sort | Gaevskii, O. |
| baseUrl_str | https://ve.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T06:32:12Z |
| description | The measuring and calculation system for determining of electrical characteristics of photovoltaic (PV) modules in real conditions by the method of alternating active loading is developed. The theoretical method of processing experimental data, developed in this work, allows one to determine on the base of experimental data for current-voltage characteristics the parameters of the electric equivalent scheme of PV module: photocurrent, reverse saturation current of pn junction, coefficient of non-ideality of pn junction, series and parallel resistances of electric losses. Using of this system is actual for testing the current state of PV modules in field conditions, for correct determination of electrical parameters of modules. It should be noted that these parameters are not provided in full by the manufacturers, but they are essential for the diagnostics of modules on PV plants. Knowledge of the module parameters is also necessary for correct solution of optimization problems under design of PV system and for prediction of energy output in different external conditions. The measurement of current-voltage characteristics of PV modules is realized on the basis of the microcontroller board Arduino Mega 2560, which provides switching of load resistors with electronic relays, collection and transfer of experimental data to PC by the serial port. The elements of the equivalent scheme of PV modules are calculated by the original method for solving of nonlinear equations system by a stable iterative algorithm, which is based on the decomposition of nonlinear equations on the small parameters. A number of measurements at various solar radiation and temperature was performed and dependencies of the main PV module parameters on external factors were determined. Ref. 14, fig. 6. |
| doi_str_mv | 10.36296/1819-8058.2019.2(57).32-39 |
| first_indexed | 2025-07-17T11:37:38Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1819-8058 (Print)
СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
© О.Ю. Гаєвський, В.Ю. Іванчук, І.О. Корнієнко, 2019
Відновлювана енергетика. 2019. № 2 32
УДК 620.92:621.311.243 DOI: https://doi.org/10.36296/1819-8058.2019.2(57).32-39
СИСТЕМА ВИМІРЮВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ФОТОЕЛЕКТРИЧНИХ МОДУЛІВ В
РЕАЛЬНИХ УМОВАХ ЕКСПЛУАТАЦІЇ
О.Ю. Гаєвський1,2, доктор фіз.-мат. наук, В.Ю. Іванчук1,2, І.О. Корнієнко1
1НТУУ «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського»
пр-т Перемоги, 37, м. Київ 03056, Україна, тел/факс: +380 44 204 8191,
2Інститут відновлюваної енергетики НАН України
вул. Гната Хоткевича 20-а, м. Київ 02094, Україна, тел/факс: +380 44 206 2809
В роботі представлено реалізацію вимірювально-обчислювальної системи для визначення в реальних умовах електричних
характеристик фотоелектричних модулів методом змінного активного навантаження. Теоретичний метод обробки екс-
периментальних даних, розвинутий в роботі, дозволяє на основі отриманих експериментальних вольт-амперних характе-
ристик фотомодулів визначати параметри електричної схеми заміщення фотомодулів: фотострум, зворотний струм
насичення p-n-переходу, коефіцієнт неідеальності p-n-переходу, послідовний та паралельний опори електричних втрат.
Використання даної системи актуально для тестування та діагностики поточного стану фотомодулів в польових умовах,
визначення фактичних електричних параметрів фотомодулів. Слід визначити, що ці параметри не надаються в повному
обсязі виробниками, але вони суттєві для задач діагностики фотомодулів в складі фотоелектричних станцій. Знання па-
раметрів фотомодулів необхідно також для коректного вирішення задач оптимізації при проектуванні фотоелектричних
станцій, прогнозування роботи фотомодулів в різних зовнішніх умовах. Вимірювальна схема вольт-амперних характерис-
тик фотомодулів реалізована на базі мікроконтролерної плати Arduino Mega 2560, яка здійснює комутацію резисторів
навантаження електронними реле, збір та передачу експериментальних даних на ПК через послідовний порт. Елементи
схеми заміщення фотоелектричних модулів розраховуються за допомогою оригінального методу рішення системи неліній-
них рівнянь за стійким ітераційним алгоритмом, який заснований на розкладанні нелінійних рівнянь за малими параметра-
ми. Виконано ряд вимірювань в різних умовах сонячної радіації і температури, визначено залежності основних параметрів
від зовнішніх факторів. Бібл. 14, рис. 6.
Ключові слова: фотоелектричний модуль, вольт-амперна характеристика, часткове затінення, схема заміщення фотомо-
дуля, визначення параметрів фотомодуля.
A SYSTEM FOR MEASUREMENTS OF THE PV MODULE PARAMETERS IN REAL
OPERATIONAL CONDITIONS
A. Gaevskii1,2, doctor of physical and mathematical sciences, V. Ivanchuk1,2 , I. Kornienko1
1NTUU "Igor Sykorsky Kyiv Polytechnic Institute",
Peremogy pr. 37, Kyiv 03056, Ukraine, tel/fax: +380 44 204 8191,
2Renewable Energy Institute, NAS of Ukraine,
Gnat Khotkevich str. 20-а, Kyiv 02094, Ukraine, tel/fax: : +380 44 206 2809
The measuring and calculation system for determining of electrical characteristics of photovoltaic (PV) modules in real conditions
by the method of alternating active loading is developed. The theoretical method of processing experimental data, developed in this
work, allows one to determine on the base of experimental data for current-voltage characteristics the parameters of the electric
equivalent scheme of PV module: photocurrent, reverse saturation current of pn junction, coefficient of non-ideality of pn junction,
series and parallel resistances of electric losses. Using of this system is actual for testing the current state of PV modules in field
conditions, for correct determination of electrical parameters of modules. It should be noted that these parameters are not provided
in full by the manufacturers, but they are essential for the diagnostics of modules on PV plants. Knowledge of the module parameters
is also necessary for correct solution of optimization problems under design of PV system and for prediction of energy output in dif-
ferent external conditions. The measurement of current-voltage characteristics of PV modules is realized on the basis of the micro-
controller board Arduino Mega 2560, which provides switching of load resistors with electronic relays, collection and transfer of
experimental data to PC by the serial port. The elements of the equivalent scheme of PV modules are calculated by the original
method for solving of nonlinear equations system by a stable iterative algorithm, which is based on the decomposition of nonlinear
equations on the small parameters. A number of measurements at various solar radiation and temperature was performed and de-
pendencies of the main PV module parameters on external factors were determined. Ref. 14, fig. 6.
Keywords: PV module, current-voltage characteristic, partial shading, equivalent scheme of PV module, determination of PV module
parameters.
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2019.2(57).32-39
ISSN 1819-8058 (Print)
СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 2 33
О.Ю. Гаєвський
O. Gaevskii
Відомості про автора: доктор фіз.-мат.
наук, професор кафедри ВДЕ.
Освіта: НТУУ «Київський політехнічний
інститут ім.Ігоря Сікорського»
Наукова сфера: відновлювана енергетика,
фотоелектричні системи, комп’ютерне мо-
делювання.
Публікації: 125
ORCID: 0000-0001-6144-2441
Контакти: +38 (097) 570-46-43
e-mail: a.gaevskii@kpi.ua
Autor information: Doctor of Phys. Math.
Sci., Professor of the RES Department.
Education: NTUU «Igor Sikorsky Kyiv Poly-
technic Institute».
Research area: renewable energy, PV sys-
tems, computer simulation.
Publications: 125
ORCID: 0000-0001-6144-2441
Contacts: +38 (097) 570-46-43
e-mail: a.gaevskii@kpi.ua
В.Ю. Іванчук
V. Ivanchuk
Відомості про автора: студент НТУУ
«Київський політехнічний інститут ім.Ігоря
Сікорського»
Наукова сфера: відновлювана енергетика.
Публікації: 10.
ORCID: 0000-0002-0585-9610
Контакти: +38 (096) 533-03-86
e-mail: vlad.ivanchuk.13@gmail.com
Autor information: student of NTUU «Igor
Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute».
Research area: renewable energy.
Publications: 10.
ORCID: 0000-0002-0585-9610
Contacts: +38 (096) 533-03-86
e-mail: vlad.ivanchuk.13@gmail.com
І.О. Корнієнко
I. Korniienko
Відомості про автора: студент НТУУ
«Київський політехнічний інститут ім.Ігоря
Сікорського»
Наукова сфера: відновлювана енергетика.
Публікації: 4.
ORCID: 0000-0001-7856-5544
Контакти: +38 (050) 357-30-37
e-mail: ivan.korniienko@outlook.com
Autor information: student of NTUU «Igor
Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute».
Research area: renewable energy.
Publications: 4.
ORCID: 0000-0001-7856-5544
Contacts: +38 (050) 357-30-37
e-mail: ivan.korniienko@outlook.com
Перелік використаних позначень та скорочень:
ФМ – фотоелектричний модуль;
ККД – коефіцієнт корисної дії;
ХХ – холостий хід;
КЗ – коротке замикання;
MPP – Maximum Power Point;
STC – Standard Test Conditions;
ВАХ – вольт-амперна характеристика;
АЦП – аналогова-цифровий перетворювач;
SC – short circuit;
OP – open circuit;
ФЕК – фотоелектрична комірка;
ФЕС – фотоелектростанція;
СКВ – середньо-квадратичне відхилення.
Вступ і постановка задачі. Однією з основ-
них тенденцій у використані відновлюваних дже-
рел енергії є підключення до енергосистеми по
технології SmartGrid. Але системи розподіленого
генерування на основі фотоелектричних устано-
вок страждають від змін випромінювання і па-
діння характеристик фотоелектричних модулів
(ФМ) через різні ефекти, що може призвести до
неоптимального виробництва енергії і проблем
для системи SmartGrid.
ISSN 1819-8058 (Print)
СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 2 34
Ефективність ФМ залежить не тільки від со-
нячної радіації, затінення об’єктами, але і від
процесу старіння при експлуатації в реальних
умовах. Результатом старіння фотоелектричних
модулів під дією температурних коливань, висо-
кої вологості, інтенсивного опромінення стає по-
гіршення їх електричних характеристик і, в пер-
шу чергу, зниження ККД [1]. Таким чином, сис-
тема вимірювання параметрів ФМ на місці може
надати цінну інформацію для оптимізації виробі-
тку і резервування енергії в енергосистемі. Така
вимірювальна система повинна включати в себе
як апаратні засоби для вимірювання в реальному
часу в польових умовах, так і алгоритми для ін-
терпретації результатів вимірювань і отримання
параметрів фотоелектричного модуля.
Також варто відзначити, що виробники ФМ
зазвичай приводять обмежений набір характерис-
тик – це, як правило: напруга холостого ходу (ХХ)
Voc, струм короткого замикання (КЗ) Isc і напруга
та струм в точці максимальної потужності
(Maximum Power Point, MPP) Vm, Im [2]. Ці та інші
параметри ФМ зазвичай оцінюються виробниками
в стандартних умовах випробувань (Standard Test
Conditions, STC) [3]. Але для опису поточного
стану ФМ, особливо, після їх довгострокової екс-
плуатації, необхідне знання більш повного набору
параметрів. При чому необхідна оцінка відповід-
ності параметрів, які визначені на основі вимірю-
вань у польових умовах, параметрам STC.
Існують різноманітні методи і апаратне за-
безпечення, призначені для отримання парамет-
рів ФМ [4]. Вони полягають, як правило, у вимі-
рюванні ВАХ за допомогою керування струмом,
який проходить через ФМ. Найбільш простим і
дешевим методом вимірювання ВАХ модуля є
метод змінного опору навантаження [5]. Величи-
на опору змінюється покроково від 0 до великої
величини, щоб охопити всі точки ВАХ від режи-
му КЗ до режиму ХХ. Другий відомий метод –
метод ємнісного навантаження – базується на
заряджанні конденсатора, струм через який падає
зі зростанням заряду конденсатора [6]. Можливо
також використовувати в якості навантаження
польові транзистори (MOSFET), в яких опір між
стоком і витоком змінюється шляхом регулюван-
ня напруги на затворі. В даній роботі для вимі-
рювання ВАХ фотомодулей був використаний
метод змінного опору навантаження, як такий,
що забезпечує надійність зняття показань струму
та напруги навантаження, простоту реалізації
методу в польових умовах, а також високу швид-
кість вимірювань, тобто малий час між відліками,
який набагато менше характерного часу зміни
зовнішніх умов – радіації та температури.
Експериментальні результати вимірювання
ВАХ потребують подальшої програмної обробки,
яка складається зазвичай з апроксимації отриманих
даних та моделювання ВАХ за допомогою того чи
іншого типу функцій, наприклад, експоненціальної,
як в формулі Шоклі [7], функції Ламберта [8, 9],
сплайнів [10] та інших. Фізичні моделі, які врахо-
вують поведінку освітленого p-n-переходу фотомо-
дуля, основані на представлені ФМ за допомогою
однодіодної або двохдіодної схем заміщення з опи-
санням ВАХ діодів формулою Шоклі. Демонстра-
ція можливостей розвинутого в даної статі методу
визначення параметрів ФМ виконана на основі од-
нодіодної схеми заміщення.
Для знаходження параметрів ФМ необхідно
вирішувати систему нелінійних рівнянь, як в за-
дачі безпосереднього знаходження параметрів,
так і в задачі підгонки параметрів під експериме-
нтальні дані шляхом нелінійної оптимізації. При
вирішенні таких систем необхідно задання поча-
ткових значень параметрів, від яких в вирішаль-
ній мірі залежить результат ітераційного проце-
су. Незначні зміни стартових значень параметрів
можуть призводить до великих розбіжностей в
результатах розрахунку параметрів. Тому важли-
во побудувати метод і стійкий алгоритм отри-
мання параметрів ФМ, які можна використовува-
ти, коли не відомі параметри схем заміщення.
Такий метод, який не потребує стартових значень
параметрів, що розраховуються, був розвинений
в роботі [11].
Розроблена в даної роботі система вимірю-
вання ВАХ була застосована для визначення па-
раметрів фотомодулів з монокристалічного та
полікристалічного кремнію, які працюють в умо-
вах повного освітлення та часткового затінення.
Показано, що дана система може бути успішно
застосована для вимірювання впливу затінення
на фізичні параметри фотомодулів.
Експериментальна установка та алгоритм
обробки даних. Як визначалось вище, для вимі-
рювання ВАХ фотомодулей був використаний
метод змінного опору навантаження. Опори, які
розраховані на навантаження для ФМ максима-
льної потужності 250 Вт, складають магазин пос-
лідовно з’єднаних резисторів і реалізують ступі-
нчасту зміну навантаження від 0 до 640 Ом. Ко-
мутації резисторів здійснюються за допомогою
системи з 16-ти реле марки Songle SRD-05VDC-
SL-C, що керуються платою Arduino Mega 2560
на базі мікроконтролера Atmel 328. Дані посту-
пають на плату через 4-х канальний 16-
розрядний АЦП ADS1115, який дає можливість
суттєво підвищити точність вимірювань порівня-
но з використанням АЦП, вбудованого в плату
Arduino. Електрична схема вимірювального при-
строю показана на Рис.1.
ISSN 1819-8058 (Print)
СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 2 35
Рис. 1. Електрична схема вимірювального пристрою.
Fig. 1. Electric scheme of the measuring device.
Оскільки вхідна напруга АЦП не повинна
перевищувати 6 вольт, в контур вимірювання
напруги V навантаження додано дільник на-
пруги у співвідношенні 1,22 до 9 кОм. Струм I
у навантаженні вимірюється через падіння напруги
на низькоомному струмовому шунті (~0,25 Ом).
Низький опір шунта дозволяє максимально набли-
зитись до точки короткого замикання.
Рис. 2. Блок схема алгоритму роботи програми.
Fig. 2. Block diagram of the algorithm.
ISSN 1819-8058 (Print)
СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 2 36
Збір та обробка експериментальних даних
здійснюється за алгоритмом, основні етапи якого
відображені на рис.2. Операції від початку до
передачі даних на ПК виконуються сценарієм,
який вже записаний у постійну пам'ять мікрокон-
тролера. Передані через USB-інтерфейс дані під-
даються попередньої обробці у середовищі
MATLAB за допомогою спеціалізованої програ-
ми, в ході якої виконується сортування пар зна-
чень (V, I) й апроксимація ВАХ на певних відріз-
ках поліномами від 1-го до 4-го ступеня. Від ви-
бору точок зшивання відрізків апроксимант кри-
тичним чином залежить якість апроксимації. То-
му координати точок зшивання також знахо-
дяться в ході процедури апроксимації, яка буду-
ється на алгоритмі нелінійної оптимізації. В ре-
зультаті отримується гладка неперервно-
диференційована функція I(V) – саме вона вико-
ристовується на наступному етапі – визначення
параметрів ФМ.
За отриманими результатами апроксимації ви-
значаються струм короткого замикання (short
circuit, SC) , напруга холостого ходу (open circuit,
OP), точка максимуму потужності (Maximum Power
Point, MPP), яка характеризується парою величин
Vm, Im. Обчислюються також тангенси кутів нахилу
апроксимант в області КЗ і ХХ та пов’язані з ними
динамічні провідності Gsc і Goc відповідно:
0
1
,
1
.
oc
sc
V V Vsc
oc
oc
dI dI
G
dV R dV
G
R
(1)
Розраховані величини дорівнюють:
4.39 , 20.09 ,
15.58 , 4.07 ,
135.15 , 0.64 .
sc oc
m m
sc oc
I A V В
V В I A
R Ом R Ом
Цих величин досить для однозначного ви-
значення параметрів ФМ однодіодної схеми за-
міщення за розробленим алгоритмом.
Визначення параметрів ФМ. Вважаємо, що
ФМ складається з np паралельних серій фотоеле-
ктричних комірок (ФЕК), причому в кожній серії
є ns послідовно включених осередків, кожна з
ФЕК представляється однодіодною схемою за-
міщення (Рис.3). Джерело струму моделює фото-
струм iph, послідовний опір rs, відповідає омічним
втратам на контактах і в об'ємному шарі напівп-
ровідників, паралельний (шунтуючий) опір rp ві-
дповідає поверхневим струмам витоків [12]. Діод
описує струм через pn-перехід, що знаходиться
під прямим зміщенням при освітленні ФМ.
Рис. 3. Однодіодна схема заміщення фотоелектричної
комірки.
Fig. 3. Single-diode equivalent scheme of PV cell.
Результуюча ВАХ фотомодуля описується
рівнянням:
0
, 1
1 0,
s
ph
p p
s
s
R V
F I V I I
R R
V IR
I exp
An
, (2)
де /q kT , q – заряд електрона, k – постійна
Больцмана, T – температура, sV n і pI in –
напруга та струм в навантаженні; ph ph pI i n –
фотострум, 0 0 pI i n – зворотний струм насичен-
ня діода, /s s s pR r n n і /p p s pR r n n – послідов-
ний та паралельний еквівалентні опори втрат, A –
коефіцієнт неідеальності діода, значення якого
лежать в інтервалі від 1 до 2 [12].
За допомогою коефіцієнта неідеальності діо-
да ефективно описуються дифузна і рекомбіна-
ційна компоненти струму: чим менше внесок ре-
комбінації в струм, тим ближче коефіцієнт А до
1. В моделі ФМ фотоелектричні комірки є іден-
тичними і знаходяться при однакових температу-
рі і освітленості, що є важко здійснимо для реа-
льних ФМ ФЕС, тому пропонується методика
побудови модельної функції для ВАХ ФМ, що
працюють в польових умовах.
Опис методу визначення загальних пара-
метрів ФМ. Завдання визначення характеристик
ФМ полягає в обчисленні набору параметрів
0Θ , , , ,ph s pI R R I A , які описують основні елек-
тричні властивості і поточний стан ФМ. В даній
статті запропонована процедура екстракції пара-
метрів з одного набору експериментальних да-
них (I,V), яка заснована на однодіодній моделі
ФЕК, що працює в статичному режимі, близько-
му до STC, при активному навантаженні і пря-
мому зміщенні pn-переходу.
Для знаходження набору з п'яти парамет-
рів в даній роботі використана система рівнянь, в
яку входять рівняння типу (2), записані для точок
ISSN 1819-8058 (Print)
СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 2 37
КЗ ( 0, scV I I ), ХХ ( , 0ocV V I ), і макси-
мальної потужності ( , m mV V I I ):
0
1 0,
exp ,
s s
ph sc sc
p
sc s
sc
s s
R An
I I Q
R
I I R
Q
An An
(3а)
0
0,
exp ,
oc s
ph oc
p
oc
oc
s s
V An
I Q
R
I V
Q
An An
(3б)
0
1 0,
( )
exp .
s m s
ph m m
p p
m m s
m
s
R V An
I I Q
R R
V I R
Q I
An
(3в)
Ці рівняння доповнені також рівняннями для
нахилів кривої ВАХ поблизу КЗ, ХХ:
0,
p s sc
p sc
sc s
R R R
R Q
R R
(4a)
0.
p s oc
p oc
oc s
R R R
R Q
R R
(4б)
З нахилом кривої ВАХ поблизу точок ХХ і КЗ,
що визначаються величинами
ocR та
scR , пов'язані,
в першу чергу, оцінки опорів втрат
sR та pR [9, 12].
В даній роботі рівняння типу (2)–(4)
розв’язуємо за методом [11], що базується на ро-
зкладанні рівнянь по малим параметрам, які є
функціями шуканих змінних 0, , , ,ph s pI R R I A . У
цьому методі використовуються знайдені за екс-
периментальними ВАХ значення , , , ,oc sc m mV I V I
,oc scR R і не потрібно завдання стартових значень
для шуканих величин.
Результати вимірювань і розрахунків.
Отримані раніше параметри однодіодної схеми
заміщення використовувалися для побудови тео-
ретичної ВАХ шляхом вирішення нелінійного
рівняння (1) для множини значень V з інтервалу
[0, Voc]. Середньо-квадратичне відхилення (СКВ)
апроксиманти від модельної функції (розрахун-
кових значень) для монокристалічного модуля
складає 0,34%, а полікристалічного – 0,2%.
На основі вимірювань при інтенсивності ра-
діації 840 Вт/м2, які показані на Рис.4., були об-
числені параметри ФМ за методом, викладеним у
попередньому розділі. Було отримано наступні
значення:
для полі-Si модуля
105.73 , 2.05 10 ,
0.47 , 132.33 , 1.99,
ph o
S p
I A I A
R Ом R Ом A
для моно-Si модуля
124.69 , 5.54 10 ,
0.48 , 102.59 , 1.72.
ph o
S p
I A I A
R Ом R Ом A
а б
Рис. 4. ВАХ та крива потужності ФМ з полікристалічного кремнію Kvazar KV-100W (а) і монокристалічного кремнію
SunRise SR 100W (б). Експериментальні відліки – точки, модельна функція – суцільна лінія.
Fig. 4. CVC and power-voltage curve of polycrystalline silicon PV module Kvazar KV-100W (a) and monocrystalline silicon
PV module SunRise SR 100W (b). Experiment – points, model function – solid line.
ISSN 1819-8058 (Print)
СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 2 38
Створений вимірювальний пристрій був та-
кож використаний для дослідження ВАХ та па-
раметрів ФМ при різних ступенях затінення мо-
дулів. Затінення усіх серій комірок ФМ в портре-
тній орієнтації призводить до значного зростання
послідовного опору втрат Rs, обумовленого в пе-
ршу чергу омічними втратами в шарах напівпро-
відників та процесами рекомбінації носіїв. Цей
ефект можна оцінити за нахилом кривих ВАХ
поблизу ХХ (Рис.5а), який згідно з (1) характери-
зується параметром Roc.
Опір втрат Rs пов'язаний з Roc формулою [11]:
1
s oc
oc
R R
Q
(5)
Розрахунки Roc на основі кривих інтерполяції
при різних ступенях затінення показані на Рис.5б
а б
Рис. 5. Вплив ступеня затінення на ВАХ поблизу ХХ та на омічні втрати: а - ВАХ експериментальних даних та
модельна функція при різних значеннях ступеня затінення S для ФМ Kvazar KV-100W в портретній орієнтації,
б - залежність параметру втрат Roc від S.
Fig. 5. Influence of shading degree on the CVC near OC and on the ohmic losses: a – CVC for the experimental data
and for the model function at different degrees of shading S for PV module Kvazar KV-100W in portrait orientation;
b - the dependence of the loss parameter Roc on S.
Висновки. Розроблений вперше на основі
мікроконтролерної плати Arduino пристрій бю-
джетного рівня дозволяє вимірювати характерис-
тики фотоелектричних модулів у реальних
польових умовах при змінному рівні сонячної
радіації. Створена вимірювальна система дозво-
ляє швидко і з високим ступенем точності отри-
мувати ВАХ ФМ при змінних умовах сонячної
радіації і температури, та проводити тестування
ФМ в реальних умовах на ФЕС. Актуальність
розробки даної вимірювальної системи полягає в
тому, що вона дозволяє проводити тестування та
діагностику поточного стану ФМ, а також визна-
чати фактичні електричні параметри ФМ, які не-
обхідні для задач оптимізації проектних рішень
для ФЕС. Окремими задачами, які можуть вирі-
шуватися за допомогою розробленої системи, є
визначення дефектного модулю в масиві, ступеня
старіння модулів, прогнозування терміну їх слу-
жби. Набір параметрів, який визначається за до-
помогою розробленої системи, дозволяє коректно
визначити електричні характеристики ФМ, які не
надаються виробниками, а також отримувати за-
лежності цих характеристик від зовнішніх факто-
рів: рівня сонячної радіації, температури, частко-
вого затінення та інших.
1. Nehme B., Sirdi N., Akiki T., Naamane A.,
Contribution to the modeling of ageing effects in PV cells and
modules. Energy Procedures. 2014. Vol. 62. Pp. 565–575.
2. Jia Q.X., Ebiharaand K., Ikegami T. Analytical
solution for solar cell model parameters from illuminated
current-voltage characteristics. Philosophical MagazineB. 1995.
Vol. 7. Pp. 375–382.
3. Zuhal E.R., Rouabah Z., Kizilkanetal G. Standard sand
Testing Experiments for a Photovoltaic Module. European Journal
of Science and Technology. Special Issue. January 2018. Pp. 12-15.
4. Humada A. M.. Solar cell parameters extraction based
on single and double-diode models: A review. Renewable and
Sustainable Energy Reviews. 2016. Vol. 56. Pp. 494-509.
5. Duran E., Piliougine M., Sidrach-de-Cardona M.,
Galan J., Andujar J.M. Different methods to obtain the I-V
curve of pv module: A review. 2008. Retrived from
https://www.researchgate.net/publication/ 224445394_Different_
methods_to_obtain_the_I-V_curve_of_PV_modules_A_review,
6. Duran E., Ferrera M.B., Andújar J.M., Mesa M.S. I-V
and P-V Curves Measuring System for PV Modules based on
DC-DC Converters and Portable Graphical Environment. ,
2010. Retrived from https://www.researchgate.net/ publication/
224195822_I-V_and_P-V_curves_measuring_system_for_PV_
modules_based_on_DC-DC_converters_and_portable_
graphical_environment.
7. Bashahu M., Nkundabakura P. Review and tests of
methods for the determination of the solar cell junction ideality
factors. Solar Energy. 2007. Vol. 81. Pp. 856-863.
8. Zhang C., Zhang J., Hao Y. A simple and efficient solar
cell parameter extraction method from a single current-voltage
curv. Journal of Applied Physics. 2011. Vol. 110. 064504 p.
https://www.researchgate.net/publication/
https://www.researchgate.net/%20publication/%20224195822_I-V_and_P-V_curves_measuring_system_for_PV_%20modules_based_on_DC-DC_converters_and_portable_%20graphical_environment
https://www.researchgate.net/%20publication/%20224195822_I-V_and_P-V_curves_measuring_system_for_PV_%20modules_based_on_DC-DC_converters_and_portable_%20graphical_environment
https://www.researchgate.net/%20publication/%20224195822_I-V_and_P-V_curves_measuring_system_for_PV_%20modules_based_on_DC-DC_converters_and_portable_%20graphical_environment
https://www.researchgate.net/%20publication/%20224195822_I-V_and_P-V_curves_measuring_system_for_PV_%20modules_based_on_DC-DC_converters_and_portable_%20graphical_environment
ISSN 1819-8058 (Print)
СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 2 39
9. Гаевский А.Ю. Определение параметров
фотоэлектрических модулей на основе точного решения
уравнения для ВАХ. Відновлювана енергетика. 2012. №.4.
C. 32-39.
10. Kong K.C., Mamat M., Ibrahim M.Z. New Approach
on Mathematical Modeling of Photovoltaic Solar Panel. Applied
Mathematical Sciences. 2012. Vol. 6, Pp. 381-401.
11. Gaevskii A. Method for determining parameters of PV
modules in field conditions. 2019 IEEE 6th International
Conference on Energy Smart Systems. Кyiv. Ukraine. 2019.
12. Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.Д.
Фотоэлектрическое преобразование концентрированного
солнечного излучения. Л. Наука. 1989. 310 с.
13. Woyte A., Nijs J., Belmans R. Partial shadowing of
photovoltaic arrays with different system configurations:
literature survey and field results. Solar Energy. 2003. Vol.74.
Pp.217-233.
REFERENCES
1. Nehme B., Sirdi N., Akiki T., Naamane A., Contribution
to the modeling of ageing effects in PV cells and modules.
Energy Procedures. 2014. Vol. 62. Pp. 565–575. [in English].
2. Jia Q.X., Ebiharaand K., Ikegami T. Analytical solution
for solar cell model parameters from illuminated current-voltage
characteristics. Philosophical MagazineB. 1995. Vol. 7. Pp. 375–
382. [in English].
3. Zuhal E.R., Rouabah Z., Kizilkanetal G. Standard sand
Testing Experiments for a Photovoltaic Module. European
Journal of Science and Technology. Special Issue. January 2018.
Pp. 12-15. [in English].
4.Humada A. M.. Solar cell parameters extraction based
on single and double-diode models: A review. Renewable
and Sustainable Energy Reviews. 2016. Vol. 56. Pp. 494-509.
[in English].
5. Duran E., Piliougine M., Sidrach-de-Cardona M., Galan
J., Andujar J.M. Different methods to obtain the I-V curve of pv
module: A review. 2008. Retrived from
https://www.researchgate.net/publication/
224445394_Different_methods_to_obtain_the_I-
V_curve_of_PV_modules_A_review, [in English].
6. Duran E., Ferrera M.B., Andújar J.M., Mesa M.S. I-V
and P-V Curves Measuring System for PV Modules based on
DC-DC Converters and Portable Graphical Environment,
2010. Retrived from https://www.researchgate.net/publication/
224195822_I-V_and_P-V_curves_measuring_system_for_
PV_modules_based_on_DC-DC_converters_and_portable_
graphical_environment. [in English].
7. Bashahu M., Nkundabakura P. Review and tests of
methods for the determination of the solar cell junction ideality
factors. Solar Energy. 2007. Vol. 81. Pp. 856-863. [in English].
8. Zhang C., Zhang J., Hao Y. A simple and efficient solar
cell parameter extraction method from a single current-voltage
curv. Journal of Applied Physics. 2011. Vol. 110. 064504 p. [in
English].
9. Gaevskii A. Opredelenie parametrov fotoelektricheskih
moduley na osnove tochnogo resheniya uravneniya dlya VAH.
[Determination of the PV modules parameters on the base of
exact solution for the CVC equation]. VIdnovluvana energetika.
2012. No.4. Pp. 32-39. [in Russian].
10. Kong K.C., Mamat M., Ibrahim M.Z. New Approach
on Mathematical Modeling of Photovoltaic Solar Panel. Applied
Mathematical Sciences. 2012. Vol. 6, Pp. 381-401. [in English].
11. Gaevskii A. Method for determining parameters of PV
modules in field conditions. 2019 IEEE 6th International
Conference on Energy Smart Systems. Кyiv. Ukraine. 2019. [in
English].
12. Andreev V., Grilihes V., Rumyantsev V. Fotoelektrich-
eskoe preobrazovanie kontsentrirovannogo solnechnogo izlu-
cheniya. L. Nauka. 1989. 310 p. [Photoelectric conversion of con-
centrated solar radiation. L. Science. 1989. 310 p. [in Russian].
13. Woyte A., Nijs J., Belmans R. Partial shadowing of
photovoltaic arrays with different system configurations:
literature survey and field results. Solar Energy. 2003. Vol.74.
Pp.217-233.
СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ В РЕАЛЬНЫХ
УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
А.Ю. Гаевский1,2, В.Ю. Иванчук1,2, И.О. Корниенко1
1Национальный технический университет Украины «Киев-
ский политехнический институт им. Игоря Сикорского»
03056 м. Киев, пр-т Победы, 37
2Институт возобновляемой энергетики НАН Украины, 02094
м. Киев, ул. Гната Хоткевича, 20А
В работе представлены реализацию измерительно-
вычислительной системы для определения в реальных усло-
виях электрических характеристик фотоэлектрических
модулей методом переменной активной нагрузки. Теорети-
ческий метод обработки экспериментальных данных, раз-
витый в работе, позволяет на основе полученных экспери-
ментальных вольт-амперных характеристик фотомодулей
определять параметры электрической схемы замещения
фотомодулей: фототок, обратный ток насыщения pn-
перехода, коефициент неидеальности pn-перехода, последо-
вательный и паральный опоры электрических потерь. Ис-
пользование данной системы актуально для тестирования
и диагностики поточного состояния фотомодулей в поле-
вых условиях, определение фактических электрических па-
раметров фотомодулей. Следует определить, что эти па-
раметры не предоставляются в полном объеме производите-
лями, но они существенные для задач диагностики фото-
модулей в составе фотоэлектрических станций. Знание па-
раметров фотомодулей необходимо также для корректного
решения задач оптимизации при проектировании фотоелек-
трических станций, прогнозирования работы фотомодулей в
различных внешних условиях. Измерительная схема ВАХ фо-
томодулей реализована на базе микроконтролерной базе
Arduino Mega 2560, которая осуществляет коммутацию
резисторов нагрузки электронными реле, сбор и передачу
экспериментальных данных на ПК через последовательный
порт. Элементы схемы замещения фотоэлектрических мо-
дулей рассчитываются с помощью оригинального метода
решения системы нелинейных уравнений устойчивым итера-
ционным алгоритмом, который основан на разложении нели-
нейных уравнений малыми параметрами. Выполнен ряд изме-
рений в различных условиях солнечной радиации и темпера-
туры, определены зависимости основных параметров от
внешних факторов. Библ. 14, рис. 6.
Ключевые слова: фотоэлектрический модуль, вольт-
амперная характеристика, частичное затенение, схема за-
мещения фотомодуля, определение параметров фотомодуля.
Стаття надійшла до редакції 29.05.19
Остаточна версія 10.06.19
https://www.researchgate.net/publication/
https://www.researchgate.net/publication/%20224195822_I-V_and_P-V_curves_measuring_system_for_%20PV_modules_based_on_DC-DC_converters_and_portable_%20graphical_environment
https://www.researchgate.net/publication/%20224195822_I-V_and_P-V_curves_measuring_system_for_%20PV_modules_based_on_DC-DC_converters_and_portable_%20graphical_environment
https://www.researchgate.net/publication/%20224195822_I-V_and_P-V_curves_measuring_system_for_%20PV_modules_based_on_DC-DC_converters_and_portable_%20graphical_environment
https://www.researchgate.net/publication/%20224195822_I-V_and_P-V_curves_measuring_system_for_%20PV_modules_based_on_DC-DC_converters_and_portable_%20graphical_environment
|
| id | veorgua-article-199 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:05:07Z |
| publishDate | 2019 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | veorgua/79/7c9b820da5de6473248684e49dba7e79.pdf |
| spelling | veorgua-article-1992026-07-18T06:32:12Z A SYSTEM FOR MEASUREMENTS OF THE PV MODULE PARAMETERS IN REAL OPERATIONAL CONDITIONS СИСТЕМА ВИМІРЮВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ФОТОЕЛЕКТРИЧНИХ МОДУЛІВ В РЕАЛЬНИХ УМОВАХ ЕКСПЛУАТАЦІЇ Gaevskii, O. Ivanchuk, V. Korniienko, I. PV module, current-voltage characteristic, partial shading, equivalent scheme of PV module, determination of PV module pa-rameters. фотоелектричний модуль, вольт-амперна характеристика, часткове затінення, схема заміщення фотомодуля, визна-чення параметрів фотомодуля. The measuring and calculation system for determining of electrical characteristics of photovoltaic (PV) modules in real conditions by the method of alternating active loading is developed. The theoretical method of processing experimental data, developed in this work, allows one to determine on the base of experimental data for current-voltage characteristics the parameters of the electric equivalent scheme of PV module: photocurrent, reverse saturation current of pn junction, coefficient of non-ideality of pn junction, series and parallel resistances of electric losses. Using of this system is actual for testing the current state of PV modules in field conditions, for correct determination of electrical parameters of modules. It should be noted that these parameters are not provided in full by the manufacturers, but they are essential for the diagnostics of modules on PV plants. Knowledge of the module parameters is also necessary for correct solution of optimization problems under design of PV system and for prediction of energy output in different external conditions. The measurement of current-voltage characteristics of PV modules is realized on the basis of the microcontroller board Arduino Mega 2560, which provides switching of load resistors with electronic relays, collection and transfer of experimental data to PC by the serial port. The elements of the equivalent scheme of PV modules are calculated by the original method for solving of nonlinear equations system by a stable iterative algorithm, which is based on the decomposition of nonlinear equations on the small parameters. A number of measurements at various solar radiation and temperature was performed and dependencies of the main PV module parameters on external factors were determined. Ref. 14, fig. 6. В роботі представлено реалізацію вимірювально-обчислювальної системи для визначення в реальних умовах електричних характеристик фотоелектричних модулів методом змінного активного навантаження. Теоретичний метод обробки експериментальних даних, розвинутий в роботі, дозволяє на основі отриманих експериментальних вольт-амперних характеристик фотомодулів визначати параметри електричної схеми заміщення фотомодулів: фотострум, зворотний струм насичення p-n-переходу, коефіцієнт неідеальності p-n-переходу, послідовний та паралельний  опори електричних втрат. Використання даної системи актуально для тестування та діагностики поточного стану фотомодулів в польових умовах, визначення фактичних електричних параметрів фотомодулів. Слід визначити, що ці параметри не надаються в повному обсязі виробниками, але вони суттєві для задач діагностики фотомодулів в складі фотоелектричних станцій. Знання параметрів фотомодулів необхідно також для коректного вирішення задач оптимізації при проектуванні фотоелектричних станцій, прогнозування роботи фотомодулів в різних зовнішніх умовах. Вимірювальна схема вольт-амперних характеристик фотомодулів реалізована на базі мікроконтролерної плати Arduino Mega 2560, яка здійснює комутацію резисторів навантаження електронними реле, збір та передачу експериментальних даних на ПК через послідовний порт. Елементи схеми заміщення фотоелектричних модулів розраховуються за допомогою оригінального методу рішення системи нелінійних рівнянь за стійким ітераційним алгоритмом, який заснований на розкладанні нелінійних рівнянь за малими параметрами. Виконано ряд вимірювань в різних умовах сонячної радіації і температури, визначено залежності основних параметрів від зовнішніх факторів. Бібл. 14, рис. 6. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2019-06-13 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/199 10.36296/1819-8058.2019.2(57).32-39 Vidnovluvana energetika ; No. 2(57) (2019): Scientific and Applied Journal Vidnovluvana energetika; 32-39 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 2(57) (2019): Научно-прикладной журнал Возобновляемая энергетика; 32-39 Відновлювана енергетика; № 2(57) (2019): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 32-39 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2019.2(57) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/199/137 Copyright (c) 2019 O. Gaevskii, V. Ivanchuk, I. Korniienko https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | PV module current-voltage characteristic partial shading equivalent scheme of PV module determination of PV module pa-rameters. Gaevskii, O. Ivanchuk, V. Korniienko, I. A SYSTEM FOR MEASUREMENTS OF THE PV MODULE PARAMETERS IN REAL OPERATIONAL CONDITIONS |
| title | A SYSTEM FOR MEASUREMENTS OF THE PV MODULE PARAMETERS IN REAL OPERATIONAL CONDITIONS |
| title_alt | СИСТЕМА ВИМІРЮВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ФОТОЕЛЕКТРИЧНИХ МОДУЛІВ В РЕАЛЬНИХ УМОВАХ ЕКСПЛУАТАЦІЇ |
| title_full | A SYSTEM FOR MEASUREMENTS OF THE PV MODULE PARAMETERS IN REAL OPERATIONAL CONDITIONS |
| title_fullStr | A SYSTEM FOR MEASUREMENTS OF THE PV MODULE PARAMETERS IN REAL OPERATIONAL CONDITIONS |
| title_full_unstemmed | A SYSTEM FOR MEASUREMENTS OF THE PV MODULE PARAMETERS IN REAL OPERATIONAL CONDITIONS |
| title_short | A SYSTEM FOR MEASUREMENTS OF THE PV MODULE PARAMETERS IN REAL OPERATIONAL CONDITIONS |
| title_sort | system for measurements of the pv module parameters in real operational conditions |
| topic | PV module current-voltage characteristic partial shading equivalent scheme of PV module determination of PV module pa-rameters. |
| topic_facet | PV module current-voltage characteristic partial shading equivalent scheme of PV module determination of PV module pa-rameters. фотоелектричний модуль вольт-амперна характеристика часткове затінення схема заміщення фотомодуля визна-чення параметрів фотомодуля. |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/199 |
| work_keys_str_mv | AT gaevskiio asystemformeasurementsofthepvmoduleparametersinrealoperationalconditions AT ivanchukv asystemformeasurementsofthepvmoduleparametersinrealoperationalconditions AT korniienkoi asystemformeasurementsofthepvmoduleparametersinrealoperationalconditions AT gaevskiio sistemavimírûvannâparametrívfotoelektričnihmodulívvrealʹnihumovahekspluatacíí AT ivanchukv sistemavimírûvannâparametrívfotoelektričnihmodulívvrealʹnihumovahekspluatacíí AT korniienkoi sistemavimírûvannâparametrívfotoelektričnihmodulívvrealʹnihumovahekspluatacíí AT gaevskiio systemformeasurementsofthepvmoduleparametersinrealoperationalconditions AT ivanchukv systemformeasurementsofthepvmoduleparametersinrealoperationalconditions AT korniienkoi systemformeasurementsofthepvmoduleparametersinrealoperationalconditions |