THE USE OF RESTTABLE FUSES “POLYSWITCH” TO PREVENT CURRENT OVER-LOADS IN PHOTOVOLTAIC SYSTEMS
Relevance. Currently available simulation results and experimental data indicate that bypass diodes in the subpanel rows of photovoltaic cells do not fully protect against the appearance of “hot spots”. Bypass diodes are more effective for preventing “hot spots” with very short PV-cell line lengths,...
Saved in:
| Date: | 2020 |
|---|---|
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2020
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/253 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Vidnovluvana energetika |
| Download file: |  |
Institution
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1871103341030801408 |
|---|---|
| author | Tonkoshkur, A. Nakashidze, L. |
| author_facet | Tonkoshkur, A. Nakashidze, L. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "A. Tonkoshkur",
"institution": "Oles Honchar Dnipro National University, 49005, 72 Gagarina Av., Dnipro, Ukraine."
},
{
"author": "L. Nakashidze",
"institution": "Oles Honchar Dnipro National University, 49005, 72 Gagarina Av., Dnipro, Ukraine."
}
] |
| author_sort | Tonkoshkur, A. |
| baseUrl_str | https://ve.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T06:32:14Z |
| description | Relevance. Currently available simulation results and experimental data indicate that bypass diodes in the subpanel rows of photovoltaic cells do not fully protect against the appearance of “hot spots”. Bypass diodes are more effective for preventing “hot spots” with very short PV-cell line lengths, which is not used in modern panel designs for economic reasons. Therefore, it is necessary to increase the reliability of solar cells, including the elimination of emergency (fire hazardous) situations based on the development of methods and means to prevent current overloads in their photovoltaic systems based on new approaches.
Purpose. Development of a universal approach to minimize current overloads in photovoltaic systems of solar cells by using low-cost elements of functional electronics, in particular, relatively new and widely used self-healing fuses of the Polyswith type.
Method. A circuit solution is proposed and the modeling method substantiates the possibility of using Polyswitch type fuses to prevent and minimize current overloads in solar PV systems.
Results. The influence of the resistance value in the conducting state and the fuse trip current on the current-voltage and power-voltage characteristics of parallel connections of photoelectric converters and their modules is analyzed.
A mathematical model of the circuit solution is developed and its basic characteristics are simulated using typical parameters of monocrystalline silicon photoelectric converters and commercial self-healing fuses. The influence of the resistance value in the conducting state and the trip current of the RFu on the current-voltage and power-voltage characteristics of the parallel connection of the photovoltaic components of solar cells is analyzed.
Conclusion. It is shown that effective current limiting in the presence of a short circuit with such a connection of photovoltaic components can be implemented when the following conditions are met:
- the resistance of the fuse in the conducting state is much less than the parallel connection of the series resistances of the photoelectric components;
- the trigger current of the fuse must be greater than the short circuit current of the individual photovoltaic component and less than the current of their parallel connection. Ref. 26, fig. 5, tabl. 1. |
| doi_str_mv | 10.36296/1819-8058.2020.2(61).34-44 |
| first_indexed | 2025-07-17T11:37:59Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1819-8058 (Print)
СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
© А.С. Тонкошкур, Л.В. Накашидзе, 2020
Відновлювана енергетика. 2020. № 2 34
УДК: 621.31 DOI: https://doi.org/10.36296/1819-8058.2020.2(61).34-44
ПРИМЕНЕНИЕ САМОВОССТАНАВЛИВАЮЩИХСЯ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ
«POLYSWITCH» ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ТОКОВЫХ ПЕРЕГРУЗОК В ФОТО-
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
А.С. Тонкошкур, докт. физ.-мат. наук, профессор, Л.В. Накашидзе, докт. техн. наук, директор НИИ энергетики
Днепровский национальный университет имени Олеся Гончара,
49050, пр-т Гагарина, 72, г. Днепр, Украина.
Актуальность. Имеющиеся на настоящий момент результаты моделирования и экспериментальные данные свидетель-
ствуют, что обводные диоды в подпанельных строках фотоэлектрических элементов не полностью защищают от появ-
ления «горячих пятен». Обводные диоды более эффективны для предотвращения «горячих пятен» при очень коротких дли-
нах строк ФЭП, что не применяется в современной конструкции панелей из экономических соображений. Поэтому необ-
ходимо повышения надежности солнечных батарей, включая устранение нештатных (пожароопасных) ситуаций на осно-
ве разработки методов и средств предотвращения токовых перегрузок в их фотоэлектрических системах на основе новых
подходов.
Цель. Разработка универсального подхода для минимизации токовых перегрузок в фотоэлектрических системах солнечных
батарей путем применения недорогостоящих элементов функциональной электроники, в частности, относительно новых
и, получивших широкое распространение, самовосстанавливающихся предохранителей типа “Polyswith”.
Метод. Предложено схемное решение и методом моделирования обоснованы возможности использования предохраните-
лей типа Polyswitch для предотвращения и минимизации токовых перегрузок в фотоэлектрических системах солнечных
батарей.
Результаты. Проанализировано влияние величины сопротивления в проводящем состоянии и тока срабатывания предо-
хранителей на вольт-амперные и вольт-ваттные характеристики параллельных соединений фотоэлектрических преобра-
зователей и их модулей.
Разработана математическая модель схемного решения и проведено моделирование его основных характеристик при ис-
пользовании типичных параметров фотоэлектрических преобразователей на основе монокристаллического кремния и
коммерческих самовосстанавливающихся предохранителей. Проанализировано влияние величины сопротивления в прово-
дящем состоянии и тока срабатывания СВП на ВАХ и ВВХ параллельного соединения фотоэлектрических компонентов
солнечных батарей.
Выводы. Показано, что эффективное ограничение тока при наличии короткого замыкания при таком соединении фото-
электрических компонент может быть реализовано при выполнении следующих условий:
– сопротивление предохранителя в проводящем состоянии значительно меньше параллельного соединения последователь-
ных сопротивлений фотоэлектрических компонент;
– ток срабатывания предохранителя должен быть больше тока короткого замыкания отдельного фотоэлектрического
компонента и меньше тока их параллельного соединения. Библ. 26, рис. 5, табл. 1.
Ключевые слова: фотоэлектрический преобразователь, токовые перегрузки, самовосстанавливающиеся предохранители,
вольт-амперные характеристики, вольт-ваттные характеристики, моделирование.
THE USE OF RESTTABLE FUSES “POLYSWITCH” TO PREVENT CURRENT OVER-
LOADS IN PHOTOVOLTAIC SYSTEMS
A. Tonkoshkur, doctor of physical and mathematical sciences, professor, L. Nakashidze, doctor of technical science, director of
Energy Research Institute
Oles Honchar Dnipro National University,
49005, 72 Gagarina Av., Dnipro, Ukraine.
Relevance. Currently available simulation results and experimental data indicate that bypass diodes in the subpanel rows of photo-
voltaic cells do not fully protect against the appearance of “hot spots”. Bypass diodes are more effective for preventing “hot spots”
with very short PV-cell line lengths, which is not used in modern panel designs for economic reasons. Therefore, it is necessary to
increase the reliability of solar cells, including the elimination of emergency (fire hazardous) situations based on the development of
methods and means to prevent current overloads in their photovoltaic systems based on new approaches.
Purpose. Development of a universal approach to minimize current overloads in photovoltaic systems of solar cells by using low-cost
elements of functional electronics, in particular, relatively new and widely used self-healing fuses of the Polyswith type.
Method. A circuit solution is proposed and the modeling method substantiates the possibility of using Polyswitch type fuses to pre-
vent and minimize current overloads in solar PV systems.
Results. The influence of the resistance value in the conducting state and the fuse trip current on the current-voltage and power-
voltage characteristics of parallel connections of photoelectric converters and their modules is analyzed.
A mathematical model of the circuit solution is developed and its basic characteristics are simulated using typical parameters of
monocrystalline silicon photoelectric converters and commercial self-healing fuses. The influence of the resistance value in the con-
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2020.2(61).34-
ISSN 1819-8058 (Print)
СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2020. № 2 35
ducting state and the trip current of the RFu on the current-voltage and power-voltage characteristics of the parallel connection of
the photovoltaic components of solar cells is analyzed.
Conclusion. It is shown that effective current limiting in the presence of a short circuit with such a connection of photovoltaic com-
ponents can be implemented when the following conditions are met:
- the resistance of the fuse in the conducting state is much less than the parallel connection of the series resistances of the photoelec-
tric components;
- the trigger current of the fuse must be greater than the short circuit current of the individual photovoltaic component and less than
the current of their parallel connection. Ref. 26, fig. 5, tabl. 1.
Keywords: photoelectric converter, overcurrent, resettable fuses, current-voltage characteristics, power-voltage characteristics,
simulation.
А.С. Тонкошкур
A. Tonkoshkur
Сведения об авторе: докт. физ.-мат. наук,
профессор, профессор кафедры радиоэлектро-
ники Днепровского национального универси-
тета имени Олеся Гончара.
Образование: Днепропетровского государ-
ственный университет, физико-технический
факультет, специальность радиофизика и элек-
троника (1971).
Научная сфера: возобновляемые и нетради-
ционные источники энергии.
Публикации: 300 научных работ и учебно-
методических пособий.
ORCID: 0000-0002-1648-675
Контакти: тел./факс: (056) 373-12-78
e-mail: tonkoshkuras@ukr.net
Author information: doctor of physics and
mathematics, professor Department of Radio
Electronics of Oles Gonchar Dnipro National
University.
Education: Dnipropetrovsk National University
in 1971 graduated from Dnipropetrovsk State
University, specializing in radiophysics and
electronics.
Research area: renewable and non-conventional
energy sources.
Publications: author of more than 300 scientific
and teaching works.
ORCID: 0000-0002-1648-675
Contacts: tel./fax: (056) 373-12-78
e-mail: tonkoshkuras@ukr.net
Л.В. Накашидзе
L. Nakashidze
Сведения об авторе: докт. техн. наук, старш.
научн. сотр. директор НИИ энергетики Дне-
проовского национального университета име-
ни Олеся Гончара.
Образование: Днепропетровский химико-
технологический институт, факультет техноло-
гия неорганических соединений, специаль-
ность технология неорганических соединений
(1985).
Научная сфера: возобновляемые и нетради-
ционные источники энергии.
Публикации: более 120 научных работ, в том
числе 3 патента.
ORCID: 0000-0003-3990-6718
Контакти: тел.: (056) 373 12 78
e-mail: foton_dnu@ukr.net
Author information: doctor of technical science,
director of the Energy Research Institute Oles
Honchar Dnipropetrovsk National University.
Education: Dnepropetrovsk Institute of Chemical
Technology, Faculty of Technology of inorganic
compounds, specialty technology of inorganic
compounds (1985).
Research area: the renewable and alternative
energy sources.
Publications: author of more than 120 scientific
papers, including 3 patents.
ORCID: 0000-0003-3990-6718
Contacts: tel.: (056) 373 12 78
e-mail: foton_dnu@ukr.net
Введение. Одним из наиболее нежелатель-
ных источников ненадежности фотоэлектриче-
ских компонентов солнечных батарей являются
токовые перегрузки и возникновение перегревов,
включая замыкания непосредственно в них, а
также короткие замыкания между их соедини-
тельными контактами [1-3]. Физическими причи-
нами таких ситуаций могут быть повреждения
коррозией в процессе эксплуатации составляю-
щих их элементов, «скрытые» производственные
дефекты, неисправные блокирующие и обводные
диоды или результаты деградации изоляции под
действием окружающей среды [2].
Особое значение это имеет для фотоэлектри-
ческих модулей (ФЭМ) на основе тонкопленоч-
ного кремния, где имеет место образование шун-
тов как «скрытых» дефектов при производстве,
так и из-за обратного смещения ячеек, вызванно-
го затенением модулей или отдельных фотоэлек-
трических преобразователей (ФЭП) солнечной
батареи в процессе ее эксплуатации. Это усугуб-
ляется тем, что для тонкопленочных модулей
превентивные меры с использованием обводных
диодов могут быть невозможными для ограниче-
ния обратного напряжения на неактивных
ФЭП [1].
Наиболее неблагоприятные последствия воз-
никновения указанных коротких замыканий
имеют место в параллельных соединениях фото-
электрических элементов. В этом случае они
приводят к выходу их строя всего соединения и
возникновению существенных перегревов из-за
значительных токов, создаваемых суммировани-
ем токов отдельных таких элементов. В итоге это
mailto:tonkoshkuras@ukr.net
mailto:tonkoshkuras@ukr.net
mailto:foton_dnu@ukr.net
mailto:foton_dnu@ukr.net
ISSN 1819-8058 (Print)
СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2020. № 2 36
может привести к нештатным (пожароопасным)
ситуациям. Устранение или минимизация влия-
ния указанного фактора на работу солнечных ба-
тарей представляется наиболее необходимым
условием для более широкого использования па-
раллельных соединений при формировании мо-
дулей и панелей солнечных батарей.
Следует отметить, что в настоящее время
разработке методов и средств предотвращения
появления локальных перегревов («горячих пя-
тен») в фотоэлектрических компонентах солнеч-
ных батарей уделяется значительное внимание. В
частности, известны такие решения задачи как:
– использование ФЭП с низкими напряжени-
ями обратного пробоя [4];
– включение в фотоэлектрическую систему
дополнительных элементов: обводных диодов и
активных обводных переключателей [3, 5 - 7];
– методы и технические средства, основан-
ные на обнаружение «горячего пятна» на основе
измерений электрических параметров солнечных
панелей в сочетании с активной защитой по спо-
собу разомкнутого контура [8, 9].
Тем не менее, они не являются универсаль-
ными. Использование ФЭП с низким напряжени-
ем обратного пробоя ограничивает мощность,
рассеиваемую во время разогрева его локальных
областей, но может быть эффективным способом
предотвращения «горячего пятна», если величина
рассеиваемой мощности недостаточна для по-
вреждения ФЭП.
Имеющиеся на настоящий момент результа-
ты моделирования и экспериментальные данные
свидетельствуют, что обводные диоды в подпа-
нельных строках фотоэлектрических элементов
не полностью защищают от появления «горячих
пятен». Обводные диоды более эффективны для
предотвращения «горячих пятен» при очень ко-
ротких длинах строк ФЭП, что не применяется в
современной конструкции панелей из экономи-
ческих соображений. Активные обводные пере-
ключатели, как и технические средства, основан-
ные на обнаружении «горячих пятен» являются
улучшением по сравнению с обводным диодом,
но требует усложнения схемных решений и за-
трат [5].
Постановка задачи. Одним из перспектив-
ных направлений решения рассматриваемой за-
дачи является применение для изоляции неак-
тивных (затененных или дефектных) областей
как отдельных ФЭП, так и их модулей, менее до-
рогостоящих элементов функциональной элек-
троники, в частности, относительно новых и, по-
лучивших широкое распространение, самовос-
станавливающихся предохранителей (СВП) типа
“Polyswith” [3, 10]. Эти элементы электрической
и тепловой защиты уже нашли применение в ак-
кумуляторах и гальванических источниках пита-
ния [11 - 14]. Необходимым этапом этого пред-
ставляется разработка и моделирование функци-
онирования схемных решений для фотоэлектри-
ческих компонентов, использующих указанные
самовосстанавливающиеся предохранители.
В данной работе предложена модель и про-
анализированы возможности использования са-
мовосстанавливающихся предохранителей типа
Polyswitch для предотвращения и минимизации
токовых перегрузок в параллельных соединениях
фотоэлектрических преобразователей и их моду-
лей.
Модель фотоэлектрической системы с
ограничителем тока. Как уже указывалось, ко-
роткие замыкания являются наиболее нежела-
тельными в параллельных соединениях как фото-
электрических преобразователей (ФЭП) та их
последовательных соединений фотоэлектриче-
ских модулей (ФЭМ). Из рис. 1 видно, что корот-
кое замыкание одного компонента PVn в отсут-
ствие СВП ведет к потере всей параллельной це-
пи, содержащей другие исправные компоненты.
Наличие самовосстанавливающихся предо-
хранителей Fui, соединенных последовательно с
каждым фотогенерирующим компонентом PVi ,
позволяет сохранить и эксплуатировать исправные
при наличии короткого замыкания в одном из них.
Математическая модель, позволяющая проанали-
зировать рассматриваемый эффект ограничения
тока при коротком замыкании и определить наибо-
лее эффективные режимы такой защиты, включает
в себя решение задачи выбора эквивалентных схем,
описывающих ФЭП и ФЭМ, аппроксимации поле-
вой зависимости электрического сопротивления
СВП, а также формулировку и решение основных
уравнений рассматриваемой модели для определе-
ния их вольт-амперных и вольт-ваттных характери-
стик.
ФЭП обладают нелинейными вольт-
амперными характеристиками, которые зависят от
уровня солнечной радиации, температуры окружа-
ющей среды и особенностей самой ячейки.
ISSN 1819-8058 (Print)
СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2020. № 2 37
IL, IFu и I – ток резистора нагрузки RL, ток коротко замкнутого компонента и токи, генерируемые PVi.
Рис. 1. Упрощенная схема, иллюстрирующая защиту от короткого замыкания в параллельном соединении фото-
электрических компонентов PVi (i=1, 2, … n - 1) с использованием самовосстанавливающихся предохранителей Fui
(i=1, 2, … n).
Fig. 1. Simplified diagram illustrating short-circuit protection in parallel connection of PV components PVi (i=1, 2, … n - 1) using
self-resetting fuses Fui (i=1, 2, … n).
В настоящее время известно несколько ос-
новных схем замещения ФЭП, математическое
описание которых используется в современном
моделировании [15 - 17]. Наиболее известная из
них, содержит источник фототока (iph), парал-
лельно включенный диод (D), который модели-
рует р-n-переход, шунтовое сопротивление (rsh),
моделирующее токи утечки, и последовательное
сопротивление (rs), которое характеризует внут-
реннее сопротивление элемента и контактов. В
рабочем режиме ФЭП (прямосмещенный фото-
диод) током утечки пренебрегают, т.е. принима-
ют, что rsh стремиться к бесконечности и эквива-
лентная схема замещения ФЭП имеет вид, пока-
занный на рис. 2.
В соответствии с этой схемой замещения вы-
ходной ток фотоэлемента i может быть определен
[15, 16] из выражения
,1
AkT
irv(q
expiii s
0ph
(1)
где: A – коэффициент, зависящий от физических
свойств материалов и параметров р-n-перехода (для
кремния принимается равным 1,2…1,8 соответ-
ственно [15, 18]); k – постоянная Больцмана; Т –
абсолютная температура ФЭП; q – заряд электро-
на; v – выходное напряжение ФЭП; i0 – обратный
ток p-n-перехода диода. rL – сопротивление
нагрузки.
Рис. 2. Упрощенная эквивалентная схема замещения ФЭП.
Fig. 2. Simplified equivalent circuit of PVM.
ISSN 1819-8058 (Print)
СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2020. № 2 38
Как уже говорилось выше, при последователь-
ном, параллельном или комбинированном соеди-
нении фотоэлектрических элементов образуются
ФЭМ. Для определения эквивалентных вольт-
амперных характеристик (ВАХ) таких соединений
используются различные формы их представления
[15, 19 - 23].
Для построения рассматриваемой модели, со-
ответствующей параллельному соединению n
ФЭМ (каждый из которых является последователь-
ное соединением m ФЭП) представляется наиболее
подходящим известное выражение, непосредствен-
но базирующееся на формуле (1) [15, 20 - 22].
,
U
IRVV
exp1II
T
soc
sc
(2)
где: Isc = n · isc – ток короткого замыкания фото-
электрического модуля, isc = i (v = 0) = iph – ток
короткого замыкания ФЭП (наибольший ток,
производимый ФЭП при условии замыкания его
контактов); UT = (AkT/q) · m – эквивалентное тер-
мальное напряжение модуля; Voc = m · voc –
напряжение холостого хода модуля,
voc = v(i = 0) = (AkT/q) ln[(iph
+ i0)/i0] - напряжение
холостого хода ФЭП (падение напряжения на р-
n-переходе, которое создает фототоком (iph), если
ток во внешней цепи (i) равен нулю; Rs = rs · m/n –
эквивалентное последовательное сопротивление
модуля.
Самовосстанавливающиеся предохранители
“Polyswith” имеют температурную зависимость
сопротивления RFu, возрастающую с ростом тем-
пературы, которая имеет три характерных участ-
ка. При относительно небольших значениях тем-
пературы (участок 1) имеет место плавное повы-
шение их сопротивления от температуры. В уз-
ком диапазоне температуры около 125 0С
наблюдается резкий рост (на несколько поряд-
ков) сопротивления СВП (участок 2). При даль-
нейшем увеличении температуры зависимость
сопротивления этих устройств от температуры
также имеет плавный возрастающий характер
(участок 3) [11].
Физический механизм причины такой скач-
кообразной зависимости определяется структур-
ными особенностями основного функционально-
го материала СВП, который представляет собой
нанокомпозит с непроводящей полимерной мат-
рицей и высокопроводящим наноуглеродным
наполнителем. Благодаря углеродным каналам в
неразогретом состоянии (участок 1) нанокомпо-
зит является проводником с низким собственным
сопротивлением.
При разогреве выше определенной темпера-
туры (температуры перехода) углеродные каналы
разрываются за счет объемного расширения по-
лимерной матрицы и/или трансформации кри-
сталлической структуры матрицы в аморфную и
электрическое сопротивление нанокомпозита
резко возрастает (участок 2) [11 - 12]. На высоко-
температурном участке 3 структура проводящих
каналов полностью разрушена и сопротивление
СВП достигает максимальной величины.
Техническое применение имеют участок 1
(высокопроводящее состояние) и 2 (скачкообраз-
ный переход к низкопроводящему состоянию). В
качестве основных параметров, важных для их
применения в схеме рис. 1, следует принять:
RFu0 – сопротивление СВП в проводящем со-
стоянии (определяется паспортными величинами
Rmin – максимальное минимальное начальное со-
противление или R1max, – минимальное сопротив-
ление после одного часа восстановления при за-
данной температуре окружающего воздуха).
Itrip – ток срабатывания СВП, т.е. минималь-
ный ток через СВП, при котором происходит пе-
реход от проводящего состояния к непроводяще-
му.
Защита параллельного соединения фотоэлек-
трических компонентов солнечных батарей
(рис. 1) может быть реализована при выполнении
следующих условий
Fu0R Rmin R1max m R *sили , (3)
где R*
s = rs или R*
s = Rs в последовательном со-
единении m ячеек или модулей, соответственно.
То есть наличие таких предохранителей в
электрической цепи не должно влиять на нор-
мальную работу фотоэлектрических компонен-
тов.
Второе условие:
*
SCirip
* III1n
, (4)
где I* = i, I*
sc = isc, или I* = I, I*
sc = Isc в последова-
тельном соединении m ячеек или модулей, соот-
ветственно.
Т.е. ток срабатывания предохранителя PPTC
должен быть больше тока короткого замыкания
отдельного компонента (отдельного фотоэлек-
трического модуля или фотоэлемента) и меньше,
ISSN 1819-8058 (Print)
СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2020. № 2 39
чем ток их параллельного соединения в рабочем
режиме (n - 1) · I*, где (n - 1) - число исправных
ФЭМ или ФЭП. Учитывая характерное для СВП
уменьшение тока срабатывания с ростом темпе-
ратуры, следует отметить, что первое из указан-
ных требований должно быть выполнено при
максимально возможной температуре функцио-
нирования ФЭП (~ 60…80 0С [10]).
Определение аналитических выражений мо-
дели может быть произведено на основе уравне-
ний Кирхгофа и известных математических опи-
саниях для ВАХ рассматриваемых фотоэлектри-
ческих систем и электрических характеристик
используемых электронных приборов. В частно-
сти, учет присутствия СВП (рис. 1) может быть
произведен заменой в соответствующей эквива-
лентной схеме и формуле последовательного со-
противления rs на его сумму с частью сопротив-
ления RFu, приходящейся на каждый ФЭП в по-
следовательном их соединении, т.е., (R*
s+RFu).
Следует отметить, что в соответствии с базо-
вым принципом использования СВП [10] их со-
противления до срабатывания при повышении
температуры пренебрежимо малы в сравнении с
последовательным сопротивлением отдельного
ФЭМ, и таким образом в нормальном режиме
можно принять RFu0<<R*
s.
Наличие короткого замыкания одного фото-
электрического компонента в соответствии со
схемой рис. 1 может рассматривать как парал-
лельное соединение сопротивления нагрузки RL
и сопротивления предохранителя RFu (IFu), зави-
сящего от величины протекающего через него
тока IFu. Следует отметить, что в сопротивление
нагрузки RL для упрощения расчетов принима-
лось активным, хотя оно может быть и реактив-
ным (например, емкостным) или, в общем слу-
чае, комплексным.
Примем во внимание, что:
(5)
где: I (IFu,RL) = IFu+IL – величина суммарного тока
через короткозамкнутый элемент цепи и сопро-
тивление нагрузки.
C учетом (5) уравнение для расчета ВАХ
рассматриваемой фотоэлектрической системы
(при наличии коротко замкнутого одного из ее
модулей) можно получить на основе (2), которое
после преобразования (разрешения относительно
V) будет иметь следующий вид:
(6)
где:
L
FuFu
FuLFu R
)I(R
1I)R,I(I
.
При определении параметров UT, ISC, VOC,
и RS надо заменить величину m (число ФЭМ со-
единенных параллельно на схеме рис. 1) на (m-1).
ВАХ самовосстанавливающегося предохра-
нителя, как и любого позисторного элемента
представляется N-образной зависимостью и мо-
жет быть определена в параметрической форме,
где в качестве такого параметра используется
температура его нагрева [24, 25]. Однако исполь-
зование таких представлений существенно
усложняет рассматриваемую задачу. Для ее
упрощения, допускающего получение понятного
адекватного результата, представляется возмож-
ным использовать представлений о скачкообраз-
ном изменении сопротивления рассматриваемых
СВП в области токов в окрестности тока сраба-
тывания Itrip. Таким образом, можно принять,
что зависимость RFu (IFu) имеет вид переключа-
тельной функции, которую можно аппроксими-
ровать в функции вида:
IIесли,
I
I
R
IIесли,R
IR
Fu
Fu
Fu
Fu
FuFuFu
FuFu
0
00
(7)
где
Как уже отмечалось, параметрами определя-
ющими эффективность использования СВП для
защиты фотоэлектрических систем от коротких
замыканий являются сопротивление предохрани-
теля в проводящем состоянии RFu и ток его сра-
батывания IFu0.
Fu Fu L
Fu L Fu L
Fu Fu L)
R (I )R
V =V(I ,R )= I(I ,R ) ,
R (I )+ R
ln SC Fu L
Fu L T OC Fu S S
SC
I I(I ,R )
V(I ,R )=U V + I(I ,R )R ,
I
0 1 ; .Fu min max Fu tripR R или R I I
ISSN 1819-8058 (Print)
СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2020. № 2 40
Таблица 1. Параметры элементов моделифотоэлектрической системы.
Table 1. Parameters of the elements of the model of a photovoltaic system.
Компонент Параметры Принятые значения
ФЭП [18]
i0 1 мкА
iph 0,039 А
rS 2 Ом
A 1,8
СМП (из серии RXEF) [26] RFu0 0,1-1 Ом
IFu0 0,3-1 А
Число ФЭП в их последовательном соединении (в ФЭМ) m 36
Число параллельных содинений ФЭМ n 36
Для исследования функционирования рас-
сматриваемых технических средств защиты были
проведены численные эксперименты на основе
фотоэлектрической системы (рис. 1) с компонен-
тами на основе элементов с типовыми парамет-
рами, приведенными в табл. 1.
Параметр α в формуле (7) принимался рав-
ным 25.
Влияние величины сопротивления RFu0 на
вольт-амперные и вольт-ваттные характеристики
(ВВХ) исследуемой фотоэлектрической системы
показано на рис. 3 и 4.
Параметры СВП IFu0 = 0,3 А и RFu0, Ом: 1 – 0,1; 2 – 0,4; 3 – 1. Кривые 4 соответствует отсутствию короткого
замыкания
Рис. 3. Вольт-амперные характеристики IL(V) (кривые 1 - 4) и зависимости тока через СВП Fun IFu(V) (1’ - 3’) модели-
руемой фотоэлектрической системы при наличии короткого замыкания одного из ее компонентов.
Fig. 3. Current-voltage characteristics IL(V) (curves 1 - 4) and current dependencies through SRF Fun IFu(V) (1’ - 3’) of the
simulated photovoltaic system in the presence of a short circuit of one of its components.
Как видно из рис. 3, влияние сопротивления
СВП в проводящем состоянии RFu0 имеет место в
диапазоне очень малых напряжений V . Оно
ограничивает его начальный участок, где сопро-
тивление нагрузки RL меньше RFu0 и практически
отсутствует отбор тока с нагрузки на предохра-
нитель. С уменьшением сопротивления RFu0 этот
участок сокращается.
При более высоких значениях RL ток через
СВП увеличивается, что приводит в итоге к его
срабатыванию, после чего получается типовая
для фотоэлектрических систем зависимость IL(V),
но со значением тока короткого замыкания
уменьшенным на величину, которая представляет
собой сумму токов отключенного (короткоза-
мкнутого) последовательного соединения ФЭП
(PVn) и тока срабатывания предохранителя Fun.
ISSN 1819-8058 (Print)
СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2020. № 2 41
Рис. 4. Вольт-ваттные характеристики PL(V) моделируемой фотоэлектрической системы при наличии короткого
замыкания одного из ее компонентов. Параметры и обозначения соответствуют принятым на рис. 3.
Fig. 4. Volt-Watt Characteristics PL(V) of the simulated photovoltaic system in the presence of a short circuit of one of its
components. Parameters and designations correspond to those adopted in Fig. 3.
Влияние величины тока срабатывания СВП
на аналогичные характеристики рассматриваемой
фотоэлектрической системы приведены на рис. 5.
Наличие СВП приводит только к определен-
ному снижению производимой фотоэлектриче-
ской системой электрической мощности, а не
полному ее выходу из строя (рис. 4). Изменение
сопротивления предохранителя в проводящем
состоянии практически не влияет на ВВХ
Как свидетельствуют эти данные рис. 5 а и б
изменения величины тока срабатывания предо-
хранителя определяют изменения максимального
тока и производимой электрической мощности в
рабочем диапазоне, где реализуется защита от
короткого замыкания, т.е. СВП находится в со-
стоянии с высоким значением сопротивления.
Уменьшение величины IFu0 снижает энергетиче-
ские затраты на поддержание предохранителя в
низкопроводящем состоянии, блокирующем ко-
роткое замыкание компонента параллельной це-
пи. В итоге, это приводит к росту тока нагрузки
IL и мощности PL, т. е. повышению эффективно-
сти работы всей фотоэлектрической системы.
Основным ограничением снизу при определении
тока срабатывания СВП является требование от-
сутствия какого-либо влияния предохранителя на
нормально функционирующий (в отсутствии его
коротких замыканий рассматриваемого вида) фо-
тоэлектрического компонента (ФЭМ или ФЭП),
т.е. IFu0>ISC.
а) б)
Параметры СВП RFu0 = 0,4 Ом и IFu0, А: 1 – 0,3; 2 – 0,5; 3 – 0,7. Кривые 4 соответствует отсутствию короткого
замыкания.
Рис. 5. Вольт-амперные (а) и вольт-ваттные (б) характеристики моделируемой фотоэлектрической системы при ко-
ротком замыкания одного из ее компонентов.
Fig. 5. Volt-ampere (a) and volt-watt (b) characteristics of a simulated photovoltaic system during a short circuit of one of its
components.
ISSN 1819-8058 (Print)
СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2020. № 2 42
Следует также отметить, что потери произ-
водимой электрической энергии на работу
предохранителя в рассматриваемой ситуации ко-
роткого замыкания одного из параллельно со-
единенных фотоэлектрических компонентов мо-
гут и меньшими, чем получены в рамках рас-
сматриваемой модели, базирующейся на аппрок-
симации характеристики СВП переключательной
функцией, которая не учитывает, что при увели-
чении падения напряжения на предохранителе
его ток может уменьшается.
Выводы. Предложено схемное решение
ограничения тока в фотоэлектрических системах
солнечных батарей с использованием самовос-
станавливающихся предохранителей
«Polyswitch».
Разработана математическая модель схемно-
го решения и проведено моделирование его ос-
новных характеристик при использовании ти-
пичных параметров фотоэлектрических преобра-
зователей на основе монокристаллического
кремния и коммерческих самовосстанавливаю-
щихся предохранителей. Проанализировано вли-
яние величины сопротивления в проводящем со-
стоянии и тока срабатывания СВП на ВАХ и
ВВХ параллельного соединения фотоэлектриче-
ских компонентов солнечных батарей.
Показано, что эффективное ограничение тока
при наличии короткого замыкания в параллель-
ном соединении фотоэлектрических компонент
может быть реализовано при выполнении следу-
ющих условий:
– сопротивление предохранителя в проводя-
щем состоянии значительно меньше параллель-
ного соединения последовательных сопротивле-
ний фотоэлектрических компонент;
– ток срабатывания предохранителя должен
быть больше тока короткого замыкания отдель-
ного фотоэлектрического компонента и меньше
тока их параллельного соединения.
1. Köntges M., Kurtz S., Packard C., Jahn U., Berger
K.A., Kato K., Friesen T., Liu H., Van Iseghem M. Review of
failures of photovoltaic modules. IEA PVPS Task 13. 2014.
132 p.
2. Солнечные модули и батареи. United Solar
Technologies. [Электронный ресурс]. URL:
http://ust.su/solar/media/section-inner17. (дата обращения:
12.05.2019).
3. Tonkoshkur A.S., Nakashidze L.V., Lyagushyn S.F.
Schemotechnical technologies for reliability of solar arrays.
Системні технології. Регіональний міжвузівський збірник
наукових праць. Дніпро. 2018. Вип. 4(117). С. 95-107.
4. Kim K.A., Krein Р.T. Photovoltaic hot spot analysis for
cells with various reverse-bias characteristics through electrical
and thermal simulation. Proc. IEEE Workshop Control Modeling
Power Electron. Junе. 2013. Рp. 1-8.
5. Kim K.A., Krein Р.T. Reexamination of photovoltaic hot
spotting to show inadequacy of the bypass diode.
IEEE J. Photovoltaics. 2015. No. 5(5). Рp. 1435-1441.
6. Acciari G., Graci D., Scala A.L. Higher PV module
efficiency by a novel CBS bypass. IEEE Trans. Power Electron.
May. 2011. Vol. 26. No. 5. Pp. 1333-1336.
7. D’Alessandro V., Guerriero P., Daliento S. A simple
bipolar transistor-based bypass approach for photovoltaic
modules. IEEE J. Photovoltaics. Jan. 2014. Vol. 4. No. 1. Pp.
405-413.
8. Pacheco Sánchez F.J. Photovoltaic systems distributed
monitoring for performance optimization. Doct. Thesis.
Universidad de Málaga (RIUMA: riuma.uma.es). Málaga.
España. 2015.
9. Di Napoli F., Guerriero G., D’Alessandro V., Daliento
S. Single panel voltage zeroing system for safe access on PV
plants. IEEE J. Photovoltaics. 2015. Vol. 5(5). Pp. 1428-1434.
10. Тонкошкур А.С., Иванченко А.В., Накашидзе
Л.В., Мазурик С.В. Применение самовосстанавливающихся
элементов для электрической защиты солнечных батарей.
Технология и конструирование в электронной аппаратуре.
2018. № 1. С. 43-49.
11. Гавриков В. Самовосстанавливающиеся PTC-
предохранители для защиты от токовых перегрузок.
Новости Электроники. 2014. № 12. С. 11-15.
12. Каминская Т.П., Домкин
К.И. Самовосстанавливающиеся предохранители для
автомобильной электроники. Электронные компоненты.
2008. № 5. С. 80-82.
13. Oglesbee J.W. , Burns A.G. Pat. 6608470 USA.
Overcharge protection device and methods for lithium based
rechargeable batteries. 19.08.03.
14. Protecting rechargeable Li-ion and Li-polymer
batteries: Littelfuse, Inc. 2017. [Электронный ресурс].
URL: http://www.littelfuse.com/~/media/electronics/application
_notes/littelfuse_protecting_rechargeable_li_ion_and_li_polyme
rbatteries_in_consumer_portable_electronics_application_note.p
df.pdf. (дата обращения: 10.05.2019).
15. Левшов А.В., Фёдоров А.Ю. О математическом
моделировании фотоэлектрических модулей. Наукові праці
ДонНТУ. Серія Електротехніка і енергетика. 2013. №
1(14). С. 153-158.
16. Раушенбах Г. Справочник по проектированию
солнечных батарей. Москва. 1983. 360 с.
17. Lorenzo E. Solar Electricity Engineering of
Photovoltaic Systems. Artes Graficas Gala. Spain. 1994.
18. Коваль О.С., Тиванов М.С. Определение параметров
солнечного элемента из его световой вольт-амперной
характеристики. Вестник БГУ. 2012. Сер. 1. № 2. С. 39-44.
19. Salem F.A. Modeling and Simulation issues on Photo
Voltaic systems, for Mechatronics design of solar electric
applications. International Journal of Mechanical Engineering
(IIJME). August 2014. Vol. 2. Issue 8. [Электронный ресурс].
URL: http://www.ipasj.org/IIJME/IIJME.htm (дата
обращения: 10.05.2019).
20. Alboteanu I.L., Ivanov S., Manolea G. Modelling and
simulation of a stand-alone photovoltaic system. 8 th WSEAS
International Conference on POWER SYSTEMS (PS 2008).
Santander. Cantabria. Spain. September 23-25. 2008. Pp. 189-
194.
21. Hansen A.D., Sоrensen P., Hansen L.H., Binder H.
Models for a Stand-Alone PV System. Roskidle. 2000. 78 p.
22. Гаевский А.Ю. Определение параметров
фотоэлектрических модулей на основе точного решения
уравнения для ВАХ. Відновлювальна енергетика. 2012. № 4.
С. 32-39.
23. Honsberg C., Bowden S. Arisone State University.
Solar Power Labs. [Электронный ресурс]. URL:
http://www.littelfuse.com/~/media/
http://www.littelfuse.com/~/media/electronics
http://www.ipasj.org/IIJME/IIJME.htm
ISSN 1819-8058 (Print)
СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2020. № 2 43
http://www.pveducation.org/pvcdrom (дата обращения:
10.04.2019).
24. Мэклин Э.Д. Терморезисторы. Москва. 1983. 208 с.
25. Тонкошкур О.С., Тристан О.Н., С’янов О.М.
Компонентна база РЕА. Дніпродзержинськ. 2004. 240 с.
26. PolySwitch. Resettable Device Short Form Catalog.
Tuco Electronics. Raychem circuit protection. May. 2005.
[Электронный ресурс]. URL: https://datasheet.octopart.
com/MICROSMD010F-2-Tyco-Electronics-datasheet-45906.pdf
(дата обращения: 11.05.2019).
REFERENCES
1. Köntges M., Kurtz S., Packard C., Jahn U., Berger
K.A., Kato K., Friesen T., Liu H., Van Iseghem M. Review of
failures of photovoltaic modules. IEA PVPS Task 13. 2014.
132 p. [in English]
2. Solnechnye moduli i batarei. [Solar modules and
batteries]. United Solar Technologies. [Electronic resource].
URL: http://ust.su/solar/media/section-inner17. (Applying date:
12.05.2019). [in Russian].
3. Tonkoshkur A.S., Nakashidze L.V., Lyagushyn S.F.
Schemotechnical technologies for reliability of solar arrays.
Systemni texnologiyi. Dnipr. 2018. Vyp. 4(117). Pp. 95-107. [in
English].
4. Kim K.A., Krein Р.T. Photovoltaic hot spot analysis for
cells with various reverse-bias characteristics through electrical
and thermal simulation. Proc. IEEE Workshop Control Modeling
Power Electron. Junе. 2013. Рp. 1-8. [in English].
5. Kim K.A., Krein Р.T. Reexamination of photovoltaic hot
spotting to show inadequacy of the bypass diode.
IEEE J. Photovoltaics. 2015. No. 5(5). Рp. 1435-1441. [in
English].
6. Acciari G., Graci D., Scala A.L. Higher PV module
efficiency by a novel CBS bypass. IEEE Trans. Power Electron.
May. 2011. Vol. 26. No. 5. Pp. 1333-1336. [in English].
7. D’Alessandro V., Guerriero P., Daliento S. A simple
bipolar transistor-based bypass approach for photovoltaic
modules. IEEE J. Photovoltaics. Jan. 2014. Vol. 4. No. 1. Pp.
405-413. [in English].
8. Pacheco Sánchez F.J. Photovoltaic systems distributed
monitoring for performance optimization. Doct. Thesis.
Universidad de Málaga (RIUMA: riuma.uma.es). Málaga.
España. 2015. [in English].
9. Di Napoli F., Guerriero G., D’Alessandro V., Daliento
S. Single panel voltage zeroing system for safe access on PV
plants. IEEE J. Photovoltaics. 2015. Vol. 5(5). Pp. 1428-1434.
[in English].
10. Tonkoshkur A.S., Ivanchenko A.V., Nakashidze L.V.,
Mazurik S.V. Primenenie samovosstanavlivajushhihsja
jelementov dlja jelektricheskoj zashhity solnechnyh batarej. [The
use of self-healing elements for the electrical protection of solar
cells]. Tehnologija i konstruirovanie v jelektronnoj apparature.
2018. No. 1. Pp. 43-49. [in Russian].
11. Gavrikov V. Samovosstanavlivajushhiesja PTC-
predohraniteli dlja zashhity ot tokovyh peregruzok. [Self-
repairing PTS fuses for protection against current overloads].
Novosti Jelektroniki. 2014. No. 12. Pp. 11-15. [in Russian].
12. Kaminskaja T.P., Domkin
K.I. Samovosstanavlivajushhiesja predohraniteli dlja
avtomobilnoj jelektroniki. [Self-repairing fuses for automotive
electronics]. Jelektronnye komponenty. 2008. No. 5. Pp. 80-82.
[in Russian].
13. Oglesbee J.W., Burns A.G. Pat. 6608470 USA.
Overcharge protection device and methods for lithium based
rechargeable batteries. 19.08.03. [in English].
14. Protecting rechargeable Li-ion and Li-polymer
batteries: Littelfuse, Inc. 2017. [Electronic resource].
URL: http://www.littelfuse.com/~/media/electronics/applic
ation_notes/littelfuse_protecting_rechargeable_li_ion_and_li_po
lymerbatteries_in_consumer_portable_electronics_application_n
ote.pdf.pdf. (Applying date: 10.05.2019). [in English].
15. Levshov A.V., Fjodorov A.Ju. O matematicheskom
modelirovanii fotojelektricheskih module. [About mathematical
modeling of photovoltaic modules]. Naukovi praci DonNTU.
Serija Elektrotehnika i energetyka. 2013. No. 1(14). Pp. 153-
158. [in Russian].
16. Raushenbah G. Spravochnik po proektirovaniju
solnechnyh batarej. [Handbook of Solar Design]. M.
Jenergoatomizdat. 1983. 360 p. [in Russian].
17. Lorenzo E. Solar Electricity Engineering of
Photovoltaic Systems. Artes Graficas Gala. Spain. 1994. [in
English].
18. Koval O.S., Tivano M.S. Opredelenie parametrov
solnechnogo elementa iz ego svetovoj volt-ampernoj
harakteristiki. [Determination of parameters of a solar cell from
its light current-voltage characteristic]. Vestnik BGU. 2012. Ser.
1. No. 2. Pp. 39-44. [in Russian]
19. Salem F.A. Modeling and Simulation issues on Photo
Voltaic systems, for Mechatronics design of solar electric
applications. International Journal of Mechanical Engineering
(IIJME). August 2014. Vol. 2. Issue 8. [Electronic resource].
URL: http://www.ipasj.org/IIJME/IIJME.htm (Applying date:
10.05.2019). [in English].
20. Alboteanu I.L., Ivanov S., Manolea G. Modelling and
simulation of a stand-alone photovoltaic system. 8 th WSEAS
International Conference on POWER SYSTEMS (PS 2008).
Santander. Cantabria. Spain. September 23-25. 2008. Pp. 189-
194. [in English].
21. Hansen A.D., Sоrensen P., Hansen L.H., Binder H.
Models for a Stand-Alone PV System. Roskidle. 2000. 78 p. [in
English].
22. Gaevskij A.Ju. Opredelenie parametrov
fotojelektricheskih modulej na osnove tochnogo reshenija
uravnenija dlja VAH. [Determination of parameters of
photovoltaic modules based on the exact solution of the equation
for VAN]. Vidnovluvana energetika. 2012. No. 4. Pp. 32-39. [in
Russian].
23. Honsberg C., Bowden S. Arisone State University.
Solar Power Labs. [Electronic resource]. URL:
http://www.pveducation.org/pvcdrom (Applying date:
10.04.2019). [in English].
24. Mjeklin Je.D. Termorezistory. [Thermistors]. M. Radio
i svjaz. 1983. 208 p. [in Russian].
25. Tonkoshkur O.S., Trystan O.N. , S’janov O.M.
Komponentna baza REA. [Component base of REA].
Dniprodzerzhynsk DDTU. 2004. 240 p. [in Ukrainian].
26. PolySwitch. Resettable Device Short Form Catalog.
Tuco Electronics. Raychem circuit protection. May. 2005.
[Electronic resource]. URL: https://datasheet.octopart.
com/MICROSMD010F-2-Tyco-Electronics-datasheet-45906.pdf
(Applying date: 11.05.2019). [in English].
ЗАСТОСУВАННЯ САМОВІДНОВЛЮЮТЬСЯ ЗА-
ПОБІЖНИКІВ «POLYSWITCH» ДЛЯ ЗАПОБІГАННЯ
СТРУМОВИХ ПЕРЕВАНТАЖЕНЬ В ФОТОЕЛЕК-
ТРИЧНИХ СИСТЕМАХ
О.С. Тонкошкур, докт. фіз.-мат. наук, професор,
Л.В. Накашидзе, докт. техн. наук, директор НДІ енергетики
Актуальність. Наявні на сьогодні результати моделювання
та експериментальні дані свідчать, що обвідні діоди в під-
панельних рядках фотоелектричних елементів не повністю
захищають від появи «гарячих плям». Обвідні діоди більш
ефективні для запобігання «гарячих плям» при дуже корот-
http://www.pveducation.org/pvcdrom
https://datasheet.octopart.com/MICROSMD010F-2-Tyco-Electronics-datasheet-45906.pdf
https://datasheet.octopart.com/MICROSMD010F-2-Tyco-Electronics-datasheet-45906.pdf
http://ust.su/solar/media/section-inner17
http://www.littelfuse.com/~/media/
http://www.littelfuse.com/~/media/electronics
http://www.ipasj.org/IIJME/IIJME.htm
http://www.pveducation.org/pvcdrom
https://datasheet.octopart.com/MICROSMD010F-2-Tyco-Electronics-datasheet-45906.pdf
https://datasheet.octopart.com/MICROSMD010F-2-Tyco-Electronics-datasheet-45906.pdf
ISSN 1819-8058 (Print)
СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2020. № 2 44
ких довжинах рядків ФЕП, що не застосовується в сучасній
конструкції панелей з економічних міркувань. Тому необхід-
но підвищення надійності сонячних батарей, включаючи
усунення нештатних (пожежонебезпечних) ситуацій на
основі розробки методів і засобів запобігання струмових
перевантажень в їх фотоелектричних системах на основі
нових підходів.
Мета. Розробка універсального підходу для мінімізації
струмових перевантажень в фотоелектричних системах
сонячних батарей шляхом застосування недорогих елемен-
тів функціональної електроніки, зокрема, щодо нових і са-
мовідновних запобіжників типу "Polyswith", що набули ши-
рокого розповсюдження.
Метод. Запропоновано схемне рішення і методом моделю-
вання обґрунтовані можливості використання запобіжни-
ків типу Polyswitch для запобігання та мінімізації струмо-
вих перевантажень в фотоелектричних системах сонячних
батарей.
Результати. Проаналізовано вплив величини опору в провід-
ному стані і струму спрацьовування запобіжників на вольт-
амперні та вольт-ватні характеристики паралельних з'єд-
нань фотоелектричних перетворювачів і їх модулів.
Розроблено математичну модель схемного рішення і прове-
дено моделювання його основних характеристик при вико-
ристанні типових параметрів фотоелектричних перетво-
рювачів на основі монокристалічного кремнію і комерційних
самовідних запобіжників. Проаналізовано вплив величини
опору в провідному стані і струму спрацьовування СВП на
ВАХ і ВВХ паралельного з'єднання фотоелектричних компо-
нентів сонячних батарей.
Висновки. Показано, що ефективне обмеження струму за
наявності короткого замикання при такому з'єднанні фо-
тоелектричних компонент може бути реалізовано при ви-
конанні таких умов:
- опір запобіжника в провідному стані значно менше
послідовного опору фотоелектричного компоненту;
- струм спрацьовування запобіжника повинен бути більшим
струму короткого замикання окремого фотоелектричного
компонента і меншим струму їх паралельного з'єднання.
Бібл. 26, рис. 5, табл. 1.
Ключові слова: фотоелектричний перетворювач, струмові
перевантаження, самовідновлюваний запобіжник, вольт-
амперні характеристики, вольт-ватні характеристики,
моделювання.
Стаття надійшла до редакції 11.06.19
Остаточна версія 02.06.20
|
| id | veorgua-article-253 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:06:39Z |
| publishDate | 2020 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | veorgua/4d/61da8fed92b6ef5322d235ffbf902e4d.pdf |
| spelling | veorgua-article-2532026-07-18T06:32:14Z THE USE OF RESTTABLE FUSES “POLYSWITCH” TO PREVENT CURRENT OVER-LOADS IN PHOTOVOLTAIC SYSTEMS ПРИМЕНЕНИЕ САМОВОССТАНАВЛИВАЮЩИХСЯ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ «POLYSWITCH» ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ТОКОВЫХ ПЕРЕГРУЗОК В ФОТО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ Tonkoshkur, A. Nakashidze, L. photoelectric converter, overcurrent, resettable fuses, current-voltage characteristics, power-voltage characteristics, simulation. фотоэлектрический преобразователь, токовые перегрузки, самовосстанавливающиеся предохранители, вольт-амперные характеристики, вольт-ваттные характеристики, моделирование. Relevance. Currently available simulation results and experimental data indicate that bypass diodes in the subpanel rows of photovoltaic cells do not fully protect against the appearance of “hot spots”. Bypass diodes are more effective for preventing “hot spots” with very short PV-cell line lengths, which is not used in modern panel designs for economic reasons. Therefore, it is necessary to increase the reliability of solar cells, including the elimination of emergency (fire hazardous) situations based on the development of methods and means to prevent current overloads in their photovoltaic systems based on new approaches. Purpose. Development of a universal approach to minimize current overloads in photovoltaic systems of solar cells by using low-cost elements of functional electronics, in particular, relatively new and widely used self-healing fuses of the Polyswith type. Method. A circuit solution is proposed and the modeling method substantiates the possibility of using Polyswitch type fuses to prevent and minimize current overloads in solar PV systems. Results. The influence of the resistance value in the conducting state and the fuse trip current on the current-voltage and power-voltage characteristics of parallel connections of photoelectric converters and their modules is analyzed. A mathematical model of the circuit solution is developed and its basic characteristics are simulated using typical parameters of monocrystalline silicon photoelectric converters and commercial self-healing fuses. The influence of the resistance value in the conducting state and the trip current of the RFu on the current-voltage and power-voltage characteristics of the parallel connection of the photovoltaic components of solar cells is analyzed. Conclusion. It is shown that effective current limiting in the presence of a short circuit with such a connection of photovoltaic components can be implemented when the following conditions are met: - the resistance of the fuse in the conducting state is much less than the parallel connection of the series resistances of the photoelectric components; - the trigger current of the fuse must be greater than the short circuit current of the individual photovoltaic component and less than the current of their parallel connection. Ref. 26, fig. 5, tabl. 1. Актуальность. Имеющиеся на настоящий момент результаты моделирования и экспериментальные данные свидетельствуют, что обводные диоды в подпанельных строках фотоэлектрических элементов не полностью защищают от появления «горячих пятен». Обводные диоды более эффективны для предотвращения «горячих пятен» при очень коротких длинах строк ФЭП, что не применяется в современной конструкции панелей из экономических соображений. Поэтому необходимо повышения надежности солнечных батарей, включая устранение нештатных (пожароопасных) ситуаций на основе разработки методов и средств предотвращения токовых перегрузок в их фотоэлектрических системах на основе новых подходов. Цель. Разработка универсального подхода для минимизации токовых перегрузок в фотоэлектрических системах солнечных батарей путем применения недорогостоящих элементов функциональной электроники, в частности, относительно новых и, получивших широкое распространение, самовосстанавливающихся предохранителей типа “Polyswith”. Метод. Предложено схемное решение и методом моделирования обоснованы возможности использования предохранителей типа Polyswitch для предотвращения и минимизации токовых перегрузок в фотоэлектрических системах солнечных батарей. Результаты. Проанализировано влияние величины сопротивления в проводящем состоянии и тока срабатывания предохранителей на вольт-амперные и вольт-ваттные характеристики параллельных соединений фотоэлектрических преобразователей и их модулей. Разработана математическая модель схемного решения и проведено моделирование его основных характеристик при использовании типичных параметров фотоэлектрических преобразователей на основе монокристаллического кремния и коммерческих самовосстанавливающихся предохранителей. Проанализировано влияние величины сопротивления в проводящем состоянии и тока срабатывания СВП на ВАХ и ВВХ параллельного соединения фотоэлектрических компонентов солнечных батарей. Выводы. Показано, что эффективное ограничение тока при наличии короткого замыкания при таком соединении фотоэлектрических компонент может быть реализовано при выполнении следующих условий: –&nbsp;сопротивление предохранителя в проводящем состоянии значительно меньше параллельного соединения последовательных сопротивлений фотоэлектрических компонент; –&nbsp;ток срабатывания предохранителя должен быть больше тока короткого замыкания отдельного фотоэлектрического компонента&nbsp; и меньше тока их параллельного соединения. Библ. 26, рис. 5, табл. 1. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2020-06-28 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/253 10.36296/1819-8058.2020.2(61).34-44 Vidnovluvana energetika ; No. 2(61) (2020): Scientific and Applied Journal Vidnovluvana energetika; 34-44 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 2(61) (2020): Научно-прикладной журнал Возобновляемая энергетика; 34-44 Відновлювана енергетика; № 2(61) (2020): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 34-44 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2020.2(61) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/253/180 Copyright (c) 2020 A. Tonkoshkur, L. Nakashidze https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | photoelectric converter overcurrent resettable fuses current-voltage characteristics power-voltage characteristics simulation. Tonkoshkur, A. Nakashidze, L. THE USE OF RESTTABLE FUSES “POLYSWITCH” TO PREVENT CURRENT OVER-LOADS IN PHOTOVOLTAIC SYSTEMS |
| title | THE USE OF RESTTABLE FUSES “POLYSWITCH” TO PREVENT CURRENT OVER-LOADS IN PHOTOVOLTAIC SYSTEMS |
| title_alt | ПРИМЕНЕНИЕ САМОВОССТАНАВЛИВАЮЩИХСЯ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ «POLYSWITCH» ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ТОКОВЫХ ПЕРЕГРУЗОК В ФОТО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ |
| title_full | THE USE OF RESTTABLE FUSES “POLYSWITCH” TO PREVENT CURRENT OVER-LOADS IN PHOTOVOLTAIC SYSTEMS |
| title_fullStr | THE USE OF RESTTABLE FUSES “POLYSWITCH” TO PREVENT CURRENT OVER-LOADS IN PHOTOVOLTAIC SYSTEMS |
| title_full_unstemmed | THE USE OF RESTTABLE FUSES “POLYSWITCH” TO PREVENT CURRENT OVER-LOADS IN PHOTOVOLTAIC SYSTEMS |
| title_short | THE USE OF RESTTABLE FUSES “POLYSWITCH” TO PREVENT CURRENT OVER-LOADS IN PHOTOVOLTAIC SYSTEMS |
| title_sort | use of resttable fuses “polyswitch” to prevent current over-loads in photovoltaic systems |
| topic | photoelectric converter overcurrent resettable fuses current-voltage characteristics power-voltage characteristics simulation. |
| topic_facet | photoelectric converter overcurrent resettable fuses current-voltage characteristics power-voltage characteristics simulation. фотоэлектрический преобразователь токовые перегрузки самовосстанавливающиеся предохранители вольт-амперные характеристики вольт-ваттные характеристики моделирование. |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/253 |
| work_keys_str_mv | AT tonkoshkura theuseofresttablefusespolyswitchtopreventcurrentoverloadsinphotovoltaicsystems AT nakashidzel theuseofresttablefusespolyswitchtopreventcurrentoverloadsinphotovoltaicsystems AT tonkoshkura primeneniesamovosstanavlivaûŝihsâpredohranitelejpolyswitchdlâpredotvraŝeniâtokovyhperegruzokvfotoélektričeskihsistemah AT nakashidzel primeneniesamovosstanavlivaûŝihsâpredohranitelejpolyswitchdlâpredotvraŝeniâtokovyhperegruzokvfotoélektričeskihsistemah AT tonkoshkura useofresttablefusespolyswitchtopreventcurrentoverloadsinphotovoltaicsystems AT nakashidzel useofresttablefusespolyswitchtopreventcurrentoverloadsinphotovoltaicsystems |