PROVIDING OF THE DESCRIPTION ACCURACY OF THE CHARACTERISTICS FOR GROUPS OF SOLAR PHOTOVOLTAIC CELL AND SOLAR ARRAY BASED ON TARGET EXPERIMENTS ON THE COMPLEX EQUIPMENT
Improving the efficiency of converting solar radiation energy into electricity by solar cells is the main task of solar energy. And the modern interest in the design and operation of photovoltaic batteries based on solar cells leads to the evaluation of their main performance characteristics. To con...
Збережено в:
| Дата: | 2020 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2020
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/266 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Vidnovluvana energetika |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1871103363447259136 |
|---|---|
| author | Bezruchko, K. Knysh, L. Sinchenko, S. |
| author_facet | Bezruchko, K. Knysh, L. Sinchenko, S. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "K. Bezruchko",
"institution": "National Aerospace University «Kharkiv Aviation Institute», 61070, 17 Chkalov St., Kharkov, Ukraine."
},
{
"author": "L. Knysh",
"institution": "Oles Honchar Dnipro National University, 49000, 72 Gagarin Av., Dnipro, Ukraine."
},
{
"author": "S. Sinchenko",
"institution": "National Aerospace University «Kharkiv Aviation Institute», 61070, 17 Chkalov St., Kharkov, Ukraine."
}
] |
| author_sort | Bezruchko, K. |
| baseUrl_str | https://ve.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T06:32:14Z |
| description | Improving the efficiency of converting solar radiation energy into electricity by solar cells is the main task of solar energy. And the modern interest in the design and operation of photovoltaic batteries based on solar cells leads to the evaluation of their main performance characteristics. To control the quality and efficiency of a solar cell in production or in the laboratory, it is necessary to accurately measure its volt-ampere characteristic, which is the main source of information about the parameters and characteristics of the solar cell, such as efficiency, maximum power, short circuit current, no-load voltage , current and voltage at maximum power, form factor, etc. When designing photovoltaic batteries of large areas, ground or space applications, there are difficulties in determining the various losses, such as switching of photocells, their non-identity, uneven temperature and illumination of photovoltaic batteries. Usually these losses are taken into account by introducing various coefficients into the mathematical model. Experimental studies in the direction of more accurate determination of all kinds of losses in photovoltaic batteries lead to non-payback and complicate the conduct of such experimental studies. For the design and testing of large-area photovoltaic batteries, the authors propose an approach that is based on the construction of volt-ampere characteristics of photovoltaic batteries. The proposed approach allows to determine the free-ampere characteristics of an individual solar cell or groups of photovoltaic converters, to obtain models at different levels of illumination and temperature with the characteristic parameters of photovoltaic batteries of any area. The authors conducted an experimental confirmation of the proposed method, as well as a comparison with other experimental studies. The method identifies the transition coefficients of the mathematical model, as well as the features of the proposed approach. Bibl. 6, Fig. 2. |
| doi_str_mv | 10.36296/1819-8058.2020.3(62).35-41 |
| first_indexed | 2025-07-17T11:38:06Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1819-8058 (Print)
СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
© К.В. Безручко, Л.І. Книш, С.В. Сінченко, 2020
Відновлювана енергетика. 2020. № 3 35
УДК 621.7.064.52 DOI: https://doi.org/10.36296/1819-8058.2020.3(62).35-41
ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТОЧНОСТІ ОПИСУ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУП
ФОТОПЕРЕТВОРЮВАЧІВ І ФОТОЕЛЕКТРИЧНИХ БАТАРЕЙ НА ОСНОВІ
ЦІЛЬОВИХ ЕКСПЕРИМЕНТІВ НА КОМПЛЕКСНОМУ ОБЛАДНАННІ
К.В. Безручко1, докт. техн. наук, проф., Л.І. Книш2, докт. техн. наук, проф., С.В. Сінченко1, канд. техн. наук
1Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут»,
61070, вул. Чкалова, 17, м. Харків, Україна.
2Дніпровській національний університет імені Олеся Гончара,
49010, пр. Гагаріна, 72, м. Дніпро, Україна.
Підвищення ефективності перетворення енергії сонячного випромінювання в електроенергію сонячними елементами є ос-
новним завданням сонячної енергетики. А сучасний інтерес до проектування і експлуатації фотоелектричних батарей на
основі сонячних елементів призводить до оцінювання їх основних експлуатаційних характеристик. Для контролю якості
та ефективності сонячного елемента на виробництві або в лабораторних умовах необхідно точно виміряти його вольт-
амперну характеристику, яка є основним джерелом інформації про параметри та характеристики сонячного елемента,
таких як коефіцієнт корисної дії, максимальну потужність, струм короткого замикання, напругу холостого ходу, струм і
напругу при максимальній потужності, коефіцієнт форми тощо. При проектуванні фотоелектричних батарей великих
площ, наземного або космічного застосування, виникають труднощі у визначенні різних втрат, таких як комутація фото-
елементів, їх не ідентичність, нерівномірності температури і освітленості фотоелектричних батарей. Зазвичай ці втра-
ти враховують введенням у математичну модель різних коефіцієнтів. Експериментальні дослідження в напрямку більш
точного визначення всіляких втрат в фотоелектричних батареях призводять до не окупності та ускладнення проведення
таких експериментальних досліджень. Для проектування і випробування фотоелектричних батарей великих площин авто-
рами пропонується підхід, який оснований на побудові вольт-амперних характеристик фотоелектричних батарей. Запро-
понований підхід дозволяє з визначенням воль-амперної характеристики окремого сонячного елемента або груп фотоелек-
тричних перетворювачів, получити моделі при різних рівнях освітленості і температури з характерними параметрами
фотоелектричних батарей будь-якої площі. Авторами проведено експериментальне підтвердження запропонованої мето-
дики, а також порівняння з іншими експериментальними дослідженнями. В методиці визначені перехідні коефіцієнти ма-
тематичної моделі, а також розписані особливості застосування запропонованого підходу. Бібл.6, рис. 2.
Ключові слова: сонячний фотоелектричний елемент, сонячна фотоелектрична батарея, вольт-амперна характеристика,
потужність, струм короткого замикання, напруга холостого ходу, освітленість.
PROVIDING OF THE DESCRIPTION ACCURACY OF THE CHARACTERISTICS FOR
GROUPS OF SOLAR PHOTOVOLTAIC CELL AND SOLAR ARRAY BASED ON
TARGET EXPERIMENTS ON THE COMPLEX EQUIPMENT
K. Bezruchko1, doctor of technical sciences, professor, L. Knysh2, doctor of technical sciences, professor, S. Sinchenko1, Ph.D.
1National Aerospace University «Kharkiv Aviation Institute»,
61070, 17 Chkalov St., Kharkov, Ukraine.
2Oles Honchar Dnipro National University,
49000, 72 Gagarin Av., Dnipro, Ukraine.
Improving the efficiency of converting solar radiation energy into electricity by solar cells is the main task of solar energy. And the
modern interest in the design and operation of photovoltaic batteries based on solar cells leads to the evaluation of their main per-
formance characteristics. To control the quality and efficiency of a solar cell in production or in the laboratory, it is necessary to
accurately measure its volt-ampere characteristic, which is the main source of information about the parameters and characteristics
of the solar cell, such as efficiency, maximum power, short circuit current, no-load voltage , current and voltage at maximum power,
form factor, etc. When designing photovoltaic batteries of large areas, ground or space applications, there are difficulties in deter-
mining the various losses, such as switching of photocells, their non-identity, uneven temperature and illumination of photovoltaic
batteries. Usually these losses are taken into account by introducing various coefficients into the mathematical model. Experimental
studies in the direction of more accurate determination of all kinds of losses in photovoltaic batteries lead to non-payback and com-
plicate the conduct of such experimental studies. For the design and testing of large-area photovoltaic batteries, the authors propose
an approach that is based on the construction of volt-ampere characteristics of photovoltaic batteries. The proposed approach al-
lows to determine the free-ampere characteristics of an individual solar cell or groups of photovoltaic converters, to obtain models
at different levels of illumination and temperature with the characteristic parameters of photovoltaic batteries of any area. The au-
thors conducted an experimental confirmation of the proposed method, as well as a comparison with other experimental studies. The
method identifies the transition coefficients of the mathematical model, as well as the features of the proposed approach. Bibl. 6,
Fig. 2.
Keywords: solar photovoltaic cell, solar array, current-voltage characteristic, power, short circuit current, open circuit voltage,
illumination.
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2020.3(62).35-
ISSN 1819-8058 (Print)
СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2020. № 3 36
К.В. Безручко
K. Bezruchko
Відомості про автора: професор кафедри кос-
мічної техніки та нетрадиційних джерел енер-
гії Національного аерокосмічного університету
ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний
інститут», доктор технічних наук, професор.
Освіта: Харківський авіаційний інститут. Спе-
ціальність «Двигуни літальних апаратів».
Наукова сфера: математичне і фізичне моде-
лювання систем електрозабезпечення косміч-
ного і наземного застосування.
Публікації: більше 130 наукових праць з них 3
містяться в наукометричній базі Scopus.
ORCID: 0000-0002-9092-2732
Контакти: тел./факс: +38057788-40-65
e-mail: k.bezruchko@khai.edu
Author information: professor, Department of
Space Technology and Alternative Energy
Sources, National Aerospace University «Kharkov
Aviation Institute», doctor of technical sciences,
professor.
Education: Kharkov Aviation Institute. Specialty
aircraft engines.
Research area: mathematical and physical mod-
eling of power supply systems for space and
ground applications.
Publications: more than 130 scientific works of
which 3 are in the scientometric base Scopus.
ORCID: 0000-0002-9092-2732
Contacts: tel./fax: +38057788-40-65
e-mail: k.bezruchko@khai.edu
Л.І. Книш
L. Knysh
Відомості про автора: Завідувач кафедри
аерогідромеханіки та енергомасопереносу
Дніпровського національного університету
імені Олеся Гончара, доктор технічних наук,
професор.
Освіта: Дніпропетровський державний універ-
ситет.Спеціальність «Гідроаеродинаміка».
Наукова сфера: фахівець в галузі математич-
ного та комп’ютерного моделювання процесів
аерогідродинаміки та теплообміну.
Публікації: більш ніж 100.
ORCID: 0000-0003-3525-4804
Контакти: тел./факс: +38 099 00 34 310
e-mail: lknysh@ukr.net
Author information: Chair of Department of
Aehydromechanics and Energy and Mass Transfer
of Oles Gonchar Dnipro National University, doc-
tor of technical science, professor.
Education: Dnipropetrovsk State University, Spe-
cialty Hydroaerodynamics.
Research area: еxpert in the field of mathemati-
cal and computational modeling of fluid dynamics
and heat and mass transfer processes.
Publications: over 100.
ORCID: 0000-0003-3525-4804
Contacts: tel./fax: +38 099 00 34 310
e-mail: lknysh@ukr.net
С.В. Сінченко
S. Sinchenko
Відомості про автора: Завідуюча кафедрою
космічної техніки та нетрадиційних джерел
енергії Національного аерокосмічного універ-
ситету ім. М.Є. Жуковського «Харківський
авіаційний інститут», кандидат технічних наук.
Освіта: Національний аерокосмічний універ-
ситет ім. М.Є. Жуковського «Харківський
авіаційний інститут». Спеціальність «Двигуни
та енергетичні установки літальних апаратів».
Наукова сфера: математичне моделювання і
експериментальні випробування систем елект-
розабезпечення космічного і наземного засто-
сування.
Публікації: більше 20 наукових праць.
ORCID: 0000-0002-3331-6867
Контакти: тел./факс: +38057788-44-02
e-mail: s.sinchenko@khai.edu
Author information: Head of the Department of
Space Technology and Renewable Energy, Na-
tional Aerospace University «Kharkov Aviation
Institute», candidate of technical sciences.
Education: National Aerospace University. Zhu-
kovsky ME «Kharkov Aviation Institute». Specialty
«Aircraft engines and power plants».
Research area: mathematical modeling and exper-
imental tests of power supply systems for space and
ground applications.
Publications: over 20.
ORCID: 0000-0002-3331-6867
Contacts: tel./fax: +38 057788-44-02
e-mail: s.sinchenko@khai.edu
Перелік використаних позначень та скорочень:
БФI - струм батареї фотоелектричної;
Г
КЗI - струм короткого замикання групи фото-
перетворювачів;
Г
ОПТI - оптимальний струм групи;
Г
ХХU - напруга холостого ходу групи;
Г
ОПТU - оптимальна напруга групи фотоперетворювачів;
БФU - напруга батареї фотоелектричної
max
ГN - максимальна потужність групи фото-
перетворювачів;
БФE - освітленість батареї фотоелектричної;
БФТ - температура батареї фотоелектричної;
ВАХ – воль-амперна характеристика;
БФ – батарея фотоперетворювачів;
ФП – фотоперетворювач;
GaAs -галій-арсенід;
Si ФП – кремнієвий фотоперетворювач.
mailto:k.bezruchko@khai.edu
mailto:k.bezruchko@khai.edu
mailto:lknysh@ukr.net
mailto:lknysh@ukr.net
mailto:s.sinchenko@khai.edu
mailto:s.sinchenko@khai.edu
ISSN 1819-8058 (Print)
СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2020. № 3 37
Вступ. Сьогодні у світі відмічається
тенденція вирішення екологічних проблем за
допомогою застосування альтернативних джерел
енергії. Сонце - важливе відновлюване та
екологічно чисте джерело енергії. Сонячну
енергію можна перетворювати в електричну за
допомогою фотоелектричних перетворювачів
(ФП), які компонуються у батареї
фотоелектричні (БФ), які, як правило, називають
сонячними панелями. Такі джерела енергії є
безпечними для довкілля, та відносно надійними
з енергетичної точки зору. Тому спостерігається
стійкий інтерес споживачів щодо використання
сонячних панелей, який стимулює покращення
технології їх виробництва, удосконалення
конструкції та особливостей комутації.
Збільшення інтересу до фотоелектричних
перетворювачів призводить до інтенсивних
наукових досліджень в цій галузі та робіт по
модернізації та розробки нових зразків з новими
матеріалами. Для контролю якості та
ефективності сонячного елемента на виробництві
або в лабораторних умовах необхідно точно
виміряти його вольт-амперну характеристику
(ВАХ), яка є основним джерелом інформації про
параметри та характеристика сонячного елемента
(коефіцієнт корисної дії, максимальну
потужність, струм короткого замикання, напругу
холостого ходу, струм і напругу при
максимальній потужності, коефіцієнт форми
тощо). На них впливають оптичні,
електрофізичні властивості напівпровідника.
Лише детальний аналіз дозволяє визначити ту чи
іншу причину недостатнього рівня коефіцієнта
корисної дії певного зразка сонячного елемента.
Саме цим обумовлена актуальність роботи,
в якій пропонується новий комплексний підхід
до експериментальних досліджень сонячних
панелей, що базується на використанні
математичної моделі опису ВАХ групи БФ для
різних рівнів освітленостей і температур, яку
можна використовувати при описі ВАХ БФ будь-
якої площі спроектованих БФ. Запропонована
методика дозволяє забезпечити найліпшу
точність опису характеристик груп
фотоперетворювачів і фотоелектричних батарей.
Цей підхід може бути застосований до панелей з
різними типами ФП, різної потужності та площі.
Використання запропонованої методики приведе
до підвищення загальної ефективності показників
сонячних батарей, збільшення їх надійності та
зниженню вартості.
Постановка задачі. Побудова вольт-
амперної характеристики сонячної панелі на
основі теоретичного або експериментально
обґрунтованого опису ВАХ окремого
фотоелектричного перетворювача стало певною
мірою традиційним. Однак при проектуванні БФ
великих площ виникають труднощі у
встановленні втрат, які мають різну природу.
Серед них основними є комутація фотоелементів,
їх неідентичність, нерівномірності температури і
освітленості БФ і т.п. [1-3]. Зазвичай ці втрати
враховують введенням у модель різних
коефіцієнтів, як зазначено в роботі [3-6].
Детальні ж експериментальні дослідження в
напрямку більш точного визначення всіляких
втрат в БФ призводять до не окупності та
ускладнення проведених робіт.
У цій роботі авторами пропонується інший
підхід до побудови ВАХ БФ. Суть його полягає в
тому, що будується опис експериментальних
ВАХ не поодинокого ФП, а групи ФП, щодо
великої площі. Це виконується за допомогою
методу регресійного аналізу шляхом обробки
результатів експериментів на зазначених групах
ФП в широкому діапазоні рівнів освітленостей і
температур. В отриманій таким чином
регресійній математичної моделі для ВАХ групи
БФ перераховані вище схемні втрати
враховуються інтегрально. Відносячи параметри
цієї моделі до характерних параметрів або площі
групи ФП, отримаємо математичну модель, яку
можна використовувати при описі ВАХ БФ будь-
якої площі при різних рівнях освітленості і
температури. Таким чином, схемні втрати груп
ФП враховуються «масштабуванням» на всій
поверхні проектованої БФ.
Дослідження характеристик груп ФП. У
літературних джерелах замало інформації щодо
експериментальних досліджень ВАХ груп
фотоелементів відносно великій площі в
необхідному вигляді і в необхідному для
побудови математичної моделі обсязі. Тому в
рамках інформаційного забезпечення
математичної моделі БФ проведені власні цільові
експерименти на групах кремнієвих
фотоелементів [1].
Для експериментів авторами сформовано
шістнадцять груп Si ФП (розробки АТ «НВП
«Квант»), кожна з яких має активну площа 0.0403
м2 і комутується з трьома-чотирма стандартними
групами для обліку втрат від цього виду
комутації. Облік втрат від не ідентичності ФП в
групах (крім технологічних відмінностей)
досягається за рахунок наявності в групах
фотоелементів різних розмірів (20х27; 20х24;
20х21; 20х18 мм2). Сформовані групи ФП були
розміщені на одній з панелей, модифікованої під
стендовий варіант, а між групами рівномірно по
площі встановлені датчики температури і
освітленості.
ISSN 1819-8058 (Print)
СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2020. № 3 38
Метою експериментального дослідження
груп ФП з кремнію на експериментальному
обладнанні було одержання залежностей
характеристик параметрів
Г
КЗI ,
Г
ХХU ,
Г
ОПТI ,
Г
ОПТU
від освітленості і температури (при різних
поєднаннях цих двох факторів). Для цього була
розроблена спеціальна експериментальна
програма, яка мінімізує сумарний час
експерименту. Два фактори - освітленість і
температура - фіксувалися відповідно на п'яти
рівнях для груп Si ФП.
Значення
Г
ОПТI і
Г
ОПТU безпосередньо не
вимірювалися, але в області оптимального
режиму реєструвалися точки ВАХ з меншим
кроком. Потім визначення
Г
ОПТI і
Г
ОПТU
проводилось розрахунковим шляхом при обробці
експериментів з умови досягнення
max
ГN .
Реєстрація струму і напруги в кожній точці
ВАХ супроводжувалася реєстрацією інформації
трьох найближчих до цієї групи спарених
датчиків температури і освітленості. В результаті
отримані експериментальні залежності (1):
, ,Г
КЗ БФ БФI f E Т
, ,Г
XX БФ БФU f E Т
, ,Г
ОПТ БФ БФI f E Т
, .Г
ОПТ БФ БФU f E Т
(1)
Прямі експерименти на панелі БФ.
Прямі експериментальні дослідження ВАХ
панелей БФ необхідні:
- для порівняння математичних описів
характеристик БФ на базі експериментальних
досліджень груп ФП і встановлення адекватності
моделі і реальної панелі;
- для відпрацювання експериментальних
програм дослідження натурних БФ великих площ
(як і інших агрегатів системи
електрозабезпечення), із застосуванням
автоматизованої інформаційно-керуючої системи
моделюючого стенду БФ [1-2].
Для експериментів використовувалася
панель на базі Si, що має активну площа
SБФ0.6448 м2. Програма (методика)
експерименту побудована з розрахунку
максимальної автоматизації експерименту з
застосування комп’ютера і програмного
забезпечення.
Задані значення освітленості ЕБФ =
(500…1400 Вт/м2) забезпечуються попередньою
установкою досліджуваної панелі БФ на заданій
відстані від освітлювача. Всі наступні операції
здійснюються від комп’ютера, який регулює
температуру охолодження повітря в камері БФ,
стабілізуючи заданий рівень температури панелі
БФ (10 ... 70 °С), автоматично змінює
навантаження панелі БФ, забезпечуючи
реєстрацію точок ВАХ від Uхх до Iкз із заданою
дискретністю, проводить повторну реєстрацію
(до 10 раз) параметрів і в підсумку видає на друк
експериментальну інформацію:
, , , ,БФ ОПТ ОПТ
БФ БФ ОПТ
КЗ ХХ
I U
U I N
I U
в залежності від
БФ
срT
і
БФ
срЕ (при цьому здійснюється також
статистична обробка експериментальних даних і
оцінюється похибка експерименту).
Результати експериментального
дослідження характеристик розглянутої панелі
БФ (на основі Si ФП) представлені на рис. 1.
Похибка забезпечення заданих рівнів ЕБФ і ТБФ не
перевищує 5% (при нерівномірності на площі
панелі температури менше 4% і освітленості
менше 1%). Середньоквадратичне відхилення
вимірювань складають: по струму - 5.32х10-2, по
напрузі - 6.83х10-2.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 2 4 6 8 10 12
IБФ, A
UБФ, B
0
10
20
30
40
50
0 2 4 6 8 10 12
UБФ, В
Nуд, Вт/м
2
Рис. 1. Вольт-амперні і потужностні характеристики
панелі БФ з Si (Е=1377 Вт/м2) при температурах:
Т=70 °С; Т=40 °С Т=60 °С; Т=50 °С;
Fig. 1. Volt-ampere and power characteristics of the panel
silicon-based (E = 1377 W/m2) at different temperatures
Т=70 °С; Т=40 °С Т=60 °С; Т=50 °С;
Nпит, Вт/м2
ISSN 1819-8058 (Print)
СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2020. № 3 39
Проведено порівняння характеристик
панелі БФ, отриманих прямим експериментом, а
також з розрахунком по математичної моделі
панелі БФ.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 2 4 6 8 10 12
UБФ, В
IБФ, А
0
10
20
30
40
50
0 2 4 6 8 10 12
UБФ, В
Nуд, Вт/м
2
Рис. 2. Вольт-амперні і потужностні характеристики
панелі БФ з Si (Т = 25°С) при різних рівнях освітленості:
Е=570 Вт/м
2 ; Е=782 Вт/м
2
; Е=1125 Вт/м
2 ; Е=1377 Вт/м
2
Fig. 2. Volt-ampere and power characteristics the panel
silicon-based (Т = 25°С) at different light levels:
Е=570 Вт/м
2 ; Е=782 Вт/м
2
; Е=1125 Вт/м
2 ; Е=1377 Вт/м
2
Наприклад, для ТБФ50 °С и ЕБФ790 Вт/м2
визначені:
2
пит max 59,3 т / мБФ
експ
N В ,
2
пит max 63,14 т / мБФ
розр
N В ,
що свідчить про цілком прийнятне узгодження
результатів.
Побудова виразу ВАХ групи ФП. В
отриманій таким чином регресійній
математичній моделі ВАХ групи ФП схемні
втрати (комутаційні, від не ідентичності ФП і ін.)
враховуються інтегрально. Математична модель
ВАХ БФ будується на основі математичних
моделей груп ФП. Такий підхід дає можливість
отримати досить точну модель БФ, що дозволяє
описати ВАХ БФ не тільки в нормальному
режимі її роботи, але і при частковому її
затемнені або нерівномірному полі температур
по поверхні.
Конкретизуючи залежності для ІГ,
вибираємо в якості вихідного виразу
1 2exp ,Г КЗ ХХI І k k U U (2)
де k1, k2 – коефіцієнти, що визначаються з умови
проходження ВАХ через характерні точки:
короткого замикання, холостого ходу і
оптимальну.
Умови проходження ВАХ через три точки
записуються у вигляді:
Iг = Iкз при U = 0; (3)
Iг = 0 при U = Uхх; (4)
Iг = Iопт при U = Uопт. (5)
В силу перевизначення системи коефіцієнт
k1 може бути обчислений з виразу:
1 ,КЗ
ХХ
U
k I
U
(6)
яке задовольняє двом умовам - (3), (4).
За умов (2-5) визначаємо
1
2
ln
.
КЗ ОПТ
ОПТ ХХ
I I k
k
U U
(7)
Підставивши формули (6) і (7) в рівняння
(2), отримаємо математичний опис ВАХ групи
ФП:
.
UU
UU
U
U
I
I
1ln
exp
U
U
1II
г
хх
г
опт
г
ххгг
опт
г
хх
г
кз
г
опт
г
хх
гг
кзг
(8)
Вхідні параметри у виразі (8) залежать від
освітленості Е і температури Т. Для знаходження
цих залежностей прийнята поліноміальна модель
виду:
.Е)Т(ТU
;Е)Т(ТI
;Е)Т(ТU
;Е)Т(ТI
3333
г
опт
2222
г
опт
1111
г
хх
г
кз
(9)
Коефіцієнти α- α3, 𝛽-𝛽3, 𝛾-𝛾3, визначалися
методом регресійного аналізу при обробці даних
цільових експериментів на групах ФП з Si.
Аналогічно будуються характеристики груп ФП і
Nпит, Вт/м2
ISSN 1819-8058 (Print)
СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2020. № 3 40
БФ в цілому на основі GaAs, що підтверджено
проведеними експериментальними дослідження-
ми у відділенні енергетики кафедри космічної
техніки та нетрадиційних джерел енергії.
Побудова ВАХ панелі БФ. Параметри
характерних точок ВАХ БФ (при реалізації
другого шляху отримання ВАХ БФ) доцільно
визначати з використанням відповідних
параметрів груп ФП. Припускаючи для цього, що
форма ВАХ БФ якісно повторює форму ВАХ
групи ФП при будь-яких значеннях Е і Т
розглянутого діапазону, запишемо:
).Т,Е(UkU
);Т,Е(IkI
);Т,Е(UkU
);Т,Е(IkI
БФБФ
г
оптоптU
БФ
опт
БФБФ
г
оптоптI
БФ
опт
БФБФ
г
ххххU
БФ
хх
БФБФ
г
кзкзI
БФ
кз
(10)
Масштабні коефіцієнти ,I
кз
k ,U
хх
k ,I
опт
k
U
опт
k можна розрахувати наступним чином.
Використовуючи усереднену питому потужність
груп ФП (Nг / Sг) і застосовуючи при переході до
БФ з площею SБФ допущення про рівність
питомих потужностей БФ і груп ФП в
оптимальних точках їх ВАХ max max
'
БФ Г
БФ Г
N N
S S
,
тоді отримаємо
БФ max
max БФ
Г
Г
N
N S
S
, (11)
де
'
БФ дегр зап БФS k k S ,
kдегр – коефіцієнт, що враховує деградацію
параметрів БФ; kзап – коефіцієнт, що характеризує
повноту заповнення ФП площі БФ і визначається
за конкретно виконаним БФ (як приклад, для
перспективних БФ космічного призначення kзап =
0.91... …0.96).
Перетворюючи вираз (11), запишемо:
,БФ БФ Г Г БФ
опт опт дегр зап опт опт
Г
S
I U k k I U
S
(12)
або
0
0
,
опт
опт
дегр зап БФ
I
U Г
k k S
k
k S
(13)
де масштабні коефіцієнти в оптимальній точці
ВАХ БФ взяті при умовах експлуатації БФ
(
0
БФЕ =1360 Вт/м2,
0
БФТ =60ºС);
0 0
0 ;БФ Г
I опт опт
опт
k I I
0 0
0 .БФ Г
U опт опт
опт
k U U
(14)
У діапазоні температур 10 … 70ºС і
освітленості 550 … 1360 Вт/м2для шістнадцяти
груп кремнієвих фотоелементів залишкова
дисперсія опису склала 0,00757, а
середньоквадратичне відхилення 0,087. Якість
опису ВАХ можна оцінити візуально за рис. 1.
Для прикладу тут описано точки ВАХ однієї з
груп, а середня відносна похибка для всіх груп з
Si ФП становить 3,3%.
Якість отриманих виразів (9) і (10)
перевірялась також шляхом порівняння за
дослідженнями інших організацій, та
експериментах, проведених на групах ФП з
GaAs. Так, наприклад, основні параметри тих же
груп ФП з GaAs за експериментальними даними
мають значення:
при Е =1360 Вт/м2; Т = 40ºС та Sг = 9,3·10-3 м2;
Uxx
г = 3,6 В; Iкз
г = 0,527 А; Uopt
г=2,8 В; Iopt
г =
0,4749 А; Nпит
г = 143,0003 Вт/м2.
Перехід від ВАХ груп ФП до ВАХ БФ
можна здійснити двома шляхами:
1) Прямим обчисленням IБФ = mг·Іг і UБФ = nг Uг,
що в значній мірі ідеалізує схему комутації груп
ФП в панелі великої площі; тут Іг визначається по
залежності (8);
2) з використанням виразу (8), розглядаючи БФ
як граничний випадок групи ФП; при цьому у
виразі (8) Іг і Uг замінюються відповідно на ІБФ і
UБФ, а Iкз
г, Uxx
г, Iopt
г, Uopt
г замінюються на
параметри Iкз
БФ, Uxx
БФ, Iopt
БФ, Uopt
БФ, визначення
яких прямим експериментом викликає суттєві
труднощі.
У той же час використання виразу (8) для
розрахунку ВАХ БФ дозволяє врахувати схемні
втрати потужності БФ (комутаційні, від не
ідентичності ФП, від температурних
нерівномірностей, часткового затінення і т.д.) і
не залежить від реалізації тієї чи іншої схеми
комутації груп ФП в БФ. З іншого боку,
приймаючи напругу в робочій точці ВАХ БФ
UБФ ≈ Uopt
БФ і враховуючи, що UБФ = Uн + ∆UБФ
(при наявності в складі енергоустановки
апаратури регулювання, яка під-тримуватиме в
заданих межах напругу на вихідній шині
системи), отримаємо:
0
0 0 0
0
опт
БФ
опт БФ Н БФ
U Г Г Г
опт опт опт
U U U U
k
U U U
, (15)
де ΔUБФ – падіння напруги на діодному блоці і в
комутаційних ланцюгах (зазвичай задається при
конкретній розробці).
ISSN 1819-8058 (Print)
СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2020. № 3 41
Вважаючи
0
опт КЗI I Ik k k ,
0
опт КЗU U Uk k k
і з огляду на залежності (12) і (14), можна
визначити масштабні коефіцієнти у виразах (14) і
далі розрахувати ВАХ БФ на базі виразу (8).
Висновки. Представлений в роботі метод
обліку схемних втрат для розрахунку
характеристик ФП і БФ є точним і дозволяє,
базуючись на відносно простій методиці,
отримати характеристики груп ФП і панелей БФ
для будь-яких матеріалів ФП (Si, GaAs, та ін.).
Експериментальне отримання залежностей Uxx,
Iopt, Uopt, Iкз також не представляє значних
труднощів і прийнятно на будь-якому
відповідному експериментальному обладнанні.
1. Гаевский А.Ю. Определение параметров фо-
тоэлектрических модулей на основе точного решения
уравнения для ВАХ. Відновлювана енергетика. 2012.
№ 4. C. 32-39.
2. Безручко К.В., Белан Н.В., Белов Д.Г. и др.
Солнечные энергосистемы космических аппаратов.
Физическое и математическое моделирование. под
ред. акад. НАН Украины Конюхова С.Н. Харьков. Гос.
аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац. ин-т». 2000. 515 с.
3. Фаренбрух А., Бьюб Р. Солнечные элементы:
теория и эксперимент. пер. с англ. под ред.
М.М. Колтуна. М. Энергоатомиздат. 1987. 280 с.
4. Justus Simiyu, Elijah Ayieta, and Nicodemus
Odero A Fast and Accurate Analytical Method for Param-
eter Determination of a Photovoltaic System Based on
Manufacturer’s Data. Hindawi Journal of Renewable En-
ergy Volume 2020. Article ID 7580279. 18 p. [Електрон-
ний ресурс]. URL: https://doi.org/10.1155/2020/7580279
5. Коваль О.С., Тиванов М.С. Определение па-
раметров солнечного элемента из его световой вольт-
амперной характеристики. Вестник БГУ. Сер. 1. 2012.
№ 2. С.39-44.
6. Базилевский А.Б., Лукьяненко М.В. Модели-
рование вольт-амперных характеристик солнечных
батарей. Вестник Сибирского государственного аеро-
космического университета имени академика М.Ф.
Решетнева. Авиационная и космическая техника.
С.63-66.
REFERENCES
1. Gaevskij A.Yu. Opredelenie parametrov foto-
elektricheskikh module na osnove tochnogo resheniya
uravneniya dlya VAKH. [Determination of parameters of
photovoltaic modules based on the exact solution of the
equation for volt-ampere characteristics]. Vidnovluvana
energetika. 2012. No. 4. Рр.32-39. [in Russian].
2. Bezruchko K.V., Belan N.V., Belov D.G. i dr.
Solnechnye energosistemy kosmicheskikh apparatov
fizicheskoe i matematicheskoe modelirovanie. [Solar
power systems of space equipment. Physical and mathe-
matical modeling]. pod red. аkad NAN Ukrainy
Konyukhova S.N. Kharkov. Gos. aerokosm. un-t. Khark.
aviacz. in-t. 2000. 515 р. [in Russian].
3. Farenbrukh A., Byub R. Solnechnye elementy
teoriya i eksperiment. [Solar cells: theory and
experiment]. per. s angl. pod. red. M.M. Kkoltuna. M.
Energoatomizdat. 1987. 280 р. [in Russian].
4. Justus Simiyu, Elijah Ayieta and Nicodemus
Odero A Fast and Accurate Analytical Method for Param-
eter Determination of a Photovoltaic System Based on
Manufacturers Data. Hindawi Journal of Renewable Ener-
gy Volume 2020. Article ID 7580279. 18 p. [Electronic
resource]. URL: https://doi.org/10.1155/2020/7580279.
[in English].
5. Koval O.S., Tivanov M.S. Opredelenie par-
ametrov solnechnogo elementa iz ego svetovoy volt-
ampernoy harakteristiki. [Determination of solar cell
parameters from its light current-voltage characteristic].
Vestnik BGU. Ser. 1. 2012. No 2. Pp. 39-44. [in Russian].
6. Bazilevskiy A.B., Lukyanenko M.V.
Modelirovanie volt-ampernyih harakteristik solnechnyih
batarey. [Modeling the volt-ampere characteristics of solar
cells]. Vestnik Sibirskogo gosudarstvennogo aero-
kosmicheskogo universiteta imeni akademika
M. F. Reshetneva. Aviatsionnaya i kosmicheskaya tehni-
ka. Pp.63-66. [in Russian].
Стаття надійшла до редакції 04.05.20
Остаточна версія 18.09.20
https://doi.org/10.1155/2020/7580279
https://doi.org/10.1155/2020/7580279
|
| id | veorgua-article-266 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:07:01Z |
| publishDate | 2020 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | veorgua/63/321531bd65e98e61922855521b1b1163.pdf |
| spelling | veorgua-article-2662026-07-18T06:32:14Z PROVIDING OF THE DESCRIPTION ACCURACY OF THE CHARACTERISTICS FOR GROUPS OF SOLAR PHOTOVOLTAIC CELL AND SOLAR ARRAY BASED ON TARGET EXPERIMENTS ON THE COMPLEX EQUIPMENT ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТОЧНОСТІ ОПИСУ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУП ФОТОПЕРЕТВОРЮВАЧІВ І ФОТОЕЛЕКТРИЧНИХ БАТАРЕЙ НА ОСНОВІ ЦІЛЬОВИХ ЕКСПЕРИМЕНТІВ НА КОМПЛЕКСНОМУ ОБЛАДНАННІ Bezruchko, K. Knysh, L. Sinchenko, S. solar photovoltaic cell, solar array, current-voltage characteristic, power, short circuit current, open circuit voltage, illumination. сонячний фотоелектричний елемент, сонячна фотоелектрична батарея, вольт-амперна характеристика, потужність, струм короткого замикання, напруга холостого ходу, освітленість. Improving the efficiency of converting solar radiation energy into electricity by solar cells is the main task of solar energy. And the modern interest in the design and operation of photovoltaic batteries based on solar cells leads to the evaluation of their main performance characteristics. To control the quality and efficiency of a solar cell in production or in the laboratory, it is necessary to accurately measure its volt-ampere characteristic, which is the main source of information about the parameters and characteristics of the solar cell, such as efficiency, maximum power, short circuit current, no-load voltage , current and voltage at maximum power, form factor, etc. When designing photovoltaic batteries of large areas, ground or space applications, there are difficulties in determining the various losses, such as switching of photocells, their non-identity, uneven temperature and illumination of photovoltaic batteries. Usually these losses are taken into account by introducing various coefficients into the mathematical model. Experimental studies in the direction of more accurate determination of all kinds of losses in photovoltaic batteries lead to non-payback and complicate the conduct of such experimental studies. For the design and testing of large-area photovoltaic batteries, the authors propose an approach that is based on the construction of volt-ampere characteristics of photovoltaic batteries. The proposed approach allows to determine the free-ampere characteristics of an individual solar cell or groups of photovoltaic converters, to obtain models at different levels of illumination and temperature with the characteristic parameters of photovoltaic batteries of any area. The authors conducted an experimental confirmation of the proposed method, as well as a comparison with other experimental studies. The method identifies the transition coefficients of the mathematical model, as well as the features of the proposed approach. Bibl. 6, Fig. 2. Підвищення ефективності перетворення енергії сонячного випромінювання в електроенергію сонячними елементами є основним завданням сонячної енергетики. А сучасний інтерес до проектування і експлуатації фотоелектричних батарей на основі сонячних елементів призводить до оцінювання їх основних експлуатаційних характеристик. Для контролю якості та ефективності сонячного елемента на виробництві або в лабораторних умовах необхідно точно виміряти його вольт-амперну характеристику, яка є основним джерелом інформації про параметри та характеристики сонячного елемента, таких як коефіцієнт корисної дії, максимальну потужність, струм короткого замикання, напругу холостого ходу, струм і напругу при максимальній потужності, коефіцієнт форми тощо. При проектуванні фотоелектричних батарей великих площ, наземного або космічного застосування, виникають труднощі у визначенні різних втрат, таких як комутація фотоелементів, їх не ідентичність, нерівномірності температури і освітленості фотоелектричних батарей. Зазвичай ці втрати враховують введенням у математичну модель різних коефіцієнтів. Експериментальні дослідження в напрямку більш точного визначення всіляких втрат в фотоелектричних батареях призводять до не окупності та ускладнення проведення таких експериментальних досліджень. Для проектування і випробування фотоелектричних батарей великих площин авторами пропонується підхід, який оснований на побудові вольт-амперних характеристик фотоелектричних батарей. Запропонований підхід дозволяє з визначенням воль-амперної характеристики окремого сонячного елемента або груп фотоелектричних перетворювачів, получити моделі при різних рівнях освітленості і температури з характерними параметрами фотоелектричних батарей будь-якої площі. Авторами проведено експериментальне підтвердження запропонованої методики, а також порівняння з іншими експериментальними дослідженнями. В методиці визначені перехідні коефіцієнти математичної моделі, а також  розписані особливості застосування запропонованого підходу. Бібл.6, рис. 2. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2020-09-28 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/266 10.36296/1819-8058.2020.3(62).35-41 Vidnovluvana energetika ; No. 3(62) (2020): Scientific and Applied Journal Vidnovluvana energetika; 35-41 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 3(62) (2020): Научно-прикладной журнал Возобновляемая энергетика; 35-41 Відновлювана енергетика; № 3(62) (2020): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 35-41 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2020.3(62) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/266/190 Copyright (c) 2020 K. Bezruchko, L. Knysh, S. Sinchenko https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | solar photovoltaic cell solar array current-voltage characteristic power short circuit current open circuit voltage illumination. Bezruchko, K. Knysh, L. Sinchenko, S. PROVIDING OF THE DESCRIPTION ACCURACY OF THE CHARACTERISTICS FOR GROUPS OF SOLAR PHOTOVOLTAIC CELL AND SOLAR ARRAY BASED ON TARGET EXPERIMENTS ON THE COMPLEX EQUIPMENT |
| title | PROVIDING OF THE DESCRIPTION ACCURACY OF THE CHARACTERISTICS FOR GROUPS OF SOLAR PHOTOVOLTAIC CELL AND SOLAR ARRAY BASED ON TARGET EXPERIMENTS ON THE COMPLEX EQUIPMENT |
| title_alt | ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТОЧНОСТІ ОПИСУ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУП ФОТОПЕРЕТВОРЮВАЧІВ І ФОТОЕЛЕКТРИЧНИХ БАТАРЕЙ НА ОСНОВІ ЦІЛЬОВИХ ЕКСПЕРИМЕНТІВ НА КОМПЛЕКСНОМУ ОБЛАДНАННІ |
| title_full | PROVIDING OF THE DESCRIPTION ACCURACY OF THE CHARACTERISTICS FOR GROUPS OF SOLAR PHOTOVOLTAIC CELL AND SOLAR ARRAY BASED ON TARGET EXPERIMENTS ON THE COMPLEX EQUIPMENT |
| title_fullStr | PROVIDING OF THE DESCRIPTION ACCURACY OF THE CHARACTERISTICS FOR GROUPS OF SOLAR PHOTOVOLTAIC CELL AND SOLAR ARRAY BASED ON TARGET EXPERIMENTS ON THE COMPLEX EQUIPMENT |
| title_full_unstemmed | PROVIDING OF THE DESCRIPTION ACCURACY OF THE CHARACTERISTICS FOR GROUPS OF SOLAR PHOTOVOLTAIC CELL AND SOLAR ARRAY BASED ON TARGET EXPERIMENTS ON THE COMPLEX EQUIPMENT |
| title_short | PROVIDING OF THE DESCRIPTION ACCURACY OF THE CHARACTERISTICS FOR GROUPS OF SOLAR PHOTOVOLTAIC CELL AND SOLAR ARRAY BASED ON TARGET EXPERIMENTS ON THE COMPLEX EQUIPMENT |
| title_sort | providing of the description accuracy of the characteristics for groups of solar photovoltaic cell and solar array based on target experiments on the complex equipment |
| topic | solar photovoltaic cell solar array current-voltage characteristic power short circuit current open circuit voltage illumination. |
| topic_facet | solar photovoltaic cell solar array current-voltage characteristic power short circuit current open circuit voltage illumination. сонячний фотоелектричний елемент сонячна фотоелектрична батарея вольт-амперна характеристика потужність струм короткого замикання напруга холостого ходу освітленість. |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/266 |
| work_keys_str_mv | AT bezruchkok providingofthedescriptionaccuracyofthecharacteristicsforgroupsofsolarphotovoltaiccellandsolararraybasedontargetexperimentsonthecomplexequipment AT knyshl providingofthedescriptionaccuracyofthecharacteristicsforgroupsofsolarphotovoltaiccellandsolararraybasedontargetexperimentsonthecomplexequipment AT sinchenkos providingofthedescriptionaccuracyofthecharacteristicsforgroupsofsolarphotovoltaiccellandsolararraybasedontargetexperimentsonthecomplexequipment AT bezruchkok zabezpečennâtočnostíopisuharakteristikgrupfotoperetvorûvačívífotoelektričnihbatarejnaosnovícílʹoviheksperimentívnakompleksnomuobladnanní AT knyshl zabezpečennâtočnostíopisuharakteristikgrupfotoperetvorûvačívífotoelektričnihbatarejnaosnovícílʹoviheksperimentívnakompleksnomuobladnanní AT sinchenkos zabezpečennâtočnostíopisuharakteristikgrupfotoperetvorûvačívífotoelektričnihbatarejnaosnovícílʹoviheksperimentívnakompleksnomuobladnanní |