AUTONOMOUS MEASUREMENT SYSTEM BASED ON MICROCOMPUTER FOR TESTING PHOTOELECTRIC MODULES
In this work the design and software for an autonomous measuring system on the microcomputer Raspberry Pi which destined for testing photovoltaic modules (PVM) in real conditions of exploitation are developed. The developed method for processing of the module’s current-voltage characteristics (CVC)...
Збережено в:
| Дата: | 2022 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2022
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/360 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Vidnovluvana energetika |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1871103550015143936 |
|---|---|
| author | Gaevskii, A. Ivanchuk, V. |
| author_facet | Gaevskii, A. Ivanchuk, V. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "A. Gaevskii",
"institution": "НТУУ «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського», м. Київ, Україна; Інститут відновлюваної енергетики НАН України, м. Київ, Україна."
},
{
"author": "V. Ivanchuk",
"institution": "NTUU «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», Kyiv, Ukraine; Institute of renewable energy, NAS Ukraine, Kyiv, Ukraine. "
}
] |
| author_sort | Gaevskii, A. |
| baseUrl_str | https://ve.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T06:32:17Z |
| description | In this work the design and software for an autonomous measuring system on the microcomputer Raspberry Pi which destined for testing photovoltaic modules (PVM) in real conditions of exploitation are developed. The developed method for processing of the module’s current-voltage characteristics (CVC) allow to determine the parameters of PVM: photocurrent, reverse saturation current of the pn-junction, non-ideality coefficient, series and parallel resistances of electrical losses. It have be noted that the mentioned parameters, as a rule, are not provided by module manufacturers, but they are essential for determining the current state of PVM, for their diagnostics, as well as for correctly forecasting the operation of PV plants in various external conditions. The measuring system implements the method of CVC scanning by changing the resistive load. Switching of resistors is carried out by field transistors (MOSFET), which are controlled by a certain program wrote in the microcomputer memory. The duration of scanning the entire CVC does not exceed a few seconds, which makes it possible to obtain real CVC under changable solar radiation and temperature, and perform PVM testing under exploitation at PV plant. PVM parameters within the framework of the single-diode model are calculated using the proposed method of solving the nonlinear equations system by the stable iterative algorithm, which is based on expansion of equations by small parameters and ensures the determining of parameters for about ten seconds. |
| doi_str_mv | 10.36296/1819-8058.2022.3(70).54-61 |
| first_indexed | 2025-07-17T11:38:48Z |
| format | Article |
| fulltext |
54
Відновлювана енергетика. №3/2022 | Сонячна енергетика
УДК 620.92:621.311.243 https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.3(70).54-61
АВТОНОМНА СИСТЕМА ВИМІРЮВАННЯ НА ОСНОВІ МІКРОКОМП’ЮТЕРА
ДЛЯ ТЕСТУВАННЯ ФОТОЕЛЕКТРИЧНИХ МОДУЛІВ
Отримано 17 серп. 2022; рекомендовано до публікації 27 вер. 2022
Доступно онлайн 30 вер. 2022
О. Ю. Гаєвський 1 , В. Ю. Іванчук 2
Автор для коресподенції: Олександр Гаєвський,
e-mail: a.gaevskii@kpi.ua
У цій роботі розроблено конструкцію та програмні ал-
горитми автономної системи для тестування фотое-
лектричних модулів (ФМ) у реальних умовах експлуата-
ції. Розвинутий метод обробки вольт-амперних харак-
теристик (ВАХ) модулів дозволяє визначати параме-
три фотомодулів: фотострум, зворотний струм наси-
чення pn-переходу, коефіцієнт неідеальності, послідовний та паралельний опори електричних
втрат. Слід відзначити, що ці параметри зазвичай не надаються виробниками модулів, але вони сут-
тєві для визначення поточного стану ФМ, їх діагностики, а також для коректного прогнозування
роботи фотоелектричних станцій (ФЕС) у різних зовнішніх умовах. Автоматизована вимірювальна
система сконструйована на базі мікрокомп’ютера Raspberry Pi B, у ній реалізований метод скану-
вання ВАХ шляхом зміни резистивного навантаження. Комутація резисторів здійснюється MOSFET-
транзисторами, якими керує певна програма, записана в пам’ять мікрокомп’ютера. Тривалість ска-
нування всій ВАХ не перевищує кількох секунд, що дає можливість отримувати реальну ВАХ при змін-
них сонячної радіації і температурі, та проводити тестування ФМ в польових умовах на ФЕС. Пара-
метри ФМ у рамках однодіодної схеми заміщення розраховуються за допомогою оригінального ме-
тоду рішення системи нелінійних рівнянь за стійким ітераційним алгоритмом, який заснований на
розкладанні нелінійних рівнянь за малими параметрами та забезпечує визначення параметрів не
більш ніж за десять секунд.
Ключові слова: фотоелектричний модуль, вольт-амперна характеристика, часткове затінення,
схема заміщення фотомодуля, визначення параметрів фотомодуля.
AUTONOMOUS MEASUREMENT SYSTEM BASED ON MICROCOMPUTER FOR TESTING
PHOTOELECTRIC MODULES
Received 17 Aug. 2022; accepted 27 Sept. 2022.
Available online 30 Sept. 2022
A. Gaevskii 1, V. Ivanchuk 2
Author for correspondence: Oleksandr Gaevskii,
e-mail: a.gaevskii@kpi.ua
In this work the design and software for an autonomous
measuring system on the microcomputer Raspberry Pi which
destined for testing photovoltaic modules (PVM) in real
conditions of exploitation are developed. The developed method for processing of the module’s current-voltage
characteristics (CVC) allow to determine the parameters of PVM: photocurrent, reverse saturation current of the
pn-junction, non-ideality coefficient, series and parallel resistances of electrical losses. It have be noted that the
mentioned parameters, as a rule, are not provided by module manufacturers, but they are essential for
1 д-р фіз.-мат. наук, професор.
https://orcid.org/0000-0001-6144-2441
2 аспірант.
https://orcid.org/0000-0002-0585-9610
1,2, НТУУ «Київський політехнічний інститут ім.
Ігоря Сікорського», м. Київ, Україна;
Інститут відновлюваної енергетики НАН
України, м. Київ, Україна.
1 Doctor of Phys. Math. Sci., Professor
https://orcid.org/0000-0001-6144-2441
2 PhD student.
https://orcid.org/0000-0002-0585-9610
1,2 NTUU «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Insti-
tute», Kyiv, Ukraine; Institute of renewable
energy, NAS Ukraine, Kyiv, Ukraine.
55
Відновлювана енергетика. №3/2022 | Сонячна енергетика
determining the current state of PVM, for their diagnostics, as well as for correctly forecasting the operation of PV
plants in various external conditions. The measuring system implements the method of CVC scanning by changing
the resistive load. Switching of resistors is carried out by field transistors (MOSFET), which are controlled by a
certain program wrote in the microcomputer memory. The duration of scanning the entire CVC does not exceed a
few seconds, which makes it possible to obtain real CVC under changable solar radiation and temperature, and
perform PVM testing under exploitation at PV plant. PVM parameters within the framework of the single-diode
model are calculated using the proposed method of solving the nonlinear equations system by the stable iterative
algorithm, which is based on expansion of equations by small parameters and ensures the determining of
parameters for about ten seconds.
Keywords: PV module, current-voltage characteristic, partial shading, equivalent scheme of PV module,
determination of PV module parameters.
Перелік використаних позначень та скорочень
АЦП – аналого-цифровий перетворювач
ВАХ – вольт-амперна характеристика
КЗ – коротке замикання
ККД – коефіцієнт корисної дії
ФЕС – фотоелектрична станція
ФМ – фотоелектричний модуль
ХХ – холостий хід
CVC – current-voltage characteristics (ВАХ)
MPP – maximum power point (точка максимальної
потужності)
STC – standard testing conditions (стандартні умови
тестування)
Вступ і постановка задачі. Однією з основних проблем
під час експлуатації фотоелектричних модулів (ФМ) у
складі ФЕС є поступове падіння електричних характе-
ристик ФМ внаслідок певних природних процесів та
випадкових або навмисних пошкоджень. Все це обу-
мовлює необхідність проведення масового тестування
фотомодулів, з’ясування їх реального стану, можли-
вого терміну служби. Фахівці в галузі сонячної енерге-
тики повинні мати мобільні недорогі прилади, вимірю-
вальні системи для оперативного аналізу можливості
введення до ладу найближчим часом пошкоджених
фотоелектричних модулів.
Ефективність ФМ істотно залежить не тільки від соняч-
ної радіації, затінення об’єктами, а й від процесу ста-
ріння під час експлуатації в реальних умовах. Результа-
том старіння фотоелектричних модулів під дією темпе-
ратурних коливань, високої вологості, інтенсивного
опромінення стає погіршення їхніх електричних харак-
теристик і насамперед зниження ККД [1, 2]. Основні па-
раметри ФМ (напруга ХХ Voc, струм КЗ Isc і точка макси-
мальної потужності Vm, Im) виробники вимірюють у ста-
ндартних тестових умовах (Standard Test Conditions –
STC) [3]. Але для опису поточного стану ФМ, особливо
після їх довгострокової експлуатації, необхідне знання
повнішого набору параметрів, які здебільшого треба
отримувати у місці розташування ФЕС.
Отже, система вимірювання параметрів ФМ на місці
може надати цінну інформацію для оптимізації виробі-
тку й резервування енергії в енергосистемі. Тому актуа-
льною задачею є розробка відповідної вимірювальної
системи, яка має містити в собі як апаратні засоби для
оперативного вимірювання в польових умовах, так і ал-
горитми для інтерпретації результатів вимірювань і
отримання параметрів фотоелектричних модулів.
Існують різноманітні методи й апаратне забезпечення,
призначені для отримання параметрів ФМ [4–6]. Вони
полягають переважно у вимірюванні ВАХ за допомогою
керування струмом, який проходить через ФМ. Загаль-
ний огляд існуючих методів вимірювання ВАХ ФМ наве-
дено, наприклад, в роботах [7–9], де було проаналізо-
вано такі методи: резистивний, ємнісний, електронного
навантаження, біполярного підсилювача, DC-DC пере-
творювача. Останніми роками розвивається метод змін-
ного навантаження на основі польових транзисторів
(MOSFET), якими керує сигнал невеликої амплітуди та
які покривають весь діапазон навантаження ФМ [10].
Перелічені методи та системи на їх основі відрізняються
точністю, ціною та габаритами обладнання, швидкістю
та простотою використання. Однак не всі вони забезпе-
чують реалізацію у вигляді компактного завершеного рі-
шення, що дає змогу працювати без прив’язки до
комп’ютера й надавати значення повного набора пара-
метрів модулів. У цій роботі пропонується таке рішення,
що засноване на використанні простого методу змін-
ного резистивного навантаження з блоком MOSFET, а
також програмного керування та обчислювальних ресу-
рсів мікрокомп’ютера Raspberry Pi [10].
Слід зазначити, що експериментальні результати вимі-
рювання ВАХ потребують подальшої програмної обро-
бки, яка складається зазвичай з апроксимації отриманих
даних та моделювання ВАХ за допомогою того чи ін-
шого типу функцій [11, 12]. На основі такої модельної
ВАХ здійснюється розрахунок параметрів ФМ у рамках
тієї чи іншої схеми заміщення [13–15]. Нами використо-
вується однодіодна схема заміщення [4–12], яка, незва-
жаючи на свою простоту, доволі повно характеризує ре-
альний стан модуля.
Системи тестування ФМ розробляються відповідно до
вимог, сформульованих в ряді стандартів (наприклад,
56
Відновлювана енергетика. №3/2022 | Сонячна енергетика
EC 62446:2009, IEC 60364-6, NEN 1010/NTA 8013) [16, 17].
З метою оптимізації процесів установлення і подальшої
діагностики модулів багато компаній пропонують обла-
днання для тестування, яке виконує вимірювання як
електричних характеристик й ефективності фотоелект-
ричної системи, так і інтенсивності радіації. За допомо-
гою PV-тестерів можна безпосередньо вимірювати вка-
зані вище параметри, але аналіз отриманих залежнос-
тей (наприклад, ВАХ) і визначення ширшого набору па-
раметрів ФМ зазвичай не передбачені. Для виконання
цих задач потрібне програмне і математичне забезпе-
чення, яке в комерційних моделях тестерів відсутнє.
Метою цієї роботи є розробка автоматизованої системи
вимірювання ВАХ фотоелектричних модулів, які працю-
ють в реальних умовах експлуатації, з можливістю пода-
льшої екстракції актуальних параметрів досліджуваних
ФМ. Розроблена в цій роботі система вимірювання ВАХ
була застосована для визначення параметрів ФМ, які
працюють в умовах повного освітлення та часткового за-
тінення. Показано, що ця система може бути успішно за-
стосована для вимірювання впливу затінення на фізичні
параметри ФМ.
Конструкція апаратної частини вимірювальної сис-
теми. ВАХ фотомодуля вимірюється резистивним мето-
дом шляхом зміни опору навантаження освітленого мо-
дуля від режиму короткого замикання (КЗ) до холостого
ходу (ХХ). Визначення необхідних параметрів ФМ здійс-
нюється під час подальшої програмної обробки ВАХ.
Блок-схема автоматизованої вимірювальної системи та
взаємозв’язки між її компонентами показані на рис. 1.
Основним компонентом є мікрокомп’ютер Raspberry Pi
4 Model B, який призначений для виконання всіх необ-
хідних розрахунків, зберігання інформації, управління
іншими частинами приладу. Через систему вводу-ви-
воду інформації, яка оздоблена сенсорним екраном,
задаються необхідні параметри вимірювання, зчиту-
ються результати експерименту та розрахунків. Ана-
лого-цифровий перетворювач (АЦП) Raspberry Pi High-
Precision AD/DA перетворює сигнали від аналогових да-
тчиків у цифрову форму та передає до мікро-
комп’ютера. Цей АЦП дає змогу підключити вісім вхід-
них аналогових сигналів, оцифровуючи їх з 24-розряд-
ною точністю і частотою оцифрування до 30 кГц. Для ви-
мірювання струму через навантаження використано да-
тчик на ефекті Холла компанії Allegro.
Електрична схема блоків вимірювальної системи пока-
зана на рис. 2. Реалізація технології сканування ВАХ за
допомогою змінного резистивного навантаження пот-
ребує пояснень. Насамперед конструкція навантажува-
льної частини має відповідати значенням потужності
ФМ і струму через навантаження. Цей найгабаритніший
компонент системи має тенденцію швидко нагріватись
під час сканування в області короткого замикання, тому
слід здійснювати вимірювання за дуже короткі промі-
жки часу та контролювати температуру всередині кор-
пусу приладу. В зв’язку з цим попередньо було прове-
дено розрахунки теплового балансу всієї конструкції си-
стеми. Для переважно рівномірного розподілу точок на
ВАХ під час сканування попередньо також розраховува-
лися оптимальні значення номіналів резисторів у наборі
опорів. Резистори були з’єднані паралельно, що дозво-
ляє завдяки використанню резисторів більшого номі-
налу зменшити струм через кожний резистор.
Для визначення оптимального набору опорів слугує ро-
зроблена програма, що моделює роботу вимірювальної
системи при різних конфігураціях резистивного наван-
таження і різних моделях ФМ. Моделювання при різних
кількостях резисторів у наборі показало, що точність ви-
мірів помітно погіршується при кількості < 7 та при зме-
ншені кількості експериментальних відліків < 15. Найпо-
вніше охоплює криву типових ВАХ магазин резисторів,
що починається з опору 1 Ом. Збільшення кількості
Рис.1. Блок-схема взаємозв’язків основних компонентів вимірювальної системи ФМ на основі
мікрокомп’ютера Raspberry Pi.
Fig. 1. Block-diagram of the interconnection of the main components of the PV measurement system based
on the Raspberry Pi microcomputer
57
Відновлювана енергетика. №3/2022 | Сонячна енергетика
резисторів не дає суттєвого покращення, але збільшує
час сканування. При визначенні необхідної потужності
резисторів треба враховувати, що кожен з них може ви-
користовуватись у декількох комбінаціях під час вимі-
рювання при різних струмах. Діапазон значень струму
залежить також від потужності ФМ, що тестується. Всі ці
проблеми стають менш істотними при зменшенні трива-
лості роботи резисторів під навантаженням. Наприклад,
згідно з даними компанії – виробника резисторів Hi-
tano, якщо через резистор протікає струм не довше 5 с,
його можна тримати під навантаженням до 6,25 ∙ 𝑃𝑃ном.
З урахуванням перелічених факторів магазин опорів
складався з семи резисторів опором від 1 до 64 Ом та
потужністю від 23 до 278 Вт. Для порівняння масо-габа-
ритних показників та ступеня перегріву було виготов-
лено два магазини резисторів, розрахованих на 5 с пе-
ренавантаження (цементні дротові резистори) та на 1 с
(метало-оксидні резистори).
Слід зауважити, що розроблена вимірювальна система
може працювати як за технологією змінного опору на-
вантаження, так і за циклом заряджання ємності.
Плата управління, яка розроблена в цій роботі (її зовні-
шній вигляд показано на рис. 3), виконує програмний
сценарій, записаний у пам’ять мікрокомп’ютера, керує
MOSFET-транзисторами для комутації резистивного на-
вантаження, забезпечує передачу даних з датчиків, ре-
алізує зв’язок між усіма компонентами системи. Друко-
вана плата забезпечує надійне з’єднання компонентів і
стабільність роботи, а для захисту використовуються рі-
зноманітні електронні компоненти, як-от полімерні за-
побіжники, конденсатори для стабілізації коливань на-
пруги й варистор для запобігання перенапрузі.
Рис. 3. Плата управління вимірювальною системою
Fig. 3. Control board of the measuring system
Автономне живлення дає змогу використовувати вимі-
рювальну систему в польових умовах, отримувати дос-
туп до результатів тестувань без підключення до зовні-
шнього джерела, а також забезпечує мобільність та мо-
жливість віддаленого керування. Ємність батареї в
складі приладу складає 45 Вт•год (чотири літій-іонних
акумулятори) – цього достатньо для безперервної ро-
боти впродовж 8 год в активному режимі.
Додаткові датчики забезпечують контроль температури
компонентів приладу, виконують виміри температури
ФМ та освітленості під час експерименту. Блок охоло-
дження забезпечує нормальний режим роботи,
Рис.2. Електрична схема плати управління
Fig. 2. Electrical layout of the control board
58
Відновлювана енергетика. №3/2022 | Сонячна енергетика
запобігає перегріву всіх компонентів. Для зручності ро-
боти з приладом і належного захисту компонентів сис-
теми було розроблено та виготовлено корпус за техно-
логією друку FDM.
Програмне забезпечення. Для управління усіма апара-
тними компонентами, виконання обробки отриманої ін-
формації, проведення необхідних розрахунків, виводу
результатів розроблено відповідне програмне забезпе-
чення. Платформа Raspberry Pi підтримує роботу з усіма
мовами програмування, що доступні на платформі
Linux, але в цій роботі була вибрана мова Python. Про-
грамне забезпечення базується на принципі модульно-
сті, що дозволяє розробляти окремі компоненти сис-
теми, які можуть функціонувати окремо один від од-
ного. Програмний пакет складається з таких модулів:
• основний системний модуль;
• модуль графічного інтерфейсу;
• модуль основних функцій системи;
• модуль керування даними;
• модуль сервера.
Для зручної та ефективної взаємодії з програмними мо-
дулями розроблено користувацький інтерфейс (рис. 4) з
доступом через сенсорний екран. Як інструмент розро-
бки вибрана графічна бібліотека Tkinter, призначена для
створення програм у Python з віконним інтерфейсом.
Для можливості віддаленого керування автономною си-
стемою та передачі результатів тестування було реалі-
зовано можливість вебдоступу за допомогою будь
якого браузера.
Передані через USB дані піддаються попередній обро-
бці в середовищі MATLAB за допомогою спеціалізованої
програми, в ході якої виконується сортування пар зна-
чень (V, I) й апроксимація ВАХ на певних відрізках полі-
номами від 1-го до 4-го ступеня. Від вибору точок зши-
вання відрізків апроксимант критичним чином зале-
жить якість апроксимації. Тому координати точок зши-
вання також знаходяться в ході процедури апроксима-
ції, яка будується на алгоритмі нелінійної оптимізації. В
результаті отримують гладку неперервно-диференційо-
вану функцію I(V) – саме вона використовується на на-
ступному етапі – визначення параметрів ФМ.
За отриманими результатами апроксимації визнача-
ються струм короткого замикання (short circuit, SC) 𝐼𝐼𝑠𝑠𝑠𝑠,
напруга холостого ходу (open circuit, OP) 𝑉𝑉𝑜𝑜𝑜𝑜, точка мак-
симуму потужності (Maximum Power Point, MPP), яка ха-
рактеризується парою величин 𝑉𝑉𝑚𝑚, 𝐼𝐼𝑚𝑚. Обчислюються
також тангенси кутів нахилу апроксимант в області КЗ і
ХХ та пов’язані з ними динамічні провідності 𝐺𝐺𝑠𝑠𝑠𝑠 і 𝐺𝐺𝑜𝑜𝑜𝑜
відповідно:
𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑑𝑑𝑑𝑑
�
𝑉𝑉→0
= 𝐺𝐺𝑠𝑠𝑠𝑠 ≡ − 1
𝑅𝑅𝑠𝑠𝑠𝑠
, 𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑑𝑑𝑑𝑑
�
𝑉𝑉→𝑉𝑉𝑜𝑜𝑜𝑜
= 𝐺𝐺𝑜𝑜𝑜𝑜 ≡ − 1
𝑅𝑅𝑜𝑜𝑜𝑜
, (1)
На основі перелічених величин розраховуються параме-
три ФМ однодіодної схеми заміщення за методом і ал-
горитмом згідно з попередньою роботою [13].
Результати вимірювань і розрахунків. У цій роботі визна-
чення поточного стану ФМ проводили в реальних польо-
вих умовах з використанням системи тестування для
зняття ВАХ та подальшої її обробки за допомогою розро-
блених програмних засобів. Під час експериментальних
досліджень для проведення вимірів використовували
Рис. 4. Користувацький інтерфейс на сенсорному екрані
Fig. 4. User interface on the touch screen
59
Відновлювана енергетика. №3/2022 | Сонячна енергетика
монокристалічний модуль Risen потужністю 285 Вт (вста-
новлений в альбомній орієнтації на південь з кутом на-
хилу 𝛽𝛽 = 35°). Приклад результатів вимірювання та апро-
ксимації зображено на рис. 5. Загалом було знято 64 екс-
периментальних відліки, що зайняло близько 0,78 с, тем-
пература резисторів не перевищувала 43 °С. Значення па-
раметрів, отриманих на основі даних цього прикладу, на-
ведені в табл. 1.
Таблиця 1. Результати екстракції параметрів ФМ
(резистивне навантаження)
Table 1. Results of extraction of PV parameters
(resistive load)
Висновки. Розроблена на основі мікроконтролерної
плати Raspberry Pi система бюджетного рівня дозволяє
вимірювати характеристики фотоелектричних модулів у
реальних польових умовах. Завдяки принципу управ-
ління роботою системи з мікрокомп’ютера Raspberry Pi
отримання необхідного набору відліків на ВАХ здійсню-
ється за доволі короткий час. У результаті розроблена
система дає змогу швидко і з високим ступенем точності
сканувати ВАХ при змінних умовах сонячної радіації та
температури.
Програмне забезпечення на мові
Python з введенням-виведенням
інформації через інтерфейс із се-
нсорним екраном дозволяє зру-
чно керувати процесом вимірю-
вання й обробки даних у режимі
реального часу. В розробленому
графічному інтерфейсі передба-
чений перегляд точок вимірю-
вання, апроксимаційної кривої
ВАХ, точок струму КЗ, напруги ХХ
і максимуму потужності. Розроб-
лений метод і програма в пакеті
MATLAB дає змогу в подальших
обчисленнях швидко отримувати
значення параметрів ФМ в рам-
ках однодіодної моделі.
Резистивний метод сканування
ВАХ фотомодулів у вигляді пред-
ставленого компактного при-
строю є простим і надійним під
час тестування фотомодулів поту-
жності до 400 Вт. Для покра-
щення точності розрахунку пара-
метрів можливе сканування певних ділянок ВАХ, що пе-
редбачено в інтерфейсі пристрою. З метою подальшого
покращення результатів вимірювання необхідно вико-
ристовувати АЦП з більшою частотою оцифрування, а
також збільшувати кількість резисторів у блоці наванта-
ження, що розширить набір можливих комутацій.
Актуальність розробки цієї вимірювальної системи по-
лягає в тому, що вона дає змогу проводити тестування
та діагностику поточного стану ФМ, а також визначати
фактичні електричні параметри ФМ, які необхідні для
задач оптимізації проєктних рішень для ФЕС. Окремими
задачами, які можна вирішувати за допомогою розроб-
леної системи, є визначення дефектного модуля в ма-
сиві, ступеня старіння модулів, прогнозування терміну їх
служби. Набір параметрів, який визначається за допо-
могою розроблених програм та вимірювальної системи,
дозволяє коректно визначати електричні характерис-
тики ФМ, які не надаються виробниками, а також отри-
мувати залежності цих характеристик від зовнішніх фак-
торів: рівня сонячної радіації, температури, часткового
затінення тощо.
ПОСИЛАННЯ
1. Manganiello P., Balat M., and Vitelli M. A survey on
mismatching and aging of PV modules: The closed loop.
IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2015. Vol.
62. No. 11. Pp. 7276–7286.
Рис.5. ВАХ ФМ Risen 285 (експеримент й апроксимація)
і крива потужності
Fig. 5. IV-curve of PV Risen 285 (experiment and approximation)
and power curve
60
Відновлювана енергетика. №3/2022 | Сонячна енергетика
2. Kim J., Rabelo M., Parvathi Padi S. et al. Review of the
Degradation of Photovoltaic Modules for Life
Expectancy. Energies 2021. 14. 4278.
https://doi.org/10.3390/en14144278
3. Er/ Z., Roubah Z., Kizilkan G., and Orken A. T. Standards
and Testing Experiments for a Photovoltaic Module.
European Journal of Science and Technology. Special
Issue, Jan. 2018. Pp. 12–15.
4. Zhu Y., Xiao W. A comprehensive review of topologies
for photovoltaic I–V curve tracer. Solar Energy, 2020.
Vol. 196. Pp. 346–357.
5. Гаєвський О. Ю., Іванчук В. Ю., Корнієнко І. О. Сис-
тема вимірювання параметрів фотоелектричних мо-
дулів в реальних умовах експлуатації/ Відновлювана
енергетика, 2019. № 2 (57). С. 32–39.
6. Гаєвський О. Ю., Іванчук В. Ю., Корнієнко І. О., Бодняк
В. В. Алгоритм і програмне забезпечення для
Arduino-системи тестування фотоелектричних моду-
лів. Відновлювана енергетика. 2021. No 1 С. 42–49.
7. Amiry H., Benhmida M., Bendaoud R., et al. Design and
implementation of a photovoltaic I-V curve tracer: Solar
modules characterization under real operating
conditions. Energy Conversion and Management. 2018.
Vol. 169. Pp. 206–216.
8. Cotfas D. T., Cotfas P. A., Ursutiu D., and Samoila C.
Current-voltage characteristic raising techniques for
solar cells. Comparisons and applications. 12th
International Conference on Optimization of Electrical
and Electronic Equipment. 2010. Pp. 1115–1120.
9. Duran E., Piliougine M., Sidrach-de-Cardona M., Galan
J., Andujar J. M. Different methods to obtain the I-V
curve of PV modules: A review. 33rd IEEE Photovolatic
Specialists Conference San Diego, CA, USA. 2008. Pp. 1–
6. https://doi.org/10.1109/PVSC.2008.4922578.
10. Sarikh S., Raoufi M., Bennouna A. et al. Implementation
of a plug and play I-V curve tracer dedicated to
characterization and diagnosis of PV modules under real
operating conditions. Energy Conversion and
Management, 2020. Vol. 209. 112613,
https://doi.org/10.1016/j.enconman.2020.112613.
11. Hansen C. W. Parameter Estimation for Single Diode
Models of Photovoltaic Module. SANDIA Report,
SAND2015-2065, March 2015. 67 p.
https://www.osti.gov/servlets/purl/1177157.
12. Гаевская А. Н. Алгоритм аппроксимации вольт-ам-
перных характеристик фотомодулей в условиях ча-
стичного затенения. Відновлювана енергетика. 2019.
№ 3 (58). С. 21–29.
https://doi: 10.36296/1819-8058.2019.3(58).21-29.
13. Gaevskii A. Method for determining parameters of PV
modules in field conditions // 2019 IEEE 6th
International Conference on Energy Smart Systems
(ESS), April 17–19. 2019. Кyiv, Ukraine.
14. Humada M., Darweesh S. Y., Mohammed K. G. et al.
Modeling of PV system and parameter extraction based
on experimental data: Review and investigation. Solar
Energy. 2020. Vol. 199. Pp. 742–760.
15. Venkateswari R., Rajasekar N. Review on parameter
estimation techniques of solar photovoltaic systems //
International Transactions on Electrical Energy Systems,
2021, Vol. 31. No. 11.
16. IEC 62446. Edition 1.0 2009-05. International standard.
Grid connected photovoltaic systems – Minimum
requirements for system documentation,
commissioning tests and inspection.
https://solargostaran.com/files/standards/IEC/IEC%20
62446-2009.pdf.
17. SIST EN 62446:2010. Grid connected PV systems.
Minimum requirements for system documentation
commissioning tests, and inspection requirements.
https://standards.iteh.ai/catalog/standards/sist/f0f554
37af90-4495-9417-d77d4266844a/sist-en-62446-2010.
REFERENCES
1. Manganiello P., Balat M., and Vitelli M. A survey on
mismatching and aging of PV modules: The closed loop.
IEEE Transactions on Industrial Electronic., 2015. Vol.
62. No. 11. Pp. 7276–7286.
2. Kim J., Rabelo M., Parvathi Padi S. et al. Review of the
Degradation of Photovoltaic Modules for Life
Expectancy. Energies 2021. 14. 4278.
https://doi.org/10.3390/en14144278.
3. Er Z., Roubah Z., Kizilkan G., and Orken A.T. Standards
and Testing Experiments for a Photovoltaic Module //
European Journal of Science and Technology. Special
Issue, Jan. 2018, Pp. 12–15.
4. Zhu Y., Xiao W. A comprehensive review of topologies
for photovoltaic I–V curve tracer // Solar Energy, 2020,
Vol. 196, p. 346–357.
5. Gaevskii A. Y., Ivanchuk V. Y., Kornienko I. O. System of
operative measurements of PV module parameters in
real conditions of operation. Renewable energy. 2019.
No. 2 (57), Pp. 32–39.
6. Gaevskii A. Y., Ivanchuk V. Y., Kornienko I. O., Bodnyak
V. V. Algorithm and software for Arduino-based system
for PV module testing. Renewable energy. 2021. No. 1,
Pp. 42–49.
7. Amiry H., Benhmida M., Bendaoud R., et al. Design and
implementation of a photovoltaic I-V curve tracer: Solar
modules characterization under real operating
conditions. Energy Conversion and Management. 2018.
Vol. 169. Pp. 206–216.
8. Cotfas D. T., Cotfas P. A., Ursutiu D., and Samoila C.
Current-voltage characteristic raising techniques for
solar cells. Comparisons and applications. 12th
61
Відновлювана енергетика. №3/2022 | Сонячна енергетика
International Conference on Optimization of Electrical
and Electronic Equipment. 2010. Pp. 1115–1120.
9. Duran E., Piliougine M., Sidrach-de-Cardona M., Galan
J., Andujar J. M. Different methods to obtain the I-V
curve of PV modules: A review. 33rd IEEE Photovolatic
Specialists Conference San Diego, CA, USA 2008. Pp. 1–
6. https://doi.org/10.1109/PVSC.2008.4922578.
10. Sarikh S., Raoufi M., Bennouna A. et al. Implementation
of a plug and play I-V curve tracer dedicated to
characterization and diagnosis of PV modules under real
operating conditions. Energy Conversion and
Management. 2020. Vol. 209. 112613,
https://doi.org/10.1016/j.enconman.2020.112613.
11. Hansen C. W. Parameter Estimation for Single Diode
Models of Photovoltaic Modules. SANDIA Report,
SAND2015-2065, March 2015. 67 p.
https://www.osti.gov/servlets/purl/1177157.
12. Gaevskaya A. Approximation algorithm for the current-
voltage characteristics of PV modules in partial shading
conditions. Renewable energy, 2019 (in press) (Rus.).
2019. No. 3 (58). Pp.21–29. https://doi: 10.36296/1819-
8058.2019.3(58).21–29.
13. Gaevskii A, Method for determining parameters of PV
modules in field conditions. 2019 IEEE 6th International
Conference on Energy Smart Systems (ESS), April 17–19.
2019. Кyiv, Ukraine.
14. Humada M., Darweesh S. Y., Mohammed K. G. et al.
Modeling of PV system and parameter extraction based
on experimental data: Review and investigation. Solar
Energy. 2020. Vol. 199, p. 742–760.
15. Venkateswari R., Rajasekar N. Review on parameter
estimation techniques of solar photovoltaic systems //
International Transactions on Electrical Energy Systems.
2021. Vol. 31. No. 11.
16. IEC 62446. Edition 1.0 2009-05. International standard.
Grid connected photovoltaic systems – Minimum
requirements for system documentation,
commissioning tests and inspection.
https://solargostaran.com/files/standards/IEC/IEC%20
62446-2009.pdf.
17. SIST EN 62446:2010. Grid connected PV systems.
Minimum requirements for system documentation
commissioning tests, and inspection requirements.
https://standards.iteh.ai/catalog/standards/sist/f0f554
37af90-4495-9417-d77d4266844a/sist-en-62446-2010.
|
| id | veorgua-article-360 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:09:58Z |
| publishDate | 2022 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | veorgua/b8/3569068dde287b6bd1f24c932e9d42b8.pdf |
| spelling | veorgua-article-3602026-07-18T06:32:17Z AUTONOMOUS MEASUREMENT SYSTEM BASED ON MICROCOMPUTER FOR TESTING PHOTOELECTRIC MODULES АВТОНОМНА СИСТЕМА ВИМІРЮВАННЯ НА ОСНОВІ МІКРОКОМП’ЮТЕРА ДЛЯ ТЕСТУВАННЯ ФОТОЕЛЕКТРИЧНИХ МОДУЛІВ Gaevskii, A. Ivanchuk, V. PV module, current-voltage characteristic, partial shading, equivalent scheme of PV module, determination of PV module parameters. фотоелектричний модуль, вольт-амперна характеристика, часткове затінення, схема замі-щення фотомодуля, визначення параметрів фотомодуля. In this work the design and software for an autonomous measuring system on the microcomputer Raspberry Pi which destined for testing photovoltaic modules (PVM) in real conditions of exploitation are developed. The developed method for processing of the module’s current-voltage characteristics (CVC) allow to determine the parameters of PVM: photocurrent, reverse saturation current of the pn-junction, non-ideality coefficient, series and parallel resistances of electrical losses. It have be noted that the mentioned parameters, as a rule, are not provided by module manufacturers, but they are essential for determining the current state of PVM, for their diagnostics, as well as for correctly forecasting the operation of PV plants in various external conditions. The measuring system implements the method of CVC scanning by changing the resistive load. Switching of resistors is carried out by field transistors (MOSFET), which are controlled by a certain program wrote in the microcomputer memory. The duration of scanning the entire CVC does not exceed a few seconds, which makes it possible to obtain real CVC under changable solar radiation and temperature, and perform PVM testing under exploitation at PV plant. PVM parameters within the framework of the single-diode model are calculated using the proposed method of solving the nonlinear equations system by the stable iterative algorithm, which is based on expansion of equations by small parameters and ensures the determining of parameters for about ten seconds. У цій роботі розроблено конструкцію та програмні алгоритми автономної системи для тестування фотоелектричних модулів (ФМ) у реальних умовах експлуатації. Розвинутий метод обробки вольт-амперних характеристик (ВАХ) модулів дозволяє визначати параметри фотомодулів: фотострум, зворотний струм насичення pn-переходу, коефіцієнт неідеальності, послідовний та паралельний опори електричних втрат. Слід відзначити, що ці параметри зазвичай не надаються виробниками модулів, але вони суттєві для визначення поточного стану ФМ, їх діагностики, а також для коректного прогнозування роботи фотоелектричних станцій (ФЕС) у різних зовнішніх умовах. Автоматизована вимірювальна система сконструйована на базі мікрокомп’ютера Raspberry&nbsp;Pi&nbsp;B, у ній реалізований метод сканування ВАХ шляхом зміни резистивного навантаження. Комутація резисторів здійснюється MOSFET-транзисторами, якими керує певна програма, записана в пам’ять мікрокомп’ютера. Тривалість сканування всій ВАХ не перевищує кількох секунд, що дає можливість отримувати реальну ВАХ при змінних сонячної радіації і температурі, та проводити тестування ФМ в польових умовах на ФЕС. Параметри ФМ у рамках однодіодної схеми заміщення розраховуються за допомогою оригінального методу рішення системи нелінійних рівнянь за стійким ітераційним алгоритмом, який заснований на розкладанні нелінійних рівнянь за малими параметрами та забезпечує визначення параметрів не більш ніж за десять секунд. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2022-09-30 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/360 10.36296/1819-8058.2022.3(70).54-61 Vidnovluvana energetika ; No. 3(70) (2022): Scientific and applied Journal renewable energy ; 54-61 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 3(70) (2022): Scientific and applied Journal renewable energy ; 54-61 Відновлювана енергетика; № 3(70) (2022): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 54-61 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2022.3(70) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/360/285 Copyright (c) 2022 A. Gaevskii, V. Ivanchuk https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | PV module current-voltage characteristic partial shading equivalent scheme of PV module determination of PV module parameters. Gaevskii, A. Ivanchuk, V. AUTONOMOUS MEASUREMENT SYSTEM BASED ON MICROCOMPUTER FOR TESTING PHOTOELECTRIC MODULES |
| title | AUTONOMOUS MEASUREMENT SYSTEM BASED ON MICROCOMPUTER FOR TESTING PHOTOELECTRIC MODULES |
| title_alt | АВТОНОМНА СИСТЕМА ВИМІРЮВАННЯ НА ОСНОВІ МІКРОКОМП’ЮТЕРА ДЛЯ ТЕСТУВАННЯ ФОТОЕЛЕКТРИЧНИХ МОДУЛІВ |
| title_full | AUTONOMOUS MEASUREMENT SYSTEM BASED ON MICROCOMPUTER FOR TESTING PHOTOELECTRIC MODULES |
| title_fullStr | AUTONOMOUS MEASUREMENT SYSTEM BASED ON MICROCOMPUTER FOR TESTING PHOTOELECTRIC MODULES |
| title_full_unstemmed | AUTONOMOUS MEASUREMENT SYSTEM BASED ON MICROCOMPUTER FOR TESTING PHOTOELECTRIC MODULES |
| title_short | AUTONOMOUS MEASUREMENT SYSTEM BASED ON MICROCOMPUTER FOR TESTING PHOTOELECTRIC MODULES |
| title_sort | autonomous measurement system based on microcomputer for testing photoelectric modules |
| topic | PV module current-voltage characteristic partial shading equivalent scheme of PV module determination of PV module parameters. |
| topic_facet | PV module current-voltage characteristic partial shading equivalent scheme of PV module determination of PV module parameters. фотоелектричний модуль вольт-амперна характеристика часткове затінення схема замі-щення фотомодуля визначення параметрів фотомодуля. |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/360 |
| work_keys_str_mv | AT gaevskiia autonomousmeasurementsystembasedonmicrocomputerfortestingphotoelectricmodules AT ivanchukv autonomousmeasurementsystembasedonmicrocomputerfortestingphotoelectricmodules AT gaevskiia avtonomnasistemavimírûvannânaosnovímíkrokompûteradlâtestuvannâfotoelektričnihmodulív AT ivanchukv avtonomnasistemavimírûvannânaosnovímíkrokompûteradlâtestuvannâfotoelektričnihmodulív |