FEATURES OF ELECTRO-THERMAL PROTECTION OF SOLAR MODULES BASED ON BYPASS CRITI-CAL THERMORESISTORS
The results of experimental research on the influence of the features of the electrical circuit parameters of the solar module on the functioning of its passive photocell with a parallel-connected bypass critical thermistor as a method of increasing the solar module reliability of are presented. Gla...
Gespeichert in:
| Datum: | 2024 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2024
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/440 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Vidnovluvana energetika |
| Завантажити файл: |  |
Institution
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1871103727160524800 |
|---|---|
| author | Kolbunov , V. Tonkoshkur , A. Nakashydze, L. |
| author_facet | Kolbunov , V. Tonkoshkur , A. Nakashydze, L. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "V. Kolbunov ",
"institution": "Oles Honchar Dnipro National University, Dnipro, Ukraine."
},
{
"author": "A. Tonkoshkur ",
"institution": "Oles Honchar Dnipro National University, Dnipro, Ukraine."
},
{
"author": " L. Nakashydze",
"institution": "Oles Honchar Dnipro National University, Dnipro, Ukraine."
}
] |
| author_sort | Kolbunov , V. |
| baseUrl_str | https://ve.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T06:32:19Z |
| description | The results of experimental research on the influence of the features of the electrical circuit parameters of the solar module on the functioning of its passive photocell with a parallel-connected bypass critical thermistor as a method of increasing the solar module reliability of are presented. Glass-ceramic materials based on vanadium dioxide and vanadium-phosphate glass V2O5-P2O5 were used as thermistor, which change the electrical resistance in leaps and bounds by 1.5-2 orders of magnitude in the temperature range of 70 0С. The main attention is paid to the study of the patterns of behavior of the functional electrical and thermal characteristics of such elements depending on the amplitude of overvoltage and load resistance.
It was found that as the amplitude of the overvoltage on the passive (shaded or damaged) photocell increases, the duration of the process of switching the bypass thermistor to the highly conductive state decreases, the voltage drop after switching decreases sharply (to values not exceeding 2 V) and changes weakly. An increase in the load resistance leads to a decrease in the current through the thermistor and an increase in the duration of the transient process. With thermal contact between the passive photocell and the bypass thermistor, switching is observed at lower overvoltages. In the absence of such a contact, the temperature to which the photocell is heated changes insignificantly in a steady state. |
| doi_str_mv | 10.36296/1819-8058.2024.1(76).43-50 |
| first_indexed | 2025-07-17T11:39:20Z |
| format | Article |
| fulltext |
43
Відновлювана енергетика. №1/2024 | Сонячна енергетика
УДК 538.956 https://doi.org/10.36296/1819-8058.2024.1(76)43-50
ОСОБЛИВОСТІ ЕЛЕКТРОТЕПЛОВОГО ЗАХИСТУ СОНЯЧНИХ МОДУЛІВ НА ОСНОВІ БАЙПАСНИХ
КРИТИЧНИХ ТЕРМОРЕЗИСТОРІВ
Отримано 26 лют. 2024 р.; рекомендовано до публікації 22 бер. 2024 р.
Доступно онлайн 01 квіт. 2024 р.
Колбунов В. Р.1, Тонкошкур О. С.2,
Накашидзе Л. В.3
Автор для коресподенції: Накашидзе Лілія,
e-mail: foton_dnu@ukr.net
Анотація. Представлено результати експерименталь-
них досліджень впливу особливостей параметрів елект-
ричного кола сонячного модуля на функціонування його пасивного фотоелемента з паралельно підк-
люченим байпасним критичним терморезистором як методу підвищення надійності роботи
сонячного модуля. Як терморезистор використовували склокерамічні матеріали на основі діоксиду
ванадію та ванадій-фосфатного скла V2O5-P2O5, що стрибкоподібно змінюють величину електрич-
ного опору на 1,5−2 порядки в області температури 70 0С. Основну увагу приділено вивченню законо-
мірностей поведінки функціональних електричних і теплових характеристик таких елементів від
амплітуди перенапруги та опору навантаження.
Встановлено, що зі зростанням амплітуди перенапруги на пасивному (затіненому або пошкодже-
ному) фотоелементі тривалість процесу перемикання байпасного терморезистора у високопровід-
ний стан зменшується, падіння напруги після перемикання різко знижується (до величин, що не пере-
вищують 2 В) та слабко змінюється. Збільшення опору навантаження зумовлює зниження струму
через терморезистор і збільшення тривалості перехідного процесу. При тепловому контакті між
пасивним фотоелементом і байпасним терморезистором перемикання спостерігається за менших
перенапруг. За відсутності такого контакту температура, до якої нагрівається фотоелемент, у
сталому стані змінюється несуттєво.
Ключові слова: сонячний модуль, фотоелектричний елемент, локальний перегрів, критичний термо-
резистор, діоксид ванадію.
FEATURES OF ELECTRO-THERMAL PROTECTION OF SOLAR MODULES BASED ON BYPASS CRITICAL
THERMORESISTORS
Received Feb. 26, 2024; accepted Mar. 22, 2024
Available online Apr. 01, 2024
Kolbunov V.1, Tonkoshkur A.2, Nakashydze L.3
Author for correspondence: Nakashydze Liliya,
e-mail: foton_dnu@ukr.net
Abstract. The results of experimental research on the influence
of the features of the electrical circuit parameters of the solar
module on the functioning of its passive photocell with a paral-
lel-connected bypass critical thermistor as a method of increas-
ing the solar module reliability of are presented. Glass-ceramic materials based on vanadium dioxide and vana-
dium-phosphate glass V2O5-P2O5 were used as thermistor, which change the electrical resistance in leaps and
1 Cand.Sc.(Phys. and Math.), Asssoc. Prof.
https://orcid.org/0000-0003-0430-1591
2 Dr. Sc. (Phys. and Math.), Prof.
https://orcid.org/0000-0002-1648-675X
3 Dr. Sc. (Eng.), Sen. Res.Fel.
https://orcid.org/0000-0003-3990-6718
1,2,3 Oles Honchar Dnipro National University,
Dnipro, Ukraine.
1 канд. фіз.-мат. наук, доц.
https://orcid.org/0000-0003-0430-1591
2 д-р фіз.-мат. наук, проф.
https://orcid.org/0000-0002-1648-675X
3 д-р техн. наук, старш. наук. співроб.
https://orcid.org/0000-0003-3990-6718
1,2,3 Дніпровський національний університет
імені Олеся Гончара
44
Відновлювана енергетика. №1/2024 | Сонячна енергетика
bounds by 1.5-2 orders of magnitude in the temperature range of 70 0С. The main attention is paid to the study
of the patterns of behavior of the functional electrical and thermal characteristics of such elements depending on
the amplitude of overvoltage and load resistance.
It was found that as the amplitude of the overvoltage on the passive (shaded or damaged) photocell increases,
the duration of the process of switching the bypass thermistor to the highly conductive state decreases, the voltage
drop after switching decreases sharply (to values not exceeding 2 V) and changes weakly. An increase in the load
resistance leads to a decrease in the current through the thermistor and an increase in the duration of the transient
process. With thermal contact between the passive photocell and the bypass thermistor, switching is observed at
lower overvoltages. In the absence of such a contact, the temperature to which the photocell is heated changes
insignificantly in a steady state.
Key words: solar module, photovoltaic cell, local overheating, critical thermistor, vanadium dioxide.
Вступ
Найвідомішим методом, що використовується для запо-
бігання виникненню електричних перевантажень і пе-
регрівів у модулях сонячних батарей (СБ), є включення
пасивного байпасного (обвідного) діода паралельно до
кола фотоелектричних сонячних елементів (ФЕ) [1, 2].
Однак дослідження систем з байпасними діодами пока-
зали, що перенапруги та «гарячі плями» все ж таки ви-
никають, і це призводить до прискореного погіршення
характеристик СБ. За допомогою методів моделювання
та експериментальних досліджень визначено, що част-
кове затемнення кола ФЕ з обвідним діодом може при-
звести до розсіювання значної кількості тепла та форму-
вання «гарячих плям» [3−7].
Слід зазначити, що обвідні діоди, як і інші відомі схемо-
технічні рішення (резисторні дільники, активні обвідні
транзисторні перемикачі тощо) [8−11], реагують здебі-
льшого на електричні перевантаження (здебільшого на
перенапругу). Підвищення температури не є для них вхі-
дним контрольованим параметром, призводить до нас-
лідків, аналогічних перегріванню елементів, що захища-
ються. З цього погляду видається актуальним розроб-
лення елементів захисту, які реагують безпосередньо на
підвищення температури.
Склокерамічні терморезистивні матеріали на основі ді-
оксиду ванадію видаються перспективними для вирі-
шення таких завдань. Твердотільні елементи на основі
цих матеріалів мають стрибкоподібну залежність елект-
ричної провідності від температури та перемикальну (S-
подібну) вольт-амперну характеристику (ВАХ) [12−14]. Їх
широко застосовують під час реалізації пристроїв авто-
матики, контролю, перемикачів і обмежувачів потужно-
сті, термоелектричних перетворювачів електричних і
оптичних сигналів [15−20]. Їхні основні функціональні
властивості: критичне зменшення опору при темпера-
турі фазового переходу метал-напівпровідник (ФПМН) у
діоксиді ванадію (Tt ≈ 70 0C) і перемикальна ВАХ є перс-
пективними в сонячній енергетиці для підвищення від-
мовостійкості сонячних модулів [21, 22].
Для просування в цьому напрямі необхідні експериме-
нтальні дослідження впливу електричних і теплових
умов на роботу байпасних терморезистивних систем
електротеплового захисту. Зокрема, актуальним є дос-
лідження закономірностей поведінки їхніх функціона-
льних електричних і теплових характеристик у разі зміни
амплітуди перенапруги та внутрішнього опору джерела
вхідної напруги, тепловіддачі в навколишнє середо-
вище та її температури.
Аналіз попередніх досліджень і публікацій
Аналіз даних літератури засвідчив, що використання
критичних терморезисторів, описаних у [16, 19, 22, 23],
як байпасних елементів є перспективним напрямом для
захисту й забезпечення надійної роботи сонячних моду-
лів. Наявність у послідовному колі пасивного ФЕ з підви-
щеним опором (затіненого, зіпсованого) перешкоджає
проходженню струму через увесь сонячний модуль і
віддачі його в навантаження. Крім цього, до пасивного
ФЕ прикладається напруга, що генерується іншими акти-
вними фотоелементами, і це може призвести до його
нагрівання і деградації.
У разі паралельного (байпасного) під’єднання критич-
ного терморезистора до пасивного ФЕ терморезистор
розігрівається від прикладеної перенапруги та перехо-
дить в стан з низьким (близьким до металічного) опо-
ром, що забезпечить протікання струму модуля через
цю ділянку кола в навантаження, тобто забезпечить
цьому модулю роботу в режимі генерації.
Розглянутий підхід до підвищення надійності роботи со-
нячних модулів застосовувався в дослідженнях у [21,
22]. При цьому основна увага була приділена обґрунту-
ванню самого принципу дії такого елемента захисту від
перенапруги та перегрівів і можливості його застосу-
вання в сонячних фотоелектричних системах [22]. Однак
завдання розроблення розглянутих пристроїв як засобів
підвищення надійності функціонування сонячних фото-
електричних систем вимагають детального знання їхніх
електричних і теплових характеристик та особливостей
їх поведінки в різних умовах.
Мета роботи. Мета роботи – визначити закономірності
поведінки функціональних електричних і теплових ха-
рактеристик ФЕ й байпасного терморезистора під час
зміни величини перенапруги, внутрішнього опору
45
Відновлювана енергетика. №1/2024 | Сонячна енергетика
джерела вхідної напруги, а також за наявності й відсут-
ності теплового контакту між ними.
Результати дослідження та їх обговорення
Методика дослідження
У дослідженнях використовувалися зразки ФЕ з полікри-
сталічного кремнію з геометричними розмірами 150 х
50 мм. Досліджували кінетику залежності струму I(t) че-
рез опір навантаження Rload, падіння напруги U(t) і тем-
ператур послідовно з’єднаних фотоелектричного T1(t) та
терморезисторного T2(t) елементів під час увімкнення
перепаду постійної напруги Е від 0 до 5−15 V. Відлік часу
під час вимірювання релаксаційних залежностей здійс-
нювався секундоміром.
Напруга, яка в реальних випадках виникає у сонячному
модулі (послідовного з’єднання активних ФЕ) і прикла-
дена до пасивного (неактивного, затіненого) фотоеле-
мента з великим опором, імітувалася джерелом постій-
ної напруги Е.
Вимірювання температури здійснювали термопарами.
При цьому виникали деякі проблеми, пов’язані з її гра-
дієнтом уздовж зразків як ФЕ, так і терморезисторного
склокерамічного елемента на основі діоксиду ванадію
[24] (його розміри: товщина 1,5 мм, діаметр 10 мм), а та-
кож впливом формування каналів високої провідності
при ФПМН в останньому [25, 26]. У результаті термо-
пари давали показання деякої середньої, зазвичай за-
ниженої, температури. У зв'язку з цим, для терморезис-
тивного елемента температура обчислювалася за
значенням його опору з використанням попередньо ви-
міряної температурної залежності електричного опору.
Кінетика електротеплових процесів у фотоелементі з
байпасним терморезисторним елементом при пере-
напрузі
Експериментальні кінетичні залежності струму сонячного
модуля, що містить пасивний ФЕ з великим опором і бай-
пасним VO2-терморезистором, а також падіння напруги і
температур цього ФЕ і терморезистора за умови застосу-
вання ступінчастої напруги Е представлені на рис. 1.
Підключення постійної напруги Е до пасивного ФЕ, до-
статньої для запуску процесу нагрівання байпасного
терморезистора до температури ФПМН у діоксиді вана-
дію, зумовлює різке зростання струму та зменшення на-
пруги. Цьому відповідає зростання потужності розсію-
вання як для ФЕ, так і для терморезистора. Збільшення
температури призводить до зниження падіння напруги
U на такому паралельному з’єднанні через зменшення
його електричного опору та перерозподілу загальної на-
пруги Е між цим з'єднанням і послідовно включеним з
ним опором навантаження Rload.
Слід зазначити, що розглянутий ефект має місце як у
разі застосування теплоізольованого від ФЕ обвідного
терморезистора, так і для такого терморезистора з теп-
ловим контактом з ФЕ. Для другого випадку цей процес
реалізується за менших Е і потребує меншого часу ∆ttr,
оскільки терморезистор отримує додаткову теплову по-
тужність від ФЕ, що перебуває з ним у тепловому конта-
кті. Особливістю кінетичної залежності температури ФЕ
за його термоізоляції від байпасного терморезистора
(рис. 1, а) є зниження температури після переходу цього
терморезистора у високопровідний стан. У результаті
досягається стабільний стан з постійними значеннями
струму, падіння напруги та температур ФЕ і терморези-
стора. При цьому падіння напруги та збільшення темпе-
ратури незначні для ФЕ. Таким чином реалізується його
тепловий та електричний захист.
Слід зазначити, що розглянутий варіант конструкції за-
хисту сонячного модуля від наявності ФЕ з підвищеним
опором окремим обвідним терморезистором базується
на саморозігріві зазначеного резистора за рахунок виді-
леної на ньому електричної потужності. Тобто для
нього, як і для обвідних діодів, вхідними параметрами є
електричні величини (сила струму або перенапруга).
Однак базова властивість терморезистора реагувати на
підвищення температури дає змогу реалізувати конс-
трукції, вхідними параметрами яких можуть виступати
теплові чинники [22].
Вплив параметрів електричного кола на функціона-
льні властивості фотоелемента з байпасним терморе-
зисторним елементом
На рис. 2 наведено залежності сталих значень струму,
що віддається в навантаження Ist, падіння напруги Ust,
температур ФЕ і терморезистора Tst, а також тривалості
перехідного процесу для досягнення цих значень ∆ttr
від прикладеної напруги Е.
Як видно, має місце стрибкоподібна зміна таких функціо-
нальних електричних параметрів: струму, що віддається
в навантаження модуля, і падіння напруги на пасивному
ФЕ. Температура ФЕ в разі його ізоляції від обвідного тер-
морезистора зменшується до деякого невисокого постій-
ного значення. Залежність температури терморезистора
від Е відповідає зростаючій функції. Тривалість перехід-
ного процесу ∆ttr може бути фіксованою для Е, які відпо-
відають генерованій модулем напрузі, достатній для ро-
зігрівання терморезисторного елемента до температури
ФПМН. Зі зростанням Е час спрацьовування обвідного
терморезистора скорочується.
Відповідно до вищевикладеного зменшення перенап-
руги, прикладеної до паралельного з’єднання ФЕ–тер-
морезистор, і зростання струму через нього пов’язане з
критичним зменшенням електричного опору під час
його розігріву останнім. Як видно з наведених тут ре-
зультатів досліджень, усталені значення струму через
байпасний терморезистор можуть досягати значної ве-
личини. Ця величина визначається послідовно ввімкне-
ними внутрішнім опором джерела живлення RS і опо-
ром навантаження Rload. Внутрішній опір RS активної
(освітленої) частини сонячного модуля малий (до декі-
лькох Ом [27]. Отже, основним струмообмежувальним
резистивним елементом можна вважати опір Rload.
46
Відновлювана енергетика. №1/2024 | Сонячна енергетика
Збільшення Rload (та/або RS) веде до зменшення струму і
потужності, що розсіюється терморезистором (і ФЕ в разі
наявності теплового контакту між ними), що може приз-
вести до його охолодження і збільшення його опору. В
результаті може спостерігатися перерозподіл напруги в
розглянутому колі таким чином, що частина, яка
прикладається до ФЕ і до відповідного байпасного термо-
резистора, буде слабо змінюватися. У підсумку це приз-
водить до закономірностей для сталих значень Ist(Rload) і
Ust(Rload), представлених на рис. 3. Як видно, зі збільшен-
ням Rload має місце збільшення тривалості перехідного
процесу, зумовленого ФПМН у терморезисторі.
а б
Рис. 1. Залежності струму ФЕ (I), падіння напруги на пасивному ФЕ з більшим опором (U) та темпера-
тур Т ФЕ (крива 1) і терморезистора (2) від часу для паралельного з'єднання ФЕ–байпасний терморези-
стор без теплового контакту (a, напруга джерела живлення E = 8 V) і з ним (b, E = 7,5 V)
Fig. 1. Dependencies of PV current (I), voltage drop on passive PV with higher resistance (U) and temperatures T of PV
(curve 1) and thermistor (2) on time for parallel connection of PE–bypass thermistor without thermal contact (a, power
supply voltage E = 8 V) and with it (b, E = 7,5 V)
47
Відновлювана енергетика. №1/2024 | Сонячна енергетика
Рис. 2. Залежності сталих значень струму опору на-
вантаження Ist, падіння напруги на ФЕ з більшим опо-
ром Ust, температур ФЕ (криві 1' і 2') і байпасного
терморезистора Tst (1 і 2) та часу спрацьовування
терморезистора ∆ttr від перенапруги Е. Криві 1, 1' та
2, 2' відповідають системам ФЕ–терморезистор без
теплового контакту і з ним
Fig. 2. Dependencies of the constant values of the load
resistance current Ist, the voltage drop on the PV with a
higher resistance Ust, the temperatures of the PV (curves 1'
and 2') and the bypass thermistor Δtst (1 and 2) and the
thermistor activation time ∆ttr from overvoltage E. Curves
1, 1' and 2, 2' correspond to PV–thermoresistor systems
without and with thermal contact
Рис. 3. Залежності сталих після спрацьовування бай-
пасного теморезистора значень струму опору наван-
таження Ist, падіння напруги на ФЕ Ust і часу спрацьо-
вування теморезистора ∆ttr для системи ФЕ–
терморезистор без теплового контакту, від опору
навантаження RLoad
Fig. 3. Dependences of constant values of load resistance
current Ist, voltage drop across PV Ust and thermoresistor
activation time Δttr for a PV–thermoresistor system
without thermal contact, on load resistance RLoad after
activation of bypass thermistor
Висновки
У роботі представлено результати експериментальних
досліджень закономірностей поведінки функціональ-
них електричних і теплових характеристик ФЕ з полікри-
сталічного кремнію та байпасного склокерамічного тер-
морезистора на основі діоксиду ванадію під час зміни
параметрів електричного кола.
Встановлено, що за наявності електричних перенапруг:
− тривалість процесу перемикання байпасного термо-
резистора у високопровідний стан зменшується зі
зростанням амплітуди перенапруги на пасивному
48
Відновлювана енергетика. №1/2024 | Сонячна енергетика
(затіненому або пошкодженому) ФЕ, що має вели-
кий опір;
− падіння напруги на пасивному ФЕ після зазначеного
перемикання різко знижується (до величин, що не
перевищують 2 V) і слабо залежить від величини пе-
ренапруги;
− збільшення опору навантаження зумовлює зни-
ження струму переключеного терморезистора і збі-
льшення тривалості перехідного процесу;
− за наявності теплового контакту між пасивним ФЕ і
байпасним терморезистором перехід останнього у
високопровідний стан спостерігається за менших пе-
ренапруг, а за відсутності такого контакту темпера-
тура, до якої нагрівається ФЕ, у сталому стані зміню-
ється незначно.
ПОСИЛАННЯ
1. Vieira R. G., de Araújo F. M., Dhimish M., Guerra M. I. A
comprehensive review on bypass diode application on
photovoltaic modules. Energies. 2020. No. 13(10).
P. 2472. https://doi.org/10.3390/en13102472
2. Kreft W., Przenzak E., Filipowicz M. Photovoltaic chain
operation analysis in condition of partial shading for sys-
tems with and without bypass diodes. Optik. 2021.
No. 247. P. 167840.
https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2021.167840
3. Kim K. A., Krein P. T. Reexamination of photovoltaic hot
spotting to show inadequacy of the bypass diode. IEEE
Journal of Photovoltaics. 2015. Vol. 5. Iss. 5. P. 1435–
1441. https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2015.2444091
4. Humaid V., Kumar M., Gupta R. Bypass diode effect on
temperature distribution in crystalline silicon photovol-
taic module under partial shading. Solar Energy. 2020.
Vol. 208. P. 182–194.
https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.07.087
5. Teo J. C., Tan R. H., Mok V. H., Ramachandaramurthy V. K.,
Tan C. Impact of bypass diode forward voltage on maxi-
mum power of a photovoltaic system under partial shad-
ing conditions. Energy. 2020. No. 191. P. 116491.
https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.116491
6. Satpathy P. R., Bhowmik P., Babu T. S., Sharma R.,
Sain C. Bypass Diodes Configurations for Mismatch
Losses Mitigation in Solar PV Modules. In Innovation in
Electrical Power Engineering, Communication, and
Computing Technology: Proceedings of Second IEPCCT
2021. 2022. P. 197−208. https://doi.org/10.1007/978-
981-16-7076-3_18
7. Lee C. G., Shin W. G., Lim J. R., Kang G. H., Ju Y. C.,
Hwang H. M., Ko S. W. Analysis of electrical and thermal
characteristics of PV array under mismatching condi-
tions caused by partial shading and short circuit failure
of bypass diodes. Energy. 2021. Vol. 218. P. 119480.
https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.119480
8. Tang S., Xing Y., Chen L., Song X., Yao F. Review and a
novel strategy for mitigating hot spot of PV panels. Solar
Energy. 2021. Vol. 214. P. 51–61.
https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.11.047
9. Guerriero P., Tricoli P., Daliento S. A bypass circuit for
avoiding the hot spot in PV modules. Solar Energy. 2019.
Vol. 181. P. 430−438.
https://doi.org/10.1016/j.solener.2019.02.010
10. Guerriero P., Daliento S. A Power MOS Based Circuit for
Controlling the Hot Spot Temperature in Photovoltaic
Modules. 25th International Workshop on Thermal In-
vestigations of ICs and Systems (THERMINIC). 2019.
Lecco, Italy. P. 1−5. https://doi.org/10.1109/THER-
MINIC.2019.8923447
11. Tonkoshkur A. S., Ivanchenko A. V., Nakashydze L. V.,
Lyashkov A. Yu., Gomilko I. V. Application of polymer
posistor nano-composites in systems for protecting
photovoltaic components of solar arrays from electrical
overloads. Monograph. Primedia eLaunch, Boston, USA.
2021. 172 p. https://doi.org/10.46299/978-1-63972-
054-5
12. Bruckner W., Opperman H., Reihelt W., Terukow J. I.,
Tschudnowski F. A., Wolf E. Vanadiumoxide: Darstel-
lung, Eigenschaften, Anwendung. Berlin: Akademie-
Verlag. 1983. 252 p.
13. Pergament A. L., Stefanovich G. B., Velichko A. A. Oxide
electronics and vanadium dioxide perspective: A re-
view. Journal on Selected Topics in Nano Electronics and
Computing. 2013. Vol. 1. No. 1. P. 24–43.
https://doi.org/10.15393/j8.art.2013.3002
14. Liu K., Lee S., Yang S., Delaire O., Wu J. Recent pro-
gresses on physics and applications of vanadium diox-
ide. Materials Today. 2018. No. 21(8). P. 875–896.
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2018.03.029
15. Givernaud J., Crunteanu A., Orlianges J. C. et al. Micro-
wave power limiting devices based on the semiconduc-
tor-metal transition in vanadium-dioxide thin films. IEEE
Transactions on Microwave Theory and Techniques.
2010 Vol. 58. No. 9. P. 2352–2361.
https://doi.org/10.1109/TMTT.2010.205717
16. Pan K., Wang W., Shin E. et al. Vanadium oxide thin-film
variable resistor-based RF switches. IEEE Transactions
on Electron Devices. 2015. Vol. 62. No. 9. P. 2959–2965.
https://doi.org/10.1109/TED.2015.2451993
17. Soltani M., Kaye A. B. Properties and applications of
thermochromic vanadium dioxide smart coatings. In
book: Intelligent Coatings for Corrosion Control. Butter-
worth-Heinemann. 2015. P. 461–490.
https://doi.org/10.1016/B978-0-12-411467-8.00013-1
49
Відновлювана енергетика. №1/2024 | Сонячна енергетика
18. Li L., Wang W., Shin E. et al. Design of tunable shunt and
series interdigital capacitors based on vanadium dioxide
thin film. Proceedings of 2017 IEEE National Aerospace
and Electronics Conference (NAECON). USA, OH, Day-
ton. 2017. P. 279–283.
https://doi.org/10.1109/NAECON.2017.8268785
19. Ke Y., Wang S., Liu, G., Li M., White T. J., Long Y. Vana-
dium dioxide: The multistimuli responsive material and
its applications. Small. 2018. Vol. 14(39). P. 1802025.
https://doi.org/10.1002/smll.201870178
20. Nordquist C. D., Leonhardt D., Custer J. O. et al. Power
handling of vanadium dioxide metal-insulator transition
RF limiters. Proceedings of 2018 IEEE MTT-S Interna-
tional Microwave Workshop Series on Advanced Mate-
rials and Processes for RF and THz Applications (IMWS-
AMP). USA, MI, Ann Arbor. 2018. P. 1–3.
https://doi.org/10.1109/IMWS-AMP.2018.8457150
21. Тонкошкур О. С., Іванченко О. В. Застосування шару
на основі матеріалів з фазовим переходом «метал-
напівпровідник» для електротеплового захисту со-
нячних елементів. Технологія та конструювання в
електронній апаратурі. 2021. No. 3-4, с. 57–64. (Ukr)
http://dx.doi.org/10.15222/TKEA2021.3-4.57
22. Колбунов В. Р., Тонкошкур О. С., Мазурик С. В., Ляш-
ков О. Ю., Накашидзе Л. В. Захист сонячних батарей
від перегріву за допомогою критичних терморезисто-
рів на основі діоксиду ванадію. Технологія та констру-
ювання в електронній апаратурі. 2023. № 3-4. С. 16–
19. (Ukr). http://dx.doi.org/10.15222/TKEA2023.3-4.1
23. Zhang Y., Xiong W., Chen W., Zheng Y. Recent progress
on vanadium dioxide nanostructures and devices: Fab-
rication, properties, applications and perspectives. Na-
nomaterials. 2021. Vol. 11(2). P. 338.
https://doi.org/10.3390/nano11020338
24. Колбунов В. Р., Тонкошкур О. С., Вашерук О. В. Елек-
тропровідність термочутливої склокераміки на ос-
нові нанорозмірного діоксиду ванадія. Технологія та
конструювання в електронній апаратурі. 2022. № 1–
3. c. 39–41. (Ukr)
http://dx.doi.org/10.15222/TKEA2022.1-3.39
25. Ivon A. I., Chernenko I.M., Kolbunov V. R., Mozho-
rovsky L. A. The size effect in current-voltage character-
istic of VO2-based ceramics in the on-state. Journal of
Materials Science: Materials in Electronics. 2007. Vol.
18, No. 10. P. 1009–1012.
https://doi.org/10.1007/s10854-006-9106-3
26. Köntges M., Kurtz S., Packard C. et al. Review of failures
of photovoltaic modules. IEA PVPS Task 13. 2014. 132 p.
27. Singh R., Sharma M., Rawat R., Banerjee C. An assess-
ment of series resistance estimation techniques for dif-
ferent silicon based SPV modules. Renewable and Sus-
tainable Energy Reviews. 2018. No. 98. P. 199-216.
https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.09.020
REFERENCES
1. Vieira R. G., de Araújo F. M., Dhimish M., Guerra M. I. A
comprehensive review on bypass diode application on
photovoltaic modules. Energies. 2020. No. 13(10).
P. 2472. https://doi.org/10.3390/en13102472
2. Kreft W., Przenzak E., Filipowicz M. Photovoltaic chain
operation analysis in condition of partial shading for
systems with and without bypass diodes. Optik. 2021.
No. 247. P. 167840.
https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2021.167840
3. Kim K. A., Krein P. T. Reexamination of photovoltaic hot
spotting to show inadequacy of the bypass diode. IEEE
Journal of Photovoltaics. 2015. Vol. 5. Iss. 5. P. 1435–
1441.
https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2015.2444091
4. Humaid V., Kumar M., Gupta R. Bypass diode effect on
temperature distribution in crystalline silicon
photovoltaic module under partial shading. Solar
Energy. 2020. Vol. 208. P. 182–194.
https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.07.087
5. Teo J. C., Tan R. H., Mok V. H., Ramachandaramurthy V.
K., Tan C. Impact of bypass diode forward voltage on
maximum power of a photovoltaic system under partial
shading conditions. Energy. 2020. No. 191. P. 116491.
https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.116491
6. Satpathy P. R., Bhowmik P., Babu T. S., Sharma R., Sain
C. Bypass Diodes Configurations for Mismatch Losses
Mitigation in Solar PV Modules. In Innovation in
Electrical Power Engineering, Communication, and
Computing Technology: Proceedings of Second IEPCCT
2021. 2022. P. 197−208. https://doi.org/10.1007/978-
981-16-7076-3_18
7. Lee C. G., Shin W. G., Lim J. R., Kang G. H., Ju Y. C., Hwang
H. M., Ko S. W. Analysis of electrical and thermal
characteristics of PV array under mismatching
conditions caused by partial shading and short circuit
failure of bypass diodes. Energy. 2021. Vol. 218. P.
119480. https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.119480
8. Tang S., Xing Y., Chen L., Song X., Yao F. Review and a
novel strategy for mitigating hot spot of PV panels. Solar
Energy. 2021. Vol. 214. P. 51–61.
https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.11.047
9. Guerriero P., Tricoli P., Daliento S. A bypass circuit for
avoiding the hot spot in PV modules. Solar Energy. 2019.
Vol. 181. P. 430−438.
https://doi.org/10.1016/j.solener.2019.02.010
10. Guerriero P., Daliento S. A Power MOS Based Circuit for
Controlling the Hot Spot Temperature in Photovoltaic
Modules. 25th International Workshop on Thermal
Investigations of ICs and Systems (THERMINIC). 2019.
Lecco, Italy. P. 1−5.
https://doi.org/10.1109/THERMINIC.2019.8923447
https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.09.020
50
Відновлювана енергетика. №1/2024 | Сонячна енергетика
11. Tonkoshkur A. S., Ivanchenko A. V., Nakashydze L. V.,
Lyashkov A. Yu., Gomilko I. V. Application of polymer
posistor nano-composites in systems for protecting
photovoltaic components of solar arrays from electrical
overloads. Monograph. Primedia eLaunch, Boston, USA.
2021. 172 p. https://doi.org/10.46299/978-1-63972-
054-5
12. Bruckner W., Opperman H., Reihelt W., Terukow J. I.,
Tschudnowski F. A., Wolf E. Vanadiumoxide:
Darstellung, Eigenschaften, Anwendung. Berlin:
Akademie-Verlag. 1983. 252 p.
13. Pergament A. L., Stefanovich G. B., Velichko A. A. Oxide
electronics and vanadium dioxide perspective: A
review. Journal on Selected Topics in Nano Electronics
and Computing. 2013. Vol. 1. No. 1. P. 24–43.
https://doi.org/10.15393/j8.art.2013.3002
14. Liu K., Lee S., Yang S., Delaire O., Wu J. Recent
progresses on physics and applications of vanadium
dioxide. Materials Today. 2018. No. 21(8). P. 875–896.
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2018.03.029
15. Givernaud J., Crunteanu A., Orlianges J. C. et al.
Microwave power limiting devices based on the
semiconductor-metal transition in vanadium-dioxide
thin films. IEEE Transactions on Microwave Theory and
Techniques. 2010 Vol. 58. No. 9. P. 2352–2361.
https://doi.org/10.1109/TMTT.2010.205717
16. Pan K., Wang W., Shin E. et al. Vanadium oxide thin-film
variable resistor-based RF switches. IEEE Transactions
on Electron Devices. 2015. Vol. 62. No. 9. P. 2959–2965.
https://doi.org/10.1109/TED.2015.2451993
17. Soltani M., Kaye A. B. Properties and applications of
thermochromic vanadium dioxide smart coatings. In
book: Intelligent Coatings for Corrosion Control.
Butterworth-Heinemann. 2015. P. 461–490.
https://doi.org/10.1016/B978-0-12-411467-8.00013-1
18. Li L., Wang W., Shin E. et al. Design of tunable shunt and
series interdigital capacitors based on vanadium dioxide
thin film. Proceedings of 2017 IEEE National Aerospace
and Electronics Conference (NAECON). USA, OH,
Dayton. 2017. P. 279–283.
https://doi.org/10.1109/NAECON.2017.8268785
19. Ke Y., Wang S., Liu, G., Li M., White T. J., Long Y. Vanadium
dioxide: The multistimuli responsive material and its
applications. Small. 2018. Vol. 14(39). P. 1802025.
https://doi.org/10.1002/smll.201870178
20. Nordquist C. D., Leonhardt D., Custer J. O. et al. Power
handling of vanadium dioxide metal-insulator transition
RF limiters. Proceedings of 2018 IEEE MTT-S
International Microwave Workshop Series on Advanced
Materials and Processes for RF and THz Applications
(IMWS-AMP). USA, MI, Ann Arbor. 2018. P. 1–3.
https://doi.org/10.1109/IMWS-AMP.2018.8457150
21. Tonkoshkur O. S., Ivanchenko O. V. Application of a
layer based on materials with a "metal-semiconductor"
phase transition for electrothermal protection of solar
cells. Technology and design in electronic equipment.
2021. No. 3-4, с. 57–64. (Ukr)
http://dx.doi.org/10.15222/TKEA2021.3-4.57
22. Kolbunov V. R., Tonkoshkur A. S., Mazurik S. V.,
Lyashkov O.Yu., Nakashydze L. V. Protection of solar
cells from overheating using critical thermistors based
on vanadium dioxide. Technology and design in
electronic equipment. 2023. № 3-4. С. 16–19. (Ukr).
http://dx.doi.org/10.15222/TKEA2023.3-4.1
23. Zhang Y., Xiong W., Chen W., Zheng Y. Recent progress
on vanadium dioxide nanostructures and devices:
Fabrication, properties, applications and perspectives.
Nanomaterials. 2021. Vol. 11(2). P. 338.
https://doi.org/10.3390/nano11020338
24. Kolbunov V. R., Tonkoshkur A. S., Vasheruk O. V.
Electrical conductivity of thermosensitive glass
ceramics based on nanosized vanadium dioxide.
Technology and design in electronic equipment. 2022.
№ 1–3. c. 39–41. (Ukr)
http://dx.doi.org/10.15222/TKEA2022.1-3.39
25. Ivon A. I., Chernenko I.M., Kolbunov V. R., Mozhorovsky
L. A. The size effect in current-voltage characteristic of
VO2-based ceramics in the on-state. Journal of
Materials Science: Materials in Electronics. 2007.
Vol. 18, No. 10. P. 1009–1012.
https://doi.org/10.1007/s10854-006-9106-3
26. Köntges M., Kurtz S., Packard C. et al. Review of failures
of photovoltaic modules. IEA PVPS Task 13. 2014. 132 p.
27. Singh R., Sharma M., Rawat R., Banerjee C. An asses-
sment of series resistance estimation techniques for
different silicon based SPV modules. Renewable and
Sustainable Energy Reviews. 2018. No. 98. P. 199–216.
https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.09.020
|
| id | veorgua-article-440 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:12:47Z |
| publishDate | 2024 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | veorgua/e6/e0bd83381ed71473d27359bc275751e6.pdf |
| spelling | veorgua-article-4402026-07-18T06:32:19Z FEATURES OF ELECTRO-THERMAL PROTECTION OF SOLAR MODULES BASED ON BYPASS CRITI-CAL THERMORESISTORS ОСОБЛИВОСТІ ЕЛЕКТРОТЕПЛОВОГО ЗАХИСТУ СОНЯЧНИХ МОДУЛІВ НА ОСНОВІ БАЙПАСНИХ КРИТИЧНИХ ТЕРМОРЕЗИСТОРІВ Kolbunov , V. Tonkoshkur , A. Nakashydze, L. solar module, photovoltaic cell, local overheating, critical thermistor, vanadium dioxide. сонячний модуль, фотоелектричний елемент, локальний перегрів, критичний терморезистор, діоксид ванадію. The results of experimental research on the influence of the features of the electrical circuit parameters of the solar module on the functioning of its passive photocell with a parallel-connected bypass critical thermistor as a method of increasing the solar module reliability of are presented. Glass-ceramic materials based on vanadium dioxide and vanadium-phosphate glass V2O5-P2O5 were used as thermistor, which change the electrical resistance in leaps and bounds by 1.5-2 orders of magnitude in the temperature range of 70 0С. The main attention is paid to the study of the patterns of behavior of the functional electrical and thermal characteristics of such elements depending on the amplitude of overvoltage and load resistance. It was found that as the amplitude of the overvoltage on the passive (shaded or damaged) photocell increases, the duration of the process of switching the bypass thermistor to the highly conductive state decreases, the voltage drop after switching decreases sharply (to values not exceeding 2 V) and changes weakly. An increase in the load resistance leads to a decrease in the current through the thermistor and an increase in the duration of the transient process. With thermal contact between the passive photocell and the bypass thermistor, switching is observed at lower overvoltages. In the absence of such a contact, the temperature to which the photocell is heated changes insignificantly in a steady state. Представлено результати експериментальних досліджень впливу особливостей параметрів електричного кола сонячного модуля на функціонування його пасивного фотоелемента з паралельно підключеним байпасним критичним терморезистором як методу підвищення надійності роботи сонячного модуля. Як терморезистор використовували склокерамічні матеріали на основі діоксиду ванадію та ванадій-фосфатного скла V2O5-P2O5, що стрибкоподібно змінюють величину електричного опору на 1,5−2 порядки в області температури 70 0С. Основну увагу приділено вивченню закономірностей поведінки функціональних електричних і теплових характеристик таких елементів від амплітуди перенапруги та опору навантаження. Встановлено, що зі зростанням амплітуди перенапруги на пасивному (затіненому або пошкодженому) фотоелементі тривалість процесу перемикання байпасного терморезистора у високопровідний стан зменшується, падіння напруги після перемикання різко знижується (до величин, що не перевищують 2 В) та слабко змінюється. Збільшення опору навантаження зумовлює зниження струму через терморезистор і збільшення тривалості перехідного процесу. При тепловому контакті між пасивним фотоелементом і байпасним терморезистором перемикання спостерігається за менших перенапруг. За відсутності такого контакту температура, до якої нагрівається фотоелемент, у сталому стані змінюється несуттєво. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2024-04-05 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/440 10.36296/1819-8058.2024.1(76).43-50 Vidnovluvana energetika ; No. 1(76) (2024): Scientific and applied Journal renewable energy ; 43-50 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 1(76) (2024): Scientific and applied Journal renewable energy ; 43-50 Відновлювана енергетика; № 1(76) (2024): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 43-50 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2024.1(76) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/440/348 Copyright (c) 2024 V. Kolbunov , A. Tonkoshkur , L. Nakashydze https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | solar module photovoltaic cell local overheating critical thermistor vanadium dioxide. Kolbunov , V. Tonkoshkur , A. Nakashydze, L. FEATURES OF ELECTRO-THERMAL PROTECTION OF SOLAR MODULES BASED ON BYPASS CRITI-CAL THERMORESISTORS |
| title | FEATURES OF ELECTRO-THERMAL PROTECTION OF SOLAR MODULES BASED ON BYPASS CRITI-CAL THERMORESISTORS |
| title_alt | ОСОБЛИВОСТІ ЕЛЕКТРОТЕПЛОВОГО ЗАХИСТУ СОНЯЧНИХ МОДУЛІВ НА ОСНОВІ БАЙПАСНИХ КРИТИЧНИХ ТЕРМОРЕЗИСТОРІВ |
| title_full | FEATURES OF ELECTRO-THERMAL PROTECTION OF SOLAR MODULES BASED ON BYPASS CRITI-CAL THERMORESISTORS |
| title_fullStr | FEATURES OF ELECTRO-THERMAL PROTECTION OF SOLAR MODULES BASED ON BYPASS CRITI-CAL THERMORESISTORS |
| title_full_unstemmed | FEATURES OF ELECTRO-THERMAL PROTECTION OF SOLAR MODULES BASED ON BYPASS CRITI-CAL THERMORESISTORS |
| title_short | FEATURES OF ELECTRO-THERMAL PROTECTION OF SOLAR MODULES BASED ON BYPASS CRITI-CAL THERMORESISTORS |
| title_sort | features of electro-thermal protection of solar modules based on bypass criti-cal thermoresistors |
| topic | solar module photovoltaic cell local overheating critical thermistor vanadium dioxide. |
| topic_facet | solar module photovoltaic cell local overheating critical thermistor vanadium dioxide. сонячний модуль фотоелектричний елемент локальний перегрів критичний терморезистор діоксид ванадію. |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/440 |
| work_keys_str_mv | AT kolbunovv featuresofelectrothermalprotectionofsolarmodulesbasedonbypasscriticalthermoresistors AT tonkoshkura featuresofelectrothermalprotectionofsolarmodulesbasedonbypasscriticalthermoresistors AT nakashydzel featuresofelectrothermalprotectionofsolarmodulesbasedonbypasscriticalthermoresistors AT kolbunovv osoblivostíelektroteplovogozahistusonâčnihmodulívnaosnovíbajpasnihkritičnihtermorezistorív AT tonkoshkura osoblivostíelektroteplovogozahistusonâčnihmodulívnaosnovíbajpasnihkritičnihtermorezistorív AT nakashydzel osoblivostíelektroteplovogozahistusonâčnihmodulívnaosnovíbajpasnihkritičnihtermorezistorív |