Совершенствование подходов к составлению, диагностике и эксплуатации солнечных модулей в условиях неоднородного освещения

Солнечные модули, которые используются на фотоэлектрических станциях, являются первичными источниками энергии, и именно от их эффективной работы зависит выработка электроэнергии станцией. При эксплуатации солнечные модули могут подвергаться различным природным и техногенным воздействиям. В результате чего их эффективность может снижаться, либо они могут выходить из строя. Мировая практика мониторинга состояния источника энергии на солнечной электростанции, основанная на измерениях электрических параметров цепочек-стрингов, состоящих из последовательно соединённых солнечных модулей, не в полной мере отражает изменений их возможных состояний. Информация о работоспособности отдельных модулей практически отсутствует. В связи с этим разработка математических моделей соединений фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), методов детализированного контроля и диагностики технического состояния солнечных модулей с целью своевременного выявления нарушений и последующего повышения эффективности их эксплуатации в условиях неоднородного освещения, являются актуальными задачами, требующими новых решений.

Было получено аналитическое уравнение полной вольт-амперной характеристики фотоэлектрического преобразователя в явном виде с применением W-функции Ламберта для прямой и обратной ветви. Был разработан электронный измерительный блок, позволяющий в автоматическом режиме записывать вольтамперную характеристику преобразователей включая отрицательную ветвь. При последовательном соединении ФЭП в условиях неоднородного освещения их поверхности некоторые наименее освещенные ФЭП перестают работать как источники энергии и становятся «паразитными» нагрузками. Основная масса ФЭП продолжают генерировать энергию и пропускать ток через менее освещённые ФЭП, вызывая высокие потери энергии в виде рассеивания тепла, что может привести к образованию локальных точек перегрева и термическому повреждению ФЭП. Показано существенное влияние обратной ветви вольт-амперной характеристики фотоэлектрического преобразователя на вырабатываемую мощность. Предложен способ составления солнечных модулей из фотоэлектрических преобразователей в условиях их эксплуатации при неоднородном освещении, техническим результатом является повышение эффективности (КПД) и надёжности работы электростанции за счет снижения частоты замены выходящих из строя солнечных модулей по причине образования локальных точек перегрева. Также разработан блок диагностики для солнечного модуля, позволяющий в автоматическом режиме отслеживать состояние работоспособности каждого модуля и своевременно оповещать о необходимости обслуживания, ремонта или замены солнечных модулей на территории солнечной фотоэлектрической электростанции.

1. Возобновляемые источники энергии России: ГИС [Электр. ресурс]. Режим доступа: gisre.ru. Дата обращ.: 01.11.2022.

2. Энергетическая стратегия Российской Федерации на период до 2035 года [Электр. ресурс]. Режим доступа: minenergo.gov.ru/node/1026. Дата обращ.: 01.11.2022.

3. Garcia-Sanchez, Francisco & Romero, Beatriz & Lugo, Denise & Del Pozo, Gonzalo & Arredondo, Belen & Liou, Jane & Ortiz-Conde, Adelmo. (2017). Modelling solar cell S-shaped I-V characteristics with DC lumped-parameter equivalent circuits a review. FACTA UNIVERSITATIS Series Electronics and Energetics. 30. 327-350.

4. Xiankun Gao, Yan Cui, Jianjun Hu, Guangyin Xu, Yongchang Yu. Lambert W-function based exact representation for double diode model of solar cells: Comparison on fitness and parameter extraction. Energy Conversion and Management, Volume 127, 2016, Pages 443-460.

5. Shu-xian Lun, Shuo Wang, Gui-hong Yang, Ting-ting Guo. A new explicit double-diode modeling method based on Lambert W-function for photovoltaic arrays. Solar Energy, Volume 116, 2015, Pages 69-82.

6. Bishop, J.W. Computer simulation of the effects of electrical mismatches in photovoltaic cell interconnection circuits // Bishop, J.W. / Solar Cells 25. – 1988. –P. 73-89.

7. Зиновьев, В.В. Математическая модель фотоэлектрического преобразователя с использованием W-функции Ламберта / В.В. Зиновьев, А.П. Бельтюков, О.А. Бартенев // Известия Института математики и информатики Удмуртского государственного университета. – 2016. – №2 (48). – С. 22-30.

8. Зиновьев, В.В. Моделирование солнечных преобразователей при неравномерной освещённости / В.В. Зиновьев, О.А. Бартенев, А.П. Бельтюков // Промышленная энергетика. - 2018. - Вып. 7. С. 58-67.

9. Зиновьев В.В. Диагностика промышленных солнечных модулей в областях прямой и обратной ветвей вольт-амперной характеристики при неоднородном освещении / В.В. Зиновьев, О.А. Бартенев // Промышленная энергетика. – 2020. – № 1. С. 56-62.

10. Зиновьев В.В. Двухдиодная модель солнечных преобразователей на основе W-функции Ламберта для прямой и обратной ветви вольт-амперной характеристики / В.В. Зиновьев, О.А. Бартенев // Промышленная энергетика. - 2020. - № 12. С. 33-39.

11. Fertig, Fabian & Rein, Stefan & Schubert, Martin & Warta, Wilhelm. (2011). Impact of junction break-down in multi-crystalline silicon solar cells on hot spot formation and module performance. Conference: 26th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition. 5-9 September 2011, Hamburg, Germany.

12. Способ составления солнечного модуля из фотоэлектрических преобразователей: заявка 2022128214 Рос. Федерация; приоритет 01.11.2022.

13. Солнечный модуль с блоком диагностики: заявка 2022128218 Рос. Федерация; приоритет 01.11.2022.