Сравнение одно-диодных и двух-диодных моделей фотоэлектрических преобразователей



В этой статье предложены, сравнения между одно-диодной и двух-диодной моделями фотоэлектрических (ФЭ) модулей. Основной задачей этой работы точность, определение неизвестных параметров, и время выполнения неизвестных параметров, под стандартными условиями испытания(СУИ), в каждой модели. Предлагаемая работа проверяет точность обе модели в различных температурных условиях, используя одно-диодную и двух-диодную модели. Точность каждой модели тестировано на максимальную мощность и максимальное напряжение, и по сравнению обоснованы плюсы и минусы каждой модели.

В настоящее время солнечные батареи являются наиболее важным источником для преобразование солнечного излучения в электрическую энергию. Солнечная энергия является чистой и не загрязняющий окружающую среду.

Фотоэлектрические системы преобразует солнечный свет в прямую электроэнергию. Солнечная радиация и температура элемента играет большую роль при преобразование солнечную энергию в электрическую. При увеличении температуры диффузионные длины в Si и GaAs возрастают, поскольку коэффициент диффузии не изменяется либо растет, а время неосновных носителей возрастает при повышение температуры. [1]

Фотоэлектрическая система

ФЭ элементы это основные устройство которые образует ФЭ систем. Как правило, фотоэлементы соединяются последовательно или параллельно чтобы сформировать так называемую фотоэлектрическую модуль ФЭМ из модулей как видно из рис 1. так же соединяются последовательно или параллельно чтоб сформировать массив.

Рис. 1. Элемент, модуль и массив

Принцип работы ФЭ элементов

Неоднородность структуры ФЭП может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p — n-переходов) или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны-энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание зонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.

Рис. 2. Принцип работы ФЭ элемента

Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств солнечный панелей, среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость, обусловленная явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом. Электронно-дырочный переход создаётся путём легирования пластинки монокристаллического полупроводникового материала с определённым типом проводимости (т. е. или p- или n- типа) примесью, обеспечивающей создание поверхностного слоя с проводимостью противоположенного типа. Концентрация легирующей примеси в этом слое должна быть значительно выше, чем концентрация примеси в базовом (первоначальном монокристалле) материале, чтобы нейтрализовать имеющиеся там основные свободные носители заряда и создать проводимость противоположного знака. У границы n-и p- слоёв в результате перетеки зарядов образуются обеднённые зоны с некомпенсированным объёмным положительным зарядом в n-слое и объёмным отрицательным зарядом в p-слое. Эти зоны в совокупности и образуют p-n-переход. [2]

Возникший на переходе потенциальный барьер (контактная разность потенциалов) препятствует прохождению основных носителей заряда, т. е. электронов со стороны p-слоя, но беспрепятственно пропускают неосновные носители в противоположных направлениях. Это свойство p-n-переходов и определяет возможность получения фото-ЭДС при облучении ФЭП солнечным светом показано на рис 2.

Одно-диодная модель.

Безусловно, самый простой подход является одно-диодная модель где, выход источника тока непосредственно пропорционально свету, падающего на панель. Эта модель полностью характеризуют только три параметра в вольт-амперной характеристике, а именно ток короткого замыкания (Іsc), напряжение холостого хода (Uoc) и фактор идеальности диода “а”. [3]По сути, одно-диодная модель не дает полного представления о панели если, на него воздействует окружающая среда, особенно при низком напряжении. В совершенствование этой модели осуществляется путем включения одно последовательное сопротивление, Rs. Эта модель широко известна в обществе как Rs-модель. Благодаря своей простоте и вычислительной эффективностью, Rs-модель является наиболее широко используемой моделью для моделирование фотоэлектрических преобразователей. Однако его экспонаты ограничивается при воздействии температуры. Его точность, как известно, снижается при высоких температурах. Дальнейшее расширение Rs-модели, называли Rp-модели, которая включает в себя дополнительный шунт сопротивление Rp.

[3–4] Эта модель, показано на рис 3.более практичнее (Rp-модель), где Rs и Rp представляют собой последовательное и параллельное сопротивление, соответственно. Выходной ток уравнение для Rp — модель может быть написана как на выражение (1).

Рис. 3. Схема одно-диодной модели

Рис. 4. Схема двух — диодного модель.

Рис. 5. Характеристика вольт — амперных кривых

(1)

Где Ipv- возбуждение неравновесных носителей солнечным излучением, I_o-обратный ток насыщения, V_T(=kT/ q) — тепловое напряжение ФЭ модуля, q- заряд электрона(1.60217646×10–¹⁹C),k — это у нас постоянная Больцмана(1.3806503×10–²³J/K), а — коэффициент идеальности диода, Rs и Rp– серийное и параллельное сопротивление.

На рис. 5 показаны характеристика вольт — амперных кривых простейших ФЭ элементов который, показаны на рис. 3, состоящего из источник постоянного тока Ipv и ток насыщения диода Id. Ток насыщения диода определяется следующим выражением (2) [4]:

(2)

где E_g –ширина запрещенной зоны полупроводника, аI_o,STC- номинальное ток насыщения в СУИ

Улучшенное уравнение для описания насыщения тока, которая учитывает изменение температуры дается следующем выражением (3) [5]:

(3)

Где KIкоэффициент тока короткого замыкание, (ΔT=T-TSTC) (в Кельвинах, TSTC =25 _C), Kvкоэффициент напряжения холостого хода.

В открытой цепи напряжение холостого хода (Uoc), Rp -модель показывает другой подход из экспериментальных данных, предполагая, что Rp -модель является недостаточным при работе с низким уровнем интенсивностью излучения. Это дает предсказание что, значительные последствия в период частичного затенения. С другой стороны, одно-диодная модель была основана на предположение о том, что рекомбинационные потери в обедненной области отсутствуют, где в реальных солнечных элементах рекомбинация представляет значительные потери, особенно в низком напряжений в сети. И это адекватно не может быть смоделировано с помощью одно-диодной модели [6].

Двух-диодная модель.

С другой стороны, существует другая модель, известная как двух диодная модель. Предложенная двух-диодная и одно-диодная модели демонстрируют аналогичные результаты при СУИ. Тем не менее, даже в низкой освещенности, более точные результаты получаются в двух-диодных моделях, особенно в районе напряжений холостого хода (Uoc). Несмотря на это, можно получить очень точные результаты с использованием этой модели. На этой модели можно вычислить семь параметров, а именно Ipv, Io1, Io2, Rp, Rs, a1 и a2 вместо пяти неизвестных параметров как в Rp — модели. Выходной ток двух-диодной модели показано на рис. 4, и можно записывать следующим образом(4)

(4)

где Io1 и Io2 — обратный ток насыщения, 1-го и 2- го диода, VT1 и VT2 соответственно тепловые напряжения диодов, a1 и a2 представляют константы идеальности диодов.

Для двух-диодной модели, некоторые исследователи рассчитывает значения Io1и Io2с помощью итерации. Итерационный подход значительно увеличивает время вычислений, в первую очередь из-за неприемлемых значений начального условия. В общем, Io2 3–7 порядков больше, чем Io1 [7]

Хотя исследователи избегает решения этой модели, из-за увеличение числа неизвестных параметров, которые подразумевает повышенную сложность при расчете этих параметров, однако точность достигаемая этой моделью, неизбежно заставляет исследователей фокусироваться на нем. Но много попыток было сделано, чтобы уменьшить число неизвестных параметров и время для вычисления двух-диодной модели [8]. При изучение литературы, то заметно, что большинство исследований направлено в одно-диодную модель. Благодаря своей простоте и меньше число неизвестных параметров, которые облегчают анализировать и извлекать неизвестные параметры. В качестве альтернативы, можно заметить, что одно-диодной модели уступает только от некоторых параметров и при воздействии погодных условий.

Таким образом, двух-диодный более эффективнее при изменении погодных условий, как показано на рис. 6. Однако, при увеличении неизвестных параметров и время вычисление препятствует этой модели чтобы широко использовать по сравнению с одно-диодной моделью. Но в качестве альтернатива к одно-диодной модели в этой модели определение параметров более точные.

Результаты иобсуждения

Для моделирования одно-диодной и двух-диодной модели были записаны два m- файлы в MATLAB и поведение под стандартных условиях испытания (облученность = 1000 Вт/м2, температура = 25°С).

Рис. 6. Влияние T иG на изменение вольт-амперных кривых

Экспериментальные данные собраны из технического описания производителя и от [8]. Две различные модули были использованы для сравнение. Спецификации для обоих модулей приведены в таблице 1. В таблице 2 приведены параметры, рассчитанные с использованием одно диодной и двух-диодной модели [5], для сравнение к времени выполнения каждой модели.

Таблица 1

Характеристики модулей, использованных вэксперименте

Параметры	Shell S36	Shell ST40	Shell SP-70
Isc (A)	2.3	2.68	4.7
Voc (V)	21.4	23.3	21.4
Imp (A)	2.18	2.41	4.25
Vmp (V)	16.5	16.6	16.5
Kv (mV/°С)	-76	-100	-76
Ki (mA/°С)	1	0.35	2
Ns	36	36	36

Таблица 2

Параметры для одно-диодной идвух-диодной моделей

	Shell ST40		Shell SP-70		Shell S36
	Одно-диодная модель	Двух-диодная модель	Одно-диодная модель	Двух-диодная модель	Одно-диодная модель	Двух-диодная модель
Isc (A)	2.68	2.68	4.701	4.701	2.30	2.30
Voc (V)	23.3	21.3	21.4	21.4	21.40	21.4
Imp (A)	2.4	2.4	4.255	4.255	2.163	2.163
Vmp (V)	16.659	16.695	16.478	16.478	16.557	16.635
Io1/Io (A)	1.004e-8	2.94e-11	8.463e-8	3.998e-10	2.052e-10	2.055e-10
Io2 (A)	----	2.94e-11	----	3.998e-10	2.30	2.3
Ipv (A)	2.694	2.708	4.715	4.73	1.0	1.15
Rs (Ω)	1.534	1.717	0.41	0.53	1.00	0.98
Rp (Ω)	294	159	133.08	86.77	2992.131	6221.195
Среднее время вычисления(мс)	2535	3320	78	112	122	137

Из таблицы 2, видно, что у одно-диодной модели преимущество больше по числу неизвестных параметров и время вычисление при СУИ, по сравнению с двух-диодной моделью.

С другой стороны, обе модели дают практически одинаковые значения под СУИ, когда не происходить изменение температуры. После проведения указанных выше моделирование, было введено изменение температуры для обеих моделей из тех же солнечных модули. На рис. 8 и 9 показано сравнение между моделями с точки зрения точности расчета точкой максимальной мощности, при переменной температуре (Т= [-25 0 25 50], г = 1000 Вт/м2). Это хорошо видно из рис. 7 и на рис. 8, что двух-диодный модель дает больше точности при изменении температуры, чем одно-диодный модель. Это очевидно, так как одно-диодные модели были построены под предположением что потерь рекомбинации будет отсутствовать в обедненной области, которые не практично в реальном масштабе солнечной батареи, так как эта потеря значительна играет особую рол при низких напряжениях.

Рис. 7. Погрешность в Pmax (%) _ ST40

Рис. 8.Погрешность в Pmax (%) _ SP_70

7. Заключение

Было проведено сравнение между однодиодной и двухдиодной модели, на точность и время вычисления, под СУИ и переменной температурой. Сравнение показывает, что обе модели имеют одинаковую способность извлекать неизвестных параметров и хотя у однодиодной модели меньше времени вычислений и меньше число неизвестных параметров, но уступает при переменной температуре. Но с экономической точки зрения стоимость производства солнечных элементов на основе однодиодного моделя очень дешевый сравнение другими моделями.

Литература:

1. C. Зи, Физика полупроводниковых приборов/ том 2/ Пер. с англ.М«Мир» 1984
2. Алферов Ж. И., 2. Андреев В. М. Перспективы фотоэлектрического метода преобразования солнечной энергии/ Преобразование солнечной энергии/ Под ред. Н. Н. Семенова. Черноголовка: Изд. ИХФАНСССР, 1981.
3. C.-T. Sah, R. N. Noyce, and W. Shockley, «Carrier generation andrecombination in pn junctions and pn junction characteristics», Proceedings of the IRE, vol. 45, pp. 1228–1243, 1957.
4. D. S. H. Chan, J. R. Phillips, and J. C. H. Phang, «A comparativestudy of extraction methods for solar cell model parameters», SolidState Electronics, vol. 29, pp. 329–337, // 1986.
5. K. Ishaque, Z. Salam, and H. Taheri, «Simple, fast and accuratetwo-diode model for photovoltaic modules», Solar EnergyMaterials and Solar Cells, vol. 95, pp. 586–594, 2// 2011.
6. J. Gow and C. Manning, «Development of a photovoltaic arraymodel for use in power-electronics simulation studies», in ElectricPower Applications, IEE Proceedings-, 1999, pp. 193–200.
7. D. S. H. Chan, J. R. Phillips, and J. C. H. Phang, «A comparative study of extraction methods for solar cell model parameters», Solid State Electronics, vol. 29, pp. 329–337, // 1986.
8. R. Chenni, M. Makhlouf, T. Kerbache, and A. Bouzid, «A detailed modeling method for photovoltaic cells», Energy, vol. 32, pp. 1724–1730, 9// 2007.