Registration Number
0825U001688, PhD dissertation
Status
Доктор філософії
Date
25-06-2025
popup.evolution
o
Title
Determination of the parameters of photovoltaic modules in the field conditions
Author
Vladyslav Ivanchuk,
popup.head Oleksandr Gaevskii
popup.opponent Ihor Sokolovskyi
popup.opponent Ievgen Zaitsev
popup.review Mykola Bolotnyi
popup.review Oleksandr Ostapchuk
popup.rada
National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute»
Description
Іванчук В.Ю. Визначення параметрів фотоелектричних батарей в польових умовах. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 141 Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка, галузь знань 14 Електрична інженерія. Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2025.
Дисертаційне дослідження присвячене вирішенню актуального наукового завдання, що полягає в оцінці стану промислових фотоелектричних модулів в умовах їх експлуатації шляхом встановлення моделі поведінки вольт-амперних характеристик, з урахуванням впливу фізичних процесів в напівпровідникових матеріалах при різних рівнях сонячної радіації та навантаження.
В роботі проведено літературно-патентний пошук за темою дисертаційного дослідження, виконано оцінку загального стану та світових тенденцій розвитку даної галузі. Розглянуто існуючі методи моделювання фотоелектричних елементів, визначено наявні аналітичні та метаевристичні підходи до екстракції їх параметрів. Проаналізовано основні недоліки сучасних методів моделювання, а саме високі вимоги до обчислювальних ресурсів, спрощення складних фізичних процесів формування струму у фотоелектричних елементах до суперпозиційних моделей і, як результат, недостатня відповідність моделей реальним експериментальним дослідженням. Досліджено прояви резистивних втрат та рекомбінацій носіїв на вольт-амперні характеристики промислових кремнієвих фотоелектричних модулів.
Розроблено та виготовлено на основі мікрокомп’ютера Raspberry Pi автоматизовану систему вимірювання вольт-амперних характеристик фотоелектричних модулів в польових умовах методом заряджання ємності разом з відповідним програмним забезпеченням. Виконано експериментальні дослідження фотоелектричних модулів в польових умовах, в результаті яких отримано більше тисячі вимірів в змінних навколишніх умовах при різному рівні іррадіаціїї від 50 до 900 Вт/м2. Для обробки експериментальних даних розроблений комплексний адаптивний робастний алгоритм фільтрації, що дозволяє усунути вплив можливих радіаційних та температурних флуктуацій, притаманних вимірюванням в польових умовах навіть на інтервалах декілька секунд.
Отримано аналітичні залежності, які дозволяють при визначенні параметрів фотоелектричних модулів розділити вплив електричних втрат (послідовного опору) та рекомбінаційних процесів (фактору ідеальності та зворотного струму) на формування вольт-амперних характеристик, визначено оцінку для послідовного опору втрат.
Розроблено теоретичну модель для визначення параметрів фотоелектричних модулів при різних зовнішніх умовах сонячної радіації та температури. Визначено аналітичні залежності параметрів ФМ від напруги, а саме фактору ідеальності та зворотного струму насичення, які дозволяють аналізувати особливості процесів рекомбінації носіїв та електричних втрат. Показано, що в області прямої напруги нижче точки максимальної потужності коефіцієнт ідеальності може значно перевищувати 2, що пов’язано з рекомбінацією на мікроструктурних та поверхневих дефектах промислових фотоелектричних модулях, виготовлених за сучасними технологіями. В класичних моделях рекомбінації, які не враховують перелічені дефекти, цей коефіцієнт має бути в межах від 1 до 2.
Розроблено методику та програмне забезпечення, що дозволило вперше застосувати запропоновану однодіодну модель фотоелектричного елемента зі змінними параметрами та їхніми залежностями від напруги для опису вольт-амперних характеристик фотоелектричних модулів на відміну від загальноприйнятого використання двох- або трьохдіодних моделей з фіксованими параметрами. Останні засновані на суперпозиції діодних струмів і не відображають складного фізичного характеру формування струму в фотоелектричних елементах. Відтворення вольт-амперних характеристик фотоелектричних модулів з використанням однодіодної схеми заміщення зі змінними параметрами демонструє значення нормалізованого середньоквадратичного відхилення від експериментальних даних порядку nRMSE ~ 2∙10⁻³ і коефіцієнт кореляції R² в межах 0.99994-0.99999, що перевершує результати розрахунків в рамках однодіодної моделі з фіксованими параметрами фотоелектричних модулів.
Ключові слова: відновлювані джерела енергії, фотоелектрична станція, фотоелектричний модуль, сонячний елемент, вольт-амперна характеристика, дефект, система вимірювання, модель, коефіцієнт ідеальності діода, опори електричних втрат, струм короткого замикання, рекомбінація в напівпровідниках.
Наукові праці в яких опубліковані основні наукові результати дисертації:
Результати дисертаційного дослідження висвітлені в 7 наукових працях, в тому числі в 5 статтях у періодичних наукових фахових виданнях України (на момент опублікування) за спеціальністю 141 Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка, які проіндексовані у базах Scopus, а також 2 тез доповідей на міжнародних науково-практичних конференціях.
Registration Date
2025-05-14
popup.nrat_date
2025-05-14 / 2026-07-01
