Визначення параметрів фотоелектричних батарей в польових умовах

dc.contributor.advisorГаєвський, Олександр Юлійович
dc.contributor.authorІванчук, Владислав Юрійович
dc.date.accessioned2025-06-16T08:54:44Z
dc.date.available2025-06-16T08:54:44Z
dc.date.issued2025
dc.description.abstractІванчук 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 вольтамперних 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 вольтамперних 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.
dc.description.abstractotherIvanchuk V.Y. Determination of the parameters of photovoltaic modules in the field conditions. – Qualifying scientific work on manuscript rights. Dissertation for obtaining the scientific degree of Doctor of Philosophy in the specialty 141 Electric power, electrical engineering and electromechanics in the field of knowledge 14 Electrical engineering. National Technical University of Ukraine “Ihor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2025. The dissertation study is devoted to solving an urgent scientific task, which is to assess the condition of industrial photovoltaic modules in their operating conditions by establishing a model of the behavior of current-voltage characteristics, taking into account the influence of physical processes in semiconductor materials at different levels of solar radiation and load. In this work, a literature and patent search was conducted on the topic of the dissertation research, an assessment of the general state and global trends in the development of this industry was performed. The existing methods of modeling photovoltaic cells are considered, the existing analytical and metaheuristic approaches to the extraction of their parameters are identified. The main disadvantages of modern modeling methods are analyzed, particularly their high computational requirements, the simplification of complex physical processes of current generation in photovoltaic cells into superpositional models, and, as aresult, the insufficient correspondence of the models to real experimental investigations. The manifestations of resistive losses andcarrier recombination effects on the current–voltage characteristics of industrial silicon photovoltaicmodules are investigated. An automated system for measuring the current-voltage characteristics of photovoltaic modules in field conditions was developed and manufactured based on a Raspberry Pi microcomputer, using the capacitance charging method, accompanied by corresponding software written in Python. Experimental studies of photovoltaic modules in field conditions were conducted, resulting in more than thousand measurements under varying environmental conditions at solar radiation levels ranging from 50 to 900 W/m2. For processing the experimental data, a comprehensive adaptive robust filtering algorithm has been developed that eliminates the influence of possible radiation and temperature fluctuations inherent in field measurements, even over intervals of only a few seconds. Analytical dependencies have been obtained that allow separating the influence of electrical losses (series resistance) and recombination processes (ideality factor and reverse current) on the formation of current-voltage characteristics when determining module parameters. An estimation method for series resistance losses was also proposed. A theoretical model has been developed to determine the parameters of photovoltaic modules under various external conditions of solar radiation and temperature. The analytical dependences of the photovoltaic module parameters on the voltage, namely the ideality factor and the reverse saturation current, are determined, which allow us to analyze the peculiarities of the carrier recombination processes and electrical losses. It is shown that in the forward voltage region below the maximum power point, the ideality factor can significantly exceed 2, which is associated with recombination at microstructural and surface defects of industrial photovoltaics manufactured using modern technologies. In classical recombination models that do not take into account these defects, the ideality factor is typically assumed to be between 1 and 2. A methodology and software have been developed that allowed for the first time to apply the proposed single-diode model of photovoltaic cell with variable parameters and their voltage dependencies to describe the current-voltage characteristics of photovoltaic modules response, in contrast to the generally accepted use of two- or three-diode models with fixed parameters. The latter are based on the superposition of diode currents and do not reflect the complex physical nature of current generation in photovoltaic cells. The reproduction of the current–voltage characteristics of photovoltaic modules using a single-diode equivalent circuit with variable parameters demonstrates a normalized root mean square error from the experimental data on the order nRMSE ~ 2∙10-3 and a correlation coefficient R2 ranging from 0.99994 to 0.99999, which surpasses the calculation results obtained using a single-diode model with fixed parameters.
dc.format.extent159 с.
dc.identifier.citationІванчук, В. Ю. Визначення параметрів фотоелектричних батарей в польових умовах : дис. … д-ра філософії : 141 Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка / Іванчук Владислав Юрійович. – Київ, 2025. – 159 с.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/74260
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectвідновлювані джерела енергії
dc.subjectфотоелектрична станція
dc.subjectфотоелектричний модуль
dc.subjectсонячний елемент
dc.subjectвольт-амперна характеристика
dc.subjectдефект
dc.subjectсистема вимірювання
dc.subjectмодель
dc.subjectкоефіцієнт ідеальності діода
dc.subjectопори електричних втрат
dc.subjectструм короткого замикання
dc.subjectрекомбінація в напівпровідниках
dc.subjectrenewable energy sources
dc.subjectphotovoltaic power plant
dc.subjectphotovoltaic module
dc.subjectsolar cell
dc.subjectcurrent–voltage characteristic
dc.subjectdefect
dc.subjectmeasurement system
dc.subjectmodel
dc.subjectdiode ideality factor
dc.subjectelectrical loss resistances
dc.subjectshort-circuit current
dc.subjectrecombination in semiconductors
dc.subject.udc621.311.243:621.383.51(043.3)
dc.titleВизначення параметрів фотоелектричних батарей в польових умовах
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Вантажиться...
Ескіз
Назва:
Ivanchuk_dys.pdf
Розмір:
21.06 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис: