Формирователь опорной вольтамперной характеристики для имитатора солнечной панели

В статье описан главный элемент имитатора солнечной панели – формирователь опорной вольтамперной характеристики (ВАХ). Подробно рассматривается конструкция формирователя ВАХ и результаты тестирования. Статья рассчитана на читателей, самостоятельно разрабатывающих контроллеры солнечных панелей.

Определения

В рамках настоящей статьи мы будем использовать термин «солнечная панель» для обозначения одиночного конструктивно оформленного источника фотоэлектрической энергии, определяемого совокупностью электрических и массогабаритных характеристик. При описании формирователя опорной вольтамперной характеристики солнечной панели, являющегося предметом данной статьи, мы будем использовать термин «фотоприёмник» для солнечной панели малого размера. Мы будем использовать термин «имитатор» для обозначения устройства, которое при подключении нагрузки ведет себя подобно солнечной панели.

Как известно, на вольтамперной характеристике солнечных панелей есть замечательная точка, в которой вся фотоэлектрическая система (собственно солнечная панель и преобразователь мощности) работает с максимальной эффективностью. Эта точка называется «точкой максимальной мощности» (TMM) и показана на Рисунке 1.

Наибольшей эффективностью преобразования фотоэлектрической энергии обладают электронные контроллеры, имеющие алгоритм поиска TMM. Разработать и настроить контроллер солнечной панели, работающий постоянно в оптимальном режиме, без источника входного сигнала так же невозможно, как настроить качественный УНЧ без широкодиапазонного генератора сигналов с низкими искажениями. Устройства, моделирующие работу солнечных панелей, называются имитаторами или симуляторами. Стоимость промышленных имитаторов, например продукции фирмы Keysight Technologies, исключает их применение независимыми разработчиками.

«Сердцем» каждого имитатора является узел, формирующий ВАХ, идентичную ВАХ солнечной батареи. Известны несколько методов построения такого узла:

1. Метод цифрового математического моделирования. Для его практического применения требуется высокопроизводительные микро-ЭВМ с большим объемом памяти. Этот метод, отличающийся предсказуемостью и повторяемостью результатов, используется в основном для разработки и отладки бортовых систем энергоснабжения космических аппаратов.
    
2. Метод аналогового моделирования за счет использования прямой ветви p-n перехода, например [1]. При практической реализации по этому методу возникают сложности с получением всего спектра ВАХ (в зависимости от освещенности и температуры).
    
3. Метод, основанный на использовании системы светодиод-фотодиод. При всей кажущейся простоте и очевидности такого подхода при реализации такой системы возникает множество технических проблем, из-за чего этот метод на практике не используется.
    
4. Метод, предусматривающий использования реальной солнечной панели и регулируемого источника света, создающего световой поток с интенсивностью, близкой к солнечной. Именно такие формирователи обеспечивают параметры ВАХ, идентичные реальным, и позволяющие создавать испытательные стенды с широким изменением освещенности и температуры. Этот метод считается наиболее трудоёмким в реализации.

В статье описывается формирователь ВАХ солнечной панели, реализованный именно по последнему методу.

Описываемый в статье формирователь ВАХ разработан авторами в 2008 году, когда фермерская Северная Италия переживала бум «зеленой энергетики». Контроллеры солнечных батарей на волне роста спроса стоили очень дорого. Поэтому возникла необходимость самостоятельного изготовления этих устройств для собственных нужд. Сейчас обстоятельства заставили вспомнить об имитаторе солнечной панели, который уже много лет служил гнездом для ос. Схем, естественно, никаких не сохранилось. Поэтому пришлось восстанавливать схемы по памяти и измерениям отдельных элементов. Тем не менее, прибор был восстановлен и уже используется.

Плавно переходим к описанию формирователя опорной ВАХ для имитатора солнечной панели.

Формирователь состоит из трех основных узлов:

• Термостатируемого излучателя светового потока;
• Термостатируемого фотоприёмника;
• Электронных схем, обеспечивающих управление световым потоком и поддержанием температуры излучателя и фотоприёмника в заданных пределах.

Блок-схема формирователя опорной ВАХ изображена на Рисунке 2.

Излучатель и фотоприёмник конструктивно объединены в модуль, имеющий размеры 100 × 70 × 50 мм, разделенный на два отсека, имеющих собственные температурные режимы. Отсеки разделены прозрачной перегородкой. Основные элементы этого модуля показаны на Рисунке 3, а внешний вид – на Рисунке 4. Голубыми стрелками показаны направления воздушного потока при охлаждении элементов.

Рассмотрим конструкцию излучателя светового потока. Излучатель содержит COB-матрицу белых светодиодов размером 40×40 мм, приклеенную термоскотчем к радиатору с общей площадью охлаждения около 180 см2. Пленочный терморезистор приклеен непосредственно на алюминиевую подложку COB, что способствует максимально быстрой реакции на изменение температуры излучателя. Известно, что изменение температуры светодиода ведет к снижению светового потока и изменению спектра излучения со сдвигом в область более коротких волн. Излучатель обдувается 12-вольтовым вентилятором размером 40×40 мм. Воздушный поток направлен вдоль ребер радиатора, а часть потока попадает непосредственно на излучающую поверхность СОВ-модуля, охлаждая люминофор.

Рабочая температура окружающего воздуха, обеспечивающая нормальную работу прибора, находится в диапазоне 20 – 25 °C, что соответствует температуре в лабораторном помещении. Точность поддержания температуры подложки излучателя в стационарном режиме лучше ±1 °C.

Спектр излучения осветителя типичен для любого белого светодиода с цветовой температурой 4000 К.

Осветитель питается постоянным током. От применения ШИМ мы отказались в пользу уменьшения наводок на фотоприёмник, так как последний находится весьма близко от излучателя и имеет к тому же достаточно хорошие частотные свойства.

Конструкция фотоприёмника более сложна. Поликристаллическая солнечная панель на стеклянной основе имеет размеры 40×40 мм, то есть фотоприёмник и излучатель имеют одинаковые физические размеры, что обеспечивает равномерность засветки фотоприёмника – важного условия корректной работы. Напряжение холостого хода фотоприёмника при максимальном световом потоке равно 2.5 В. Ток короткого замыкания при тех же условиях составляет около 25 мА.

Фотоприёмник наклеен на медную подложку толщиной 2 мм через термоскотч, эластичность которого позволяет компенсировать разницу в коэффициентах теплового расширения стекла и меди. В качестве нагревателя используется мощный полевой транзистор, закрепленный на медной подложке без изолирующей прокладки. Температуру фотоприёмника можно изменять шагами по 10 °C от 30 °C до 70 °C. Точность поддержания температуры подложки фотоприёмника в стационарном режиме не хуже ±0.5 °C.

В качестве термочувствительного элемента используется пленочный терморезистор, приклеенный к подложке рядом с транзистором-нагревателем. Калибровка терморезистора для возможности использования в качестве не только датчика, но и термометра, проводилась в прецизионном водном термостате с точностью установки температуры ванны 0.1 °C. Охлаждение фотоприёмника при необходимости оперативной смены температурного режима осуществляется 12-вольтовым вентилятором с размерами 40×40 мм.

Мы исследовали спектральную чувствительность солнечной панели, используемой в качестве фотоприёмника, и сравнили ее с аналогичным параметром некоторых качественных фотодиодов, например OPT101 и BPW21R. Сравнение выполнено с помощью прибора, описанного в авторской работе [2], на десяти фиксированных длинах волн. Результат сравнения представлен на Рисунке 5.

Выше мы упоминали о неплохих частотных свойствах фотоприёмника. На Рисунке 6 представлена осциллограмма выходного сигнала фотоприёмника на частоте 10 кГц в режиме, близком к короткому замыканию. Для сравнения на Рисунке 7 показана осциллограмма выходного сигнала на частоте 1 кГц.

Калибровка фотоприёмника происходила следующим образом. В течение нескольких дней подряд при безоблачном небе в полдень, при одном и том же положении фотоприёмника происходили многократные кратковременные (с длительностью экспозиции около 3 с) измерения тока короткого замыкания. Поскольку дело происходило летом во время летнего солнцестояния в сельской местности в предгорьях Доломит, то есть практически при идеальном состоянии атмосферы, усреднённые значения измерений были приняты за 100% шкалы прибора. Точные измерения светового потока фотометром тоже проводились, но результаты измерений утрачены.

После установки фотоприёмника в описанный модуль, подбирался такой ток излучателя и такое расстояние между излучателем и фотоприёмником, чтобы при температуре подложки излучателя и фотоприёмника равной 30 °C, достигался уровень освещенности, равный 100% шкалы. При этом важно было соблюсти два условия. Ток излучателя должен быть меньше максимально допустимого, чтобы избежать быстрой деградации светодиодов, а световой поток от излучателя не должен вызывать нагрев фотоприёмника.

Тестирование формирователя опорной ВАХ для имитатора солнечной панели

Для представления ВАХ в классическом виде необходимо линейно изменять напряжение на выходе фотоприёмника от нуля до напряжения холостого хода. Ток фотоприёмника при этом будет изменяться от тока короткого замыкания до нуля. Кривая мощности при этом будет изменяться по сложной траектории от нуля до нуля, проходя через точку максимальной мощности, как следует из Рисунка 1.

Блок-схема оборудования для тестирования представлена на Рисунке 8.

Для наблюдения ВАХ на экране осциллографа мы подаем на первый канал ток фотоприёмника, на второй канал напряжение фотоприёмника, после чего любуемся классической вольтамперной характеристикой солнечной панели. Чтобы получить кривую мощности, перемножаем сигналы первого и второго каналов, что мы можем видеть на Рисунке 9.

Изменяя световой поток, создаваемый излучателем, и температуру фотоприёмника, мы можем получить ВАХ, соответствующую любому предусмотренному параметрами прибора сочетанию светового потока и температуры фотоприёмника. На Рисунках 10 и 11 показаны снятые вручную вольтамперные характеристики фотоприёмника формирователя опорной ВАХ для имитатора солнечной панели.

Заключение

В статье подробно описаны: принцип, устройство, схема и результаты тестирования источника опорной вольтамперной характеристики имитатора солнечной панели. В ближайшее время мы планируем создать ещё один экземпляр формирователя ВАХ на основе современной монокристаллической панели и светодиодов, имеющих спектр, максимально приближенный к солнечному. Если в результате тестирования будут получены существенные отличия, мы непременно известим об этом читателей журнала.

Благодарим читателей, проявивших интерес к нашей работе.

В качестве основного источника информации рекомендуем работу [3]. Приведенный в конце данной работы список литературы позволяет получить исчерпывающее представление о проблеме создания имитаторов солнечных панелей.

Ссылки

1. Giovanni Romeo, Giuseppe Urbinilogia.  «Нестабильный» источник питания имитирует поведение солнечной батареи
2. М.П. Басков, О.Д. Левашов. К вопросу об использовании светодиодов в качестве фотоприёмников
3. А.В. Шкуратов, А.В. Петровский. Формирователь аналоговых вольтамперных характеристик. Доклады ТУСУР, 2018, том 21, № 3