Розробка моделі сонячного елемента із застосуванням методу теорії фрактальної геометрії

Автор(и)

  • Павло Феофанович Буданов Українська інженерно-педагогічна академія, Україна https://orcid.org/0000-0002-1542-9390
  • Ігор Геннадійович Кирисов Українська інженерно-педагогічна академія , Україна https://orcid.org/0000-0002-0214-8880
  • Костянтин Юрійович Бровко Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка , Україна https://orcid.org/0000-0002-9669-9316
  • Дмитро Васильович Руденко Українська інженерно-педагогічна академія , Україна https://orcid.org/0000-0003-0561-4194
  • Павло Вікторович Васюченко Українська інженерно-педагогічна академія , Україна https://orcid.org/0000-0003-4850-1288
  • Андрій Михайлович Носик Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Україна https://orcid.org/0000-0002-4171-1875

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.235882

Ключові слова:

модель сонячного елемента, сприймаюча поверхня фотоелектричного перетворювача, фрактальна розмірність структури

Анотація

Показано, що в існуючих моделях сонячного елемента вводилися допущення про ідеально гладкий рельєф поверхні, які мали значний вплив при розрахунку вихідних параметрів. Запропоновано, для підвищення точності, лінійності і стабільності вольт-амперних характеристик враховувати реальну робочу площу сприймаючої поверхні сонячного елементу. Розроблена геометрична модель структури сприймаючої поверхні сонячного елементу, яка описує і враховує геометричні зміни в структурі напівпровідникового провідного шару, при наявності ушкоджуючих дефектів у вигляді локальних неоднорідностей, мікропор і макротріщин. Встановлено, що сприймаюча поверхня з ушкоджуючими дефектами, є пористою неоднорідною структурою і володіє фрактальними властивостями: самоподібності, інваріантності, масштабованості. Запропоновано, для визначення реальної робочої площі, використовувати метод теорії фрактальної геометрії і в якості ефективного кількісного параметра оцінки зміни фрактальної структури, обрати величину фрактальної розмірності. Отримані аналітичні вирази для вдосконаленої моделі, встановлюють співвідношення між вихідними параметрами і визначають ступінь заповнення вольт-амперної характеристики для вихідної потужності та коефіцієнта корисної дії. Обчислювальний експеримент показав, що реальна площа може бути значно менше геометричної площі топологічного рельєфу і кількісно пов'язана зі зміною фрактальної розмірності в діапазоні від 2.31 до 2.63. Отримані дані про реальну площу, при вирішенні аналітичних виразів для моделі сонячного елемента, відіграють важливе значення для забезпечення стабільності і лінійності вольт-амперної характеристики, підвищуючи її точність до 5 %

Біографії авторів

Павло Феофанович Буданов, Українська інженерно-педагогічна академія

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра фізики, електротехніки і електроенергетики

Ігор Геннадійович Кирисов, Українська інженерно-педагогічна академія

Старший викладач

Кафедра фізики, електротехніки і електроенергетики

Костянтин Юрійович Бровко, Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра інтегрованих електротехнологій та процесів

Дмитро Васильович Руденко, Українська інженерно-педагогічна академія

Кандидат технічних наук

Кафедра фізики, електротехніки і електроенергетики

Павло Вікторович Васюченко, Українська інженерно-педагогічна академія

Кандидат педагогічних наук, доцент

Кафедра фізики, електротехніки і електроенергетики

Андрій Михайлович Носик, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут»

Кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Кафедра Мультимедійних інформаційних технологій і систем

Посилання

  1. Kurtz, S., Haegel, N., Sinton, R., Margolis, R. (2017). A new era for solar. Nature Photonics, 11 (1), 3–5. doi: http://doi.org/10.1038/nphoton.2016.232
  2. Ibrahim, A. (2011). Effect of Shadow and Dust on the Performance of Silicon Solar Cell. Journal of Basic and Applied Sciences Research, 1 (3), 222–230. Available at: https://www.researchgate.net/profile/A-Ibrahim/publication/267971484_Effect_of_Shadow_and_Dust_on_the_Performance_of_Silicon_Solar_Cell/links/54db59660cf233119bc5ef7d/Effect-of-Shadow-and-Dust-on-the-Performance-of-Silicon-Solar-Cell.pdf
  3. Alharbi, F. H., Kais, S. (2015). Theoretical limits of photovoltaics efficiency and possible improvements by intuitive approaches learned from photosynthesis and quantum coherence. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 43, 1073–1089. doi: http://doi.org/10.1016/j.rser.2014.11.101
  4. Kozyukov, D. A., TSygankov, B. K. (2015). Modelirovanie kharakteristik fotoelektricheskikh moduley v MATLAB/Simulink. Nauchniy zhurnal KubGAU, 112 (8), 1–16. Available at: https://cyberleninka.ru/article/n/modelirovanie-harakteristik-fotoelektricheskih-moduley-v-matlab-simulink
  5. Siddiqui, M. U., Abido, M. (2013). Parameter estimation for five- and seven-parameter photovoltaic electrical models using evolutionary algorithms. Applied Soft Computing, 13 (12), 4608–4621. doi: http://doi.org/10.1016/j.asoc.2013.07.005
  6. Ruby, N., Jayabarathi, R. (2017). Predicting the Power Output of a Grid-Connected Solar Panel Using Multi-Input Support Vector Regression. Procedia Computer Science, 115, 723–730. doi: http://doi.org/10.1016/j.procs.2017.09.143
  7. Salmi, T., Bouzguenda, M., Gastli, A., Masmoudi, A. (2012). MATLAB/Simulink Modelling of Solar Photovoltaic Cell. International Journal of Renewable Energy Research, 2 (2), 213–218. Available at: https://www.researchgate.net/publication/258913169_MATLABSimulink_Based_Modelling_of_Solar_Photovoltaic_Cell
  8. Malik, K., Bhatti, B. A., Kamran, F. (2016). An approach to predict output of PV panels using weather corrected global irradiance. IEEE International Conference on Intelligent Systems Engineering, 111–117. doi: http://doi.org/10.1109/intelse.2016.7475171
  9. Ivanchura, V. I., Chubar, A. V., Post, S. S. (2012). Energy Prototypes of Units in Autonomous Power Supply Systems. Zhurnal SFU. Tekhnika i tekhnologii, 2, 179–190. Available at: https://cyberleninka.ru/article/n/energeticheskie-modeli-elementov-avtonomnyh-sistem-elektropitaniya/viewer
  10. Nguyen, X. H., Nguyen, M. P. (2015). Mathematical modeling of photovoltaic cell/module/arrays with tags in MATLAB/Simulink. Environmental Systems Research, 4 (24), 7–22. doi: http://doi.org/10.1186/s40068-015-0047-9
  11. Wang, Z., He, L., Cheng, X., He, J. (2014). Method for short-term photovoltaic generation power prediction base on weather patterns. IEEE China International Conference on Electricity Distribution, 213–215. doi: http://doi.org/10.1109/ciced.2014.6991696
  12. Elbaset, A. A., Ali, H., Abd-El Sattar, M. (2014). Novel seven-parameter model for photovoltaic modules. Solar Energy Materials and Solar Cells, 130, 442–455. doi: https//doi.org/10.1016/j.solmat.2014.07.016
  13. Ahmad, A. (2013). A simple method to extract the parameters of the single-diode model of a PV system. Turkish Journal of Physics, 37, 121–131. Available at: https://www.academia.edu/7441877/A_simple_method_to_extract_the_parameters_of_the_single_diode_model_of_a_PV_system
  14. Koval, O. S., Tivanov, M. S. (2012). Opredelenie parametrov solnechnogo elementa iz ego volt-ampernoy kharakteristiki. Vestnik BGU, 1 (2), 39–44. Available at: https://elib.bsu.by/bitstream/123456789/44192/1/39-44.pdf
  15. Feder, E. (2014). Fraktaly. Moscow: URSS: Lenand, 256. Available at: http://www.prometeus.nsc.ru/acquisitions/15-04-14/cont01.ssi
  16. Balkhanov, V. K. (2013). Osnovy fraktalnoy geometrii i fraktalnogo ischisleniya. Ulan-Ude: Izd-vo Buryatskogo gosuniversiteta, 224. Available at: http://ipms.bscnet.ru/publications/src/2013/FractGeomet.pdf
  17. Budanov, P., Brovko, K., Cherniuk, A., Pantielieieva, I., Oliynyk, Y., Shmatko, N., Vasyuchenko, P. (2018). Improvement of safety of autonomous electrical installations by implementing a method for calculating the electrolytic grounding electrodes parameters. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (5 (95)), 20–28. doi: http://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.144925
  18. Mandelbrot, B. (2010). Fraktalnaya geometriya prirody. Izhevskiy institut kompyuternykh issledovaniy, NITS «Regulyarnaya i khaoticheskaya dinamika», 656.
  19. Zinovev, V. V., Beltyukov, A. P., Bartenev, O. A. (2016). Matematicheskaya model fotoelektricheskogo preobrazovatelya s ispolzovaniem W-funktsii Lamberta. Izvestiya Instituta matematiki i informatiki, 2 (48), 22–30.
  20. Slipchenko, N. I. (2011). Eksperimentalnye issledovaniya kharakteristik solnechnoy paneli KV 150/24(12) v zimnikh usloviyakh. Vestnik Nats. tekhn. un-ta "KHPI". Temat. vyp.: Novye resheniya v sovremennykh tekhnologiyakh, 24, 86–92. Available at: http://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/12877
  21. Said, S., Massoud, A., Benammar, M., Ahmed, S. (2012). A matlab/simulink based photovoltaic array model employing simpowersystems toolbox. Journal of Energy and Power Engineering, 6, 1965–1975. Available at: https://www.researchgate.net/publication/285027675_A_matlabsimulink_based_photovoltaic_array_model_employing_simpowersystems_toolbox
  22. Savrasov, F. V., Kovalev, I. K. (2012). Issledovanie effektivnosti raboty solnechnoy batarei v polevykh usloviyakh. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta, 321 (4), 165–168. Available at: http://earchive.tpu.ru/handle/11683/4482
  23. Lunin, L. S., Paschenko, A. S. (2011). Modelirovanie i issledovanie kharakteristik fotoelektricheskikh preobrazovateley na osnove GaAs i GaSb. ZHurnal tekhnicheskoy fiziki, 81, 71–76. Available at: https://elibrary.ru/item.asp?id=20325216
  24. Cotfas, D. T., Cotfas, P. A., Kaplanis, S. (2013). Methods to determine the dc parameters of solar cells: A critical review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 28, 588–596. doi: http://doi.org/10.1016/j.rser.2013.08.017
  25. Rudenko, D. V., Vasyuchenko, P. V. (2019). Modeling of physical processes of the solar photovoltaic. Vcheni zapysky Tavriiskoho natsionalnoho universytetu im. V. I. Vernadskoho. Seriia: Tekhnichni nauky, 30 (69), 42–47.
  26. Kolosov, R. V. (2019). Modelling of solar panels. Intellektualnaya elektrotekhnika, 2 (6), 85–93.
  27. Laudani, A., Riganti Fulginei, F., Salvini, A. (2014). High performing extraction procedure for the one-diode model of a photovoltaic panel from experimental I–V curves by using reduced forms. Solar Energy, 103, 316–326. doi: http://doi.org/10.1016/j.solener.2014.02.014
  28. Lineykin, S., Averbukh, M., Kuperman, A. (2014). An improved approach to extract the single-diode equivalent circuit parameters of a photovoltaic cell/panel. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 30, 282–289. doi: http://doi.org/10.1016/j.rser.2013.10.015
  29. Dongue, S. B., Njomo, D., Tamba, J. G., Ebengai, L. (2012). Modeling of Electrical Response of Illuminated Crystalline Photovoltaic Modules Using Four- and Five-Parameter Models. International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, 2, 612–619.
  30. Cubas, J., Pindado, S., Victoria, M. (2014). On the analytical approach for modeling photovoltaic systems behavior. Journal of Power Sources, 247, 467–474. doi: http://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.09.008
  31. Peng, L., Sun, Y., Meng, Z., Wang, Y., Xu, Y. (2013). A new method for determining the characteristics of solar cells. Journal of Power Sources, 227, 131–136. doi: http://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.07.061
  32. Orioli, A., Di Gangi, A. (2013). A procedure to calculate the five-parameter model of crystalline silicon photovoltaic modules on the basis of the tabular performance data. Applied Energy, 102, 1160–1177. doi: http://doi.org/10.1016/j.apenergy.2012.06.036
  33. Seifi, M., Che Soh, A. Bt., Izzrib, N., Wahab Abd., Khair, M., Hassan, B. (2013). A Comparative Study of PV Models in Matlab/Simulink. International Scholarly and Scientific Research & Innovation, 7 (2), 97–102.
  34. Cubas, J., Pindado, S., de Manuel, C. (2014). Explicit Expressions for Solar Panel Equivalent Circuit Parameters Based on Analytical Formulation and the Lambert W-Function. Energies, 7 (7), 4098–4115. doi: http://doi.org/10.3390/en7074098
  35. Cucchiella, F., D’Adamo, I., Gastaldi, M. (2016). A profitability assessment of small-scale photovoltaic systems in an electricity market without subsidies. Energy Conversion and Management, 129, 62–74. doi: http://doi.org/10.1016/j.enconman.2016.09.075
  36. Villalva, M. G., Gazoli, J. R., Filho, E. R. (2009). Comprehensive Approach to Modeling and Simulation of Photovoltaic Arrays. IEEE Transactions on Power Electronics, 24 (5), 1198–1208. doi: http://doi.org/10.1109/tpel.2009.2013862
  37. Stanly, L. S., Divya, R., Nair, M. G. (2015). Grid connected solar photovoltaic system with Shunt Active Filtering capability under transient load conditions. IEEE International Conference on Advancements in Power and Energy, 345–350. doi: http://doi.org/10.1109/tapenergy.2015.7229643
  38. Salmi, Т., Bouzguenda, M., Gastli, A., Masmoundi, A. (2012). MATLAB/Simulink Based Modelling of Solar Photovoltaic Cell. International Journal of Renewable energy researcg, 2, 213–218.
  39. Patil Sahebrao, N., Prasad, R. C. (2014). Design and simulation of MPPT algorithm for solar energy system using Simulink model. International Journal of Research in Engineering and Applied Sciences, 2 (1), 37–40. Available at: https://www.semanticscholar.org/paper/DESIGN-AND-SIMULATION-OF-MPPT-ALGORITHM-FOR-SOLAR-Sahebrao-Prasad/69aec92f9308bc20f0771649c81f854e8907adba
  40. Surya Kumari, J., Sai Babu, Ch. (2012). Mathematical Modelling and Simulation of Photovoltaic Cell Using MATLAB/Simulink Environment and PLECS Blockset. International Journal of Electrical and Computer Engineering, 2 (1), 26–34. doi: http://doi.org/10.11591/ijece.v2i1.117

##submission.downloads##

Опубліковано

2021-06-30

Як цитувати

Буданов, П. Ф., Кирисов, І. Г., Бровко, К. Ю., Руденко, Д. В., Васюченко, П. В., & Носик, А. М. (2021). Розробка моделі сонячного елемента із застосуванням методу теорії фрактальної геометрії. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3(8(111), 75–89. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.235882

Номер

Том 3 № 8(111) (2021): Енергозберігаючі технології та обладнання

Розділ

Енергозберігаючі технології та обладнання

Ліцензія

Авторське право (c) 2021 Pavlo Budanov, Ihor Kyrysov, Kostiantyn Brovko, Dmytro Rudenko, Pavlo Vasiuchenko, Andrii Nosyk

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.