Одной из главных задач при проектировании солнечных энергосистем является правильное определение энергоэффективности солнечных батарей. Первым шагом в определении эффективности солнечной батареи — обзор технологии солнечной панели. Гелиоэнергетическая панель состоит из массива ячеек, выход которых подается на инвертор, преобразующий постоянный ток на выходе солнечной панели в переменный. Данные инверторы должны передавать максимум мощности от фотогальванических панелей, к которым подключаются. Максимальная мощность напрямую будет зависеть от мощности самих панелей, а также от погодных условий (интенсивности солнечного света, температуры).
Для получения максимальной мощности от фотоэлектрических панелей, независимо от погодных условий, необходимо работать с максимальной точкой мощности (maximum power point tracking MPPT). Для достижения этой цели инверторы, используемые в солнечных батареях, должны отслеживать точку максимальной мощности (MPPT), которая и будет ключом к максимальной эффективности солнечной энергосистемы. Поэтому из способов проверки эффективности системы панель-инвертор — мониторинг инвертором MPPT при любых условиях окружающей среды, то есть при изменяющемся солнечном излучении и температуре, что является очень сложной задачей. Кроме того, необходимо убедится, что используемые инверторы способны преобразовывать максимальную мощность солнечных батарей путем отслеживания MPPT.
Есть три способа проверить фотоэлементы (PV) системы панель-инвертор:
- Попаданием прямых солнечных лучей на фотоэлементы панели подключенной к инвертору;
- Выставить PV элементы системы панель-инвертор на яркий свет, имитирующий солнечный свет;
- Использовать симулятор солнечной батареи, подсоединив его выход к инвертору.
Алгоритмы работы с точкой максимальной мощности MPPT являются сложными и тестирование их на солнечных батареях, работающих в реальных условиях, с различной освещенностью и температурными режимами, процесс довольно долгий и дорогостоящий. Тем более комплексное тестирование в реальных условиях различных солнечных модулей практически невозможно, так технологии солнечных батарей постоянно меняются. Более того, необходимо обеспечить условия для мониторинга инвертором точки MPPT.
Для имитации источника света используют дуговую лампу 100 Вт с оптимизированной оптической системой, которая обеспечивает излучение более одного AM1.5G над площадью 50х50 мм. Дополнением будет электронный затвор, обеспечивающий компьютерное управление мощностью светового потока. Данный подход также обеспечивает условия мониторинга инвертором точки MPPT.
Симулятор солнечной батареи построен на модели идеального солнечного элемента с источником света I1 и встречно-параллельным диодом D. Когда солнечный свет воздействует на ячейку батареи, генерируется постоянный ток, который будет меняться линейно, в зависимости от интенсивности солнечного излучения. Также существуют еще и сопротивления источника, описанные в данном случае резисторами Rp и Rs.
Фотоэлектрические PV панели имеют нелинейную ВАХ (вольт-амперную характеистику), показанную ниже:
Кривая I-V варьируется от тока короткого замыкания ISC при нулевом напряжении до нулевого тока при напряжении холостого хода VOC. На колене кривой I-V и будет находится точка максимальной мощности, в ней панель будет развивать максимальную электрическую мощность. Соответственно преобразователь должен в автоматическом режиме подбирать нагрузку, подыскивая конкретную точку на кривой I-V, соответствующей максимальной мощности постоянного тока, вырабатываемого солнечной батареей.
PV симуляторы батарей помогают разработчикам вести разработку и испытание алгоритмов слежения за точкой максимальной мощности инвертора. Малые приращения производства электроэнергии оказывают серьезное влияние на рентабельность производства солнечной энергии. PV имитаторы батарей позволяют инженерам получать большее количество энергии от преобразователей, что повышает эффективность солнечной энергетики.
Для наиболее точно приближенных испытаний инверторов, необходимо чтоб выход имитатора отображал с максимальной точностью реальную I-V характеристику солнечных батарей. Симулятор должен полностью имитировать реальные условия работы солнечной батареи для полноценного испытания инвертора. Для оценки работы симулятора учитывают три основных параметра – шумы выходного тока, фазовая ошибка между напряжением и током, а также точность отслеживания точки максимальной мощности.
По сути, разность между фазами выходных напряжений и токов нулевая, даже когда инверторы используют стратегию отслеживания MPPT, что очень быстро изменяет нагрузку. Для имитации работы солнечного модуля необходимо чтоб фазовая ошибка симулятора была меньше 15 градусов даже в случае резкого изменения нагрузки.
Не менее важной характеристикой является и возможность отслеживания точки максимальной нагрузки в динамическом режиме. Данная характеристика отображает степень отклонения симулятора от запрограммированной I-V кривой в динамическом режиме работы.
Для удобства были разработаны и введены PV симуляторы типа Keysight N8937APV и 8957APV.
Фотоэлектрические массивы типа N8937 / 57APV (PV) можно использовать в качестве симуляторов выходных характеристик фотоэлектрических элементов панелей в лабораторных условиях или на производстве. Данное устройство представляет собой программируемый источник постоянного тока, который может сымитировать характеристики I-V кривой при различных условиях окружающей среды (освещенность элементов, температура, возраст и другие функции). Это свойство позволяет инженерам всесторонне тестировать инверторы без подключения к реальным батареям.
Данные симуляторы PV элементов обеспечивают стабильную мощность, а встроенные датчики напряжений и токов – автоматический выбор выходных токов и напряжений в диапазоне 500 В – 1500 В и 10 А – 30 А. Способность автоматической подстройки делает данные модули более гибкими, чем традиционные источники, и позволяет им обеспечить большее количество комбинаций выходных токов и напряжений.
Симулятор PV не обеспечивает выходной сигнал, абсолютно связанный с MPPT. Он гасит мощность известной кривой в точке максимальной мощности. Это связано с тем, что каждая кривая имеет точку максимальной мощности. Поскольку созданием I-V кривой для симуляции процесса занимается непосредственно сам пользователь, то ему также известна и точка максимальной мощности. Также он знает мощность инвертора. Измерение мощности на выходе преобразователя позволяет рассчитать его эффективность. Тем не менее, измерение мощности на выходе и входе инвертора позволяет произвести более точную оценку его эффективности.
Помимо использования данных модулей-симуляторов в альтернативной энергетике их можно использовать и в других сферах. Они позволяют получить автоматическую подстройку для нагрузки постоянного тока мощностью до 15 кВт и подходят для испытания различных систем. Также при параллельном соединении данные модули позволяют получить мощность 90 кВт и более.
Данный PV симулятор позволяет:
- Разрабатывать и проверять алгоритмы работы инвертора при пиковых мощностях;
- Измерять эффективность преобразования энергии инвертором при различных моделируемых условиях (туманная погода, низкая или высокая температура и прочие факторы);
- Тестирование работы инвертора с энергосистемой при минимальных и максимальных пиках напряжения;
- Выполнение квалификационных испытаний – подтверждение характеристик преобразователя во время или после влияния изменения условий окружающей среды;
- Выполнение ускоренных испытаний;
- Выполнение сертификационных испытаний;
Интересное видео об отслеживании точки максимальной мощности солнечной батареи:
