В статье описывается создание стенда для экспериментов с маломощными солнечными панелями. Автор достаточно давно задумал серию таких экспериментов, однако отсутствие высокостабильного и мощного источника света не позволяло их провести. Практическое применение стенда рассматривается на примере реализации оригинального способа обеспечения работы солнечной панели в точке максимальной мощности. Приводится детальное описание методики эксперимента.
Автор рассчитывает, что читатели хорошо осведомлены в вопросах применения солнечных панелей и не нуждаются в повторении известных деталей данной проблематики.
Все эксперименты, проводимые при разработке контроллеров солнечных панелей, требуют дорогостоящего и сложного оборудования. Это могут быть программируемые эмуляторы солнечных панелей, либо источники света, обеспечивающие точно регулируемый световой поток с максимумом в 1000 Вт/м2, являющимся стандартом для испытания солнечных панелей.
Автором выбран второй вариант с использованием регулируемого источника света, далее «излучателя».
Блок-схема испытательного стенда приведена на Рисунке 1.
 |
|
| Рисунок 1. | Блок-схема испытательного стенда. |
Цифрами на Рисунке 1 обозначены:
- Источник питания AC/DC фирмы MEAN WELL с выходным напряжением 24 В при токе 8 А.
- Линейный стабилизатор тока 0.5-12 A для питания осветителя. Точность стабилизации тока не хуже 1%. Стабилизатор имеет плавную регулировку и четыре уровня фиксированной регулировки: 100%, 90%, 80% и 70% от установленного плавным регулятором значения. Это позволяет имитировать различные уровни естественной освещенности.
- Излучатель с номинальной мощностью 144 Вт и цветовой температурой 4500 К.
- Стабилизатор температуры радиатора излучателя, поддерживающий температуру радиатора в точке крепления датчика не хуже ±0.5 °C.
- Вентиляторная группа охлаждения радиатора излучателя, состоящая из двух вентиляторов общей мощностью 24 Вт от серверных блоков питания.
- Экспериментальная солнечная панель (описание ниже).
- Стабилизатор температуры подложки солнечной панели, поддерживающий температуру подложки панели в точке крепления датчика не хуже ±1 °C
- Вентиляторная группа охлаждения подложки солнечной панели, состоящая из двух вентиляторов, общей мощностью 24 Вт от серверных блоков питания.
- Электронный блок, например, контроллер.
- Нагрузка.
Остановимся подробнее на конструкции экспериментальной солнечной панели. Фотоэлектрические модули размером 50 мм × 50 мм в количестве 12 штук собраны в матрицу с размерами 150 мм × 200 мм. Модули приклеены термоскотчем толщиной 0.05 мм к медной подложке толщиной 1 мм.
Фотоэлектрические модули выполнены по монокристаллической технологии и имеют Fill Factor1), равный 0.74, что является хорошим показателем.
Паспортное значение тока модуля в точке максимальной мощности (MPP) составляет 110 мА при напряжении 3.1 В. Ток короткого замыкания при световом потоке 1000 Вт/м2 составляет 120 мА. Реальные значения тока короткого замыкания для большинства модулей имели незначительный разброс, однако три модуля имели существенные отклонения в меньшую сторону.
Фотоэлектрические модули были сгруппированы в четыре секции по три модуля в каждой. Модули, входящие в секцию, подобраны так, чтобы их ток короткого замыкания различался не более чем на 5%. Внутри каждой секции модули соединены последовательно. Наиболее слабые модули были включены в состав одной секции.
Для получения корректных результатов в запланированных экспериментах необходимым условием является стабилизация температуры излучателя и температуры фотоэлементов солнечной панели.
Излучатели в количестве 12 штук, имеющие номинальную мощность по 12 Вт и размеры 50 мм × 60 мм, выполнены по COB-технологии, при которой подложка изолирована от токонесущих шин, поэтому излучатели закреплены на общем радиаторе без изолирующих прокладок. Рабочая поверхность алюминиевого радиатора была тщательно проверена на отсутствие неровностей и отшлифована до глубокого матового блеска.
Поскольку мы имеем дело с групповым излучателем и не можем контролировать температуру отдельного излучателя, то решено поддерживать неизменной температуру общего радиатора, на котором закреплены излучатели.
Для выравнивания температурных градиентов основная плита радиатора имеет толщину 12 мм. Температура радиатора контролируется датчиком, установленным в его геометрическом центре на глубине 6 мм. В качестве датчиков используются терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом.
Монтаж излучателей выполнен винтами М3 с применением термопасты КПТ-19. Изготовленный таким образом групповой излучатель, геометрические размеры которого практически совпадают с размерами экспериментальной солнечной панели, обеспечивает одинаковую освещенность всех фотоэлектрических модулей.
Для определения границ регулировки температуры радиатора излучателя на излучатель была подана мощность 150 Вт, а охлаждающие вентиляторы включены на полную мощность.
Температурный баланс установился в районе 41 градуса. Поскольку при снижении мощности излучателя вдвое и выключенных вентиляторах равновесная температура находилась в районе 52 градусов, то стало ясно, что при помощи вентиляторов охлаждения можно поддерживать температуру радиатора на уровне 40 градусов во всем рабочем диапазоне мощностей осветителя 70-140 Вт.
Аналогичным образом проверялся диапазон рабочих температур для солнечной панели. При удельной мощности светового потока падающего на поверхность фотоприемника 1000 Вт/м2, нагрев подложки фотоприемника составил 73 градуса при выключенных вентиляторах охлаждения. Включение вентиляторов охлаждения на полную мощность снизило температуру подложки до 35 градусов.
При снижении мощности, подводимой к излучателю, вдвое и выключенных вентиляторах охлаждения равновесная температура подложки установилась на уровне 45 градусов. Стало ясно, что реально обеспечить рабочую температуру подложки на уровне 40 градусов за счет изменения скорости воздушного потока создаваемого вентиляторами охлаждения.
Вычислительная поддержка эксперимента обеспечивается двумя 32-разрядными микроконтроллерами Iskra JS, один из которых управляет экспериментом и находится онлайн, другой является запасным, но при необходимости может использоваться для обработки результатов эксперимента, если последние содержат большой объем данных и должны обрабатываться сложным алгоритмом. Iskra JS работает на частоте 168 МГц и использует микроконтроллер ARM Cortex-M4.
На борту имеется 1 МБ флеш-памяти для хранения прошивки интерпретатора JavaScript и кода эксперимента, а также 192 КБ оперативной памяти.
У этого микроконтроллера два важных достоинства.
- Использование JavaScript позволяет отлаживаться в реальном времени без промежуточных компиляций кода. Возможность наблюдения за ходом эксперимента на экране компьютера через среду Espruino Web IDE и внесения изменений в ход эксперимента без его прерывания является очень важным аргументом в пользу использования этого микроконтроллера.
- Iskra JS имеет на борту восемь аналоговых портов, обеспечивающих 12-разрядное кодирование входных сигналов и два аналоговых порта, выдающих аналоговый сигнал с 12-разрядным разрешением. Этой точности более чем достаточно для большинства физических экспериментов.
Рассмотрим практическое применение стенда на примере эксперимента по обеспечению непрерывной работы солнечной панели в точке максимальной мощности с помощью вспомогательного фотодатчика. Автор проводил подобные эксперименты ранее, но не получил положительных результатов из-за отсутствия мощного стабильного источника света.
В качестве фотодатчика будем использовать часть модулей солнечной панели. Гипотетически мы можем представить себе солнечную панель, где в едином технологическом цикле наряду с силовыми модулями могут быть изготовлены несколько миниатюрных модулей, служащих датчиками освещенности и температуры подложки.
Блок-схема эксперимента представлена на Рисунке 2.
 |
|
| Рисунок 2. | Блок-схема экспериментальной системы, поддерживающей работу солнечной панели в точке максимальной мощности. |
Цифрами на Рисунке 2 обозначены:
- Рабочая часть солнечной панели, далее «рабочая панель».
- Сенсорная часть солнечной панели, далее «сенсорная панель».
- Контроллер.
- Регулирующий элемент.
- Нагрузка.
Мы видим, что на Рисунке 2 рабочая и сенсорная панели объединены в единую конструкцию. Размеры элементов сенсорной панели, как и их количество, не имеют существенного значения, но в нашем конкретном случае в качестве сенсорной панели задействуется одна секция, а три других секции выполняют роль рабочей панели.
Роль сенсорной панели выполняет наиболее «слабая» секция, что соответствует исходным положениям эксперимента о том, что размеры сенсора освещенности могут быть существенно меньше размеров рабочих модулей.
Удержание рабочей панели в точке максимальной мощности происходит следующим образом.
Контроллер в цикле изменяет ток нагрузки сенсорной панели, измеряя при этом напряжение на ней, и вычисляет отбираемую мощность. При достижении MPP контроллер вырабатывает управляющее воздействие для регулирующего элемента рабочей панели, умножая ток сенсорной панели на некоторый коэффициент, в результате чего рабочая панель также находится в точке максимальной мощности.
Поскольку сенсорная и рабочая панели конструктивно объединены на одной подложке, при изменении внешних факторов – освещённости и температуры – коррекция положения MPP рабочей панели происходит автоматически.
Принципиальная схема электронной части, обеспечивающей проведение описываемого эксперимента, приведена на Рисунке 3.
 |
|
| Рисунок 3. | Принципиальная схема электронного оборудования. Для удобства компоновки рисунка сенсорная и рабочая панель пространственно разнесены. |
На Рисунке 3 мы видим два идентичных стабилизатора тока, управляемых микроконтроллером. Первый стабилизатор тока, содержащий элементы А1.1 и VT1, служит для изменения тока, отбираемого от сенсорной панели, второй стабилизатор тока, содержащий элементы А1.2 и VT2, работает в качестве регулятора тока через резистор нагрузки RLOAD.
Операционные усилители А2.1 и А2.2 играют вспомогательную роль, усиливая напряжение, снимаемое с токоизмерительных резисторов R1 и R10, соответственно.
Напряжение на сенсорной и рабочей панелях уменьшается делителями R2, R3 и R8, R6, соответственно, и поступает на аналоговые входы микроконтроллера.
Описание этапов эксперимента
- На первом этапе необходимо было убедиться в том, что возможно уверенно фиксировать точки максимальной мощности сенсорной и рабочей панелей. Сопротивление нагрузки RLOAD для чистоты эксперимента на этом этапе равнялось 0.
С аналоговых выходов микроконтроллера на стабилизаторы токов сенсорной и рабочей панели подавалось ступенчато-растущее напряжение, причем «высота» ступени, подаваемой на вход стабилизатора тока рабочей панели, была в 3.5 раза выше, чем уровень ступени сенсорной панели.
На каждом шаге измерялась мощность, отбираемая у панелей. Результаты записывались в операционный массив. Если на следующем шаге мощность падала по сравнению с предыдущим шагом, предыдущая строка массива получала метку «MPPT».
Указанный выше процесс был повторен для четырех фиксированных значений освещенности. Ток осветителя при этом составлял 5.50 А, 5.00 А, 4.50 А и 4.00 А.
Полученные результаты подтвердили возможность фиксации точки максимальной мощности для обеих панелей, однако точки максимальной мощности находились в разных строках массива из-за того, что коэффициент пропорциональности 3.5 не соответствовал реальному значению.
- После проведения первого эксперимента коэффициент пропорциональности мог быть вычислен аналитически, но для чистоты эксперимента и получения точного значения коэффициента пропорциональности описанный выше эксперимент был повторен во внешнем цикле, на каждом шаге которого значение коэффициента пропорциональности, исходно равное 3.5 увеличивалось на 0.01. RLOAD оставалось равно 0.
Цикл останавливался, когда метки «MPPT» сенсорной и рабочей панели оказывались в одной строке массива.
Такой цикл был проведен для всех фиксированных значений освещенности, в результате чего было вычислено среднее значение коэффициента пропорциональности, которое и использовалось в дальнейшем.
Листинг контрольных испытаний доступен в разделе Загрузки.
На основании полученного коэффициента пропорциональности были зафиксированы значения мощности рабочей панели, соответствующие MPP.
- На третьем, завершающем этапе эксперимента, в качестве RLOAD была использована автомобильная лампа 12 В 400 мА. Первые же измерения показали, что и при использовании внешней нагрузки рабочая панель находится в оптимальном режиме. Однако для полной уверенности для каждого уровня освещенности был проведен часовой цикл испытаний, на протяжении которого показания мощности снимались каждые шесть минут. Существенных отклонений режима рабочей панели не выявлено.
Листинг испытаний доступен в разделе Загрузки.
Заключение
Описанный выше стенд показал свою пригодность для проведения различных экспериментов с миниатюрными моделями солнечных панелей, а также может использоваться в качестве лабораторного оборудования при обучении студентов соответствующих специальностей.
Тестовый эксперимент по удержанию солнечной панели в точке максимальной мощности при помощи встроенных сенсоров вряд ли может быть реализован при массовом производстве солнечных панелей, так как связан с изменением технологии сборки панелей и рассчитан на работу с одиночной панелью. Что, впрочем, не огорчает автора, так как модели высокой моды крайне редко можно увидеть где-нибудь, кроме подиумов 
.
| Видеофрагмент испытаний |
1) Fill factor (FF) – это коэффициент заполнения ВАХ солнечного элемента – отношение реальной мощности (VMAX × IMAX) к гипотетически возможной мощности. Этот коэффициент является одним из основных параметров, по которому можно судить о качестве фотоэлектрического преобразователя. Базовое описание можно найти здесь [1].
Купить TLC2272 на РадиоЛоцман.Цены
