Keskitetyn auringonvalon moniliitosaurinkokennojen kytkentöjen mallintaminen ja tehon optimointi aurinkopaneelissa
Hyötylä, Eero (2018)
Hyötylä, Eero
2018
Sähkötekniikka
Tieto- ja sähkötekniikan tiedekunta - Faculty of Computing and Electrical Engineering
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2018-02-07
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201801231137
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201801231137
Tiivistelmä
Diplomityössä luotiin simulaatiomalli korkean hyötysuhteen kolmiliitosaurinkokennolle ja auringonvaloa keskittävälle aurinkopaneelille Mathworksin Matlab/Simulink-ohjelmiston avulla. Optoelektroniikan tutkimuskeskuksessa (ORC) valmistetuille kolmiliitosaurinkokennoille tarvittiin simulaatiomalli, jotta niiden sähköistä käyttäytymistä voitaisiin tutkia aurinkopaneelissa erilaisissa olosuhteissa. Simulink-simulaatiomallissa käytettiin fyysisiä kytkentöjä mallintavia simscape-komponentteja. Simulaatioiden tuloksena aurinkokennoille ja aurinkopaneeleille saatiin jännitettä nostamalla laskettua kutakin jännitettä vastaava virta. Jännitteiden ja niitä vastaavien virtojen avulla voitiin laskea myös kutakin jännitettä vastaava teho, jolloin aurinkokennoille ja aurinkopaneeleille voitiin muodostaa virta-jännite- ja teho-jännite-ominaiskäyrät. Virtojen, jännitteiden ja tehojen avulla aurinkokennoille ja aurinkopaneeleille voitiin määrittää myös oikosulkuvirta, oikosulkuvirrantiheys, avoimen piirin jännite, maksimiteho, täytekerroin ja hyötysuhde. Simulaatiomallien todettiin vastaavan mitattujen kolmiliitosaurinkokennojen sähköistä käyttäytymistä vertailemalla mittauksien ja simulaatioiden tuloksia.
Simulaatiomallin avulla yksittäisten kolmiliitosaurinkokennojen ja niistä muodostuvien aurinkopaneelien sähköistä toimintaa voitiin simuloida eri lämpötiloissa, sekä erisuuruisilla valon intensiteeteillä. Mittausten ja simulaatioiden tuloksena tutkimuksen kohteena olleelle kolmiliitosaurinkokennolle määritettiin oikosulkuvirran, oikosulkuvirrantiheyden, avoimen piirin jännitteen, maksimitehon, täytekertoimen ja hyötysuhteen lämpötilakertoimet. Pinta-alaltaan 0,91 mm2 kokoisella kolmiliitosaurinkokennolla maksimitehon lämpötilakerroin oli noin 48 µW/°C ja hyötysuhteen lämpötilakerroin noin 5,3·10 4 1/°C. Diplomityössä tutkittiin myös aurinkopaneelin maksimitehopisteen sijoittumista virran ja jännitteen suhteen aurinkokennojen erilaisilla kytkentätopologioilla, sekä aurinkopaneelin epätasaista lämpötilajakaumaa aurinkokennojen jäähtyessä ja kuumentuessa aurinkopaneelissa. Tutkimusten kohteena olivat niin ikään kolmiliitosaurinkokennon sisäiset oikosulut ja kolmiliitosaurinkokennojen epätasainen valon intensiteettijakaumaa. Tutkimuksissa havaittiin, että valon epätasainen intensiteettijakauma pienensi kolmiliitosaurinkokennon hyötysuhdetta noin 0,8 % tasaiseen intensiteettijakaumaan verrattuna. Lisäksi diplomityössä tutkittiin kolmiliitosaurinkokennon pinnalla olevia metallisia kontaktisormia ja valoa keskittävän linssin ja kolmiliitosaurinkokennon välisiä kohdistusvirheitä. Electrical equivalence model for high efficiency triple-junction solar cells and concentrated photovoltaics solar panels was built using Mathworks Matlab/Simulink software. Simulation model was needed for solar cells, fabricated in Optoelectronics Research Centre (ORC), to examine their electrical behaviour in solar panel under different operation conditions. Simscape components, which model physical connections, were used in Simulink circuit design. As an outcome of the simulation, current was calculated for solar cells and solar panels when voltage was raised. Power for each voltage was calculated using the voltages and corresponding currents, which enabled the generation of current-voltage and power-voltage characteristics for solar cells and solar panels. Utilizing currents, voltages and powers enabled the calculations of short-circuit current, short-circuit current density, open circuit voltage, maximum power, fill factor and efficiency for solar cells and solar panels. Comparing the results of measurements and simulations it was verified that simulation models matched the electrical behaviour of measured triple-junction solar cells.
Circuit design enabled the electrical simulations of triple-junction solar cells and solar panels consisting of triple-junction solar cells in various temperatures and differing light intensities. As an outcome of the simulations and measurements of the solar cell under research, temperature coefficients were defined for short-circuit current, short-circuit current density, open circuit voltage, maximum power, fill factor and efficiency. Temperature coefficient of maximum power was 48 µW/°C and temperature coefficient of efficiency was -5.3·10-4 1/°C. The area of the triple-junction solar cell was 0.91 mm2. In this thesis, solar panel maximum power point location was also observed in relation to current and voltage under various wiring topologies along with solar panel uneven temperature distribution consisting of cooled down and heated solar cells. Furthermore, internal short-circuits of triple-junction solar cells and uneven intensity distribution of triple-junction solar cells was investigated. It was noted that efficiency of triple-junction solar cell decreased by 0.8 % under uneven intensity distribution compared to uniform intensity distribution. In addition, metal grid contacts on top of triple-junction solar cell and alignment error between concentrated photovoltaics optics and triple-junction solar cell, were studied.
Simulaatiomallin avulla yksittäisten kolmiliitosaurinkokennojen ja niistä muodostuvien aurinkopaneelien sähköistä toimintaa voitiin simuloida eri lämpötiloissa, sekä erisuuruisilla valon intensiteeteillä. Mittausten ja simulaatioiden tuloksena tutkimuksen kohteena olleelle kolmiliitosaurinkokennolle määritettiin oikosulkuvirran, oikosulkuvirrantiheyden, avoimen piirin jännitteen, maksimitehon, täytekertoimen ja hyötysuhteen lämpötilakertoimet. Pinta-alaltaan 0,91 mm2 kokoisella kolmiliitosaurinkokennolla maksimitehon lämpötilakerroin oli noin 48 µW/°C ja hyötysuhteen lämpötilakerroin noin 5,3·10 4 1/°C. Diplomityössä tutkittiin myös aurinkopaneelin maksimitehopisteen sijoittumista virran ja jännitteen suhteen aurinkokennojen erilaisilla kytkentätopologioilla, sekä aurinkopaneelin epätasaista lämpötilajakaumaa aurinkokennojen jäähtyessä ja kuumentuessa aurinkopaneelissa. Tutkimusten kohteena olivat niin ikään kolmiliitosaurinkokennon sisäiset oikosulut ja kolmiliitosaurinkokennojen epätasainen valon intensiteettijakaumaa. Tutkimuksissa havaittiin, että valon epätasainen intensiteettijakauma pienensi kolmiliitosaurinkokennon hyötysuhdetta noin 0,8 % tasaiseen intensiteettijakaumaan verrattuna. Lisäksi diplomityössä tutkittiin kolmiliitosaurinkokennon pinnalla olevia metallisia kontaktisormia ja valoa keskittävän linssin ja kolmiliitosaurinkokennon välisiä kohdistusvirheitä.
Circuit design enabled the electrical simulations of triple-junction solar cells and solar panels consisting of triple-junction solar cells in various temperatures and differing light intensities. As an outcome of the simulations and measurements of the solar cell under research, temperature coefficients were defined for short-circuit current, short-circuit current density, open circuit voltage, maximum power, fill factor and efficiency. Temperature coefficient of maximum power was 48 µW/°C and temperature coefficient of efficiency was -5.3·10-4 1/°C. The area of the triple-junction solar cell was 0.91 mm2. In this thesis, solar panel maximum power point location was also observed in relation to current and voltage under various wiring topologies along with solar panel uneven temperature distribution consisting of cooled down and heated solar cells. Furthermore, internal short-circuits of triple-junction solar cells and uneven intensity distribution of triple-junction solar cells was investigated. It was noted that efficiency of triple-junction solar cell decreased by 0.8 % under uneven intensity distribution compared to uniform intensity distribution. In addition, metal grid contacts on top of triple-junction solar cell and alignment error between concentrated photovoltaics optics and triple-junction solar cell, were studied.