Detection of Single-Diode Model Characteristic Values from Measured Current-Voltage Curves for Online Condition Monitoring Purposes of Photovoltaic Power Systems
Kalliojärvi, Heidi (2024)
Kalliojärvi, Heidi
Tampere University
2024
Tieto- ja sähkötekniikan tohtoriohjelma - Doctoral Programme in Computing and Electrical Engineering
Informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunta - Faculty of Information Technology and Communication Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Väitöspäivä
2024-01-19
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-3156-6
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-3156-6
Tiivistelmä
Aurinkosähkövoimalan aurinkokennot ovat järjestelmän elinkaaren myötä taipuvaisia ikääntymään ja rappeutumaan. Ikääntymisilmiöt aiheuttavat merkittäviä tehohäviöitä, mikä ilmenee taloudellisina tappioina. Näin ollen tarvitaan luotettava kunnonvalvontamenetelmä niin kennojen ikääntymisen toteamiseksi kuin ikääntymisen asteen määrittämiseksi. Tällaisia menetelmiä löytyy, mutta niiden käyttö on tyypillisesti työlästä ja kallista. Tämän väitöstutkimuksen tarkoitus on löytää ratkaisu kyseiseen ongelmaan.
Käyttökelpoinen lähestymistapa aurinkosähkövoimalan kunnonvalvontaan on virta-jännitekäyrien mittaaminen aurinkopaneelin tai -paneelikokonaisuuden liittimistä ja aurinkokennon toimintaa kuvaavan matemaattisen mallin sovittaminen mitattuihin käyriin. Malliksi soveltuu laajasti käytetty yksidiodimalli. Mallin sovitteen parametrit tarjoavat diagnostisesti arvokasta tietoa aurinkokennojen kunnosta.
Tässä on kuitenkin eräitä käytännön haasteita. Ensinnäkin yksidiodimallin parametreihin vaikuttavat myös toimintaolosuhteet, joiden mittauksia on harvoin käytännön aurinkosähkövoimaloissa. Täten on tarpeen tunnistaa toimintaolosuhteet laskennallisesti yhdessä yksidiodimallin parametrien kanssa. Toiseksi kokonaisten virta-jännitekäyrien käyttö sovitukseen vaatii voimalan alasajon mittausjakson ajaksi, kun taas osittaisten virta-jännitekäyrien käyttö heikentää sovitteen laatua. Näin ollen järjestelmällinen tutkimus mittausalueen rajoittamisen vaikutuksesta sovitteen antamiin parametreihin on tarpeen. Kolmanneksi virta-jännitemittausdatassa esiintyvät poikkeamat tekevät mittausalueen rajoittamisesta entistä hankalampaa. Täten tarvitaan sopiva mittausdatan esikäsittelymenetelmä. Näitä kysymyksiä käsitellään tässä väitöskirjassa kokeellisesta näkökulmasta. Ensiksi kehitetään uusi esikäsittelymenetelmä mitatuille virta-jännitekäyrille.
Menetelmää voidaan käyttää parantamaan mittausdatan laatua, mikä tekee datan soveltuvammaksi yksidiodimallin sovittamiseen. Seuraavaksi kehitetään uusi yksidiodimallin sovitusmenetelmä, joka tunnistaa laskennallisesti varsinaisten yksidiodimallin parametrien ohella toimintalämpötilan ja -säteilyvoimakkuuden. Menetelmää voidaan käyttää täysin ilman ulkoisia säteilyvoimakkuus- ja lämpötilamittauksia. Lopuksi tarkastellaan järjestelmällisesti virta-jännitekäyrien mittausalueen rajoittamista maksimitehopisteen ympäristöön keskittyen lähinnä ikääntymisen tunnistamiseen ja näytetään, miten virta-jännitekäyrien mittausaluetta voidaan rajoittaa niin, että ikääntyminen saadaan yhä tunnistettua luotettavasti. Merkittävä tulos on, että kehitetty yksidiodimallin sovitusmenetelmä mahdollistaa sopivasti mitattujen osittaisten virtajännitekäyrien käytön parametrien tunnistamisessa.
Käyttökelpoinen lähestymistapa aurinkosähkövoimalan kunnonvalvontaan on virta-jännitekäyrien mittaaminen aurinkopaneelin tai -paneelikokonaisuuden liittimistä ja aurinkokennon toimintaa kuvaavan matemaattisen mallin sovittaminen mitattuihin käyriin. Malliksi soveltuu laajasti käytetty yksidiodimalli. Mallin sovitteen parametrit tarjoavat diagnostisesti arvokasta tietoa aurinkokennojen kunnosta.
Tässä on kuitenkin eräitä käytännön haasteita. Ensinnäkin yksidiodimallin parametreihin vaikuttavat myös toimintaolosuhteet, joiden mittauksia on harvoin käytännön aurinkosähkövoimaloissa. Täten on tarpeen tunnistaa toimintaolosuhteet laskennallisesti yhdessä yksidiodimallin parametrien kanssa. Toiseksi kokonaisten virta-jännitekäyrien käyttö sovitukseen vaatii voimalan alasajon mittausjakson ajaksi, kun taas osittaisten virta-jännitekäyrien käyttö heikentää sovitteen laatua. Näin ollen järjestelmällinen tutkimus mittausalueen rajoittamisen vaikutuksesta sovitteen antamiin parametreihin on tarpeen. Kolmanneksi virta-jännitemittausdatassa esiintyvät poikkeamat tekevät mittausalueen rajoittamisesta entistä hankalampaa. Täten tarvitaan sopiva mittausdatan esikäsittelymenetelmä. Näitä kysymyksiä käsitellään tässä väitöskirjassa kokeellisesta näkökulmasta. Ensiksi kehitetään uusi esikäsittelymenetelmä mitatuille virta-jännitekäyrille.
Menetelmää voidaan käyttää parantamaan mittausdatan laatua, mikä tekee datan soveltuvammaksi yksidiodimallin sovittamiseen. Seuraavaksi kehitetään uusi yksidiodimallin sovitusmenetelmä, joka tunnistaa laskennallisesti varsinaisten yksidiodimallin parametrien ohella toimintalämpötilan ja -säteilyvoimakkuuden. Menetelmää voidaan käyttää täysin ilman ulkoisia säteilyvoimakkuus- ja lämpötilamittauksia. Lopuksi tarkastellaan järjestelmällisesti virta-jännitekäyrien mittausalueen rajoittamista maksimitehopisteen ympäristöön keskittyen lähinnä ikääntymisen tunnistamiseen ja näytetään, miten virta-jännitekäyrien mittausaluetta voidaan rajoittaa niin, että ikääntyminen saadaan yhä tunnistettua luotettavasti. Merkittävä tulos on, että kehitetty yksidiodimallin sovitusmenetelmä mahdollistaa sopivasti mitattujen osittaisten virtajännitekäyrien käytön parametrien tunnistamisessa.
Kokoelmat
- Väitöskirjat [4776]