Санкт-Петербург

Ключевые слова: возобновляемые источники, сервопривод, ПТММ, фотоэлектрический 
преобразователь. 
С каждым годом наблюдается усиленное развитие возобновляемых источников 
энергии, и эта тенденция оказывает огромное влияние на распространение и внедрение таких 
источников в промышленность и повседневную жизнь. С развитием силовой электроники и 
полупроводниковых элементов качество силовых преобразователей растет, и улучшаются их 
технические показатели. У фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) относительно 
низкая эффективность преобразования, поэтому улучшение полной эффективности системы 
– важный фактор в области систем фотоэлектрических установок (ФЭУ). Это может быть 
частично достигнуто при помощи высокоэффективных промежуточных преобразователей с 
контролем точки максимальной мощности, а также внедрением систем ориентации 
солнечных панелей для получения как можно большей мощности от ФЭУ. 
В настоящее время фотоэлемент используется во многих областях промышленности и 
науки. Принцип его работы и свойства достаточно хорошо известны. На данный момент 
КПД производимых в промышленных масштабах фотоэлементов составляет примерно 16%. 
У некоторых образцов этот показатель достигает 25%. КПД 46% в 2014 году получили 
ученые из Института солнечных энергосистем Фраунгофера в лабораторных условиях, 
благодаря фокусировке линзой света на фотоэлементе [1]. 

---

Альманах научных работ молодых ученых 
XLVII научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО. Том 1 
285 
Существуют несколько основных необратимых потерь энергии при преобразовании в 
фотоэлементе [2]: 
– отражение солнечного излучения от поверхности преобразователя; 
– прохождение части излучения через ФЭП без поглощения в нем; 
– рекомбинацией образовавшихся фото-пар, на поверхностях и в объеме ФЭП; 
– внутренним сопротивлением преобразователя. 
Эффективность фотоэлектрических преобразователей зависит от нескольких факторов. 
Структура фотоэлементов устроена таким образом, что при повышении их температуры 
производительность резко падает [3]. 
Частичное или полное затенение солнечной панели является причиной падения 
эффективности ФЭП. При таком режиме затененные фотоэлементы ведут себя как 
паразитные сопротивления, поэтому происходит падение выходного напряжения. Данную 
ситуацию можно обойти при помощи байпаса [4]. А также имеется возможность 
использования систем ориентации солнечных батарей. На рис. 1 представлены вольт-
амперная и мощностная характеристики при частичном затенении. 
а 
б 
Рис. 1. Характеристики: вольт-амперная (а); мощностная (б) 
Из рис. 1 видно, что при затенении происходит просадка мощности, и эффективность 
солнечной панели падает. Согласно формуле: 
𝐼
КЗ
~𝑔, 
где 
𝐼
КЗ
– ток короткого замыкания ФЭП; g – количество электрон дырочных пар. 
𝑔 = ηα𝐽, 
где α – показатель поглощения; η – внутренний квантовый выход; J – интенсивность света.
Ток короткого замыкания пропорционален количеству электрон-дырочных пар, а их 
количество зависит от интенсивности света. Таким образом, понятно, что производимая 
мощность зависит от интенсивности света, падающего на панель. Для увеличения 
эффективности и площади падения света вводят системы ориентации солнечных батарей. 
Такие системы бывают двухосевые и одноосевые. На рис. 2 представлена система 
ориентации солнечных батарей. 
а 
б 
Рис. 2. Система ориентации солнечных батарей: одноосевая (а); двухосевая (б) 
Опыт ученых и исследователей показывает, что двухосевая система эффективнее, но ее 
реализация предполагает больше усилий и затрат. В [5] собраны экспериментальные данные 
по эффективности внедрения систем ориентации. Данные отражены в таблице. Согласно 
таблице: 1 вариант – неподвижная система, 2 вариант – одноосевая система, 3 вариант – 

---

Альманах научных работ молодых ученых 
XLVII научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО. Том 1 
286 
двухосевая система. Исходя из данных приведенных в таблице, двухосевая система остается 
самой подходящей для повышения эффективности ФЭП. 
Таблица. Выработка электрической энергии 
Показатели 
Значения 
1 вариант 2 вариант 
3 вариант 
Количество вырабатываемой электрической 
энергии единичной площадью солнечного 
фотоэлемента (СФЭ) за год, Вт·ч/год 
186269,7 
235629,13 
252559,14 
Годовые затраты электрической энергии на 
«собственные нужды» системы слежения для 
единичной площади СФЭ, Вт·ч/год 
– 
725,44 
1631,85 
Количество вырабатываемой электрической 
энергии за год солнечной фотоустановкой (СФУ) с 
единичной площадью СФЭ и системой слежения за 
Солнцем за вычетом затрат энергии на «собственные 
нужды», Вт·ч/год 
– 
234903,7 
250927,3 
Увеличение выработки электрической энергии СФУ 
за год при использовании системы слежения за 
вычетом затрат энергии на «собственные нужды» 
системы слежения СФУ с единичной площадью 
СФЭ: 
– Вт·ч/год 
– в % 
– 
48634 
26,1 
64657,6 
34,7 
Еще одним фактором, влияющим на эффективность ФЭП, является сопротивление 
нагрузки. Из рис. 1, б, видно, что при определенном напряжении достигается максимальная 
мощность. Исходя из этого, солнечные панели не напрямую подключают к нагрузке, а 
используют силовые преобразователи для подбора оптимального напряжения. Поиск точки 
максимальной мощности (ПТММ) производиться при помощи некоторых алгоритмов.
Самыми распространенными являются: 
1. отклониться и наблюдать (Perturb and Observe); 
2. возрастающая проводимость (Incremental Conductance); 
3. нечеткий регулятор; 
4. нейронный регулятор. 
На рис. 2 представлена структура системы управления преобразователем. Чаще всего 
используется повышающий широтно-импульсный преобразователь, поскольку напряжение 
на выходе в основном необходимо увеличивать. 
Рис. 2. Структура системы управления преобразователем 
Для данной структуры реализуется один из четырех алгоритмов, представленных выше. 
Основной идеей всех алгоритмов является сканирование параметров системы: тока, 

---

Альманах научных работ молодых ученых 
XLVII научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО. Том 1 
287 
напряжения, мощности солнечной панели. Исходя из этих данных, необходимо увеличивать 
или уменьшать скважность преобразователя. Например, увеличивая скважность, замечаем, 
что если мощность увеличивается, то продолжаем увеличивать скважность. При уменьшении 
мощности, уменьшаем скважность. Описание и результаты реализации алгоритмов в модели 
описаны в [6]. На рис. 3 представлены результаты из [6]. 
Рис. 3. Результат работы алгоритмов ПТММ 
Из рис. 3 видно, что самым эффективным алгоритмом управления является внедрение 
нейронного регулятора. Прирост эффективности составляет 25%. Нечеткий регулятор 
увеличивает эффективность на 20%. Остальные алгоритмы повышают эффективность до 8–
15%. Самым оптимальным методом управления является внедрение нечеткого регулятора, 
поскольку по сравнению с нейронным регулятором реализация становиться легче как в 
аппаратной части, так и в программной. По сравнения с традиционными алгоритмами 
прирост эффективности заметно больше. 
Таким образом, внедрение систем ориентации солнечных батарей и алгоритмов поиска 
точки 
максимальной 
мощности 
дают 
возможность 
увеличить 
эффективность 
фотоэлектрической станции. Единственным недостатком реализации подобных систем 
является их дороговизна. Увеличение мощности ФЭУ повлекут за собой увеличение затрат.