Расчет и проектирование солнечных фотоэлектрических модулей и массивов

Определение количества ячеек в модуле, измерение параметров модуля и расчет тока короткого замыкания, напряжения холостого хода и вольт-амперных характеристик солнечного модуля и массива

Что такое солнечный фотоэлектрический модуль?

Потребляемая мощность при наших ежедневных нагрузках составляет несколько ватт, а иногда и киловатт. Один солнечный элемент не может производить достаточно энергии для удовлетворения такой потребности нагрузки, он вряд ли может производить мощность в диапазоне от 0,1 до 3 Вт в зависимости от площади элемента. В случае подключенных к сети и промышленных электростанций нам требуется мощность в диапазоне мегаватт или даже гигаватт.

Таким образом, одна фотоэлектрическая ячейка не способна удовлетворить такой высокий спрос. Таким образом, чтобы удовлетворить эти высокие требования, солнечные элементы устроены и электрически соединены. Такое соединение и расположение солнечных элементов называют фотомодулями. Эти фотоэлектрические модули позволяют удовлетворить больший спрос, чем может обеспечить одна ячейка.

Когда солнечное излучение падает на один солнечный элемент, потенциал создается на двух его выводах:аноде и катоде (т. е. анод является положительным выводом, а катод - отрицательным выводом). Для увеличения потенциала на требуемую мощность N-ячейки соединены последовательно. Отрицательная клемма одной ячейки соединена с положительной клеммой другой ячейки, как показано на рисунке ниже.

Когда мы последовательно соединяем N солнечных элементов, мы получаем две клеммы, и напряжение на этих двух клеммах представляет собой сумму напряжений последовательно соединенных ячеек. Например, если напряжение одной ячейки составляет 0,3 В, а 10 таких ячеек соединены последовательно, то общее напряжение на цепочке будет 0,3 В × 10 =3 Вольта.

• Похожая статья:Как спроектировать и установить солнечную фотоэлектрическую систему?

Если последовательно соединить 40 ячеек по 0,6 В, общее напряжение составит 0,6 В × 40 =24 Вольта. Важно отметить, что при последовательном соединении элементов напряжение увеличивается, а ток остается прежним.

Аналогично, когда ячейки соединены параллельно, добавляется ток отдельных ячеек. Анодная клемма одной ячейки подключается к анодной клемме следующей ячейки, и аналогичным образом катодная клемма подключается к катодной клемме следующей ячейки, как показано на рисунке 2.

В отличие от последовательного соединения, общее напряжение струны при параллельном соединении остается неизменным. Например, если ячейка имеет токовую мощность 2 А и 5 таких солнечных батарей соединены параллельно. Тогда общая токопроизводящая способность элемента составит 2 А × 5 =10 А.

Параметры фотоэлектрического модуля указаны производителями в Стандартных условиях испытаний (STC), т.е. температура 25 °C и излучение 1000 Вт/м ² . В большинстве случаев и в большинстве мест условия, указанные в STC, не выполняются. Это происходит потому, что солнечное излучение всегда меньше 1000 Вт/м ² и рабочая температура ячейки выше 25 °C, эта неопределенность приводит к снижению выходной мощности фотоэлектрического модуля.

Как мы уже обсуждали ранее, фотоэлектрический модуль состоит из нескольких солнечных элементов, поэтому его параметры и факторы, влияющие на выработку электроэнергии, аналогичны параметрам солнечного элемента, который мы уже рассмотрели в нашей предыдущей статье. Поэтому мы не будем снова касаться этой части.

• Похожая запись:  Полное руководство по установке солнечных батарей. Пошаговая процедура с примерами

Определение количества ячеек в модуле

Одним из основных требований к фотоэлектрическому модулю является обеспечение достаточного напряжения для зарядки аккумуляторов разного уровня напряжения при ежедневном солнечном излучении. Это означает, что напряжение модуля должно быть выше, чтобы заряжать аккумуляторы при низком солнечном излучении и высоких температурах.

Модули PV предназначены для обеспечения напряжения, кратного уровню заряда батареи 12 В, то есть 12 В, 24 В, 36 В, 48 В и т. д. Чтобы зарядить аккумулятор 12 В через фотоэлектрический модуль, нам нужен модуль с V_M на 15 В и на 24 В нужен модуль с V_M 30 В и так далее. Другие устройства, используемые в фотоэлектрической системе, совместимы для работы с уровнем напряжения батареи.

Для обеспечения необходимого уровня напряжения нам необходимо соединить ячейки последовательно. В зависимости от различных технологий, используемых в фотоэлементе, количество элементов, которые необходимо соединить последовательно, будет различаться. Количество последовательно соединенных элементов зависит от напряжения в точке максимальной мощности, т. е. V_M отдельной ячейки и падения напряжения, которое происходит из-за повышения температуры ячейки выше STC.

• Похожая запись: Основные компоненты, необходимые для установки системы солнечных батарей

Пример:

Поясним это на примере:фотоэлектрический модуль должен быть разработан с солнечными элементами для зарядки аккумулятора 12 В. Напряжение холостого хода V_{OC ячейки составляет 0,89 В, а напряжение в точке максимальной мощности VM составляет 0,79 В.}

Рабочая температура ячеек составляет 60 °C, и при повышении температуры на каждый градус Цельсия происходит снижение напряжения на 2 мВ. Сколько элементов необходимо соединить последовательно, чтобы зарядить аккумулятор?

Шаг 1: Найдите напряжение в точке максимальной мощности V_M =0,79 В .

Если V_M не указано, тогда возьмите V_M от 80 до 85% V_OC .

Шаг 2: Найдите потерю напряжения при рабочей температуре, т.е. при 60 °C.

Подъем температуры выше STC =Рабочая температура – ​​Температура при STC.

Подъем температуры выше STC =60 °C – 25 °C =35 °C

Поэтому потеря напряжения из-за повышения температуры выше STC:

Потеря напряжения =35 °C × 0,002 В =0,07 В

Шаг 3 :определение напряжения в рабочем состоянии.

Напряжение в рабочем состоянии =Напряжение на STC (В_M ) – потеря напряжения из-за повышения температуры выше STC.

Следовательно, напряжение в рабочем состоянии =0,79 В – 0,07 В =0,72 В

Шаг 4. Определите требуемое напряжение фотоэлектрического модуля чтобы зарядить аккумулятор.

Для зарядки аккумулятора на 12 В необходимо, чтобы напряжение модуля было около 15 В.

Шаг 5: Определите количество ячеек для последовательного соединения.

Количество последовательно соединенных ячеек =напряжение фотоэлектрического модуля / напряжение в рабочем состоянии.

Количество последовательно соединенных ячеек =15 В / 0,72 В =20,83 или около 21 ячейки

Таким образом, нам нужна 21 последовательно соединенная ячейка для зарядки 12-вольтовой батареи. . Важно отметить, что для разных технологий солнечных элементов нам потребуется разное количество последовательно соединенных элементов для одного и того же выходного напряжения. Фактическая фотография фотоэлектрического модуля, состоящего из N электрически соединенных ячеек, показана на рисунке 3 ниже.

Измерение параметров модуля

Для измерения параметров модуля, таких как V_OC , я_СК , В_М, и я_М нам нужен вольтметр и амперметр или мультиметр , реостат и соединительные провода.

Измерение напряжения холостого хода (В_OC ):

При измерении V_OC , холостой ход должен быть подключен к двум клеммам модуля. Чтобы найти напряжение холостого хода фотогальванического модуля с помощью мультимера , выполните следующие простые шаги.

• Установите ручку мультиметра на измерение напряжения постоянного тока и выберите соответствующий диапазон измерения напряжения, например 6 В, 12 В, 24 В и т. д.
• Убедитесь, что один щуп подключен к COM-порту мультиметра, а другой - к порту измерения напряжения.
• После выбора режима и диапазона подключите щупы мультиметра к двум клеммам модуля PV и наблюдайте за показаниями на дисплее.
• Убедитесь, что положительный щуп (порт измерения напряжения) подключен к положительной клемме, а отрицательный щуп (COM-порт) — к отрицательной клемме. Если датчики подключены наоборот, показания будут отрицательными.
• Показания на дисплее мультиметра представляют собой напряжение холостого хода V_OC фотоэлектрического модуля.

Похожая запись:

• Параметры солнечной батареи и характеристики фотоэлектрической панели
• Как спроектировать водяной насос постоянного тока на солнечных фотоэлектрических батареях?

Измерение тока короткого замыкания (I_SC ):

При измерении I_SC , две клеммы модуля должны быть подключены без нагрузки.

Чтобы найти ток короткого замыкания фотогальванического модуля с помощью мультимера , выполните следующие простые шаги.

• Установите ручку мультиметра на текущее измерение и выберите соответствующий диапазон текущего измерения, т. е. обычно от 0,1 до 10 А.
• Убедитесь, что один щуп подключен к COM-порту мультиметра, а другой - к текущему измерительному порту.
• После выбора режима и диапазона подключите щупы мультиметра к двум клеммам модуля PV и наблюдайте за показаниями на дисплее.
• Убедитесь, что положительный щуп подключен к положительной клемме (порт измерения тока), а отрицательный щуп (COM-порт) — к отрицательной клемме. Если датчики подключены наоборот, показания будут отрицательными.
• Показания на дисплее мультиметра представляют собой ток короткого замыкания I_SC фотоэлектрического модуля.

Измерение кривой ВАХ:

Для измерения кривой ВАХ солнечный фотоэлектрический модуль должен быть подключен последовательно с переменным резистором, как показано на рисунке ниже.

Отрицательная клемма модуля подключается к положительной клемме амперметра, а вольтметр подключается непосредственно к фотоэлектрическому модулю, как показано на рис. 4.

Если по незнанию подключения выполняются наоборот, то полученные показания будут иметь отрицательный знак, повторно подключите счетчики, чтобы получить правильные значения. После этого правильно отрегулируйте переменный резистор (реостат) с одной стороны, чтобы напряжение было максимальным, а ток минимальным.

Запишите значения тока и напряжения в этом положении реостата. Теперь медленно переместите реостат на другую сторону и запишите показания для каждой регулировки слайда, пока реостат не замкнется полностью. Рассчитайте мощность для каждого значения напряжения и тока, используя приведенное ниже уравнение.

P =V × I

Таким образом, используя эти измеренные значения, можно получить все остальные параметры модуля PV.

Модули повышенной мощности 

Одной из наиболее распространенных ячеек, доступных на рынке, является технология «Crystalline Silicon Cell». Эти ячейки доступны на площади 12,5 × 12,5 см ² . и 15 × 15 см ² . Трудно найти на рынке ячейки за пределами этой площади, большинство крупных солнечных электростанций используют модули с такими площадями ячеек.

Но насколько большую мощность может обеспечить этот модуль и как получить более высокую мощность на модуль? Стандартный фотоэлектрический модуль имеет V_M 15 В для зарядки аккумулятора 12 В. Чтобы получить это напряжение, от 32 до 36 элементов соединяются последовательно в зависимости от их рабочей температуры и пикового напряжения V_M отдельной ячейки.

Ток, создаваемый клетками, зависит от площади, количества падающего на них света, угла падения света и плотности тока. Кристаллический кремниевый элемент имеет плотность тока J_SC в диапазоне 30 мА/см ² до 35 мА/см ² .

Возьмем плотность тока 30 мА/см ² . для нашего примера. Тогда ток короткого замыкания на площади 12,5 × 12,5 см ² можно рассчитать как;

Я_SC =J_СК × Площадь =30 мА/см ² × 12,5 × 12,5 см ² =4,68 А

Аналогично для 15 × 15 см ² ток короткого замыкания рассчитывается как;

Я_SC =J_СК × Площадь =30 мА/см ² × 15 × 15 см ² =6,75 А

Для большинства производителей I_M составляет от 90 до 95 % I_SC . Для нашего примера возьмем I_M как 95 % I_SC .

Я_М =0,95 × I_SC

Затем I_M для площади 12,5 × 12,5 см ² можно рассчитать как;

Я_М =0,95 × 4,68 А =4,446 А

Аналогично для 15 × 15 см ² Я_М рассчитывается как;

Я_М =0,95 × 6,75 А =6,412 А

Теперь мы можем определить максимальную пиковую мощность для этих двух ячеек;

P_M =В_М × Я_М

P_M =15 В × 4,446 А =66,69 Вт (для площади 12,5 × 12,5 см ² )

P_M =15 В × 6,412 А =96,18 Вт (для площади 15 × 15 см ² )

Поэтому, используя наилучшую доступную технологию ячеек с площадью 12,5 × 12,5 и 15 × 15 см ² получаем выходную мощность 66,69 Вт и 96,18 Вт соответственно (учитывая I_M быть 95 % I_SC и плотностью тока 30 мА/см ² ).

Чтобы увеличить напряжение и ток модуля, необходимо соединить большее количество ячеек последовательно и параллельно, соответственно, это увеличит общую мощность модуля больше, чем мы рассчитали. .

Пример:

Теперь для лучшего понимания давайте спроектируем фотоэлектрический модуль, который может обеспечивать напряжение при максимальной мощности V_M 45 В при STC и 33,5 В при рабочей температуре 60 °C. Будем использовать элементы с напряжением холостого хода V_OC 0,64 В, что означает уменьшение V_M на 0,004 В. за каждый °C повышения температуры.

Шаг 1: Найдите напряжение в точке максимальной мощности V_M .

Если V_M не указано, тогда возьмите V_M от 80 до 85% V_OC

Предположим, что V_M =0,85 × В_OC =0,85 × 0,64 В =0,544 В

Шаг 2: Найдите потери напряжения при рабочей температуре, т.е. при 60 ^o С.

Подъем температуры выше STC =Рабочая температура – ​​Температура при STC.

Подъем температуры выше STC =60 °C – 25 °C =35 °C

Поэтому потеря напряжения из-за повышения температуры выше STC =35 °C × 0,004 В =0,14 В

Шаг 3. Определение напряжения в рабочем состоянии

Напряжение в рабочем состоянии =Напряжение на STC (В_M ) – потеря напряжения из-за повышения температуры выше STC.

Следовательно, напряжение в рабочем состоянии =0,544 В – 0,14 В =0,404 В

Шаг 4. Определите необходимое напряжение фотоэлектрического модуля

нам нужно, чтобы напряжение модуля было около 33,5 В.

Шаг 5: Определить количество ячеек, которые нужно соединить последовательно

Количество последовательно соединенных ячеек =напряжение фотоэлектрического модуля / напряжение в рабочем состоянии.

Количество последовательно соединенных ячеек =33,5 В / 0,404 В =82,92 или около 83 ячеек.

Теперь посчитаем, какую мощность эти 83 ячейки могут выдать при STC, имея V_M =45 В, а значения тока для двух элементов возьмем из предыдущего примера.

Я_М =4,446 А (для площади 12,5 × 12,5 см ² )

Я_М =6,412 А (для площади 15 × 15 см ² )

Теперь мы можем определить максимальную пиковую мощность для этих двух элементов при напряжении 45 В;

P_M =В_М × Я_М

P_M =45 В × 4,446 А =200,07 Вт (для площади 12,5 × 12,5 см ² )

P_M =45 В × 6,412 А =288,54 Вт (для площади 15 × 15 см ² )

Таким образом, в соответствии с требованием большой мощности такие ячейки большей площади соединяются последовательно и параллельно, образуя фотоэлектрический модуль. Кроме того, эти фотоэлектрические модули могут быть соединены последовательно и параллельно для формирования массива фотоэлектрических модулей, который вырабатывает мощность в мегаваттах.

Блокировка и обход диодов

Обходной диод

Все ячейки, соединенные последовательно в фотоэлектрическом модуле, идентичны, все они производят ток, когда на них падает свет. Но если один из солнечных элементов затеняется каким-либо объектом, падающий на него свет прерывается, и он производит меньший ток или почти не дает тока из-за этого прерывания падающего на элемент света.

Эта ячейка теперь будет действовать как сопротивление текущему потоку в ряду строк ячеек. Он будет действовать как нагрузка, и мощность, генерируемая другими ячейками, будет рассеиваться в заштрихованной ячейке, вызывая повышение температуры ячейки и образование горячей точки. Это может даже привести к разбитию стекла модуля, пожарам и авариям в системе.

Обходные диоды используются для предотвращения подобных катастроф в разработанной нами системе. Как показано на рисунке 5, обходной диод подключен параллельно солнечной батарее с противоположной полярностью.

В нормальных условиях без затенения обходной диод имеет обратное смещение, действуя как разомкнутая цепь. Но если затенение происходит в последовательно соединенной цепочке ячеек, заштрихованная ячейка будет иметь обратное смещение, и это будет действовать как прямое смещение на обходной диод, поскольку он подключен с противоположной полярностью к солнечному элементу.

Теперь обходной диод этой заштрихованной ячейки будет проводить ток через нее, а не через заштрихованную ячейку. Таким образом, диод обходит ячейку, что позволяет избежать повреждения, вызванного перегревом, отсюда и название обходного диода. В идеале на один солнечный элемент в модуле должен приходиться один диод, но на практике, чтобы сделать модуль экономически выгодным, один обходной диод подключается на последовательное соединение 10-15 элементов.

Блокирующий диод

В автономной системе модули используются для подачи питания на нагрузку и зарядки аккумулятора. Ночью, когда нет солнечного света, модуль не вырабатывает энергию, и зарядные батареи начинают подавать питание на нагрузку и фотоэлектрический модуль. Источники питания фотоэлектрического модуля - потеря мощности. Чтобы избежать потерь, установлен диод, блокирующий ток от батареи к фотоэлектрическому модулю. Таким образом, именно благодаря этому диоду удается избежать потери мощности за счет блокировки протекания тока от аккумулятора к модулю.

Связанный пост:

Последовательное, параллельное и последовательно-параллельное соединение солнечных панелей и массива

Мы уже очень хорошо объяснили эту тему в нашем предыдущем сообщении, помеченном как Последовательное, параллельное и последовательно-параллельное соединение фотоэлектрических панелей. . Вы сможете подключаться к цепочкам солнечных модулей и последовательному массиву, параллельному массиву или комбинации последовательных и параллельных рядов и массивов.