Проектирование солнечных PV-модулей и массивов: расчет числа ячеек, параметров и ВАХ

Определение числа ячеек в модуле, измерение параметров и расчет тока КЗ, холостого напряжения и ВИ-характеристик солнечного модуля и массива

Что такое солнечный фотовольтаический модуль?

Потребность наших бытовых нагрузок измеряется ваттами или киловаттами. Одиночная солнечная ячейка не может обеспечить такую мощность — она выдает 0,1–3 Вт в зависимости от площади. Для сетевых и промышленных установок нужны мегавтты или даже гигавтты.

Поэтому солнечные ячейки соединяют электрически и располагают в определенном порядке. Такая связка называется PV-модулем. Модули позволяют удовлетворять крупный спрос, непосильный для одной ячейки.

При попадании солнечного излучения на ячейку возникает потенциал между её анодом (плюс) и катодом (минус). Для повыжения напряжения N ячеек соединяют последовательно: минус одной к плюсу следующей.

При последовательном соединении N ячеек напряжение на внешних клеммах равно сумме напряжений отдельных ячеек. Пример: если U_ячейки = 0,3 В, то 10 ячеек дадут 0,3 × 10 = 3 В.

Связанный пост: Как спроектировать и установить солнечную ФЭУ?

Если 40 ячеек по 0,6 В соединены последовательно, суммарное напряжение = 0,6 × 40 = 24 В. Важно: при последовательном соединении напряжения складываются, ток остается неизменным.

При параллельном соединении токи складываются. Анод соединяется с анодом, катод — с катодом.

Напряжение строки при параллельном соединении не меняется. Пример: ячейка дает 2 А, 5 ячеек параллельно дадут 2 × 5 = 10 А.

Параметры PV-модуля указывают производители при стандартных испытательных условиях (STC): температура 25 °C, излучение 1000 Вт/м². В реальности условия отличаются: излучение ниже 1000 Вт/м², температура ячейки выше 25 °C — это снижает выходную мощность.

Так как модуль состоит из ячеек, его параметры и факторы воздействия аналогичны параметрам отдельной ячейки (рассмотрены в предыдущей статье).

Связанный пост: Полное руководство по установке солнечных панелей. Пошаговая процедура с примерами

Определение числа ячеек в модуле

Основное требование модуля — обеспечить достаточное напряжение для зарядки аккумуляторов разного номинала при реальном солнечном излучении. Напряжение модуля должно быть выше, чтобы заряжать батареи при низком излучении и высоких температурах.

PV-модули проектируют для выдачи напряжений, кратных 12 В (12, 24, 36, 48 В…). Для зарядки 12-В батареи нужно напряжение модуля в точке макс. мощности V_M ≈ 15 В, для 24 В — V_M ≈ 30 В и т.д. Остальное оборудование ФЭУ совместимо с этими уровнями.

Для получения нужного напряжения соединяют ячейки последовательно. Число ячеек зависит от технологии: от V_M отдельной ячейки и падения напряжения при нагреве выше STC.

Связанный пост: Основные компоненты для установки солнечной панели

Пример

Спроектировать модуль для зарядки 12-В батареи. V_OC ячейки = 0,89 В, V_M = 0,79 В. Рабочая температура = 60 °C. Падение напряжения = 2 мВ/°C. Сколько ячеек нужно в последовательном соединении?

Шаг 1: V_M = 0,79 В. (Если V_M неизвестен, берем 80–85% от V_OC.)

Шаг 2: Потеря напряжения при рабочей температуре (60 °C).

Перегрев выше STC = 60 – 25 = 35 °C.

Потеря = 35 °C × 0,002 В = 0,07 В

Шаг 3: Напряжение в рабочих условиях.

V_рабоч. = V_M (STC) – потеря = 0,79 – 0,07 = 0,72 В

Шаг 4: Требуемое напряжение модуля для зарядки 12-В батареи ≈ 15 В.

Шаг 5: Число последовательно соединенных ячеек.

N = V_модуля / V_рабоч. = 15 / 0,72 = 20,83 ≈ 21 ячейка

Таким образом, нужно 21 последовательно соединенная ячейка для зарядки 12-В батареи. Для разных технологий число ячеек будет отличаться. Фото реального модуля на Рис. 3.

Измерение параметров модуля

Для измерения V_OC, I_SC, V_M, I_M нужны: вольтметр и амперметр (или мультиметр), реостат, соединительные провода.

Измерение холостого напряжения (V_OC):

Нагрузка не подключена. Измерение мультиметром:

1. Переключить мультиметр на измерение DC-напряжения, выбрать диапазон (6, 12, 24 В…).
2. Один зонд в COM, другой в вход измерения напряжения.
3. Подключить зонды к клеммам модуля, считать показания.
4. Плюс зонда (вход изм. напр.) к плюсу модуля, минус (COM) к минусу. Иначе — отрицательное значение.
5. Показание = V_OC модуля.

Измерение тока короткого замыкания (I_SC):

Нагрузка не подключена. Измерение мультиметром:

1. Режим измерения тока, диапазон обычно 0,1–10 А.
2. Один зонд в COM, другой в вход измерения тока.
3. Подключить зонды к клеммам модуля, считать показания.
4. Плюс зонда (вход изм. тока) к плюсу модуля, минус (COM) к минусу. Иначе — отрицательное значение.
5. Показание = I_SC модуля.

Измерение ВАХ (I-V кривой):

Модуль соединяют последовательно с переменным резистором (реостатом).

Минус модуля к плюсу амперметра, вольтметр параллельно модулю (Рис. 4).

Если полярность перепутана — отрицательные показания, переподключить. Регулировать реостат: начать с макс. напряжения (мин. ток), фиксировать пары I, U при каждом положении до полного замыкания реостата. Мощность в каждой точке: P = V × I. Таким образом получают все параметры модуля.

Модули с более высокой мощностью

Распространенные ячейки — «Кристаллический кремний» площадью 12,5×12,5 см² и 15×15 см². Крупнее найти трудно, крупные станции используют эти размеры.

Какую макс. мощность дает такой модуль и как получить большую мощность на модуль? Типичный модуль имеет V_M = 15 В для зарядки 12-В батареи. Для этого последовательно соединяют 32–36 ячеек (в зависимости от температуры и V_M ячейки).

Ток ячейки зависит от площади, излучения, угла падения и плотности тока. Кристаллический кремний: J_SC = 30–35 мА/см². Возьмем 30 мА/см².

I_SC для 12,5×12,5 см² = 30 × 12,5 × 12,5 = 4,68 А

I_SC для 15×15 см² = 30 × 15 × 15 = 6,75 А

У большинства производителей I_M ≈ 90–95% от I_SC. Возьмем 95%.

I_M = 0,95 × I_SC

I_M (12,5×12,5) = 0,95 × 4,68 = 4,446 А

I_M (15×15) = 0,95 × 6,75 = 6,412 А

Макс. пиковая мощность:

P_M = V_M × I_M

P_M (12,5×12,5) = 15 × 4,446 = 66,69 Вт

P_M (15×15) = 15 × 6,412 = 96,18 Вт

Используя лучшие ячейки этих площадей, получаем 66,69 Вт и 96,18 Вт (при I_M = 95% I_SC и J_SC = 30 мА/см²).

Для повышения напряжения и тока модуля соединяют больше ячеек последовательно и параллельно — это увеличивает общую мощность модуля сверх расчетного.

Пример

Спроектировать модуль с V_M = 45 В (STC) и 33,5 В (при 60 °C). Ячейки: V_OC = 0,64 В, падение V_M = 0,004 В/°C.

Шаг 1: V_M. Если не задан — 80–85% от V_OC. Примем V_M = 0,85 × 0,64 = 0,544 В.

Шаг 2: Потеря напряжения при 60 °C.

Перегрев = 60 – 25 = 35 °C. Потеря = 35 × 0,004 = 0,14 В

Шаг 3: Напряжение в рабочих условиях.

V_рабоч. = 0,544 – 0,14 = 0,404 В

Шаг 4: Требуемое напряжение модуля = 33,5 В.

Шаг 5: Число последовательных ячеек.

N = 33,5 / 0,404 = 82,92 ≈ 83 ячейки

Мощность 83 ячеек при STC (V_M = 45 В), используя те же токи:

• I_M = 4,446 А (12,5×12,5) → P_M = 45 × 4,446 = 200,07 Вт
• I_M = 6,412 А (15×15) → P_M = 45 × 6,412 = 288,54 Вт

Таким образом, для большой мощности ячейки больших площадей соединяют последовательно и параллельно в модули. Далее модули соединяют в массивы для генерации мегаватт.

Блокирующие и обходные диоды

Обходной диод (Bypass Diode)

Все последовательно соединенные ячейки модуля идентичны и выдают ток при освещении. Если одна ячейка затенена, свет прерывается, она выдает малый или нулевой ток.

Эта ячейка становится сопротивлением для тока строки. Она работает как нагрузка, рассеивая мощность остальных ячеек, нагреваясь и образуя горячую точку. Это может привести к разрыву стекла, пожарам, авариям.

Обходные диоды предотвращают такие катастрофы. На Рис. 5 обходной диод соединен параллельно ячейке с обратной полярностью.

В норме (нет затенения) диод в обратном смещении — разомкнут. При затенении ячейка получает обратное смещение, что для диода (с обратной полярностью) является прямым смещением. Диод пропускает ток через себя, обходя затененную ячейку. Таким образом, диод обходит ячейку, предотвращая перегрев — отсюда название.

Идеально — по диоду на каждую ячейку, но для экономии один диод ставят на группу 10–15 последовательных ячеек.

Блокирующий диод (Blocking Diode)

В автономных системах модули питают нагрузку и заряжают батарею. Ночью, без солнца, модуль не выдает энергию, заряженная батарея начинает питать нагрузку и модуль. Питание модуля — потеря энергии. Чтобы избежать потерь, ставят диод, блокирующий ток от батареи к модулю.

Последовательное, параллельное и смешанное соединение солнечных панелей и массивов

Эта тема подробно рассмотрена в посте «Последовательное, параллельное и смешанное соединение PV-панелей». Там показано, как соединять строки модулей и массивы в последовательные, параллельные и комбинированные схемы.