Serie-, parallelle en serie-parallelle aansluiting van zonnepanelen

Serie, parallelle en serie-parallelle configuratie van fotovoltaïsche arrays

Wat is een fotovoltaïsche zonne-energiearray?

Een fotovoltaïsche zonne-module is verkrijgbaar in een bereik van 3 W_P tot 300 W_P . Maar vaak hebben we vermogen nodig in het bereik van kW tot MW. Om zo'n groot vermogen te bereiken, moeten we een N-aantal modules in serie en parallel aansluiten.

Een reeks PV-modules

Als N-aantal PV-modules in serie zijn geschakeld. De hele reeks van in serie geschakelde modules staat bekend als de PV-modulereeks. De modules zijn in serie geschakeld om de spanning in het systeem te verhogen. De volgende afbeelding toont een schema van in serie, parallel en in serie parallel geschakelde PV-modules.

PV-modulearray

Om het huidige N-aantal PV-modules parallel te laten lopen. Een dergelijke verbinding van modules in een serie en parallelle combinatie staat bekend als "Solar Photovoltaic Array" of "PV Module Array". Een schema van een zonne-PV-module-array die in serie-parallelle configuratie is aangesloten, wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding.

Zonnemodule cel:

De zonnecel is een apparaat met twee aansluitingen. De ene is positief (anode) en de andere is negatief (kathode). Een zonnecelopstelling staat bekend als zonnemodule of zonnepaneel, terwijl een zonnepaneelopstelling bekend staat als fotovoltaïsche array.

Het is belangrijk op te merken dat met de toename van serie- en parallelschakeling van modules de kracht van de modules ook wordt toegevoegd.

Gerelateerde berichten: 

• Hoe zonnepanelen in serie-parallelle configuratie te bedraden?
• Serie, parallelle en serie-parallelle aansluiting van batterijen

Serieverbinding van modules

Soms is de vereiste systeemspanning voor een elektriciteitscentrale veel hoger dan wat een enkele PV-module kan produceren. In dergelijke gevallen wordt een N-aantal PV-modules in serie geschakeld om het vereiste spanningsniveau te leveren. Deze serieschakeling van de PV-modules is vergelijkbaar met die van de aansluitingen van N-cellen in een module om het vereiste spanningsniveau te verkrijgen. De volgende afbeelding toont PV-panelen die in serieconfiguratie zijn aangesloten.

Met deze serieschakeling neemt niet alleen de spanning maar ook het door de module opgewekte vermogen toe. Om dit te bereiken wordt de minpool van de ene module verbonden met de pluspool van de andere module.

Als een module een nullastspanning V_OC1 heeft van 20 V en andere in serie geschakeld heeft V_OC2 van 20 V, dan is het totale open circuit van de string de som van twee spanningen

V_OC =V_OC1 + V_OC2

V_OC =20 V + 20 V =40 V

Het is belangrijk op te merken dat de optelling van spanningen op het maximale vermogenspunt ook van toepassing is in het geval van een PV-array.

Berekening van het aantal benodigde modules in serie en hun totale vermogen

Om het aantal in serie te schakelen PV-modules te berekenen, moet de vereiste spanning van de PV-array worden opgegeven. We zullen ook het totale vermogen zien dat door de PV-array wordt gegenereerd. Merk op dat alle modules identiek zijn met dezelfde moduleparameters.

Stap 1: Let op de spanningsvereiste van de PV-generator

Omdat we een N-aantal modules in serie moeten schakelen, moeten we de vereiste spanning van de PV-array weten

• Pv-array nullastspanning V_OCA
• Varantie PV-array bij maximaal voedingspunt V_MA

Stap 2: Let op de parameters van de PV-module die in de seriestring moet worden aangesloten

Parameters voor PV-modules zoals stroom en spanning bij maximaal vermogen en andere parameters zoals V_OC , I_SC, en P_M moet ook worden opgemerkt.

Stap 3: Bereken het aantal in serie te schakelen modules

Om het aantal modules "N" te berekenen, wordt de totale arrayspanning gedeeld door de spanning van de afzonderlijke module. Aangezien de PV-module geacht wordt te werken onder STC, is de verhouding van de arrayspanning bij maximaal vermogen V_MA naar modulespanning bij maximaal voedingspunt V_M is bezet.

Een vergelijkbare berekening voor de nullastspanning van PV kan ook worden gedaan, d.w.z. de verhouding van de arrayspanning bij open keten V_OCA naar modulespanning bij open circuit V_OC . Merk op dat de waarde van "N" een niet-geheel getal kan zijn, dus we moeten het volgende hogere gehele getal nemen en dus de waarde van V_MA en V_OCA zal ook toenemen dan we wilden.

Stap 4: Berekening van het totale vermogen van de PV-generator

Het totale vermogen van de PV-array is de som van het maximale vermogen van de afzonderlijke in serie geschakelde modules. Als P_M is het maximale vermogen van een enkele module en "N" is het aantal in serie geschakelde modules, dan is het totale vermogen van de PV-array P_MA is N × P_M .

We kunnen het arrayvermogen ook berekenen door het product van de PV-arrayspanning en -stroom op het maximale vermogenspunt, d.w.z.

V_MA × I_MA

Voorbeeld:

Nu om deze stappen op een meer wiskundige manier te begrijpen. Laten we als voorbeeld een energiecentrale van 2 MW nemen, waarin een groot aantal PV-modules in serie zijn geschakeld. De omvormer van 2 MW kan een ingangsspanning van 600 V tot 900 V aan.

Bepaal het aantal modules dat in serie moet worden aangesloten om een ​​maximale voedingspuntspanning van 800 V te verkrijgen. Bepaal ook het vermogen dat door deze PV-array wordt geleverd. De parameters van de enkele PV-module zijn als volgt;

• Nullastspanning V_OC =35 V
• Spanning bij maximaal vermogen V_M =29 V
• Kortsluitstroom I_SC =7,2 A
• Stroom op maximaal vermogen I_M =6,4 A

Stap 1: Let op de spanningsvereiste van de PV-generator

• Pv-array nullastspanning V_OCA =Niet gegeven
• Varantie PV-array bij maximaal voedingspunt V_MA =800 V

Stap 2: Let op de parameters van de PV-module die in de seriestring moet worden aangesloten

Nullastspanning V_OC =35 V

Spanning bij maximaal vermogen V_M =29 V

Kortsluitstroom I_SC =7,2 A

Stroom op maximaal vermogen I_M =6,4 A

Maximum vermogen P_M

P_M =V_M x ik_M

=29 V x 6,4 A

P_M =185,6 W

Stap 3: Bereken het aantal in serie te schakelen modules

N =V_MA / V_M

N =800 / 29

N =27,58 (Hogere integerwaarde 28)

Neem 28 modules met een hogere integerwaarde. Vanwege de hogere gehele waarde van N, is de waarde van V_MA en V_OCA zal ook toenemen.

V_MA =V_M × N

=29 × 28

=812 V

Stap 4: Berekening van het totale vermogen van de PV-generator

P_MA =N × P_M

=28 × 185,6

=5196,8 W

Dus we hebben 28 PV-modules nodig om in serie te worden aangesloten met een totaal vermogen van 5196,8 W om de gewenste maximale PV-arrayspanning van 800 V te verkrijgen.

Niet-overeenkomend in in serie geschakelde PV-modules

Het maximale vermogen in de PV-module is het product van spanning en stroom bij maximaal vermogen. Als de modules niet in serie zijn geschakeld, is het vermogen dat door een individuele module wordt geproduceerd anders. Neem het voorbeeld van tabel 1 hieronder.

Tabel 1

Modules	VM in Volt	IM in Ampère	PM in Watt
Module A	16	4.1	65,6
Module B	15,5	4.1	63.55
Module C	15.3	4.1	62.73
Totaal	In serie =46,8	In serie =4.1	191.88

Als de drie modules in tabel 1 in serie zijn geschakeld, wordt hun spanning opgeteld maar blijft de stroom hetzelfde aangezien alle modules identiek zijn met dezelfde waarde van I_M =4,1 A.

Het verschil in de spanning van de modules A, B en C die in serie zijn geschakeld, leidt niet tot het verlies van het vermogen dat door de PV-module-array wordt geproduceerd, aangezien alle modules identiek met dezelfde waarde van I_M =4,1 A.

Maar als de huidige productiecapaciteit van de in serie geschakelde modules niet identiek is, dan zal de stroom die door de in serie geschakelde PV-modules vloeit gelijk zijn aan de laagste stroom die door een module wordt geproduceerd in het touw. Neem een ​​voorbeeldtabel 2 hieronder.

Tabel 2

Modules	VM in Volt	IM in Ampère	PM in Watt
Module A	16	4.1	65,6
Module B	15,5	3.2	49.6
Module C	15.3	4.1	62.73
Totaal	In serie =46,8	In serie =3.2	177,93

Als alle modules in tabel 2 in serie zijn geschakeld, wordt de stroom die door de in serie geschakelde modules vloeit bepaald door de module met de laagste stroomsterkte. In dit geval heeft module B de laagste stroomsterkte van 3,2 A in vergelijking met modules A en C.

Dus de stroom die door deze drie in serie geschakelde modules vloeit is 3,2 A. Vergelijk nu de tabellen 1 en 2 en het totale vermogen dat door beide wordt geproduceerd. Vanwege niet-identieke stroommodules in tabel 2 is het totale geproduceerde vermogen 177,93 W, wat minder is dan het totale vermogen geproduceerd door modules in tabel 1, d.w.z. 191,88 W.

We kunnen zien dat vanwege de mismatch in stroom het uitgangsvermogen dat wordt geproduceerd door de in serie geschakelde modules op grote schaal wordt beïnvloed. Dus bij de serieschakeling van modules is een mismatch in spanning geen probleem, maar een mismatch in stroom resulteert in vermogensverlies. Daarom mogen modules met verschillende stroomwaarden niet in serie worden geschakeld.

Parallelle verbinding van modules

Soms om het vermogen van het zonne-PV-systeem te vergroten, in plaats van de spanning te verhogen door modules in serie te schakelen, wordt de stroom verhoogd door modules parallel aan te sluiten. De stroom in de parallelle combinatie van de PV-module-array is de som van de afzonderlijke stromen van de modules.

De spanning in de parallelle combinatie van de modules blijft hetzelfde als die van de individuele spanning van de module, aangezien alle modules dezelfde spanning hebben.

De parallelle combinatie wordt bereikt door de positieve pool van een module te verbinden met de positieve pool van de volgende module en de negatieve pool met de negatieve pool van de volgende module, zoals hieronder wordt getoond figuur. De volgende afbeelding toont zonnepanelen die in parallelle configuratie zijn aangesloten.

Als de huidige I_M1 is de maximale stroompuntstroom van één module en I_M2 is de maximale stroompuntstroom van een andere module, dan is de totale stroom van de parallel geschakelde module I_M1 + Ik_M2 . Als we modules parallel blijven toevoegen, blijft de stroom optellen. Het is ook toepasbaar voor kortsluitstroom Isc.

Berekening van het aantal parallel benodigde modules en hun totale vermogen

Om het aantal PV-modules dat parallel moet worden aangesloten te berekenen, moet de vereiste stroom van de PV-array worden opgegeven. We zullen ook het totale vermogen zien dat door de PV-array wordt gegenereerd. Merk op dat alle modules identiek zijn met dezelfde moduleparameters.

Stap 1: Let op de huidige behoefte van de PV-generator

Omdat we een N-aantal modules parallel moeten aansluiten, moeten we de vereiste stroom van de PV-array weten

• PV-array kortsluitstroom I_SCA
• PV-arraystroom bij maximaal vermogenspunt I_MA

Stap 2: Let op de parameters van de PV-module die parallel moet worden aangesloten

Parameters voor PV-modules zoals stroom en spanning bij maximaal vermogen en andere parameters zoals V_OC , I_SC, en P_M moet ook worden opgemerkt.

Stap 3: Bereken het aantal parallel te schakelen modules

Om het aantal modules N te berekenen, wordt de totale arraystroom gedeeld door de stroom van een individuele module. Aangezien de PV-module geacht wordt te werken onder STC, is de verhouding van de arraystroom bij maximaal vermogen I_MA naar modulestroom bij maximaal vermogenspunt I_M is bezet.

Een vergelijkbare berekening voor de kortsluitstroom van PV kan ook worden gedaan, d.w.z. de verhouding van de array-kortsluitstroom I_SCA naar module kortsluitstroom I_SC .

Merk op dat de waarde van N een niet-geheel getal kan zijn, dus we moeten het volgende hogere gehele getal nemen en dus de waarde van I_MA en ik_SCA zal ook toenemen dan we wilden.

Stap 4: Berekening van het totale vermogen van de PV-generator

Het totale vermogen van de PV-array is de som van het maximale vermogen van de afzonderlijke parallel geschakelde modules. Als P_M is het maximale vermogen van een enkele module en "N" is het aantal parallel geschakelde modules, dan is het totale vermogen van de PV-array P_MA is N × P_M . we kunnen het arrayvermogen ook berekenen door het product van de PV-arrayspanning en -stroom bij het maximale vermogenspunt, d.w.z. V_MA × I_MA .

Gerelateerde berichten: 

• Welke lamp brandt helderder bij serie- en parallelschakeling en waarom?
• Zijn de batterijen in serie of parallel aangesloten?

Voorbeeld:

Laten we een voorbeeld nemen, het aantal modules berekenen dat parallel nodig is om de maximale stroompuntstroom I_MA te verkrijgen van 40 A. De vereiste systeemspanning is 14 V. De parameters van de enkele PV-module zijn als volgt;

• Nullastspanning V_OC =18 V
• Spanning bij maximaal vermogen V_M =14 V
• Kortsluitstroom I_SC =6.5 A
• Stroom op maximaal vermogen I_M =6 A

Stap 1: Let op de huidige behoefte van de PV-generator

• PV-array kortsluitstroom I_SCA =Niet gegeven
• PV-arraystroom bij maximaal vermogenspunt I_MA =40 A

Stap 2: Let op de parameters van de PV-module die parallel moet worden aangesloten

Nullastspanning V_OC =18 V

Spanning bij maximaal vermogen V_M =14 V

Kortsluitstroom I_SC =6,5 A

Stroom op maximaal vermogen I_M =6 A

Maximale kracht:

P_M =V_M x ik_M

P_M =14V x 6A

P_M =84 W

Stap 3: Bereken het aantal parallel te schakelen modules

N =I_MA / ik_M

=40 / 6

N =6,66 (hogere integerwaarde 7)

Neem 7 modules met een hogere integerwaarde. Vanwege de hogere gehele waarde van N, is de waarde van I_MA en ik_SCA zal ook toenemen.

I_MA =ik_M × N

=6 × 7

I_MA =42 A

Stap 4:Bereken het totale vermogen van de PV-generator

P_MA =N × P_M

=7 × 84

P_MA =588 W

We hebben dus 7 PV-modules nodig om parallel te schakelen met een totaal vermogen van 588 W om de gewenste maximale PV-arraystroom van 40 A te verkrijgen.

Niet-overeenkomende in parallel verbonden PV-modules

In een parallelle verbinding is het probleem van de mismatch in stroom geen probleem, maar de mismatch in spanning is een probleem. In parallel geschakelde modules blijft de spanning hetzelfde als de modules identieke spanningswaarden hebben.

Maar als de nominale spanning van parallel geschakelde modules anders is, wordt de systeemspanning bepaald door de module met de laagste nominale spanning, wat resulteert in vermogensverlies.

Het effect van spanningsmismatch is niet zo ernstig als de huidige mismatch, maar wees voorzichtig bij het kiezen van de modules. Aanbevolen wordt om voor seriecombinatiemodules met dezelfde nominale stroomsterkte en voor parallelle combinatiemodules met dezelfde nominale spanning de voorkeur te geven.

• Gerelateerde post:hoe ontwerp je een fotovoltaïsche waterpomp op zonne-energie?

Serie – Parallelle verbinding van modules – Gemengde combinatie

Als we grote stroom moeten genereren in een reeks van gigawatts voor grote PV-installaties, moeten we modules in serie en parallel aansluiten. In grote PV-installaties worden de modules eerst in serie geschakeld, de zogenaamde "PV-modulestring" om het vereiste spanningsniveau te verkrijgen.

Vervolgens worden veel van dergelijke strings parallel geschakeld om het vereiste stroomniveau voor het systeem te verkrijgen. De volgende afbeeldingen tonen de aansluiting van modules in serie en parallel. Om dit te vereenvoudigen, kijk eens naar rechts in de volgende afbeelding.

Module 1 en module 2 zijn in serie geschakeld, laten we het string 1 noemen. De nullastspanning van de string 1 V_OC1 is toegevoegd, d.w.z.

V_OC1 =V_OC + V_OC =2V_OC

Terwijl de kortsluitstroom van string 1 I_SC1 is hetzelfde, d.w.z.

I_SC1 =I_SC

Vergelijkbaar met string 1, vormen de modules 3 en 4 de string 2. De nullastspanning van de string 2 V_OC2 is toegevoegd d.w.z.

V_OC2 =V_OC + V_OC =2V_OC

Terwijl de kortsluitstroom van string 2 I_SC2 is hetzelfde, d.w.z.

I_SC2 =I_SC

Nu zijn string 1 en string 2 parallel geschakeld, nergens blijft de spanning hetzelfde, maar wordt de stroom toegevoegd, d.w.z. de nullastspanning van de PV-module-array

V_OCA =V_OC1 =V_OC2 =2V_OC

En kortsluitstroom van de PV-module-array

I_SCA =I_SC1 + I_SC2 =I_SC + I_SC =2I_SC

Dezelfde berekening is van toepassing voor spanning en stroom bij de maximale PowerPoint.

• Gerelateerde post:parameters van een zonnecel en kenmerken van een PV-paneel

Berekening van het aantal modules vereist in serie – parallel, en hun totale vermogen

Hier voor de berekening van het aantal modules dat nodig is in serie en parallel, en vermogen, hebben we aangenomen dat alle modules identieke parameters hebben. Merk op dat;

• N_S =Aantal modules in serie
• N_P =Aantal modules parallel

Stap 1: Let op de stroom-, spannings- en vermogensvereisten van de PV-array

• PV-generatorvermogen P_MA
• Varantie PV-array bij maximaal voedingspunt V_MA
• PV-arraystroom bij maximaal vermogenspunt I_MA

Stap 2: Let op de parameters van de PV-module

Parameters voor PV-modules zoals stroom en spanning bij maximaal vermogen en andere parameters zoals V_OC , I_SC, en P_M moet ook worden opgemerkt.

Stap 3: Bereken het aantal modules dat in serie en parallel moet worden geschakeld

Om het aantal modules in serie N_s te berekenen de totale array-spanning wordt gedeeld door de spanning van een individuele module. Aangezien de PV-module geacht wordt te werken onder STC, is de verhouding van de array-spanning bij maximaal voedingspunt V_MA naar modulespanning bij maximaal voedingspunt V_M is bezet.

Op dezelfde manier, om het aantal modules parallel te berekenen N_p de totale arraystroom wordt gedeeld door de stroom van een individuele module. Aangezien de PV-module geacht wordt te werken onder STC, is de verhouding van de arraystroom bij het maximale vermogenspunt I_MA naar modulestroom bij maximaal vermogenspunt I_M is bezet.

Vergelijkbare berekeningen voor nullastspanning en kortsluitstroom kunnen worden gedaan. Merk op dat de waarde van N_s en N_P kan een niet-geheel getal zijn, dus we moeten het volgende hogere gehele getal nemen en dus de waarde van I_MA , I_SCA , V_MA , en V_OCA zal ook toenemen dan we wilden.

Stap 4: Berekening van het totale vermogen van de PV-generator

Het totale vermogen van de PV-array is de som van het maximale vermogen van de afzonderlijke modules die in serie en parallel zijn aangesloten.

Als P_M is het maximale vermogen van een enkele module, en N_S is het aantal in serie geschakelde modules en N_P is het aantal parallel geschakelde modules, dan is het totale vermogen van de PV-array

P_MA =N_P × N_S × P_M

We kunnen het arrayvermogen ook berekenen door het product van de PV-arrayspanning en -stroom op het maximale vermogenspunt, d.w.z.

V_MA × I_MA

• Gerelateerde post:Hoe ontwerp en installeer ik een zonne-PV-systeem?

Voorbeeld:

Laten we nu een voorbeeld nemen voor de mix – combinatie. We moeten het aantal modules bepalen dat nodig is voor een PV-array met de volgende parameters;

• Arrayvermogen P_MA =40 KW
• Spanning bij maximaal vermogen van array V_MA =400 V
• Stroom op maximaal vermogen van array I_MA =100 A
• De module voor het ontwerp van de array heeft de volgende parameters;
• Spanning bij maximaal vermogen van module V_M =70 V
• Stroom op maximaal vermogen van module I_M =17 A

Stap 1: Let op de stroom-, spannings- en vermogensvereisten van de PV-array

• PV-generatorvermogen P_MA =40 KW
• Varantie PV-array bij maximaal voedingspunt V_MA =400 V
• PV-arraystroom bij maximaal vermogenspunt I_MA =100 A

Stap 2: Let op de parameters van de PV-module

Spanning op maximaal vermogen van module V_M =70 V

Stroom op maximaal vermogen van module I_M =17 A

Maximum vermogen P_M :

P_M =V_M x ik_M

P_M =70V x 17A

P_M =1190 W

Stap 3: Bereken het aantal modules dat in serie en parallel moet worden geschakeld

N_S =V_MA / V_M

N_S =400 / 70

N_S =5,71 (Hogere integerwaarde 6)

Neem 6 modules met een hogere integerwaarde. Vanwege de hogere integerwaarde van N_S , de waarde van V_MA en V_OCA zal ook toenemen.

V_MA =V_M × N_S

=70 × 6

V_MA =420 V

Nu,

N_P =ik_MA / ik_M

N_P =100 / 17

N_P =5,88 (Hogere integerwaarde 6)

Neem 6 modules met een hogere integerwaarde. Vanwege de hogere gehele waarde van N_P , de waarde van I_MA en ik_SCA zal ook toenemen.

I_MA =ik_M × N_P

I_MA =17 × 6

I_MA =102 A

Stap 4: Berekening van het totale vermogen van de PV-generator

P_MA =N_S × N_P × P_M

=6 × 6 × 1190

P_MA =42840 W

Dus we hebben 36 PV-modules nodig . Een reeks van zes modules die in serie zijn geschakeld en zes van dergelijke reeksen parallel geschakeld, met een totaal vermogen van 42840 W om de gewenste maximale PV-arraystroom van 100 A en een spanning van 400 V te verkrijgen.

Merk op dat vanwege de hogere integerwaarde van 6 de maximale stroom en spanning van de PV-array respectievelijk 102 A en 420 V is.

• Verwante post:Diode- en bypassdiodes in een aansluitdoos voor zonnepanelen blokkeren

Conclusie

In this article, an in-depth study of the solar photovoltaic module and array was carried out. The need, structure, and design of the modules for higher power level was studied. It also included a procedure for parameter measurement and explanation of bypass diode and blocking diode for the safety of the module.

We also saw an explanation of the PV module array along with its need and connection combination. Calculation and procedure for the design of series, parallel, and mix connections were done in detail along with the study of mismatch in voltage and current of the modules. Such a study of Photovoltaic module and array is a must requirement for a designer of the PV system.

The article gives a significant design understanding of important components (modules and array) in the PV system, which can be utilized to make a proper, efficient, and reliable design in a PV system.