Parameters van een zonnecel en kenmerken van een PV-paneel

Parameters en kenmerken van een fotovoltaïsche cel

Wat is precies een fotovoltaïsche zonnecel?

Een zonnecel is een halfgeleiderapparaat dat zonnestraling kan omzetten in elektriciteit. Het vermogen om zonlicht om te zetten in elektriciteit zonder tussentijdse omzetting maakt het uniek om de beschikbare zonne-energie om te zetten in bruikbare elektriciteit. Daarom worden ze fotovoltaïsche zonnecellen genoemd. Fig. 1 toont een typische zonnecel.

Verschillende factoren bepalen de elektriciteit die door een zonnecel wordt opgewekt, zoals;

• De intensiteit van het licht:er valt meer zonlicht op de cel, meer elektriciteit wordt door de cel opgewekt.
• Celoppervlak:door het oppervlak van de cel te vergroten, neemt ook de door de cel gegenereerde stroom toe.
• De invalshoek:als het licht dat op de cel valt loodrecht op het oppervlak ervan staat, is het vermogen dat erdoor wordt opgewekt optimaal. Idealiter zou de hoek 90 ^o . moeten zijn maar praktisch zou het zo dicht als 90 ^o . moeten zijn .

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 zonnepaneelopstelling bekend staat als fotovoltaïsche array.

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

Werking van een zonnecel

Het zonlicht is een groep fotonen met een eindige hoeveelheid energie. Voor de opwekking van elektriciteit door de cel moet deze de energie van het foton absorberen. De absorptie hangt af van de energie van het foton en de bandgap-energie van het zonne-halfgeleidermateriaal en wordt uitgedrukt in elektron-volt (eV).

De fotonen worden geabsorbeerd door het halfgeleidermateriaal, wat resulteert in het genereren van elektron-gatparen, waarbij elektronen negatief geladen zijn en gaten positief geladen zijn. Wanneer een belasting is aangesloten, is er een scheiding van elektronen en gaten op de kruising, de gaten bewegen naar de anodezijde en de elektronen naar de kathodezijde.

De scheiding van deze twee ladingen creëert dus een elektrisch potentiaalverschil en we krijgen een spanning over de terminal van de cel. Deze spanning wordt gebruikt om de stroom in het circuit aan te sturen.

Gerelateerde post:een complete gids over de installatie van zonnepanelen. Stapsgewijze procedure met berekening en diagrammen

Parameters voor zonnecellen

De omzetting van zonlicht in elektriciteit wordt bepaald door verschillende parameters van een zonnecel. Om deze parameters te begrijpen, moeten we de I - V-curve bekijken, zoals weergegeven in figuur 2 hieronder. De curve is uitgezet op basis van de gegevens in tabel 1.

Tabel 1

Amps	Volt	Watt
0	VOC =11,4	0
0,2	11.06	2.21
0,4	10.59	4.24
0,5	10.24	5.12
0,6	9,54	5,72
0,61	9,39	5,73
IM =0,62	VM =9,27	PM =5.75
0,63	9,08	5,72
0,64	8.72	5,58
ISC =0,65	0	0

De celparameters worden door fabrikanten gegeven bij de STC (Standard Test Condition). Onder STC is de overeenkomstige zonnestraling gelijk aan 1000 W/m ² en de bedrijfstemperatuur van de cel is gelijk aan 25 ^o C. De parameters van de zonnecel zijn als volgt;

Kortsluitingsstroom (I_SC ):

Kortsluitstroom is de maximale stroom die door de zonnecel wordt geproduceerd, het wordt gemeten in ampère (A) of milli-ampère (mA). Zoals te zien is in tabel 1 en figuur 2 is de nullastspanning nul wanneer de cel maximale stroom produceert (I_SC =0,65 A).

De waarde van kortsluiting hangt af van het celoppervlak, zonnestraling op het vallen op de cel, celtechnologie, enz. Soms geven de fabrikanten de stroomdichtheid in plaats van de waarde van de stroom. De stroomdichtheid wordt aangegeven met "J" en de kortsluitstroomdichtheid wordt aangegeven met "J_SC ”. De kortsluitstroomdichtheid wordt verkregen door de kortsluitstroom als volgt te delen door het oppervlak van de zonnecellen:

J_SC =I_SC / A

Laten we een voorbeeld nemen, een zonnecel heeft een stroomdichtheid van 40 mA/cm ² bij STC en een oppervlakte van 200 cm ² . Dan kan de kortsluitstroom als volgt worden bepaald;

I_SC =Jsc × Oppervlakte =40 mA/cm ² × 200 cm ² =8000 mA =8 A

Open circuit spanning (V_OC ):

Nullastspanning is de maximale spanning die de cel kan produceren onder open circuit-omstandigheden. Het wordt gemeten in volt (V) of millivolt (mV). Zoals uit tabel 1 en figuur 2 blijkt, is de kortsluitstroom gelijk aan nul wanneer de cel maximale spanning produceert. De waarde van V_OC hangt af van celtechnologie en de bedrijfstemperatuur van de cel.

Maximum Power Point (P_M ):

Het maximale vermogen vertegenwoordigt het maximale vermogen dat een zonnecel kan produceren bij de STC (d.w.z. zonnestraling van 1000 W/m ² en cel bedrijfstemperatuur van 25 ^o C). Het wordt gemeten in W_Piek of gewoon W_P . Behalve STC heeft de zonnecel P_M bij verschillende waarden van uitstraling en cel bedrijfstemperatuur.

De cel kan werken met verschillende stroom- en spanningscombinaties. Maar het kan alleen maximaal vermogen P_M . produceren bij een bepaalde spanning en stroomcombinatie. Zoals weergegeven in figuur 2 ligt het maximale vermogenspunt bij de knie van de I – V-curve en is het product van I_M en V

P_M =ik_M × V_M =0,62 × 9,27 =5,75 W_P

Stroom bij maximaal vermogen (I_M ):

Het vertegenwoordigt de stroom die de zonnecel zal produceren bij gebruik met de maximale PowerPoint. Het wordt aangeduid met I_M en in figuur 2 is te zien dat de waarde ervan altijd kleiner is dan de kortsluitstroom (I_SC ). Het wordt gemeten in ampère (A) of milli-ampère (mA).

De spanning bij het maximale vermogenspunt (V_M ):

Het vertegenwoordigt de spanning die de zonnecel zal produceren bij gebruik met de maximale PowerPoint. Het wordt aangeduid met V_M en in figuur 2 is te zien dat de waarde ervan altijd lager is dan de nullastspanning (V_OC ). Het wordt gemeten in volt (V) of millivolt (mV).

Vulfactor (FF):

Het vertegenwoordigt het gebied dat wordt gedekt door I_M – V_M rechthoek met het gebied dat wordt gedekt door I_SC – V_OC rechthoek zoals met stippellijnen in figuur 2. De vulfactor vertegenwoordigt de haaksheid van de I – V-curve. Het wordt weergegeven in termen van het percentage (%), hoe hoger de vulfactor in procent, hoe beter de cel.

FF =P_M / (I_SC ×V_OC )

Op basis van de gegevens in tabel 1 en figuur 2 kunnen we de vulfactor als volgt bepalen;

FF =[5,75 / (0,65 × 11,4)] × 100 =77,59 %

Voorgesteld in percentage door het te vermenigvuldigen met 100.

Efficiëntie (ƞ):

• Het rendement van een zonnecel wordt gedefinieerd als het maximale uitgangsvermogen (P_M ) gedeeld door het ingangsvermogen (P_IN ). Het wordt gemeten in procenten (%), wat aangeeft dat dit percentage van het ingevoerde zonlichtvermogen wordt omgezet in elektrisch vermogen. Het ingangsvermogen is vermogensdichtheid. Om de efficiëntie te berekenen vermenigvuldigt u daarom P_IN bij STC per gebied. Het rendement kan als volgt worden berekend;

ƞ =P_M / (P_IN × Gebied)

Als het opgegeven gebied van de cel 0,01 m is ² , P_M =5.75 W_P dan kan de efficiëntie bij standaard testcondities worden gegeven als;

ƞ =[5,75 W_P / (1000 W/m ² × 0,01 m ² )] =57,5 ​​%

Voorgesteld in percentage door het te vermenigvuldigen met 100.

• Gerelateerde post:basiscomponenten die nodig zijn voor de installatie van het zonnepaneelsysteem

Fotovoltaïsche technologieën

Er is een grote verscheidenheid aan zonnecellen op de markt verkrijgbaar, de naam van de zonneceltechnologie hangt af van het materiaal dat in die technologie wordt gebruikt. Vandaar dat verschillende cellen verschillende celparameters hebben, zoals kortsluitstroomdichtheid, efficiëntie, nullastspanning, vulfactor, enz. De volgende tabel 2 toont de lijst met in de handel verkrijgbare cellen en hun parameterwaardebereik.

Tabel 2

Celtype	Efficiëntie (%)	Open spanning (V)	Stroomdichtheid (mA/cm 2 )	Celgebied (cm 2 )	Vulfactor (FF)
Monokristallijn silicium	14 – 17	0,55 – 0,68	30 – 38	5 – 156	70 – 78
Multikristallijn silicium	14 – 16	0,55 – 0,65	30 – 35	5 – 156	70 – 76
Amorf Si	6 – 9	0,70 – 1,1	8 – 15	5 – 200	60 – 70
Cadmiumtelluride	8 – 11	0,80 – 1,0	15 – 25	5 – 200	60 – 70
Koper-indium-gallium-selenide	8 – 11	0,50 – 0,7	20 – 30	5 – 200	60 – 70
Galliumarsenide	30 – 35	1.0 – 2.5	15 – 35	1 – 4	70 – 85

• Gerelateerde post: Hoeveel watt zonnepaneel hebben we nodig voor onze elektrische huishoudelijke apparaten?

Factoren die de door zonnecellen opgewekte stroom beïnvloeden

Conversie-efficiëntie (ƞ):

Niet al het licht dat op de zonnecel valt, wordt omgezet in elektrische energie. Conversie-efficiëntie wordt de verhouding genoemd tussen de opgewekte elektrische energie en de ingevoerde lichtenergie. We kunnen de efficiëntie van de cel niet veranderen, gebaseerd op het fabricageproces en het materiaal dat erin wordt gebruikt, en de waarde ervan blijft vast.

Maximumvermogen zonnecel P_M hangt af van de spanning die het ontwikkelt over de celterminal en de stroom die het kan leveren. Het celoppervlak is een van de belangrijke factoren die het door de cel ontwikkelde uitgangsvermogen beïnvloeden. De waarde van het uitgangsvermogen kan worden bepaald voor een gegeven ingangsvermogen in (W/m ² ), celconversie-efficiëntie in (%), en oppervlakte van de cel in (m ² ).

Het zonnecelrendement wordt gegeven onder STC en het ingangsvermogen (P_IN ) wordt genomen als 1000 W/m ² . Door de onderstaande formule te gebruiken, kunnen we dus het gegenereerde uitgangsvermogen voor verschillende efficiënties bepalen.

P_M =(P_IN × Gebied) × ƞ

Laten we zeggen dat we het uitgangsvermogen bij STC moeten berekenen met een efficiëntie van 30% en 25% en een oppervlakte van 0,01 m ² . Dus voor 30% efficiëntie krijgen we;

P_M =(1000 W/m ² × 0,01 m ² ) × 0,30 =3 W_P

En voor 25% efficiëntie krijgen we;

P_M =(1000 W/m ² × 0,01 m ² ) × 0,25 =2,5 W_P

Hoeveelheid invoerlicht:

De intensiteit van het licht dat op de cel valt, blijft gedurende de dag veranderen. Afhankelijk van het licht dat op de cel valt, verandert de stroom en spanning van de cel. De stroom die door de cel wordt gegenereerd, is direct afhankelijk van het licht dat erop valt.

Van 's morgens tot' s middags neemt het licht dat op de cel valt toe, waardoor de stroom die door de cel wordt gegenereerd ook toeneemt. Van 's middags tot zonsondergang neemt het licht dat op de cel valt af, waardoor ook de door de cel opgewekte stroom afneemt. Er is geen grote variatie in de uitgangsspanning van de cel omdat deze niet wordt beïnvloed door de variatie in zonlicht.

Stel dat we het uitgangsvermogen moeten berekenen voor een cel met een oppervlakte van 0,01 m ² voor een ingangsvermogen van 1000 W/m ² en 800 W/m ² met een rendement van 25%. Dus voor een ingangsvermogen van 1000 W/m ² we krijgen het uitgangsvermogen als volgt;

P_M =(1000 W/m ² × 0,01 m ² ) × 0,25 =2,5 W_P

En voor een ingangsvermogen van 800 W/m ² ;

P_M =(800 W/m ² × 0,01 m ² ) × 0,25 =2 W_P

Zoals we kunnen zien is er een afname van het uitgangsvermogen als gevolg van een afname van het ingangsvermogen. De hoeveelheid stroom die door de cel wordt opgewekt, is dus evenredig met het zonlicht.

Verwante typen zonnepanelen en welk type zonnepaneel is het beste?

Celgebied:

De kortsluitstroom van de zonnecel is afhankelijk van de oppervlakte van de cel. De uitgangsstroom is recht evenredig met het celoppervlak. Hoe groter het celoppervlak, de hoeveelheid opgewekte stroom is ook groot en vice versa. Bijvoorbeeld een 200 cm ² gebied zal 2 A stroom produceren en een 200 cm ² zal 4 A stroom produceren voor dezelfde instraling van 1000 W/m ² .

Zoals we eerder zagen, wordt de stroomdichtheid verkregen door de stroom te delen door de oppervlakte van de cel. De stroomdichtheid (J_SC ) is vast voor een bepaalde zonlichtintensiteit en is niet afhankelijk van het gebied. Laten we een voorbeeld nemen waarbij we de uitgangsstroom moeten berekenen van de zonnecel met een oppervlakte van 20 cm ² en 50 cm ² .

Met een constante stroomdichtheid van 35 mA/m ² . De uitgangsstroom voor 20 cm ² kan als volgt worden berekend;

I_SC =J_SC × Oppervlakte =35 mA/m ² × 20 cm ² =0,70 A

De uitgangsstroom voor 50 cm ² kan als volgt worden berekend;

I_SC =J_SC × Oppervlakte =35 mA/m ² × 50 cm ² =1,75 A

Zo blijkt uit de bovenstaande berekening dat hoe groter het celoppervlak hoger is de waarde van stroom en hoe kleiner het celgebied lager de waarde van de stroom is.

P>

De lichthoek (θ):

De zonnecel produceert het maximale uitgangsvermogen voor gegeven zonlicht wanneer de hoek van het licht en de cel loodrecht op elkaar staan ​​(d.w.z. 90 ^o ) zoals weergegeven in figuur 3. Wanneer de hoek van de lichtinval kleiner of groter is dan 90 ^o zoals weergegeven in afbeelding 3, dan zal het uitgangsvermogen produceren dat lager is dan het maximale uitgangsvermogen van de cel.

Als het licht onder een hoek groter of kleiner dan 90 ^o valt een deel van het licht wordt gereflecteerd en het licht dat door de cel wordt gebruikt, is minder dan het daadwerkelijke licht dat erop valt. Dit resulteert in een vermindering van het door de cel opgewekte uitgangsvermogen. Het is om deze reden dat we de zonnecel loodrecht op het vallende licht moeten installeren om maximaal mogelijke elektriciteit op te wekken.

Bedrijfstemperatuur (T):

De fabrikanten leveren de celspanning, stroom en vermogen bij de STC met een instraling van 1000 W/m ² en temperatuur van 25 ^o Maar in de praktijk varieert de temperatuur van de zonnecel door de omgevingstemperatuur en verder worden de cellen ingesloten in glas waardoor de temperatuur van de zonnecel verder stijgt.

Deze verandering in temperatuur beïnvloedt de spanning, het vermogen en de efficiëntie van de cel, de stijging van de celtemperatuur boven de STC vermindert de output van deze parameters. De afname van deze parameters verschilt voor verschillende zonnecellen die op de markt verkrijgbaar zijn.

Laten we een voorbeeld nemen om de afname van een van de parameters (d.w.z. spanning) te begrijpen. Een cel heeft een uitgangsspanning van 0,9 V bij STC. De bedrijfstemperatuur van de cel is 50 ^o C. De uitgangsspanning van de cel neemt af met 2,1 mV/ ^o C. wat kan de nieuwe waarde van de uitgangsspanning zijn?

ΔT =T_werkelijk – T_standaard =50 – 25 =25 ^o C

De verlaagde uitgangsspanning =Open circuit spanning (V_OC ) bij STC – (Afname in spanning – ΔT) =0,9 – (2,1 × 10 ^-3 × 25) =0,84 V

Uit de bovenstaande berekening kan worden geconcludeerd dat er een afname van de uitgangsspanning is als de temperatuur boven STC stijgt (d.w.z. boven 25 ^o C).

Conclusie

Het is dankzij de ontwikkeling in de halfgeleidertechnologie dat we overvloedig zonnelicht kunnen omzetten in elektriciteit. In dit artikel hebben we de werking van de zonnecel bestudeerd, verschillende soorten cellen, het zijn verschillende parameters zoals nullastspanning, kortsluitstroom, enz. die ons helpen de kenmerken van de cel te begrijpen. De factoren die van invloed zijn op het vermogen dat door de cel wordt gegenereerd, zijn ook bestudeerd, waaronder de efficiëntie van de stroomconversie, de hoeveelheid ingangslicht, het celoppervlak, enz. Die de prestaties beïnvloeden en ons helpen het gedrag van de cel in een ander scenario te begrijpen. Met het begrip van zonneceltechnologie kunnen we deze op de best mogelijke manier gebruiken om aan onze dagelijkse energiebehoeften te voldoen.