Berekening en ontwerp van fotovoltaïsche zonnepanelen en array

Het aantal cellen in een module bepalen, moduleparameters meten en de kortsluitstroom, nullastspanning en V-I-kenmerken van zonnemodule en array berekenen

Wat is een fotovoltaïsche zonne-module?

Het vermogen dat nodig is voor onze dagelijkse belasting varieert van enkele watts of soms in kilowatts. Een enkele zonnecel kan niet genoeg vermogen produceren om aan een dergelijke belastingsvraag te voldoen, het kan nauwelijks vermogen produceren in een bereik van 0,1 tot 3 watt, afhankelijk van het celoppervlak. In het geval van netgekoppelde en industriële energiecentrales hebben we stroom nodig in het bereik van megawatt of zelfs gigawatt.

Een enkele PV-cel is dus niet in staat tot zo'n hoge vraag. Dus om aan deze hoge eisen te voldoen, worden zonnecellen opgesteld en elektrisch aangesloten. Een dergelijke aansluiting en opstelling van zonnecellen worden PV-modules genoemd. Deze PV-modules maken het mogelijk om aan een grotere vraag te voldoen dan een enkele cel zou kunnen leveren.

Als zonnestraling op een enkele zonnecel valt, wordt er een potentiaal geproduceerd over de anode met twee aansluitingen en de kathode (d.w.z. de anode is de positieve aansluiting en de kathode is de negatieve aansluiting). Om het potentieel voor het benodigde vermogen te vergroten, zijn N-cellen in serie geschakeld. De negatieve pool van de ene cel is verbonden met de positieve pool van de andere cel, zoals weergegeven in onderstaande afbeelding.

Als we N-aantal zonnecellen in serie schakelen, krijgen we twee klemmen en de spanning over deze twee klemmen is de som van de spanningen van de in serie geschakelde cellen. Als de van een enkele cel bijvoorbeeld 0,3 V is en 10 van dergelijke cellen in serie zijn geschakeld, dan is de totale spanning over de string 0,3 V × 10 =3 Volt.

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

Als 40 cellen van 0,6 V in serie worden geschakeld, dan zou de totale spanning 0,6 V × 40 =24 Volt zijn. Het is belangrijk op te merken dat wanneer de cellen in serie zijn geschakeld, de spanning wordt toegevoegd terwijl de stroom hetzelfde blijft.

Op dezelfde manier wordt de stroom van de afzonderlijke cellen toegevoegd als de cellen parallel worden geschakeld. De anode-aansluiting van de ene cel is verbonden met de anode-aansluiting van de volgende cel en op dezelfde manier is de kathode-aansluiting verbonden met de kathode-aansluiting van de volgende cel, zoals weergegeven in figuur 2.

In tegenstelling tot de serieschakeling blijft de totale spanning van de string in parallelschakeling ongewijzigd. Als een cel bijvoorbeeld een stroomproductiecapaciteit heeft van 2 A en 5 dergelijke zonnecellen worden parallel geschakeld. Dan is de totale stroomproductiecapaciteit van de cel 2 A × 5 =10 A.

De parameters van de PV-module worden door de fabrikanten vermeld onder de Standard Test Condition (STC), d.w.z. temperatuur van 25 °C en straling van 1000 W/m ² . In de meeste tijd en locaties komen de voorwaarden die zijn gespecificeerd onder STC niet voor. Dit gebeurt omdat de zonnestraling altijd minder is dan 1000 W/m ² en de bedrijfstemperatuur van de cel hoger is dan 25 °C, resulteert deze onzekerheid in een verminderd uitgangsvermogen van de PV-module.

Zoals we eerder hebben besproken, bestaat de PV-module uit het aantal zonnecellen, vandaar dat de parameters en factoren die van invloed zijn op de opwekking van elektriciteit vergelijkbaar zijn met die van de zonnecel die we hebben het al behandeld in ons vorige artikel. Dus we zullen dat deel hier niet nog een keer behandelen.

• Gerelateerde post:  Een complete gids over de installatie van zonnepanelen. Stap voor stap procedure met voorbeelden

Het aantal cellen in een module bepalen

Een van de basisvereisten van de PV-module is om voldoende spanning te leveren om de batterijen van de verschillende spanningsniveaus op te laden onder dagelijkse zonnestraling. Dit houdt in dat de modulespanning hoger moet zijn om de batterijen op te laden tijdens de lage zonnestraling en hoge temperaturen.

De PV-modules zijn ontworpen om de spanningen te leveren in het veelvoud van 12 V batterijniveau, namelijk 12 V, 24 V, 36 V, 48 V, enzovoort. Om een ​​12 V-batterij op te laden via een PV-module hebben we een module nodig met V_M van 15 V en voor 24 V batterij hebben we een module nodig met V_M van 30 V enzovoort. Andere apparaten die in het PV-systeem worden gebruikt, zijn compatibel gemaakt om te werken met een batterijspanningsniveau.

Om het vereiste spanningsniveau te leveren, moeten we cellen in serie aansluiten. Afhankelijk van de verschillende technologieën die in de PV-cel worden gebruikt, verschilt het aantal cellen dat in serie moet worden geschakeld. Het aantal cellen dat in serie moet worden aangesloten, hangt af van de spanning op het maximale vermogenspunt, d.w.z. V_M van de individuele cel en de spanningsval die optreedt als gevolg van een stijging van de temperatuur van de cel boven STC.

• Gerelateerde post: Basiscomponenten die nodig zijn voor de installatie van een zonnepaneelsysteem

Voorbeeld:

Laten we dit met een voorbeeld begrijpen, een PV-module moet worden ontworpen met zonnecellen om een ​​batterij van 12 V op te laden. De nullastspanning V_OC van de cel is 0,89 V en de spanning op het maximale vermogenspunt V_M is 0,79 V.

De bedrijfstemperatuur van de cellen is 60 °C en er is een afname van de spanning met 2 mV voor een temperatuurstijging per graad Celsius. Hoeveel cellen moeten er in serie worden geschakeld om de batterij op te laden?

Stap 1: Zoek de spanning op maximaal voedingspunt V_M =0,79 V .

Als V_M is niet gespecificeerd neem dan V_M als 80 tot 85% van V_OC .

Stap 2: Zoek het spanningsverlies onder bedrijfstemperatuur d.w.z. bij 60 °C.

Temperatuurstijging boven STC =Bedrijfstemperatuur – Temperatuur bij STC.

Temperatuurstijging boven STC =60 °C – 25 °C =35 °C

Daarom, spanningsverlies als gevolg van temperatuurstijging boven STC:

Verlies van spanning =35 °C × 0,002 V =0,07 V

Stap 3 :Bepaling van de spanning bij de bedrijfsomstandigheden.

De spanning bij de bedrijfstoestand =Spanning bij STC (V_M ) – spanningsverlies als gevolg van een temperatuurstijging boven STC.

Daarom is spanning in de bedrijfstoestand =0,79 V – 0,07 V =0,72 V

Stap 4: Bepaal de benodigde spanning van de PV-module om de batterij op te laden.

Om een ​​batterij van 12 V op te laden, moet de modulespanning ongeveer 15 V zijn.

Stap 5: Bepaal het aantal cellen in serie worden aangesloten.

Het aantal in serie geschakelde cellen =PV-modulespanning / Spanning bij de bedrijfstoestand.

Aantal in serie geschakelde cellen =15 V / 0,72 V =20,83 of ongeveer 21 cellen

Dus we hebben 21 in serie geschakelde cellen nodig om een ​​12V-batterij op te laden . Het is belangrijk op te merken dat we voor verschillende zonneceltechnologieën een verschillend aantal cellen in serie nodig hebben voor dezelfde uitgangsspanning. Een daadwerkelijke foto van de PV-module die bestaat uit N-aantal elektrisch aangesloten cellen wordt weergegeven in figuur 3 hieronder.

Meetmoduleparameters

Voor de meting van moduleparameters zoals V_OC , I_SC , V_M, en ik_M we hebben voltmeter nodig en ampèremeter of multimeter , weerstand en aansluitdraden.

Meting van nullastspanning (V_OC ):

Tijdens het meten van de V_OC , moet onbelast worden aangesloten over de twee klemmen van de module. Om de nullastspanning van een fotovoltaïsche module te vinden via een multimer , volg de eenvoudige volgende stappen.

• Stel de multimeterknop in op DC-spanningsmeting en selecteer het bereik voor de spanningsmeting dienovereenkomstig, d.w.z. 6 V, 12 V, 24 V, enz.
• Zorg ervoor dat de ene sonde is aangesloten op de COM-poort van de multimeter en de andere op de spanningsmeetpoort.
• Na het selecteren van de modus en het bereik, sluit u de sondes van de multimeter aan op de twee klemmen van de PV-module en bekijkt u de aflezing op het display.
• Zorg ervoor dat de positieve sonde (spanningsmeetpoort) is aangesloten op de positieve pool en de negatieve sonde (COM-poort) op de negatieve pool. Als de sondes vice versa zijn aangesloten, geeft dit een negatieve meting.
• De aflezing op het display van de multimeter is de nullastspanning V_OC van de PV-module.

Gerelateerde post:

• Parameters van een zonnecel en kenmerken van een PV-paneel
• Hoe ontwerp je een fotovoltaïsche waterpomp op zonne-energie?

Meting van kortsluitstroom (I_SC ):

Tijdens het meten van de I_SC , moet onbelast worden aangesloten over de twee klemmen van de module.

Om de kortsluitstroom van een fotovoltaïsche module te vinden via een multimer , volg de eenvoudige volgende stappen.

• Stel de multimeterknop in op de huidige meting en selecteer het bereik voor de huidige meting dienovereenkomstig, d.w.z. typisch tussen 0,1 en 10 A.
• Zorg ervoor dat één sonde is aangesloten op de COM-poort van de multimeter en een andere op de huidige meetpoort.
• Na het selecteren van de modus en het bereik sluit u de sondes van de multimeter aan op de twee klemmen van de PV-module en bekijkt u de aflezing op het display.
• Zorg ervoor dat de positieve sonde is aangesloten op de positieve pool (stroommeetpoort) en de negatieve sonde (COM-poort) op de negatieve pool. Als de sondes vice versa zijn aangesloten, geeft dit een negatieve meting.
• De op het display van de multimeter waargenomen waarde is de kortsluitstroom I_SC van de PV-module.

De I-V-curve meten:

Voor het meten van de IV-curve moet de PV-module in serie worden geschakeld met de variabele weerstand, zoals weergegeven in onderstaande afbeelding.

De negatieve pool van de module is verbonden met de positieve pool van de ampèremeter en de voltmeter is rechtstreeks verbonden met de PV-module zoals weergegeven in figuur 4.

Als de aansluitingen onbewust omgekeerd zijn, zal de verkregen uitlezing een negatief teken hebben, sluit de meters opnieuw aan om de juiste waarden te verkrijgen. Als dit eenmaal is gedaan, stelt u de variabele weerstand (reostaat) aan één kant in, zodat de spanning maximaal is en de stroom minimaal.

Noteer de waarden van stroom en spanning op deze positie van de regelweerstand. Schuif de regelweerstand nu langzaam naar de andere kant en noteer de aflezingen voor elke aanpassing van de schuif totdat de regelweerstand volledig is kortgesloten. Bereken het vermogen voor elke waarde van spanning en stroom met behulp van de onderstaande vergelijking.

P =V × I

Zo kunnen door gebruik te maken van deze meetwaarden alle andere parameters van de PV-module worden verkregen.

Modules met hoger wattage 

Een van de meest voorkomende cellen die op de markt verkrijgbaar is, is de technologie "Crystalline Silicon Cell". Deze cellen zijn beschikbaar in een gebied van 12,5 × 12,5 cm ² en 15 ×15 cm ² . Het is moeilijk om cellen buiten dit gebied op de markt te vinden, de meeste grotere zonnecentrales gebruiken modules met dit celgebied.

Maar hoeveel hoger wattage kan deze module dus leveren en hoe kan een hoger vermogen per module worden verkregen? Een typisch ontworpen PV-module heeft een V_M van 15 V om een ​​batterij van 12 V op te laden. Om deze spanning te verkrijgen, worden 32 tot 36 cellen in serie geschakeld, afhankelijk van hun bedrijfstemperatuur en piekspanning V_M van een individuele cel.

De stroom die door cellen wordt geproduceerd, hangt af van het gebied, de hoeveelheid licht die erop valt, de lichthoek die erop valt en de stroomdichtheid. De kristallijne siliciumcel heeft een stroomdichtheid J_SC in een bereik van 30 mA/cm ² tot 35 mA/cm ² .

Laten we de stroomdichtheid nemen van 30 mA/cm ² voor ons voorbeeld. Dan de kortsluitstroom voor een oppervlakte van 12,5 × 12,5 cm ² kan worden berekend als;

I_SC =J_SC × Oppervlakte =30 mA/cm ² × 12,5 × 12,5 cm ² =4,68 A

Evenzo, voor 15 ×15 cm ² de kortsluitstroom wordt berekend als;

I_SC =J_SC × Oppervlakte =30 mA/cm ² × 15 × 15 cm ² =6,75 A

Voor de meeste fabrikanten geldt de I_M is ongeveer 90 tot 95% van I_SC . Laten we voor ons voorbeeld I_M . nemen als 95% van I_SC .

I_M =0,95 × I_SC

Dan de I_M voor een oppervlakte van 12,5 × 12,5 cm ² kan worden berekend als;

I_M =0,95 × 4,68 A =4,446 A

Evenzo, voor 15 ×15 cm ² ik_M wordt berekend als;

I_M =0,95 × 6,75 A =6,412 A

Nu kunnen we het maximale piekvermogen voor deze twee cellen bepalen;

P_M =V_M × I_M

P_M =15 V × 4,446 A =66,69 W (voor een oppervlakte van 12,5 × 12,5 cm ² )

P_M =15 V × 6,412 A =96,18 W (voor een oppervlakte van 15 × 15 cm ² )

Daarom, door gebruik te maken van de best beschikbare celtechnologie met een oppervlakte van 12,5 × 12,5 en 15 × 15 cm ² we krijgen een vermogen van respectievelijk 66,69 W en 96,18 W (gezien I_M 95% van I_SC . zijn en stroomdichtheid van 30 mA/cm ² ).

Om de spanning en stroom van de module te verhogen, moet er meer aantal cellen respectievelijk in serie en parallel worden geschakeld, dit zal het totale vermogen van de module meer verhogen dan we hebben berekend .

Voorbeeld:

Laten we nu voor een beter begrip een PV-module ontwerpen die een spanning kan leveren bij maximaal vermogen V_M van 45 V onder STC en 33,5 V onder 60 °C bedrijfstemperatuur. We zullen de cellen gebruiken met een nullastspanning V_OC van 0,64 V, met een afname van 0,004 V in V_M per °C temperatuurstijging.

Stap 1: Zoek de spanning op het maximale vermogenspunt V_M .

Als V_M is niet gespecificeerd neem dan V_M als 80 tot 85% van V_OC

Laten we aannemen dat V_M =0,85 × V_OC =0,85 × 0,64 V =0,544 V

Stap 2: Vind het spanningsverlies onder de bedrijfstemperatuur, d.w.z. bij 60 ^o C.

Temperatuurstijging boven STC =Bedrijfstemperatuur – Temperatuur bij STC.

Temperatuurstijging boven STC =60 °C – 25 °C =35 °C

Daarom, spanningsverlies als gevolg van temperatuurstijging boven STC =35 °C × 0,004 V =0,14 V

Stap 3: Bepaling van de spanning in de bedrijfstoestand

De spanning bij de bedrijfstoestand =Spanning bij STC (V_M ) – spanningsverlies als gevolg van een temperatuurstijging boven STC.

Daarom is spanning in de bedrijfstoestand =0,544 V – 0,14 V =0,404 V

Stap 4: Bepaal de benodigde PV-modulespanning

we hebben een modulespanning nodig van ongeveer 33,5 V.

Stap 5: Bepaal het aantal cellen dat in serie moet worden geschakeld

Het aantal in serie geschakelde cellen =PV-modulespanning / Spanning bij de bedrijfstoestand.

Aantal in serie geschakelde cellen =33,5 V / 0,404 V =82,92 of ongeveer 83 cellen.

Laten we nu berekenen hoeveel vermogen deze 83 cellen kunnen produceren onder STC, met V_M =45 V, en laten we dezelfde stroomwaarden nemen voor twee cellen uit het vorige voorbeeld.

I_M =4,446 A (voor een oppervlakte van 12,5 × 12,5 cm ² )

I_M =6,412 A (voor een oppervlakte van 15 × 15 cm ² )

Nu kunnen we het maximale piekvermogen voor deze twee cellen bepalen bij een spanning van 45 V;

P_M =V_M × I_M

P_M =45 V × 4,446 A =200,07 W (voor een oppervlakte van 12,5 × 12,5 cm ² )

P_M =45 V × 6,412 A =288,54 W (voor een oppervlakte van 15 × 15 cm ² )

Dus, afhankelijk van de behoefte aan een groot vermogen, worden dergelijke cellen met grotere oppervlakten in serie en parallel geschakeld om een ​​PV-module te vormen. Verder kunnen deze PV-modules in serie en parallel worden aangesloten om een ​​PV-array te vormen die vermogen in MW's genereert.

Blokkeer- en bypass-diodes

Bypass-diode

Alle cellen die in serie zijn geschakeld in de PV-module zijn identiek, ze produceren allemaal stroom wanneer er licht op valt. Maar als een van de zonnecellen wordt overschaduwd door een object, wordt het licht dat erop valt onderbroken en produceert het een lagere stroom of bijna geen stroom vanwege deze onderbreking van het licht dat op de cel valt.

Deze cel zal nu fungeren als een weerstand tegen de huidige stroom in de reeksreeks van de cellen. Het zal fungeren als een belasting en het vermogen dat door andere cellen wordt gegenereerd, wordt afgevoerd in de gearceerde cel, waardoor de temperatuur van de cel stijgt en een hotspot wordt gevormd. Dit kan zelfs leiden tot het breken van moduleglas, brand en ongelukken in het systeem.

De bypass-diodes worden gebruikt om dergelijke rampen in ons ontworpen systeem te voorkomen. Zoals weergegeven in figuur 5 is de bypass-diode parallel geschakeld aan de zonnecel met tegengestelde polariteit.

In normale omstandigheden zonder schaduw, is de bypass-diode omgekeerd voorgespannen en werkt als een open circuit. Maar als er schaduw optreedt in de in serie geschakelde reeks cellen, zal de gearceerde cel een omgekeerde voorspanning hebben en dit zal fungeren als een voorwaartse voorspanning naar de bypass-diode omdat deze is aangesloten met een tegengestelde polariteit ten opzichte van de zonnecel.

Nu zal de bypass-diode van deze gearceerde cel de stroom er doorheen voeren in plaats van de gearceerde cel. De diode omzeilt dus de cel en vermijdt de schade veroorzaakt door oververhitting, vandaar de naam bypass-diode. Idealiter zou er één diode per zonnecel in een module moeten zitten, maar praktisch om de module kosteneffectief te maken, wordt één bypass-diode aangesloten voor een seriecombinatie van 10-15 cellen.

Blokkeerdiode

In een off-grid systeem worden de modules gebruikt om de belasting van stroom te voorzien en de batterij op te laden. Tijdens de nacht wanneer er geen zonlicht is, produceert de module geen energie en beginnen de oplaadbatterijen stroom te leveren aan de belasting en de PV-module. De voedingen naar de PV-module is een verlies van vermogen. Om het verlies te voorkomen, wordt een diode geplaatst om de stroom van de batterij naar de PV-module te blokkeren. Het is dus dankzij deze diode dat het verlies van vermogen wordt vermeden door de stroom van de batterij naar de module te blokkeren.

Gerelateerd bericht:

Serie, parallelle en serie-parallelle verbinding van zonnepanelen en array

We hebben dit onderwerp al heel goed uitgelegd in onze vorige post met het label Series, Parallelle &Serie-Parallelle Verbinding van PV Panelen . U kunt kabels aansluiten op strings en serie-arrays van zonnemodules, parallelle arrays of een combinatie van series en parallelle strings en arrays.