Hoe zonnepanelen te koppelen: Reeks-, parallel- en serie-paralleelschakelingen

Reeks-, parallel- en serie-parallelconfiguratie van fotovoltaische arrays

Wat is een zonne- fotovoltaisch array?

Een zonne- fotovoltaïsche module is beschikbaar in een bereik van 3 W_p tot 300 W_p. Vaak is echter vermogen in de orde van kW tot MW nodig. Om zo'n groot vermogen te bereiken, moeten N-aantal modules in serie en parallel worden aangesloten.

Een string van PV-modules

Wanneer N-aantal PV-modules in serie worden aangesloten, heet de gehele string van in serie aangesloten modules de PV-modulestring. De modules worden in serie geschakeld om de spanning in het systeem te verhogen. De onderstaande afbeelding toont een schema van in serie, parallel en serie-parallel aangesloten PV-modules.

PV-module array

Om de stroom te verhogen, worden N-aantal PV-modules parallel geschakeld. Een dergelijke combinatie van modules in serie en parallel heet een "zonne- fotovoltaisch array" of "PV-module array". Een schema van een zonne-PV-module array in serie-parallelconfiguratie wordt in de onderstaande afbeelding getoond.

Zonnecel module:

De zonnecel is een tweeterminaalapparaat. De ene is positief (anode) en de ander negatief (kathode). Een opstelling van zonnecellen heet een zonne-module of zonnepaneel, waarbij een opstelling van zonnepanelen een fotovoltaisch array vormt.

Het is belangrijk om te weten dat met de toename van serie- en parallelschakelingen van modules het vermogen van de modules ook wordt opgeteld.

Gerelateerde artikelen:

• Hoe zonnepanelen in serie-parallelconfiguratie te bedraden?
• Serie-, parallel- en serie-parallelverbinding van batterijen

Seriësverbinding van modules

Soms is de benodigde systeemspanning voor een centrale veel hoger dan wat een enkele PV-module kan produceren. In dergelijke gevallen worden N-aantal PV-modules in serie geschakeld om het vereiste spanningsniveau te bereiken. Deze serieverbinding van PV-modules is vergelijkbaar met de verbinding van N-aantal cellen in een module om de vereiste spanning te verkrijgen. De onderstaande afbeelding toont PV-panelen in serieconfiguratie.

Met deze serieverbinding stijgt niet alleen de spanning, maar ook het gegenereerde vermogen van de module. Hiervoor wordt de negatieve pool van de ene module aangesloten op de positieve pool van de andere module.

Als een module een open-circuitspanning V_OC1 van 20 V heeft en de andere in serie aangesloten module V_OC2 van 20 V, dan is de totale open-circuitspanning van de string de som van de twee spanningen:

V_OC = V_OC1 + V_OC2

V_OC = 20 V + 20 V = 40 V

Het is belangrijk om te weten dat de optelling van spanningen in het maximum-vermogenpunt (MPP) ook geldig is voor 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 het PV-array bekend zijn. We bekijken ook het totale vermogen dat door het PV-array wordt gegenereerd. Let op dat alle modules identiek zijn met dezelfde moduleparameters.

Stap 1: Noteer de spanningsvereiste van het PV-array

Aangezien we N-aantal modules in serie moeten schakelen, moeten we de vereiste spanning van het PV-array kennen:

• Open-circuitspanning van PV-array V_OCA
• Spanning van PV-array in maximum-vermogenpunt V_MA

Stap 2: Noteer de parameters van de in de serie-string te schakelen PV-module

PV-moduleparameters zoals stroom en spanning in het maximum-vermogenpunt en andere parameters zoals V_OC, I_SC en P_M moeten eveneens worden genoteerd.

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 een individuele module. Aangezien de PV-module onder STC (standaardtestcondities) werkt, wordt de verhouding van de arrayspanning in het maximum-vermogenpunt V_MA tot de modulespanning in het maximum-vermogenpunt V_M genomen.

Een vergelijkbare berekening voor de open-circuitspanning van PV is mogelijk: de verhouding van de array-open-circuitspanning V_OCA tot de module-open-circuitspanning V_OC. Let op dat de waarde van "N" een niet-geheel getal kan zijn; we nemen dan het volgende hogere gehele getal, waardoor de waarden van V_MA en V_OCA iets hoger worden dan gewenst.

Stap 4: Berekenen van het totale vermogen van het PV-array

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

We kunnen het arrayvermogen ook berekenen als het product van de arrayspanning en -stroom in het maximum-vermogenpunt:

V_MA × I_MA

Voorbeeld:

Om deze stappen mathematisch te begrijpen, nemen we een voorbeeld van een 2 MW-zonnepark waarin veel PV-modules in serie zijn geschakeld. De 2 MW-omvormer accepteert een invoerspanning van 600 V tot 900 V.

Bepaal het aantal in serie te schakelen modules om een maximum-vermogenpuntspanning van 800 V te verkrijgen. Bepaal ook het vermogen dat door dit PV-array wordt geleverd. De parameters van de enkele PV-module zijn als volgt:

• Open-circuitspanning V_OC = 35 V
• Spanning in maximum-vermogenpunt V_M = 29 V
• Kortsluitstroom I_SC = 7,2 A
• Stroom in maximum-vermogenpunt I_M = 6,4 A

Stap 1: Noteer de spanningsvereiste van het PV-array

• Open-circuitspanning PV-array V_OCA = Niet gegeven
• Spanning PV-array in maximum-vermogenpunt V_MA = 800 V

Stap 2: Noteer de parameters van de in de serie-string te schakelen PV-module

Open-circuitspanning V_OC = 35 V

Spanning in maximum-vermogenpunt V_M = 29 V

Kortsluitstroom I_SC = 7,2 A

Stroom in maximum-vermogenpunt I_M = 6,4 A

Maximumvermogen P_M

P_M = V_M × I_M

= 29 V × 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 (afgerond naar boven: 28)

Neem de hogere gehele waarde 28 modules. Door de afronding naar boven stijgen de waarden van V_MA en V_OCA ook.

V_MA = V_M × N

= 29 × 28

= 812 V

Stap 4: Berekenen van het totale vermogen van het PV-array

P_MA = N × P_M

= 28 × 185,6

= 5196,8 W

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

Mismatch in serie-gekoppelde PV-modules

Het maximumvermogen in de PV-module is het product van spanning en stroom in het maximum-vermogenpunt. Wanneer de modules niet in serie zijn aangesloten, 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 Ampere	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 worden geschakeld, worden hun spanningen opgeteld, maar de stroom blijft hetzelfde, mits alle modules identiek zijn met dezelfde I_M = 4,1 A.

Het verschil in spanningen van de in serie geschakelde modules A, B en C leidt niet tot vermogensverlies van het PV-module-array, mits alle modules identiek zijn met dezelfde I_M = 4,1 A.

Maar als de stroomproductiecapaciteit van de in serie geschakelde modules niet identiek is, zal de stroom door de serie-gekoppelde PV-modules gelijk zijn aan de laagste stroom die door een module in de string wordt geproduceerd. Neem het voorbeeld van tabel 2 hieronder.

Tabel 2

Modules	VM in Volt	IM in Ampere	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 worden geschakeld, wordt de stroom door de serie-gekoppelde modules bepaald door de module met de laagste stroom. In dit geval heeft module B de laagste stroom van 3,2 A ten opzichte van modules A en C.

De stroom door deze drie in serie geschakelde modules is dus 3,2 A. Vergelijk tabellen 1 en 2 en het totale vermogen dat door beide wordt geproduceerd. Door de niet-identieke stroommodules in tabel 2 is het totale geproduceerde vermogen 177,93 W, wat minder is dan het totale vermogen van de modules in tabel 1 (191,88 W).

We zien dat door de mismatch in stroom het uitgangsvermogen van de in serie geschakelde modules sterk beïnvloed wordt. In een serieverbinding is spanningmismatch geen probleem, maar stroommismatch leidt tot vermogensverlies. Modules met verschillende stroomwaarden mogen dus niet in serie worden geschakeld.

Parallelverbinding van modules

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

De spanning in de parallelschakeling van de modules blijft hetzelfde als die van de individuele module, mits alle modules identieke spanning hebben.

De parallelschakeling wordt bereikt door de positieve pool van de ene module met de positieve pool van de volgende module te verbinden en de negatieve pool met de negatieve pool van de volgende module, zoals in de onderstaande afbeelding getoond. De volgende afbeelding toont zonnepanelen in parallelconfiguratie.

Als I_M1 de maximum-vermogenpuntstroom van de ene module is en I_M2 die van de andere module, dan is de totale stroom van de parallel-gekoppelde module I_M1 + I_M2. Als we modules in parallel toevoegen, blijft de stroom optellen. Dit geldt ook voor de kortsluitstroom I_sc.

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

Om het aantal in parallel te schakelen PV-modules te berekenen, moet de vereiste stroom van het PV-array bekend zijn. We bekijken ook het totale vermogen dat door het PV-array wordt gegenereerd. Let op dat alle modules identiek zijn met dezelfde moduleparameters.

Stap 1: Noteer de stroomvereiste van het PV-array

Aangezien we N-aantal modules in parallel moeten schakelen, moeten we de vereiste stroom van het PV-array kennen:

• Kortsluitstroom van PV-array I_SCA
• Stroom van PV-array in maximum-vermogenpunt I_MA

Stap 2: Noteer de parameters van de parallel te schakelen PV-module

PV-moduleparameters zoals stroom en spanning in het maximum-vermogenpunt en andere parameters zoals V_OC, I_SC en P_M moeten eveneens worden genoteerd.

Stap 3: Bereken het aantal in 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 onder STC werkt, wordt de verhouding van de arraystroom in het maximum-vermogenpunt I_MA tot de modulestroom in het maximum-vermogenpunt I_M genomen.

Een vergelijkbare berekening voor de kortsluitstroom van PV is mogelijk: de verhouding van de array-kortsluitstroom I_SCA tot de module-kortsluitstroom I_SC.

Let op dat de waarde van N een niet-geheel getal kan zijn; we nemen dan het volgende hogere gehele getal, waardoor de waarden van I_MA en I_SCA iets hoger worden dan gewenst.

Stap 4: Berekenen van het totale vermogen van het PV-array

Het totale vermogen van het PV-array is de som van het maximumvermogen van de afzonderlijke in parallel geschakelde modules. Als P_M het maximumvermogen van een enkele module is en "N" het aantal in parallel geschakelde modules, dan is het totale vermogen van het PV-array P_MA = N × P_M. We kunnen het arrayvermogen ook berekenen als het product van de arrayspanning en -stroom in het maximum-vermogenpunt: V_MA × I_MA.

Gerelateerde artikelen:

• Welke lamp brandt harder in serie en parallel en waarom?
• Zijn de batterijen in serie of parallel aangesloten?

Voorbeeld:

Laten we een voorbeeld nemen: bereken het aantal benodigde modules in parallel om een maximum-vermogenpuntstroom I_MA van 40 A te verkrijgen. De systeemspanningsvereiste is 14 V. De parameters van de enkele PV-module zijn als volgt:

• Open-circuitspanning V_OC = 18 V
• Spanning in maximum-vermogenpunt V_M = 14 V
• Kortsluitstroom I_SC = 6,5 A
• Stroom in maximum-vermogenpunt I_M = 6 A

Stap 1: Noteer de stroomvereiste van het PV-array

• Kortsluitstroom PV-array I_SCA = Niet gegeven
• Stroom PV-array in maximum-vermogenpunt I_MA = 40 A

Stap 2: Noteer de parameters van de parallel te schakelen PV-module

Open-circuitspanning V_OC = 18 V

Spanning in maximum-vermogenpunt V_M = 14 V

Kortsluitstroom I_SC = 6,5 A

Stroom in maximum-vermogenpunt I_M = 6 A

Maximumvermogen:

P_M = V_M × I_M

P_M = 14 V × 6 A

P_M = 84 W

Stap 3: Bereken het aantal in parallel te schakelen modules

N = I_MA / I_M

= 40 / 6

N = 6,66 (afgerond naar boven: 7)

Neem de hogere gehele waarde 7 modules. Door de afronding naar boven stijgen de waarden van I_MA en I_SCA ook.

I_MA = I_M × N

= 6 × 7

I_MA = 42 A

Stap 4: Berekenen van het totale vermogen van het PV-array

P_MA = N × P_M

= 7 × 84

P_MA = 588 W

Dus hebben we 7 PV-modules in parallel nodig met een totaal vermogen van 588 W om de gewenste maximum PV-arraystroom van 40 A te bereiken.

Mismatch in parallel-gekoppelde PV-modules

In een parallelverbinding is stroommismatch geen probleem, maar spanningmismatch wel. In parallel-gekoppelde modules blijft de spanning hetzelfde als de modules identieke spanningswaarden hebben.

Maar als de spanningswaarden van parallel-gekoppelde modules verschillen, wordt de systeemspanning bepaald door de module met de laagste spanningswaarde, wat leidt tot vermogensverlies.

Het effect van spanningmismatch is minder zwaar dan stroommismatch, maar er moet zorgvuldig worden gekozen. Het wordt aanbevolen dat voor seriecombinaties modules met dezelfde stroomwaarde en voor parallelcombinaties modules met dezelfde spanningswaarde worden gekozen.

• Gerelateerd artikel: Hoe een zonne-gefotovoltaïsche DC-waterpomp te ontwerpen?

Serie-parallelverbinding van modules – Gemengde combinatie

Als we groot vermogen in de orde van gigawatts nodig hebben voor grote PV-systeemcentrales, moeten we modules in serie en parallel schakelen. In grote PV-centrales worden eerst modules in serie geschakeld, bekend als "PV-modulestring", om het vereiste spanningsniveau te bereiken.

Vervolgens worden veel dergelijke strings parallel geschakeld om het vereiste stroomniveau voor het systeem te verkrijgen. De volgende afbeelding toont de verbinding van modules in serie en parallel. Om dit te vereenvoudigen, kijk naar de rechterkant in de volgende afbeelding.

Module 1 en module 2 zijn in serie geschakeld; noem dit string 1. De open-circuitspanning van string 1 V_OC1 wordt opgeteld:

V_OC1 = V_OC + V_OC = 2V_OC

Terwijl de kortsluitstroom van string 1 I_SC1 hetzelfde blijft:

I_SC1 = I_SC

Vergelijkbaar met string 1, vormen modules 3 en 4 string 2. De open-circuitspanning van string 2 V_OC2 wordt opgeteld:

V_OC2 = V_OC + V_OC = 2V_OC

Terwijl de kortsluitstroom van string 2 I_SC2 hetzelfde blijft:

I_SC2 = I_SC

Nu worden string 1 en string 2 parallel geschakeld; de spanning blijft hetzelfde maar de stroom wordt opgeteld. De open-circuitspanning van het PV-module-array:

V_OCA = V_OC1 = V_OC2 = 2V_OC

En de kortsluitstroom van het PV-module-array:

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

Deze berekening geldt ook voor spanning en stroom in het maximum-vermogenpunt.

• Gerelateerd artikel: Parameters van een zonnecel en kenmerken van een PV-paneel

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

Hiervoor hebben we aangenomen dat alle modules identieke parameters hebben. Let op dat:

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

Stap 1: Noteer de stroom-, spannings- en vermogensvereisten van het PV-array

• PV-arrayvermogen P_MA
• PV-arrayspanning in maximum-vermogenpunt V_MA
• PV-arraystroom in maximum-vermogenpunt I_MA

Stap 2: Noteer de PV-moduleparameters

PV-moduleparameters zoals stroom en spanning in het maximum-vermogenpunt en andere parameters zoals V_OC, I_SC en P_M moeten eveneens worden genoteerd.

Stap 3: Bereken het aantal in serie en parallel te schakelen modules

Om het aantal modules in serie N_s te berekenen, wordt de totale arrayspanning gedeeld door de spanning van een individuele module. Aangezien de PV-module onder STC werkt, wordt de verhouding van de arrayspanning in het maximum-vermogenpunt V_MA tot de modulespanning in het maximum-vermogenpunt V_M genomen.

Vergelijkbaar, om het aantal modules in parallel N_p te berekenen, wordt de totale arraystroom gedeeld door de stroom van een individuele module. De verhouding van de arraystroom in het maximum-vermogenpunt I_MA tot de modulestroom in het maximum-vermogenpunt I_M wordt genomen.

Vergelijkbare berekeningen voor open-circuitspanning en kortsluitstroom zijn mogelijk. Let op dat de waarden van N_s en N_p niet-gehele getallen kunnen zijn; we ronden dan naar boven af, waardoor de waarden van I_MA, I_SCA, V_MA en V_OCA iets hoger worden dan gewenst.

Stap 4: Berekenen van het totale vermogen van het PV-array

Het totale vermogen van het PV-array is de som van het maximumvermogen van de afzonderlijke in serie en parallel geschakelde modules.

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

P_MA = N_P × N_S × P_M

We kunnen het arrayvermogen ook berekenen als het product van de arrayspanning en -stroom in het maximum-vermogenpunt:

V_MA × I_MA

• Gerelateerd artikel: Hoe een zonne-PV-systeem te ontwerpen en installeren?

Voorbeeld:

Nu een voorbeeld voor de gemengde combinatie. We moeten het aantal modules bepalen voor een PV-array met de volgende parameters:

• Arrayvermogen P_MA = 40 kW
• Spanning in maximum-vermogenpunt van array V_MA = 400 V
• Stroom in maximum-vermogenpunt van array I_MA = 100 A
• De module voor het ontwerp van de array heeft de volgende parameters:
• Spanning in maximum-vermogenpunt van module V_M = 70 V
• Stroom in maximum-vermogenpunt van module I_M = 17 A

Stap 1: Noteer de stroom-, spannings- en vermogensvereisten van het PV-array

• PV-arrayvermogen P_MA = 40 kW
• PV-arrayspanning in maximum-vermogenpunt V_MA = 400 V
• PV-arraystroom in maximum-vermogenpunt I_MA = 100 A

Stap 2: Noteer de PV-moduleparameters

Spanning in maximum-vermogenpunt van module V_M = 70 V

Stroom in maximum-vermogenpunt van module I_M = 17 A

Maximumvermogen P_M:

P_M = V_M × I_M

P_M = 70 V × 17 A

P_M = 1190 W

Stap 3: Bereken het aantal in serie en parallel te schakelen modules

N_S = V_MA / V_M

N_S = 400 / 70

N_S = 5,71 (afgerond naar boven: 6)

Neem de hogere gehele waarde 6 modules. Door de afronding stijgen de waarden van V_MA en V_OCA ook.

V_MA = V_M × N_S

= 70 × 6

V_MA = 420 V

Nu,

N_P = I_MA / I_M

N_P = 100 / 17

N_P = 5,88 (afgerond naar boven: 6)

Neem de hogere gehele waarde 6 modules. Door de afronding stijgen de waarden van I_MA en I_SCA ook.

I_MA = I_M × N_P

I_MA = 17 × 6

I_MA = 102 A

Stap 4: Berekenen van het totale vermogen van het PV-array

P_MA = N_S × N_P × P_M

= 6 × 6 × 1190

P_MA = 42840 W

Dus hebben we 36 PV-modules nodig. Een string van zes modules in serie en zes dergelijke strings in parallel, met een totaal vermogen van 42840 W om de gewenste maximum PV-arraystroom van 100 A en spanning van 400 V te bereiken.

Let op dat door de afronding naar 6 de maximum PV-arraystroom en -spanning 102 A en 420 V zijn.

• Gerelateerd artikel: Blokkeerdiode en bypass-diodes in een zonnepaneel-aansluitdoos

Conclusie

In dit artikel is een diepgaande studie uitgevoerd naar de zonne- fotovoltaïsche module en array. De noodzaak, structuur en ontwerp van modules voor hogere vermogensniveaus zijn bestudeerd. Het omvatte ook een procedure voor parametermeting en uitleg over bypass-diodes en blokkeerdiodes voor de veiligheid van de module.

We zagen ook een uitleg van het PV-module-array samen met de noodzaak en verbindingscombinaties. Berekening en procedure voor het ontwerp van serie-, parallel- en gemengde verbindingen zijn gedetailleerd behandeld, evenals de studie van spanning- en stroommismatch van de modules. Zo'n studie van fotovoltaïsche modules en arrays is een absolute vereiste voor een ontwerper van een PV-systeem.

Het artikel geeft een significante ontwerpleer van belangrijke componenten (modules en array) in het PV-systeem, die gebruikt kan worden om een correct, efficiënt en betrouwbaar ontwerp in een PV-systeem te maken.