Zonnecelparameters & PV-paneelkenmerken: Uitgebreide gids

Parameters en kenmerken van een fotovoltaïsche cel

Wat is precies een zonne- fotovoltaïsche cel?

Een zonnecel is een halfgeleiderapparaat dat zonnestraling kan omzetten in elektriciteit. De mogelijkheid om zonlicht direct in elektriciteit om te zetten zonder tussenstap maakt het uniek om beschikbare zonne-energie in bruikbare elektriciteit om te zetten. Daarom heten ze zonne- fotovoltaïsche cellen. Fig. 1 toont een typische zonnecel.

Verschillende factoren bepalen de elektriciteit die door een zonnecel wordt gegenereerd, zoals:

• De intensiteit van het licht: Hoe meer zonlicht op de cel valt, hoe meer elektriciteit wordt gegenereerd.
• Celoppervlak: Door het oppervlak van de cel te vergroten, neemt de gegenereerde stroom toe.
• De invalshoek: Als het licht loodrecht op het celoppervlak valt, is het gegenereerde vermogen optimaal. Ideaal is de hoek 90°, maar praktisch zo dicht mogelijk bij 90°.

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 fotovoltaïsch array vormt.

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

Werking van een zonnecel

Zonnestraling bestaat uit fotonen met een eindige hoeveelheid energie. Voor de opwekking van elektriciteit door de cel, moet de cel de energie van het foton absorberen. De absorptie hangt af van de energie van het foton en de bandgapingenergie van het halfgeleidermateriaal en wordt uitgedrukt in elektronenvolt (eV).

De fotonen worden geabsorbeerd door het halfgeleidermateriaal, wat resulteert in de generatie van elektronen-gatparen, waarbij elektronen negatief geladen zijn en gaten positief geladen. Wanneer een last wordt aangesloten, scheiden elektronen en gaten zich aan de overgang, gaten bewegen naar de anodese kant en elektronen naar de kathodese kant.

Dit scheiden van de twee ladingen creëert een potentiaalverschil en we krijgen een spanning over de terminalen van de cel. Deze spanning wordt gebruikt om de stroom in de schakeling te drijven.

Gerelateerd artikel: Complete gids over zonnepanelinstallatie. Stap-voor-stap procedure met berekening & diagrammen

Zonnecelparameters

De omzetting van zonlicht in elektriciteit wordt bepaald door verschillende parameters van een zonnecel. Om deze parameters te begrijpen, moeten we kijken naar de I-V-kromme zoals in figuur 2 hieronder getoond. De kromme is getekend op basis van de gegevens in tabel 1.

Tabel 1

De celparameters worden door fabrikanten gegeven bij STC (Standaard Test Condities). Onder STC is de zonnestraling gelijk aan 1000 W/m² en de celbedrijfstemperatuur gelijk aan 25°C. De zonnecelparameters zijn als volgt:

Kortsluitstroom (I_SC):

Kortsluitstroom is de maximumstroom die door de zonnecel wordt geproduceerd, gemeten in ampere (A) of milliampere (mA). Zoals te zien is in tabel 1 en figuur 2 is de open-circuitspanning nul wanneer de cel de maximumstroom produceert (I_SC = 0,65 A).

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

J_SC = I_SC / A

Neem een voorbeeld: een zonnecel heeft een stroomdichtheid van 40 mA/cm² bij STC en een oppervlak van 200 cm². De kortsluitstroom kan als volgt worden bepaald:

I_SC = Jsc × Oppervlak = 40 mA/cm² × 200 cm² = 8000 mA = 8 A

Open-circuitspanning (V_OC):

Open-circuitspanning is de maximumspanning die de cel onder open-circuitcondities kan produceren. Gemeten in volt (V) of millivolt (mV). Zoals te zien in tabel 1 en figuur 2 is de kortsluitstroom nul wanneer de cel de maximumspanning produceert. De waarde van V_OC hangt af van celtechnologie en de bedrijfstemperatuur van de cel.

Maximum-vermogenpunt (P_M):

Het maximum-vermogenpunt vertegenwoordigt het maximumvermogen dat een zonnecel bij STC (d.w.z. zonnestraling van 1000 W/m² en celbedrijfstemperatuur van 25°C) kan produceren. Gemeten in W_Peak of simpelweg W_p. Bij andere condities dan STC heeft de zonnecel P_M bij andere waarden van straling en celbedrijfstemperatuur.

De cel kan op verschillende stroom- en spanningcombinaties werken. Maar het kan alleen maximumvermogen P_M produceren bij een bepaalde spanning- en stroomcombinatie. Zoals in figuur 2 getoond, ligt het maximum-vermogenpunt aan de knik van de I-V-kromme en is het product van I_M en V_M:

P_M = I_M × V_M = 0,62 × 9,27 = 5,75 W_p

Stroom in maximum-vermogenpunt (I_M):

Dit vertegenwoordigt de stroom die de zonnecel produceert wanneer deze in het maximum-vermogenpunt werkt. Aangeduid met I_M en te zien in figuur 2 dat de waarde altijd kleiner is dan de kortsluitstroom (I_SC). Gemeten in ampere (A) of milliampere (mA).

Spanning in maximum-vermogenpunt (V_M):

Dit vertegenwoordigt de spanning die de zonnecel produceert wanneer deze in het maximum-vermogenpunt werkt. Aangeduid met V_M en te zien in figuur 2 dat de waarde altijd kleiner is dan de open-circuitspanning (V_OC). Gemeten in volt (V) of millivolt (mV).

Vulfactor (FF):

De vulfactor vertegenwoordigt de oppervlakte van de I_M-V_M-rechthoek ten opzichte van de oppervlakte van de I_SC-V_OC-rechthoek (gestippelde lijnen in figuur 2). De vulfactor vertegenwoordigt de "kwadraatheid" van de I-V-kromme. Uitgedrukt in percentage (%), hoe hoger de vulfactor in procenten, 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 %

Weergegeven in percentage door vermenigvuldiging met 100.

Efficiëntie (ƞ):

• De efficiëntie van een zonnecel is gedefinieerd als het maximumuitgangsvermogen (P_M) gedeeld door het invoervermogen (P_IN). Gemeten in percentage (%), wat aangeeft dat dit percentage van de invoerzonnestraling wordt omgezet in elektrisch vermogen. Het invoervermogen is de vermogensdichtheid. Om de efficiëntie te berekenen, vermenigvuldig P_IN bij STC met het oppervlak. De efficiëntie kan als volgt worden berekend:

ƞ = P_M / (P_IN × Oppervlak)

Als het gegeven celoppervlak 0,01 m² is, P_M = 5,75 W_p, dan kan de efficiëntie bij standaardtestcondities als volgt worden gegeven:

ƞ = [5,75 W_p / (1000 W/m² × 0,01 m²)] = 57,5 %

Weergegeven in percentage door vermenigvuldiging met 100.

• Gerelateerd artikel: Basisonderdelen nodig voor zonnepanelsysteeminstallatie

Fotovoltaïsche technologieën

Er is een grote variëteit aan zonnecellen op de markt beschikbaar; de naam van de zonnecellen technologie hangt af van het gebruikte materiaal. Verschillende cellen hebben dus verschillende celparameters zoals kortsluitstroomdichtheid, efficiëntie, open-circuitspanning, vulfactor, enz. De volgende tabel 2 toont de lijst van commercieel beschikbare cellen en hun parameterwaardenbereik.

Tabel 2

• Gerelateerd artikel: Hoeveel Watt zonnepaneel hebben we nodig voor onze huishoudelijke apparaten?

Factoren die het door zonnecellen gegenereerde vermogen beïnvloeden

Omzettingsefficiëntie (ƞ):

Niet alle lichtval op de zonnecel wordt omgezet in elektrisch vermogen. De omzettingsefficiëntie is de verhouding van gegenereerd elektrisch vermogen tot invoerlichtenergie. We kunnen de efficiëntie van de cel niet veranderen; deze is vast gebaseerd op het productieproces en het gebruikte materiaal.

Het maximumvermogen P_M van de zonnecel hangt af van de spanning die over de terminalen ontstaat en de stroom die het kan leveren. Het celoppervlak is een van de belangrijke factoren die het uitgangsvermogen beïnvloeden. De waarde van het uitgangsvermogen kan worden bepaald voor een gegeven invoervermogen in (W/m²), de omzettingsefficiëntie van de cel in (%), en het oppervlak van de cel in (m²).

De zonnecelefficiëntie wordt gegeven bij STC en het invoervermogen (P_IN) wordt genomen als 1000 W/m². Dus met de onderstaande formule kunnen we het uitgangsvermogen bepalen voor verschillende efficiënties.

P_M = (P_IN × Oppervlak) × ƞ

Stel we moeten het uitgangsvermogen bij STC berekenen met efficiënties van 30% en 25% en een oppervlak van 0,01 m². Voor 30% efficiëntie krijgen we:

P_M = (1000 W/m² × 0,01 m²) × 0,30 = 3 W_p

En voor 25% efficiëntie:

P_M = (1000 W/m² × 0,01 m²) × 0,25 = 2,5 W_p

Hoeveelheid invoerlicht:

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

Van ochtend tot middag neemt het licht op de cel toe, dus de gegenereerde stroom neemt toe. Van middag tot zonsondergang neemt het licht af, dus de stroom neemt af. Er is geen grote variatie in de uitgangsspanning van de cel, aangezien deze niet beïnvloed wordt door variaties in zonlicht.

Stel we moeten het uitgangsvermogen berekenen voor een cel met een oppervlak van 0,01 m² voor een invoervermogen van 1000 W/m² en 800 W/m² met een efficiëntie van 25%. Voor een invoervermogen van 1000 W/m² krijgen we:

P_M = (1000 W/m² × 0,01 m²) × 0,25 = 2,5 W_p

En voor een invoervermogen van 800 W/m²:

P_M = (800 W/m² × 0,01 m²) × 0,25 = 2 W_p

Zoals we zien, daalt het uitgangsvermogen door een daling van het invoervermogen. Het door de cel gegenereerde vermogen is dus evenredig met het zonlicht.

Gerelateerd artikel: Typen zonnepanelen en welk zonnepaneltype is het beste?

Celoppervlak:

De kortsluitstroom van de zonnecel hangt af van het oppervlak van de cel. De uitgangsstroom is direct evenredig met het celoppervlak. Hoe groter het celoppervlak, hoe groter de gegenereerde stroom en vice versa. Bijvoorbeeld, een oppervlak van 200 cm² produceert 2 A stroom en 400 cm² produceert 4 A stroom bij dezelfde bestraling van 1000 W/m².

Zoals we eerder zagen, wordt de stroomdichtheid verkregen door de stroom te delen door het celoppervlak. De stroomdichtheid (J_SC) is constant voor een gegeven zonlichtintensiteit en hangt niet af van het oppervlak. Neem een voorbeeld waar we de uitgangsstroom van de zonnecel moeten berekenen met een oppervlak van 20 cm² en 50 cm².

Met een constante stroomdichtheid van 35 mA/m². De uitgangsstroom voor 20 cm² kan als volgt worden berekend:

I_SC = J_SC × Oppervlak = 35 mA/m² × 20 cm² = 0,70 A

De uitgangsstroom voor 50 cm² kan als volgt worden berekend:

I_SC = J_SC × Oppervlak = 35 mA/m² × 50 cm² = 1,75 A

Uit de bovenstaande berekening is duidelijk dat hoe groter het celoppervlak, hoe hoger de stroomwaarde en hoe kleiner het oppervlak, hoe lager de stroom.

De invalshoek van het licht (θ):

De zonnecel produceert het maximumuitgangsvermogen voor gegeven zonlicht wanneer de invalshoek van het licht en de cel loodrecht op elkaar staan (d.w.z. 90°) zoals in figuur 3 getoond. Wanneer de invalshoek kleiner of groter is dan 90°, zoals in figuur 3, produceert het een uitgangsvermogen lager dan het maximumvermogen van de cel.

Als het licht onder een hoek groter of kleiner dan 90° valt, wordt een deel van het licht gereflecteerd en het door de cel benutte licht is minder dan het daadwerkelijk vallende licht. Dit resulteert in een reductie van het gegenereerde uitgangsvermogen. Het is om deze reden dat we de zonnecel onder een hoek loodrecht op het vallende licht moeten installeren om het maximum mogelijke elektriciteit te genereren.

Bedrijfstemperatuur (T):

Fabrikanten geven de celspanning, -stroom en -vermogenswaarden bij STC met bestraling van 1000 W/m² en temperatuur van 25°C. In de praktijk varieert de zonneceltemperatuur door de omgevingstemperatuur en verder zijn de cellen in glas ingesloten, waardoor de temperatuur verder stijgt.

Deze temperatuursverandering beïnvloedt de spanning, het vermogen en de efficiëntie van de cel; een stijging van de celdtemperatuur boven STC verlaagt de uitgang van deze parameters. De afname verschilt per zonneceltype op de markt.

Neem een voorbeeld om de afname van één parameter (spanning) te begrijpen. Een cel heeft een uitgangsspanning van 0,9 V bij STC. De bedrijfstemperatuur van de cel is 50°C. De uitgangsspanning daalt met 2,1 mV/°C. Wat is de nieuwe waarde van de uitgangsspanning?

ΔT = T_actueel – T_standaard = 50 – 25 = 25°C

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

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

Conclusie

Het is dankzij de ontwikkeling in halfgeleidertechnologie dat we overvloedig zonlicht in elektriciteit kunnen omzetten. In dit artikel bestudeerden we de werking van de zonnecel, verschillende celtypes, de verschillende parameters zoals open-circuitspanning, kortsluitstroom, enz. die ons helpen de kenmerken van de cel te begrijpen. De factoren die het gegenereerde vermogen beïnvloeden, werden eveneens bestudeerd, waaronder omzettingsefficiëntie, hoeveelheid invoerlicht, celoppervlak, enz. die de prestaties beïnvloeden en ons helpen het gedrag van de cel in verschillende scenario's te begrijpen. Met de kennis van zonnecellen technologie kunnen we deze op de best mogelijke manier benutten om onze dagelijkse energiebehoeftes te vervullen.