Ontwerp van Zonnepanelen & Arrays: Cellaantal, Parameters & Prestatieberekeningen

Bepaling van het Aantal Cellen in een Module, Meten van Moduleparameters en Berekenen van de Kortsluitstroom, Open Circuitspanning & V-I Kenmerken van Zonnemodule & Array

Wat is een Zonnefotovoltaïsche Module?

Het vermogen dat vereist is voor onze dagelijkse belasting ligt in verschillende watt of soms in kilowatt. Een enkele zonnecel kan niet genoeg vermogen produceren om zo'n belastingvoldoening te realiseren, 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 elektriciteitscentrales, vereisen we vermogen in de orde van megawatt of zelfs gigawatt.

Dus, een enkele PV-cel is niet in staat om zo'n hoge vraag te vervullen. Om aan deze hoge eisen te voldoen, worden zonnecellen gerangschikt en elektrisch verbonden. Zo'n verbinding en rangschikking van zonnecellen heet PV-modules. Deze PV-modules maken het mogelijk om grotere vraag te voorzien dan wat een enkele cel kon leveren.

Wanneer zonnestraling op een enkele zonnecel valt, wordt er potentiaal geproduceerd over de twee terminalen anode en kathode (d.w.z. anode is de positieve terminal en kathode is de negatieve terminal). Om de spanning te verhogen voor het benodigde vermogen worden N-aantal cellen in serie verbonden. De negatieve terminal van de ene cel wordt verbonden met de positieve terminal van de andere cel zoals in de onderstaande figuur getoond.

Wanneer we N-aantal zonnecellen in serie verbinden, krijgen we twee terminalen en de spanning over deze twee terminalen is de som van de spanningen van de in serie verbonden cellen. Bijvoorbeeld, als de spanning van een enkele cel 0,3 V is en 10 dergelijke cellen in serie verbonden zijn, dan is de totale spanning over de string 0,3 V × 10 = 3 Volt.

• Gerelateerd Artikel: Hoe een Zonnestroom PV-systeem te Ontwerpen en Installeren?

Als 40 cellen van 0,6 V in serie verbonden zijn, dan zou de totale spanning 0,6 V × 40 = 24 Volt zijn. Het is belangrijk om te onthouden dat wanneer de cellen in serie verbonden zijn, de spanning opgeteld wordt terwijl de stroom hetzelfde blijft.

Op dezelfde manier, wanneer de cellen in parallel verbonden zijn, wordt de stroom van de individuele cellen opgeteld. De anode-terminal van de ene cel wordt verbonden met de anode-terminal van de volgende cel en op dezelfde manier wordt de kathode-terminal verbonden met de kathode-terminal van de volgende cel zoals in figuur 2 getoond.

In tegenstelling tot de serieverbinding, blijft de totale spanning van de string in parallelverbinding onveranderd. Bijvoorbeeld, als een cel een stroomproductiecapaciteit heeft van 2 A en 5 dergelijke zonnecellen in parallel verbonden zijn. Dan is de totale stroomproductiecapaciteit van de cel 2 A × 5 = 10 A.

De PV-moduleparameters worden door de fabrikanten vermeld onder de Standaard Testcondities (STC) d.w.z. temperatuur van 25 °C en straling van 1000 W/m². In de meeste gevallen en locaties, treden de onder STC gespecificeerde condities niet op. Dit gebeurt omdat de zonnestraling altijd minder is dan 1000 W/m² en de celbedrijfstemperatuur hoger is dan 25 °C, wat onzekerheid leidt tot verminderde uitgangsvermogen van de PV-module.

Zoals we eerder bespraken, is de PV-module opgebouwd uit een aantal zonnecellen, dus zijn de parameters en factoren die de elektriciteitsopwekking beïnvloeden vergelijkbaar met die van de zonnecel die we al in ons vorige artikel behandeld hebben. Daarom zullen we dat deel hier niet opnieuw behandelen.

• Gerelateerd Artikel: Een Complete Gids over Zonnepanelen Installatie. Stap-voor-Stap Proceduur met Voorbeelden

Bepaling van het Aantal Cellen in een Module

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

PV-modules zijn ontworpen om spanningen te leveren in veelvouden van 12 V batterijniveau dat wil zeggen 12 V, 24 V, 36 V, 48 V, enz. 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 een 24 V batterij hebben we een module nodig met V_M van 30 V en zo verder. Andere apparaten die in het PV-systeem gebruikt worden, zijn gemaakt compatibel om te werken met een batterijspanningsniveau.

Om het vereiste spanningsniveau te bieden, moeten we cellen in serie verbinden. Afhankelijk van de verschillende technologieën die in de PV-cel gebruikt worden, zal het aantal benodigde cellen om in serie te verbinden verschillen. Het aantal cellen dat in serie verbonden moet worden, hangt af van de spanning op het maximum vermogen punt d.w.z. V_M van de individuele cel en de spanningsval die optreedt door een toename van de celtemperatuur boven STC.

• Gerelateerd Artikel: Basiscomponenten Nodig voor Zonnepanelen Systeem Installatie

Voorbeeld:

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

De celbedrijfstemperatuur is 60 °C en er is een spanningsdaling van 2 mV per graad Celsius temperatuurstijging. Hoeveel cellen zijn vereist om in serie te verbinden om de batterij op te laden?

Stap 1: Vind de spanning op het maximum vermogen punt V_M = 0,79 V.

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

Stap 2: Vind de 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 door temperatuurstijging boven STC:

Spanningsverlies = 35 °C × 0,002 V = 0,07 V

Stap 3: Bepalen van de spanning bij de bedrijfsconditie.

De spanning bij de bedrijfsconditie = Spanning bij STC (V_M) – spanningsverlies door temperatuurstijging boven STC.

Daarom, Spanning bij de bedrijfsconditie = 0,79 V – 0,07 V = 0,72 V

Stap 4: Bepaal de vereiste PV-modulespanning om de batterij op te laden.

Om een 12 V batterij op te laden hebben we een modulespanning van ongeveer 15 V nodig.

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

Het aantal in serie verbonden cellen = PV-modulespanning / Spanning bij de bedrijfsconditie.

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

Dus, we hebben 21 in serie verbonden cellen nodig om een 12V batterij op te laden. Het is belangrijk om te onthouden dat voor verschillende zonneceltechnologieën we een verschillend aantal cellen in serie nodig zullen hebben voor dezelfde uitgangsspanning. Een echte foto van de PV-module die bestaat uit N-aantal elektrisch verbonden cellen wordt in figuur 3 hieronder getoond.

Meten van Moduleparameters

Voor de meting van moduleparameters zoals V_OC, I_SC, V_M, en I_M hebben we voltmeter en ampèremeter of multimeter, reostat, en verbindingsdraden nodig.

Meting van Open Circuitspanning (V_OC):

Bij het meten van de V_OC, moet geen belasting over de twee terminalen van de module aangesloten zijn. Om de open circuitspanning van een fotovoltaïsche module via multimeter te vinden, volg de volgende eenvoudige stappen.

• Zet de multimeterknop op DC-spanningsmeting en selecteer het bereik voor de spanningmeting dienovereenkomstig d.w.z. 6 V, 12 V, 24 V, enz.
• Zorg ervoor dat de ene meetpen verbonden is met de COM-poort van de multimeter en de andere met de spanningmeetpoort.
• Na het selecteren van de modus en het bereik, verbind de meetpennen van de multimeter met de twee terminalen van de PV-module en observeer de waarde op het display.
• Zorg ervoor dat de positieve meetpen (spanningmeetpoort) verbonden is met de positieve terminal en de negatieve meetpen (COM-poort) met de negatieve terminal. Als de meetpennen omgekeerd aangesloten zijn, geeft het een negatieve waarde.
• De waarde op het display van de multimeter is de open-circuitspanning V_OC van de PV-module.

Gerelateerd Artikel:

• Parameters van een Zonnecel en Kenmerken van een PV Paneel
• Hoe een Zonnefotovoltaïsche Aangedreven DC Waterpomp te Ontwerpen?

Meting van Kortsluitstroom (I_SC):

Bij het meten van de I_SC, moet geen belasting over de twee terminalen van de module aangesloten zijn.

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

• Zet de multimeterknop op stroommeting en selecteer het bereik voor de stroommeting dienovereenkomstig d.w.z. typisch tussen 0,1 tot 10 A.
• Zorg ervoor dat één meetpen verbonden is met de COM-poort van de multimeter en de andere met de stroommeetpoort.
• Na het selecteren van de modus en het bereik, verbind de meetpennen van de multimeter met de twee terminalen van de PV-module en observeer de waarde op het display.
• Zorg ervoor dat de positieve meetpen verbonden is met de positieve terminal (stroommeetpoort) en de negatieve meetpen (COM-poort) met de negatieve terminal. Als de meetpennen omgekeerd aangesloten zijn, geeft het een negatieve waarde.
• De waarde die op het display van de multimeter geobserveerd wordt, is de kortsluitstroom I_SC van de PV-module.

Meten van de I-V Kurve:

Voor het meten van de I-V-kurve, moet de zonne PV-module in serie met de variabele weerstand aangesloten worden zoals in de onderstaande figuur getoond.

De negatieve terminal van de module is verbonden met de positieve terminal van de ampèremeter en de voltmeter is direct aangesloten over de PV-module zoals in figuur 4 getoond.

Als onwetend de verbindingen omgekeerd gedaan worden, dan zal de verkregen waarde een negatief teken hebben, sluit de meters opnieuw aan om correcte waarden te verkrijgen. Eenmaal goed gedaan, pas de variabele weerstand (reostat) aan één kant aan zodat de spanning maximaal is en de stroom minimaal.

Noteer de waarden van stroom en spanning in deze positie van de reostat. Schuif nu langzaam de reostat naar de andere kant en noteer de waarden voor elke instelling totdat de reostat volledig kortgesloten is. Bereken het vermogen voor elke waarde van spanning en stroom met behulp van de onderstaande vergelijking.

P = V × I

Dus, door deze gemeten waarden te gebruiken, kunnen alle andere parameters van de PV-module verkregen worden.

Modules met Hogere Vermogen

Een van de meest voorkomende cellen op de markt is de "Kristallijne Silicium Cel" technologie. Deze cellen zijn beschikbaar in een oppervlak van 12,5 × 12,5 cm² en 15 × 15 cm². Het is moeilijk om cellen buiten dit oppervlak op de markt te vinden, de meeste grotere zonnecentrales gebruiken modules met deze celoppervlaktes.

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

De stroom die door cellen geproduceerd wordt hangt af van het oppervlak, hoeveelheid licht dat erop valt, hoek van lichtval, en stroomdichtheid. De Kristallijne Silicium Cel heeft een stroomdichtheid J_SC in een bereik van 30 mA/cm² tot 35 mA/cm².

Laten we de stroomdichtheid van 30 mA/cm² nemen voor ons voorbeeld. Dan kan de kortsluitstroom voor een oppervlak van 12,5 × 12,5 cm² als volgt berekend worden;

I_SC = J_SC × Oppervlak = 30 mA/cm² × 12,5 × 12,5 cm² = 4,68 A

Op dezelfde manier, voor 15 × 15 cm² is de kortsluitstroom berekend als;

I_SC = J_SC × Oppervlak = 30 mA/cm² × 15 × 15 cm² = 6,75 A

Voor de meeste fabrikanten is de I_M ongeveer 90 tot 95 % van I_SC. Voor ons voorbeeld laten we I_M 95 % van I_SC nemen.

I_M = 0,95 × I_SC

Dan kan de I_M voor een oppervlak van 12,5 × 12,5 cm² als volgt berekend worden;

I_M = 0,95 × 4,68 A = 4,446 A

Op dezelfde manier, voor 15 × 15 cm² is I_M berekend als;

I_M = 0,95 × 6,75 A = 6,412 A

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

P_M = V_M × I_M

P_M = 15 V × 4,446 A = 66,69 W (voor een oppervlak van 12,5 × 12,5 cm²)

P_M = 15 V × 6,412 A = 96,18 W (voor een oppervlak van 15 × 15 cm²)

Daarom, door de beste beschikbare celtechnologie te benutten met een oppervlak van 12,5 × 12,5 en 15 × 15 cm² krijgen we een vermogensuitgang van respectievelijk 66,69 W en 96,18 W (rekening houdend met I_M 95 % van I_SC en stroomdichtheid van 30 mA/cm²).

Om de spanning en stroom van de module te verhogen, moeten meer cellen respectievelijk in serie en parallel verbonden worden, wat het totale vermogen van de module meer verhoogt dan wat we berekend hebben.

Voorbeeld:

Nu voor beter begrip, laten we een PV-module ontwerpen die een spanning op maximum vermogen V_M van 45 V onder STC en 33,5 V onder 60 °C bedrijfstemperatuur kan leveren. We zullen cellen gebruiken met een open-circuitspanning V_OC van 0,64 V, met een afname van 0,004 V in V_M per °C temperatuurstijging.

Stap 1: Vind de spanning op maximum vermogen punt V_M.

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

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

Stap 2: Vind 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 door temperatuurstijging boven STC = 35 °C × 0,004 V = 0,14 V

Stap 3: Bepalen van de spanning bij de bedrijfsconditie

De spanning bij de bedrijfsconditie = Spanning bij STC (V_M) – spanningsverlies door temperatuurstijging boven STC.

Daarom, Spanning bij de bedrijfsconditie = 0,544 V – 0,14 V = 0,404 V

Stap 4: Bepaal de vereiste PV-modulespanning

we hebben de modulespanning nodig om rond 33,5 V te zijn.

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

Het aantal in serie verbonden cellen = PV-modulespanning / Spanning bij de bedrijfsconditie.

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

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

I_M = 4,446 A (voor een oppervlak van 12,5 × 12,5 cm²)

I_M = 6,412 A (voor een oppervlak van 15 × 15 cm²)

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

P_M = V_M × I_M

P_M = 45 V × 4,446 A = 200,07 W (voor een oppervlak van 12,5 × 12,5 cm²)

P_M = 45 V × 6,412 A = 288,54 W (voor een oppervlak van 15 × 15 cm²)

Dus, volgens de eis van groot vermogen, worden dergelijke cellen van grotere oppervlaktes in serie en parallel verbonden om een PV-module te vormen. Vervolgens kunnen deze PV-modules in serie en parallel verbonden worden om een PV-array te vormen die vermogen in MW's genereert.

Blokkeer- en Overlaagdiodes

Overlaagdiode

Alle in serie verbonden cellen in de PV-module zijn identiek, ze produceren allemaal stroom wanneer licht op ze valt. Maar als een van de zonnecellen beschaduwd wordt door een voorwerp, wordt het licht dat op het cel valt onderbroken en produceert het lagere stroom of bijna geen stroom door deze onderbreking van lichtval op de cel.

Deze cel zal nu fungeren als een weerstand voor de stroom in de serie string van de cellen. Het zal fungeren als een belasting en het vermogen dat door de andere cellen geproduceerd wordt, zal gedissipeerd raken in de beschaduwde cel waardoor de temperatuur van de cel stijgt en een hotspot ontstaat. Dit kan zelfs leiden tot breken van moduleglas, branden, en ongevallen in het systeem.

De overlaagdiodes worden gebruikt om dergelijke catastrophes in ons ontworpen systeem te voorkomen. Zoals in figuur 5 getoond, is de overlaagdiode parallel aan de zonnecel aangesloten met tegengestelde polariteit.

In normale geen beschaduwing condities, is de overlaagdiode omgekeerd gepolariseerd en fungeert als een open circuit. Maar als beschaduwing optreedt in de in serie verbonden string van cellen, zal de beschaduwde cel omgekeerd gepolariseerd zijn en dit zal fungeren als een voorwaartse polarisatie voor de overlaagdiode aangezien deze met een tegengestelde polariteit aan de zonnecel verbonden is.

Nu zal de overlaagdiode van deze beschaduwde cel de stroom door zich heen laten lopen in plaats van door de beschaduwde cel. Dus, de diode overlaagt de cel en voorkomt de schade door oververhitting, vandaar de naam overlaagdiode. Ideaal zou er één diode per zonnecel in een module moeten zijn, maar praktisch om de module kosteneffectief te maken, wordt één overlaagdiode verbonden voor een seriecombinatie van 10-15 cellen.

Blokkeerdiode

In een off-grid systeem, worden de modules gebruikt om vermogen aan de belasting te leveren en de batterij op te laden. 's Nachts wanneer er geen zonlicht is, produceert de module geen energie en de opgeladen batterijen beginnen vermogen aan de belasting en de PV-module te leveren. Het vermogen dat aan de PV-module geleverd wordt, 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. Dus, het is door deze diode dat het vermogensverlies vermeden wordt door de stroom van de batterij naar de module te blokkeren.

Gerelateerd Artikel:

Serie, Parallel & Serie-Parallel Verbinding van Zonnepanelen & Array

We hebben dit onderwerp al heel goed uitgelegd in ons vorige bericht gelabeld als Serie, Parallel & Serie-Parallel Verbinding van PV Panelen. U kunt zonne module strings en serie array, parallel array of een combinatie van serie en parallel strings en arrays bedraden.