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Reihen-, Parallel- und Reihen-Parallel-Verbindung von Solarmodulen

Reihen-, Parallel- und Reihen-Parallel-Konfiguration von Photovoltaik-Arrays

Was ist ein Solar-Photovoltaik-Array?

Ein Solar-Photovoltaik-Modul ist in einem Bereich von 3 WP erhältlich bis 300 WP . Aber oft brauchen wir Leistung im Bereich von kW bis MW. Um eine so große Leistung zu erreichen, müssen wir eine Anzahl von N Modulen in Reihe und parallel schalten.

Eine Reihe von PV-Modulen

Wenn N PV-Module in Reihe geschaltet sind. Der gesamte Strang aus in Reihe geschalteten Modulen wird als PV-Modulstrang bezeichnet. Die Module werden in Reihe geschaltet, um die Spannung im System zu erhöhen. Die folgende Abbildung zeigt schematisch seriell, parallel und seriell parallel geschaltete PV-Module.

PV-Modularray

Zur Erhöhung der aktuellen N-Anzahl werden PV-Module parallel geschaltet. Eine solche Verschaltung von Modulen in Reihen- und Parallelschaltung wird als „Solar Photovoltaic Array“ oder „PV Module Array“ bezeichnet. Ein Schema einer in Reihe-Parallel-Konfiguration geschalteten Solar-PV-Modulanordnung ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Solarmodulzelle:

Die Solarzelle ist ein Gerät mit zwei Anschlüssen. Einer ist positiv (Anode) und der andere ist negativ (Kathode). Eine Anordnung von Solarzellen wird als Solarmodul oder Solarpanel bezeichnet, während die Anordnung von Solarpanels als Photovoltaik-Array bezeichnet wird.

Es ist wichtig zu beachten, dass mit der Zunahme der Reihen- und Parallelschaltung von Modulen auch die Leistung der Module zunimmt.

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Reihenschaltung von Modulen

Manchmal ist die für ein Kraftwerk benötigte Systemspannung viel höher als das, was ein einzelnes PV-Modul erzeugen kann. In solchen Fällen werden N PV-Module in Reihe geschaltet, um den erforderlichen Spannungspegel zu liefern. Diese Reihenschaltung der PV-Module ähnelt der Schaltung von N Zellen in einem Modul, um den erforderlichen Spannungspegel zu erhalten. Die folgende Abbildung zeigt in Reihe geschaltete PV-Module.

Bei dieser Reihenschaltung erhöht sich nicht nur die Spannung, sondern auch die vom Modul erzeugte Leistung. Dazu wird der Minuspol des einen Moduls mit dem Pluspol des anderen Moduls verbunden.

Wenn ein Modul eine Leerlaufspannung VOC1 hat von 20 V und anderen in Reihe geschaltet hat VOC2 von 20 V, dann ist der gesamte offene Stromkreis des Strings die Summe zweier Spannungen

VOC =VOC1 + VOC2

VOC =20 Volt + 20 Volt =40 Volt

Es ist wichtig zu beachten, dass die Summierung der Spannungen am Punkt maximaler Leistung auch im Falle einer PV-Anlage anwendbar ist.

Berechnung der Anzahl der in Reihe benötigten Module und deren Gesamtleistung

Um die Anzahl der in Reihe zu schaltenden PV-Module zu berechnen, sollte die erforderliche Spannung des PV-Generators angegeben werden. Wir sehen auch die Gesamtleistung, die von der PV-Anlage erzeugt wird. Beachten Sie, dass alle Module identisch sind und die gleichen Modulparameter haben.

Schritt 1: Spannungsbedarf des PV-Generators beachten

Da wir N-Module in Reihe schalten müssen, müssen wir die erforderliche Spannung von der PV-Anlage kennen

Schritt 2: Beachten Sie die Parameter des PV-Moduls, das in den Reihenstrang geschaltet werden soll

PV-Modulparameter wie Strom und Spannung am maximalen Leistungspunkt und andere Parameter wie VOC , ISC, und PM sollte ebenfalls beachtet werden.

Schritt 3: Berechnen Sie die Anzahl der in Reihe zu schaltenden Module

Um die Anzahl der Module „N“ zu berechnen, wird die gesamte Array-Spannung durch die Spannung der einzelnen Module geteilt, da das PV-Modul unter STC arbeiten soll, dem Verhältnis der Array-Spannung am maximalen Leistungspunkt VMA zur Modulspannung am maximalen Leistungspunkt VM ist vergeben.

Eine ähnliche Berechnung für die Leerlaufspannung von PV kann auch durchgeführt werden, d. h. das Verhältnis der Array-Spannung bei Leerlauf VOCA zur Modulspannung bei Leerlauf VOC . Beachten Sie, dass der Wert von „N“ eine Nicht-Ganzzahl sein kann, also müssen wir die nächsthöhere Ganzzahl und damit den Wert von VMA nehmen und VOCA wird auch steigen als wir wollten.

Schritt 4: Berechnung der Gesamtleistung des PV-Generators

Die Gesamtleistung des PV-Generators ist die Summe der maximalen Leistung der einzelnen in Reihe geschalteten Module. Wenn PM die maximale Leistung eines einzelnen Moduls ist und „N“ die Anzahl der in Reihe geschalteten Module ist, dann die Gesamtleistung des PV-Generators PMA ist N × PM .

Wir können die Array-Leistung auch durch das Produkt aus Spannung und Strom des PV-Arrays am maximalen Leistungspunkt berechnen, d. h.

VMA × ICHMA

Beispiel:

Um diese Schritte nun mathematischer zu verstehen. Nehmen wir als Beispiel ein Kraftwerk mit 2 MW, in dem eine große Anzahl von PV-Modulen in Reihe geschaltet sind. Der 2-MW-Wechselrichter kann eine Eingangsspannung von 600 V bis 900 V aufnehmen.

Bestimmen Sie die Anzahl der Module, die in Reihe geschaltet werden müssen, um eine maximale Leistungspunktspannung von 800 V zu erhalten. Bestimmen Sie auch die von dieser PV-Anlage gelieferte Leistung. Die Parameter des einzelnen PV-Moduls lauten wie folgt:

Schritt 1: Spannungsbedarf des PV-Generators beachten

Schritt 2: Beachten Sie die Parameter des PV-Moduls, das in den Reihenstrang geschaltet werden soll

Leerlaufspannung VOC =35 V

Spannung am maximalen Leistungspunkt VM =29 V

Kurzschlussstrom ISC =7,2 A

Strom bei maximalem Leistungspunkt IM =6,4 A

Maximale Leistung PM

PM =VM x IchM

=29 V x 6,4 A

PM =185,6 W

Schritt 3: Berechnen Sie die Anzahl der in Reihe zu schaltenden Module

N =VMA / VM

N =800 / 29

N =27,58 (Höherer ganzzahliger Wert 28)

Nehmen Sie einen höheren ganzzahligen Wert von 28 Modulen. Aufgrund des höheren ganzzahligen Werts von N ist der Wert von VMA und VOCA wird ebenfalls zunehmen.

VMA =VM × N

=29 × 28

=812 V

Schritt 4: Berechnung der Gesamtleistung des PV-Generators

PMA =N × PM

=28 × 185,6

=5196,8 W

Also brauchen wir 28 PV-Module, die in Reihe geschaltet werden müssen mit einer Gesamtleistung von 5196,8 W, um die gewünschte maximale PV-Generatorspannung von 800 V zu erreichen.

Nichtübereinstimmung bei in Reihe geschalteten PV-Modulen

Die maximale Leistung im PV-Modul ist das Produkt aus Spannung und Strom bei maximaler Leistung. Wenn die Module nicht in Reihe geschaltet sind, ist die von einem einzelnen Modul erzeugte Leistung unterschiedlich. Nehmen Sie das Beispiel der unten angegebenen Tabelle 1.

Tabelle 1

Module VM in Volt IchM in Ampere PM in Watt
Modul A 16 4.1 65,6
Modul B 15,5 4.1 63,55
Modul C 15,3 4.1 62,73
Gesamt Reihenfolge =46,8 Reihenfolge =4.1 191,88

Wenn die drei Module in Tabelle 1 in Reihe geschaltet sind, wird ihre Spannung addiert, aber der Strom bleibt gleich, wenn man bedenkt, dass alle Module identisch sind und denselben Wert von IM haben =4,1 A.

Der Unterschied in den Spannungen der in Reihe geschalteten Module A, B und C führt nicht zu einem Verlust der von der PV-Modulanordnung erzeugten Leistung, wenn man bedenkt, dass alle Module vorhanden sind identisch mit dem gleichen Wert von IM =4,1 A.

Aber wenn die Stromerzeugungskapazität der in Reihe geschalteten Module nicht identisch ist, dann ist der Strom, der durch die in Reihe geschalteten PV-Module fließt, gleich dem niedrigsten von einem Modul erzeugten Strom in der Schnur. Nehmen Sie die unten angegebene Beispieltabelle 2.

Tabelle 2

Module VM in Volt IchM in Ampere PM in Watt
Modul A 16 4.1 65,6
Modul B 15,5 3.2 49,6
Modul C 15,3 4.1 62,73
Gesamt Reihenfolge =46,8 Reihenfolge =3,2 177,93

Wenn alle Module in Tabelle 2 in Reihe geschaltet sind, wird der durch die in Reihe geschalteten Module fließende Strom durch das Modul mit dem niedrigsten Strom bestimmt. In diesem Fall hat Modul B im Vergleich zu Modul A und C den geringsten Strom von 3,2 A.

Der Strom, der durch diese drei in Reihe geschalteten Module fließt, beträgt also 3,2 A. Vergleichen Sie nun die Tabellen 1 und 2 und die von beiden erzeugte Gesamtleistung. Aufgrund unidentischer Strommodule in Tabelle 2 beträgt die erzeugte Gesamtleistung 177,93 W, was weniger ist als die von den Modulen in Tabelle 1 erzeugte Gesamtleistung, d. h. 191,88 W.

Wir können sehen, dass die von den in Reihe geschalteten Modulen erzeugte Ausgangsleistung aufgrund der Nichtübereinstimmung des Stroms stark beeinflusst wird. Bei der Reihenschaltung von Modulen ist die Spannungsabweichung kein Problem, aber die Stromabweichung führt zu Leistungsverlusten. Daher sollten Module mit unterschiedlichen Stromstärken nicht in Reihe geschaltet werden.

Parallelschaltung von Modulen

Um die Leistung der PV-Anlage zu erhöhen, wird manchmal statt die Spannung durch Reihenschaltung der Module zu erhöhen, der Strom durch Parallelschaltung der Module erhöht. Der Strom in der Parallelschaltung des PV-Modulfeldes ist die Summe der Einzelströme der Module.

Die Spannung in der Parallelschaltung der Module bleibt die gleiche wie die der individuellen Spannung des Moduls, wenn man bedenkt, dass alle Module die gleiche Spannung haben.

Die Parallelschaltung wird erreicht, indem der Pluspol eines Moduls mit dem Pluspol des nächsten Moduls und der Minuspol mit dem Minuspol des nächsten Moduls verbunden wird, wie im Folgenden gezeigt Zahl. Die folgende Abbildung zeigt parallel geschaltete Solarmodule.

Wenn das aktuelle IM1 ist der maximale Leistungspunktstrom eines Moduls und IM2 der maximale Leistungspunktstrom des anderen Moduls ist, dann ist der Gesamtstrom des parallel geschalteten Moduls IM1 + IM2 . Wenn wir weiterhin Module parallel hinzufügen, summiert sich der Strom weiter. Sie gilt auch für den Kurzschlussstrom Isc.

Berechnung der Anzahl parallel benötigter Module und deren Gesamtleistung

Um die Anzahl der parallel zu schaltenden PV-Module zu berechnen, sollte der erforderliche Strom des PV-Generators angegeben werden. Wir sehen auch die Gesamtleistung, die von der PV-Anlage erzeugt wird. Beachten Sie, dass alle Module identisch sind und die gleichen Modulparameter haben.

Schritt 1: Strombedarf des PV-Generators beachten

Da wir eine Anzahl von N Modulen parallel schalten müssen, müssen wir den erforderlichen Strom von der PV-Anlage kennen

Schritt 2: Beachten Sie die Parameter des parallel zu schaltenden PV-Moduls

PV-Modulparameter wie Strom und Spannung am maximalen Leistungspunkt und andere Parameter wie VOC , ISC, und PM sollte ebenfalls beachtet werden.

Schritt 3: Berechnen Sie die Anzahl der parallel zu schaltenden Module

Um die Anzahl der Module N zu berechnen, wird der gesamte Array-Strom durch den Strom eines einzelnen Moduls dividiert, da das PV-Modul unter STC arbeiten soll, dem Verhältnis des Array-Stroms am maximalen Leistungspunkt IMA zum Modulstrom am maximalen Leistungspunkt IM ist vergeben.

Eine ähnliche Berechnung für den Kurzschlussstrom der PV kann auch durchgeführt werden, d. h. das Verhältnis des Array-Kurzschlussstroms ISCA zum Modulkurzschlussstrom ISC .

Beachten Sie, dass der Wert von N eine Nicht-Ganzzahl sein kann, also müssen wir die nächsthöhere Ganzzahl und damit den Wert von IMA nehmen und ISCA wird auch steigen als wir wollten.

Schritt 4: Berechnung der Gesamtleistung des PV-Generators

Die Gesamtleistung des PV-Generators ist die Summe der maximalen Leistung der einzelnen parallel geschalteten Module. Wenn PM die maximale Leistung eines einzelnen Moduls ist und „N“ die Anzahl der parallel geschalteten Module ist, dann die Gesamtleistung des PV-Generators PMA ist N × PM . Wir können die Array-Leistung auch durch das Produkt aus Spannung und Strom des PV-Arrays am maximalen Leistungspunkt berechnen, d. h. VMA × ICHMA .

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Beispiel:

Nehmen wir ein Beispiel, berechnen Sie die Anzahl der Module, die parallel erforderlich sind, um den maximalen Leistungspunktstrom IMA zu erhalten von 40 A. Die erforderliche Systemspannung beträgt 14 V. Die Parameter des einzelnen PV-Moduls sind wie folgt:

Schritt 1: Strombedarf des PV-Generators beachten

Schritt 2: Beachten Sie die Parameter des parallel zu schaltenden PV-Moduls

Leerlaufspannung VOC =18 V

Spannung am maximalen Leistungspunkt VM =14 V

Kurzschlussstrom ISC =6,5 A

Strom bei maximalem Leistungspunkt IM =6 A

Maximale Leistung:

PM =VM x IchM

PM =14 V x 6 A

PM =84 W

Schritt 3: Berechnen Sie die Anzahl der parallel zu schaltenden Module

N =IMA / IchM

=40 / 6

N =6,66 (Höherer ganzzahliger Wert 7)

Nehmen Sie einen höheren ganzzahligen Wert von 7 Modulen. Aufgrund des höheren ganzzahligen Werts von N ist der Wert von IMA und ISCA wird ebenfalls zunehmen.

IMA =IchM × N

=6 × 7

IMA =42 A

Schritt 4:Berechnung der Gesamtleistung des PV-Generators

PMA =N × PM

=7 × 84

PMA =588 W

Daher benötigen wir 7 parallel zu schaltende PV-Module mit einer Gesamtleistung von 588 W, um den gewünschten maximalen PV-Generatorstrom von 40 A zu erhalten.

Nichtübereinstimmung in parallel geschalteten PV-Modulen

In einer Parallelschaltung ist das Problem der Nichtübereinstimmung des Stroms kein Problem, aber die Nichtübereinstimmung der Spannung ist ein Problem. Bei parallel geschalteten Modulen bleibt die Spannung gleich, wenn die Module identische Nennspannungen haben.

Aber wenn die Nennspannung von parallel geschalteten Modulen unterschiedlich ist, dann wird die Systemspannung durch das Modul mit der niedrigsten Nennspannung bestimmt, was zu einem Leistungsverlust führt.

Die Auswirkung einer Spannungsfehlanpassung ist nicht so schwerwiegend wie die Stromfehlanpassung, aber bei der Auswahl der Module ist Vorsicht geboten. Es wird empfohlen, dass für Reihenkombinationen Module mit der gleichen Nennstromstärke und für Parallelkombinationen Module mit der gleichen Nennspannung bevorzugt werden sollten.

Serie – Parallelschaltung von Modulen – Mischkombination

Wenn wir große Leistung im Bereich von Gigawatt für große PV-Systemanlagen erzeugen müssen, müssen wir Module in Reihe und parallel schalten. In großen PV-Anlagen werden die Module zunächst als „PV-Modulstrang“ in Reihe geschaltet, um das erforderliche Spannungsniveau zu erhalten.

Dann werden viele solcher Stränge parallel geschaltet, um die erforderliche Stromstärke für das System zu erhalten. Die folgenden Abbildungen zeigen die Reihen- und Parallelschaltung von Modulen. Um dies zu vereinfachen, werfen Sie einen Blick auf rechts in der folgenden Abbildung.

Modul 1 und Modul 2 sind in Reihe geschaltet nennen wir es String 1. Die Leerlaufspannung von String 1 VOC1 hinzugefügt wird, d.h.

VOC1 =VOC + VOC =2VOC

Während der Kurzschlussstrom von String 1 ISC1 ist dasselbe, d.h.

ISC1 =ISC

Ähnlich wie bei Strang 1 bilden die Module 3 und 4 den Strang 2. Die Leerlaufspannung des Strangs 2 VOC2 hinzugefügt wird, also

VOC2 =VOC + VOC =2VOC

Wohingegen der Kurzschlussstrom von Strang 2 ISC2 ist dasselbe, d.h.

ISC2 =ISC

Nun sind String 1 und String 2 parallel geschaltet, nirgendwo bleibt die Spannung gleich, sondern der Strom addiert sich also Leerlaufspannung des PV-Modulfeldes

VOCA =VOC1 =VOC2 =2VOC

Und Kurzschlussstrom des PV-Modulfeldes

ISCA =ISC1 + ISC2 =ISC + ISC =2ISC

Die gleiche Berechnung gilt für Spannung und Strom bei maximalem PowerPoint.

Berechnung der Anzahl der erforderlichen Module in Reihe – parallel und ihrer Gesamtleistung

Hier haben wir für die Berechnung der Anzahl der in Reihe und parallel benötigten Module und der Leistung angenommen, dass alle Module identische Parameter haben. Beachten Sie Folgendes;

Schritt 1: Beachten Sie den Strom-, Spannungs- und Leistungsbedarf des PV-Generators

Schritt 2: Beachten Sie die PV-Modulparameter

PV-Modulparameter wie Strom und Spannung am maximalen Leistungspunkt und andere Parameter wie VOC , ISC, und PM sollte ebenfalls beachtet werden.

Schritt 3: Berechnen Sie die Anzahl der in Reihe und parallel zu schaltenden Module

Um die Anzahl der Module in Reihe Ns zu berechnen die gesamte Array-Spannung wird durch die Spannung eines einzelnen Moduls dividiert. Da das PV-Modul unter STC arbeiten soll, ist das Verhältnis der Array-Spannung am maximalen Leistungspunkt VMA zur Modulspannung am maximalen Leistungspunkt VM ist vergeben.

Ähnlich, um die Anzahl der parallel geschalteten Module Np zu berechnen der Gesamtstrom des Arrays wird durch den Strom eines einzelnen Moduls dividiert. Da das PV-Modul unter STC arbeiten soll, ist das Verhältnis des Arraystroms am maximalen Leistungspunkt IMA zum Modulstrom am maximalen Leistungspunkt IM ist vergeben.

Ähnliche Berechnungen für Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom können durchgeführt werden. Beachten Sie, dass der Wert von Ns und NP kann eine Nicht-Ganzzahl sein, also müssen wir die nächsthöhere Ganzzahl und damit den Wert von IMA nehmen , ISCA , VMA und VOCA wird auch steigen als wir wollten.

Schritt 4: Berechnung der Gesamtleistung des PV-Generators

Die Gesamtleistung des PV-Generators ist die Summe der maximalen Leistung der einzelnen in Reihe und parallel geschalteten Module.

Wenn PM ist die maximale Leistung eines einzelnen Moduls und NS ist die Anzahl der in Reihe geschalteten Module und NP die Anzahl der parallel geschalteten Module ist, dann die Gesamtleistung des PV-Generators

PMA =NP × NS × PM

Wir können die Array-Leistung auch durch das Produkt aus Spannung und Strom des PV-Arrays am maximalen Leistungspunkt berechnen, d. h.

VMA × ICHMA

Beispiel:

Nehmen wir nun ein Beispiel für die Mix – Kombination. Wir müssen die Anzahl der Module bestimmen, die für eine PV-Anlage mit den folgenden Parametern erforderlich sind;

Schritt 1: Beachten Sie den Strom-, Spannungs- und Leistungsbedarf des PV-Generators

Schritt 2: Beachten Sie die PV-Modulparameter

Spannung am maximalen Leistungspunkt des Moduls VM =70 V

Strom am maximalen Leistungspunkt des Moduls IM =17 A

Maximale Leistung PM :

PM =VM x IchM

PM =70 V x 17 A

PM =1190 W

Schritt 3: Berechnen Sie die Anzahl der in Reihe und parallel zu schaltenden Module

NS =VMA / VM

NS =400 / 70

NS =5,71 (Höherer ganzzahliger Wert 6)

Nehmen Sie einen höheren ganzzahligen Wert von 6 Modulen. Aufgrund des höheren ganzzahligen Werts von NS , der Wert von VMA und VOCA wird ebenfalls zunehmen.

VMA =VM × NS

=70 × 6

VMA =420 V

Nun,

NP =ICHMA / IchM

NP =100 / 17

NP =5,88 (Höherer ganzzahliger Wert 6)

Nehmen Sie einen höheren ganzzahligen Wert von 6 Modulen. Aufgrund des höheren ganzzahligen Werts von NP , der Wert von IMA und ISCA wird ebenfalls zunehmen.

IMA =IchM × NP

IchMA =17 × 6

IMA =102 A

Schritt 4: Berechnung der Gesamtleistung des PV-Generators

PMA =NS × NP × PM

=6 × 6 × 1190

PMA =42840 W

Also brauchen wir 36 PV-Module . Ein String aus sechs in Reihe geschalteten Modulen und sechs solcher Strings, die parallel geschaltet sind, mit einer Gesamtleistung von 42840 W, um den gewünschten maximalen PV-Array-Strom von 100 A und eine Spannung von 400 V zu erhalten.

Beachten Sie, dass aufgrund des höheren ganzzahligen Werts von 6 der maximale Strom und die Spannung des PV-Arrays 102 A bzw. 420 V betragen.

Conclusion

In this article, an in-depth study of the solar photovoltaic module and array was carried out. The need, structure, and design of the modules for higher power level was studied. It also included a procedure for parameter measurement and explanation of bypass diode and blocking diode for the safety of the module.

We also saw an explanation of the PV module array along with its need and connection combination. Calculation and procedure for the design of series, parallel, and mix connections were done in detail along with the study of mismatch in voltage and current of the modules. Such a study of Photovoltaic module and array is a must requirement for a designer of the PV system.

The article gives a significant design understanding of important components (modules and array) in the PV system, which can be utilized to make a proper, efficient, and reliable design in a PV system.


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