Berechnung und Design von Solar-Photovoltaik-Modulen und -Arrays

Bestimmen der Anzahl der Zellen in einem Modul, Messen der Modulparameter und Berechnen des Kurzschlussstroms, der Leerlaufspannung und der V-I-Eigenschaften von Solarmodul und Array

Was ist ein Photovoltaik-Solarmodul?

Die von unseren täglichen Lasten benötigte Leistung liegt im Bereich von mehreren Watt oder manchmal in Kilowatt. Eine einzelne Solarzelle kann nicht genug Leistung erzeugen, um eine solche Lastanforderung zu erfüllen, sie kann je nach Zellfläche kaum Leistung in einem Bereich von 0,1 bis 3 Watt erzeugen. Bei netzgekoppelten und Industriekraftwerken benötigen wir Leistungen im Bereich von Mega-Watt oder sogar Giga-Watt.

Daher ist eine einzelne PV-Zelle nicht in der Lage, einen so hohen Bedarf zu decken. Um diesen hohen Anforderungen gerecht zu werden, werden Solarzellen angeordnet und elektrisch verschaltet. Eine solche Verschaltung und Anordnung von Solarzellen nennt man PV-Module. Diese PV-Module ermöglichen es, einen größeren Bedarf zu decken, als eine einzelne Zelle liefern könnte.

Wenn Sonnenstrahlung auf eine einzelne Solarzelle fällt, wird an ihr zwei Anschlüsse Anode und Kathode erzeugt (d. h. Anode ist der positive Anschluss und Kathode ist der negative Anschluss). Um das Potential für die erforderliche Leistung zu erhöhen, werden N-Zellen in Reihe geschaltet. Der Minuspol einer Zelle ist mit dem Pluspol der anderen Zelle verbunden, wie in der Abbildung unten gezeigt.

Wenn wir N Solarzellen in Reihe schalten, erhalten wir zwei Anschlüsse und die Spannung an diesen beiden Anschlüssen ist die Summe der Spannungen der in Reihe geschalteten Zellen. Wenn beispielsweise die Spannung einer einzelnen Zelle 0,3 V beträgt und 10 solcher Zellen in Reihe geschaltet sind, beträgt die Gesamtspannung über dem Strang 0,3 V × 10 =3 Volt.

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Wenn 40 Zellen mit 0,6 V in Reihe geschaltet werden, dann wäre die Gesamtspannung 0,6 V × 40 =24 Volt. Es ist wichtig zu beachten, dass bei Reihenschaltung der Zellen die Spannung addiert wird, während der Strom gleich bleibt.

Ähnlich addiert sich bei Parallelschaltung der Zellen der Strom der einzelnen Zellen. Der Anodenanschluss einer Zelle ist mit dem Anodenanschluss der nächsten Zelle verbunden und in ähnlicher Weise ist der Kathodenanschluss mit dem Kathodenanschluss der nächsten Zelle verbunden, wie in Abbildung 2 gezeigt.

Im Gegensatz zur Reihenschaltung bleibt die Gesamtspannung des Strings bei Parallelschaltung unverändert. Wenn beispielsweise eine Zelle eine Stromerzeugungskapazität von 2 A hat und 5 solcher Solarzellen parallel geschaltet sind. Dann beträgt die gesamte Stromerzeugungskapazität der Zelle 2 A × 5 =10 A.

Die Parameter der PV-Module werden von den Herstellern unter der Standardtestbedingung (STC) angegeben, d. h. Temperatur von 25 °C und Strahlung von 1000 W/m ² . In den meisten Fällen und an den meisten Orten treten die unter STC angegebenen Bedingungen nicht auf. Dies liegt daran, dass die Sonneneinstrahlung immer weniger als 1000 W/m ² beträgt und die Betriebstemperatur der Zelle höher als 25 °C ist, führt diese Unsicherheit zu einer reduzierten Ausgangsleistung des PV-Moduls.

Wie wir bereits besprochen haben, besteht das PV-Modul aus der Anzahl der Solarzellen, daher sind seine Parameter und Faktoren, die die Stromerzeugung beeinflussen, denen der Solarzelle ähnlich wir haben bereits in unserem vorherigen Artikel abgedeckt. Daher werden wir diesen Teil hier nicht noch einmal behandeln.

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Bestimmen der Anzahl der Zellen in einem Modul

Eine der Grundanforderungen an das PV-Modul ist es, ausreichend Spannung bereitzustellen, um die Batterien der unterschiedlichen Spannungsebenen unter täglicher Sonneneinstrahlung aufzuladen. Dies bedeutet, dass die Modulspannung höher sein sollte, um die Batterien bei geringer Sonneneinstrahlung und hohen Temperaturen aufzuladen.

Die PV-Module sind so ausgelegt, dass sie Spannungen im Vielfachen des 12-V-Batteriepegels liefern, also 12 V, 24 V, 36 V, 48 V usw. Um eine 12-V-Batterie über ein PV-Modul zu laden, benötigen wir ein Modul mit V_M von 15 V und für 24 V Batterie benötigen wir ein Modul mit V_M von 30 V und so weiter. Andere in der PV-Anlage verwendete Geräte werden kompatibel gemacht, um mit einem Batteriespannungsniveau zu arbeiten.

Um den erforderlichen Spannungspegel bereitzustellen, müssen wir die Zellen in Reihe schalten. Abhängig von den verschiedenen Technologien, die in der PV-Zelle verwendet werden, ist die Anzahl der Zellen, die in Reihe geschaltet werden müssen, unterschiedlich. Die Anzahl der in Reihe zu schaltenden Zellen hängt von der Spannung am maximalen Leistungspunkt ab, d.h. V_M der einzelnen Zelle und dem Spannungsabfall, der aufgrund einer Erhöhung der Temperatur der Zelle über STC auftritt.

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Beispiel:

Lassen Sie uns dies anhand eines Beispiels verstehen, ein PV-Modul soll mit Solarzellen ausgelegt werden, um eine Batterie von 12 V zu laden. Die Leerlaufspannung V_OC der Zelle beträgt 0,89 V und die Spannung am maximalen Leistungspunkt V_M beträgt 0,79 V.

Die Betriebstemperatur der Zellen beträgt 60 °C und die Spannung sinkt um 2 mV pro Grad Celsius Temperaturanstieg. Wie viele Zellen müssen in Reihe geschaltet werden, um den Akku zu laden?

Schritt 1: Finden Sie die Spannung am maximalen Leistungspunkt V_M =0,79 V .

Wenn V_M nicht angegeben ist, dann nimm V_M B. 80 bis 85 % von V_OC .

Schritt 2: Finden Sie den Spannungsverlust unter Betriebstemperatur, also bei 60 °C.

Temperaturanstieg über STC =Betriebstemperatur – Temperatur bei STC.

Temperaturanstieg über STC =60 °C – 25 °C =35 °C

Daher Spannungsverlust durch Temperaturanstieg über STC:

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

Schritt 3 :Bestimmung der Spannung im Betriebszustand.

Die Spannung im Betriebszustand =Spannung bei STC (V_M ) – Spannungsverlust durch Temperaturanstieg über STC.

Daher Spannung im Betriebszustand =0,79 V – 0,07 V =0,72 V

Schritt 4: Bestimmen Sie die erforderliche PV-Modulspannung um den Akku aufzuladen.

Um eine Batterie mit 12 V zu laden, benötigen wir eine Modulspannung von etwa 15 V.

Schritt 5: Bestimmen Sie die Anzahl der Zellen in Reihe geschaltet werden.

Die Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen =PV-Modulspannung / Spannung im Betriebszustand.

Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen =15 V / 0,72 V =20,83 oder etwa 21 Zellen

Also brauchen wir 21 in Reihe geschaltete Zellen, um eine 12V-Batterie aufzuladen . Es ist wichtig zu beachten, dass wir für verschiedene Solarzellentechnologien eine unterschiedliche Anzahl von Zellen in Reihe für die gleiche Ausgangsspannung benötigen. Ein aktuelles Foto des PV-Moduls, das aus N elektrisch verbundenen Zellen besteht, ist in Abbildung 3 unten dargestellt.

Modulparameter messen

Zur Messung von Modulparametern wie V_OC , I_SC , V_M, und ich_M wir brauchen Voltmeter und Amperemeter oder Multimeter , Regelwiderstand , und Verbindungsdrähte.

Messung der Leerlaufspannung (V_OC ):

Beim Messen des V_OC , sollte keine Last über die beiden Klemmen des Moduls angeschlossen werden. Zum Ermitteln der Leerlaufspannung eines Photovoltaikmoduls per Multimer , befolgen Sie die folgenden einfachen Schritte.

• Stellen Sie den Multimeter-Knopf auf Gleichspannungsmessung und wählen Sie den Bereich für die Spannungsmessung entsprechend aus, also 6 V, 12 V, 24 V usw.
• Stellen Sie sicher, dass die eine Sonde mit dem COM-Anschluss des Multimeters und die andere mit dem Spannungsmessanschluss verbunden ist.
• Schließen Sie nach Auswahl von Modus und Bereich die Sonden des Multimeters an die beiden Anschlüsse des PV-Moduls an und beobachten Sie den Messwert auf dem Display.
• Stellen Sie sicher, dass die positive Sonde (Spannungsmessanschluss) mit dem positiven Anschluss und die negative Sonde (COM-Anschluss) mit dem negativen Anschluss verbunden ist. Wenn die Sonden umgekehrt angeschlossen werden, ergibt dies einen negativen Messwert.
• Der Messwert auf dem Display des Multimeters ist die Leerlaufspannung V_OC des PV-Moduls.

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Messung des Kurzschlussstroms (I_SC ):

Beim Messen des I_SC , sollte keine Last über die beiden Klemmen des Moduls angeschlossen werden.

Zum Ermitteln des Kurzschlussstroms eines Photovoltaikmoduls per Multimer , befolgen Sie die folgenden einfachen Schritte.

• Stellen Sie den Multimeter-Knopf auf Strommessung und wählen Sie den Bereich für die Strommessung entsprechend aus, also typischerweise zwischen 0,1 bis 10 A.
• Stellen Sie sicher, dass eine Sonde mit dem COM-Anschluss des Multimeters und eine andere mit dem Strommessanschluss verbunden ist.
• Schließen Sie nach Auswahl von Modus und Bereich die Sonden des Multimeters an die beiden Anschlüsse des PV-Moduls an und beobachten Sie den Messwert auf dem Display.
• Stellen Sie sicher, dass die positive Sonde mit dem positiven Anschluss (Strommessanschluss) und die negative Sonde (COM-Anschluss) mit dem negativen Anschluss verbunden ist. Wenn die Sonden umgekehrt angeschlossen werden, ergibt dies einen negativen Messwert.
• Der auf dem Display des Multimeters beobachtete Messwert ist der Kurzschlussstrom I_SC des PV-Moduls.

Messen der I-V-Kurve:

Zum Messen der I-V-Kurve muss das Solar-PV-Modul wie in der Abbildung unten gezeigt mit dem variablen Widerstand in Reihe geschaltet werden.

Der Minuspol des Moduls wird mit dem Pluspol des Amperemeters verbunden und das Voltmeter wird direkt über das PV-Modul angeschlossen, wie in Abbildung 4 gezeigt.

Wenn die Anschlüsse unwissentlich umgekehrt gemacht werden, hat der erhaltene Messwert ein negatives Vorzeichen. Schließen Sie die Messgeräte erneut an, um korrekte Werte zu erhalten. Wenn Sie fertig sind, stellen Sie den variablen Widerstand (Rheostat) auf einer Seite richtig ein, so dass die Spannung maximal und der Strom minimal ist.

Notieren Sie die Strom- und Spannungswerte an dieser Position des Regelwiderstands. Schieben Sie nun den Rheostat langsam auf die andere Seite und notieren Sie die Messwerte für jede Schiebereinstellung, bis der Rheostat vollständig kurzgeschlossen ist. Berechnen Sie die Leistung für jeden Spannungs- und Stromwert mithilfe der folgenden Gleichung.

P =V × I

Somit können aus diesen Messwerten alle anderen Parameter des PV-Moduls gewonnen werden.

Module mit höherer Wattleistung 

Eine der gängigsten auf dem Markt erhältlichen Zellen ist die „Crystalline Silicon Cell“-Technologie. Diese Zellen sind in einer Fläche von 12,5 × 12,5 cm ² erhältlich und 15 × 15 cm ² . Es ist schwierig, Zellen jenseits dieser Fläche auf dem Markt zu finden, die meisten größeren Solaranlagen verwenden Module mit dieser Zellfläche.

Aber wie viel höhere Wattleistung kann dieses Modul liefern und wie kann eine höhere Leistung pro Modul erzielt werden? Ein typisch konstruiertes PV-Modul hat ein V_M von 15 V, um eine Batterie von 12 V zu laden. Um diese Spannung zu erhalten, werden 32 bis 36 Zellen je nach Betriebstemperatur und Spitzenspannung V_M in Reihe geschaltet einer einzelnen Zelle.

Der von Zellen erzeugte Strom hängt von der Fläche, der Menge des darauf fallenden Lichts, dem Winkel des darauf fallenden Lichts und der Stromdichte ab. Die kristalline Siliziumzelle hat eine Stromdichte J_SC in einem Bereich von 30 mA/cm ² bis 35 mA/cm ² .

Nehmen wir die Stromdichte von 30 mA/cm ² für unser Beispiel. Dann der Kurzschlussstrom für eine Fläche von 12,5 × 12,5 cm ² kann wie folgt berechnet werden:

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

Ähnlich für 15 × 15 cm ² Der Kurzschlussstrom wird wie folgt berechnet:

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

Für die meisten Hersteller ist das I_M beträgt etwa 90 bis 95 % von I_SC . Nehmen wir für unser Beispiel I_M als 95 % von I_SC .

I_M =0,95 × I_SC

Dann das I_M für eine Fläche von 12,5 × 12,5 cm ² kann wie folgt berechnet werden:

I_M =0,95 × 4,68 A =4,446 A

Ähnlich für 15 × 15 cm ² Ich_M wird wie folgt berechnet:

I_M =0,95 × 6,75 A =6,412 A

Jetzt können wir die maximale Spitzenleistung für diese beiden Zellen bestimmen;

P_M =V_M × ICH_M

P_M =15 V × 4,446 A =66,69 W (für eine Fläche von 12,5 × 12,5 cm ² )

P_M =15 V × 6,412 A =96,18 W (für eine Fläche von 15 × 15 cm ² )

Also durch Nutzung der besten verfügbaren Zelltechnologie mit einer Fläche von 12,5 × 12,5 und 15 × 15 cm ² wir erhalten eine Ausgangsleistung von 66,69 W bzw. 96,18 W (unter Berücksichtigung von I_M 95 % von I_SC sein und Stromdichte von 30 mA/cm ² ).

Um die Spannung und den Strom des Moduls zu erhöhen, muss eine größere Anzahl von Zellen in Reihe bzw. parallel geschaltet werden, dies erhöht die Gesamtleistung des Moduls mehr als wir berechnet haben .

Beispiel:

Lassen Sie uns nun zum besseren Verständnis ein PV-Modul entwerfen, das eine Spannung bei maximaler Leistung V_M liefern kann von 45 V bei STC und 33,5 V bei 60 °C Betriebstemperatur. Wir werden die Zellen mit einer Leerlaufspannung V_OC verwenden von 0,64 V, mit einer Abnahme von 0,004 V in V_M pro °C Temperaturanstieg.

Schritt 1: Finden Sie die Spannung am maximalen Leistungspunkt V_M .

Wenn V_M nicht angegeben ist, dann nimm V_M B. 80 bis 85 % von V_OC

Nehmen wir V_M an =0,85 × V_OC =0,85 × 0,64 V =0,544 V

Schritt 2: Finden Sie den Spannungsverlust bei Betriebstemperatur, also bei 60 ^o C.

Temperaturanstieg über STC =Betriebstemperatur – Temperatur bei STC.

Temperaturanstieg über STC =60 °C – 25 °C =35 °C

Daher Spannungsverlust durch Temperaturanstieg über STC =35 °C × 0,004 V =0,14 V

Schritt 3: Ermittlung der Spannung im Betriebszustand

Die Spannung im Betriebszustand =Spannung bei STC (V_M ) – Spannungsverlust durch Temperaturanstieg über STC.

Daher ist die Spannung im Betriebszustand =0,544 V – 0,14 V =0,404 V

Schritt 4: Bestimmen Sie die erforderliche PV-Modulspannung

Wir brauchen eine Modulspannung von etwa 33,5 V.

Schritt 5: Bestimmen Sie die Anzahl der in Reihe zu schaltenden Zellen

Die Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen =PV-Modulspannung / Spannung im Betriebszustand.

Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen =33,5 V / 0,404 V =82,92 oder etwa 83 Zellen.

Lassen Sie uns nun berechnen, wie viel Leistung diese 83 Zellen unter STC mit V_M erzeugen können =45 V, und nehmen wir die gleichen Stromwerte für zwei Zellen aus dem vorherigen Beispiel.

I_M =4,446 A (für eine Fläche von 12,5 × 12,5 cm ² )

I_M =6,412 A (für eine Fläche von 15 × 15 cm ² )

Jetzt können wir die maximale Spitzenleistung für diese beiden Zellen bei einer Spannung von 45 V bestimmen;

P_M =V_M × ICH_M

P_M =45 V × 4,446 A =200,07 W (für eine Fläche von 12,5 × 12,5 cm ² )

P_M =45 V × 6,412 A =288,54 W (für eine Fläche von 15 × 15 cm ² )

Somit werden entsprechend dem Bedarf an großer Leistung solche Zellen größerer Flächen in Reihe und parallel geschaltet, um ein PV-Modul zu bilden. Darüber hinaus können diese PV-Module in Reihe und parallel geschaltet werden, um eine PV-Anlage zu bilden, die Strom in MW erzeugt.

Sperr- und Bypass-Dioden

Bypass-Diode

Alle in Reihe geschalteten Zellen des PV-Moduls sind identisch, sie erzeugen alle Strom, wenn Licht auf sie fällt. Aber wenn eine der Solarzellen von einem Objekt abgeschattet wird, wird das darauf fallende Licht unterbrochen und es wird aufgrund dieser Unterbrechung des auf die Zelle fallenden Lichts ein geringerer Strom oder fast kein Strom erzeugt.

Diese Zelle wirkt nun als Widerstand gegen den Stromfluss in der Reihenkette der Zellen. Es fungiert als Last und die von anderen Zellen erzeugte Energie wird in der abgeschatteten Zelle abgeführt, was dazu führt, dass die Temperatur der Zelle ansteigt und einen Hot Spot bildet. Dies kann sogar zu Bruch des Modulglases, Bränden und Unfällen im System führen.

Die Bypass-Dioden werden verwendet, um solche Katastrophen in unserem entworfenen System zu vermeiden. Wie in Abbildung 5 gezeigt, ist die Bypass-Diode mit entgegengesetzter Polarität parallel zur Solarzelle geschaltet.

Unter normalen Bedingungen ohne Abschattung ist die Bypass-Diode in Sperrrichtung vorgespannt und wirkt als offener Stromkreis. Wenn jedoch in der in Reihe geschalteten Zellenkette eine Abschattung auftritt, wird die abgeschattete Zelle in Sperrrichtung vorgespannt, und dies wirkt als Vorwärtsvorspannung auf die Bypass-Diode, da sie mit einer entgegengesetzten Polarität zur Solarzelle verbunden ist.

Jetzt leitet die Bypass-Diode dieser schattierten Zelle den Strom durch sie und nicht durch die schattierte Zelle. Somit umgeht die Diode die Zelle und vermeidet Schäden durch Überhitzung, daher der Name Bypass-Diode. Idealerweise sollte in einem Modul eine Diode pro Solarzelle vorhanden sein, aber um das Modul kostengünstig zu machen, wird eine Bypass-Diode für eine Reihenschaltung von 10-15 Zellen geschaltet.

Sperrdiode

In einem netzunabhängigen System werden die Module verwendet, um die Last mit Strom zu versorgen und die Batterie aufzuladen. In der Nacht, wenn kein Sonnenlicht vorhanden ist, produziert das Modul keine Energie und die Ladebatterien beginnen, die Last und das PV-Modul mit Strom zu versorgen. Die Stromversorgung des PV-Moduls ist verlustfrei. Um den Verlust zu vermeiden, wird eine Diode platziert, um den Stromfluss von der Batterie zum PV-Modul zu blockieren. Somit wird durch diese Diode der Leistungsverlust vermieden, indem der Stromfluss von der Batterie zum Modul blockiert wird.

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

Wir haben dieses Thema bereits sehr gut in unserem vorherigen Beitrag mit der Bezeichnung Serien-, Parallel- und Serien-Parallel-Verbindung von PV-Modulen erklärt . Sie können Solarmodul-Strings und Reihen-Arrays, Parallel-Arrays oder eine Kombination aus Reihen- und Parallel-String und Arrays verdrahten.