Солнечная фотоэлектрическая батарея
Если фотоэлектрические солнечные панели состоят из отдельных фотоэлектрических элементов, соединенных между собой, то Солнечная фотоэлектрическая батарея, также известный просто как Солнечная батарея представляет собой систему, состоящую из группы солнечных панелей, соединенных между собой.
Таким образом, фотоэлектрический массив представляет собой несколько солнечных панелей, соединенных электрически вместе, чтобы сформировать гораздо более крупную фотоэлектрическую установку (фотоэлектрическую систему), называемую массивом, и в целом, чем больше общая площадь поверхности массива, тем больше солнечной электроэнергии он будет производить.
В полной фотоэлектрической системе в качестве основного источника электроэнергии используется фотоэлектрическая батарея. Количество солнечной энергии, производимой одной фотоэлектрической панелью или модулем, недостаточно для общего использования.
Большинство производителей выпускают стандартную фотоэлектрическую панель с выходным напряжением 12В или 24В. Соединяя множество отдельных фотоэлектрических панелей последовательно (для более высокого требования к напряжению) и параллельно (для более высокого требования к току), фотоэлектрический массив будет производить желаемую выходную мощность.
Фотоэлектрическая солнечная батарея
Фотоэлектрические элементы и панели преобразуют солнечную энергию в электричество постоянного тока (DC). Подключение солнечных панелей в одном фотоэлектрическом массиве такое же, как и подключение фотоэлектрических элементов в одной панели.
Панели в массиве могут быть электрически соединены друг с другом последовательно, параллельно или комбинацией того и другого, но обычно последовательное соединение выбирается для получения повышенного выходного напряжения. Например, когда две солнечные панели соединены друг с другом последовательно, их напряжение удваивается, а ток остается прежним.
Размер фотоэлектрической батареи может состоять из нескольких отдельных фотоэлектрических модулей или панелей, соединенных вместе в городской среде и установленных на крыше, или может состоять из многих сотен фотоэлектрических панелей, соединенных между собой в поле для обеспечения энергией целого города или района. Гибкость модульной фотоэлектрической батареи (фотоэлектрической системы) позволяет проектировщикам создавать солнечные энергетические системы, которые могут удовлетворить широкий спектр электрических потребностей, независимо от того, насколько они велики или малы.
Важно отметить, что фотоэлектрические панели или модули разных производителей не должны смешиваться вместе в единый массив, даже если их выходы по мощности, напряжению или току номинально схожи. Это связано с тем, что различия в вольт-амперных характеристиках солнечных батарей, а также в их спектральном отклике, вероятно, приведут к дополнительным потерям в несоответствии внутри массива, тем самым снижая его общую эффективность.
Электрические характеристики фотоэлектрической матрицы
Электрические характеристики фотоэлектрической батареи суммируются в соотношении между выходным током и напряжением. Величина и интенсивность солнечной инсоляции (солнечного излучения) контролирует величину выходного тока (I), а рабочая температура солнечных батарей влияет на выходное напряжение (В) фотоэлектрической батареи. Кривые фотоэлектрических панелей (ВАХ), которые суммируют соотношение между током и напряжением, даны производителями и представлены в виде:
Параметры солнечной батареи
VOC = напряжение холостого хода: – Это максимальное напряжение, которое массив выдает, когда клеммы не подключены к какой-либо нагрузке (состояние обрыва цепи). Эта величина значительно выше, чем Vmax, которая относится к работе фотогальванического массива, который фиксируется нагрузкой. Эта величина зависит от количества фотоэлектрических панелей, соединенных вместе последовательно.
ISC = ток короткого замыкания – Максимальный ток, выдаваемый фотогальванической матрицей при коротком замыкании выходных разъемов (состояние короткого замыкания). Эта величина намного выше, чем у IMAX, которая относится к нормальному рабочему току цепи.
Pmax = максимальная мощность точки – Это относится к точке, где мощность, подаваемая массивом, подключенным к нагрузке (батареями, инверторами), находится на максимальном значении, где Pmax = Imax x Vmax. Максимальная мощность фотоэлектрической батареи измеряется в ваттах (Вт) или пиковых ваттах (Вт).
FF = коэффициент заполнения – Коэффициент заполнения — это отношение между максимальной мощностью, которую массив может фактически обеспечить при нормальных условиях эксплуатации, и произведением напряжения холостого хода на ток короткого замыкания ( Voc x Isc ) Это значение коэффициента заполнения дает представление о качестве массива и чем ближе коэффициент заполнения к 1 (единица), тем большую мощность может обеспечить массив. Типичные значения находятся в диапазоне от 0,7 до 0,8.
% эффективности = процент эффективности – КПД фотоэлектрической батареи — это соотношение между максимальной электрической мощностью, которую может произвести массив, и количеством солнечного излучения, попадающего на массив. КПД типичной солнечной батареи обычно низок и составляет около 10-12%, в зависимости от типа используемых ячеек (монокристаллические, поликристаллические, аморфные или тонкопленочные).
Кривые вольт-амперных характеристик представляют собой информацию, необходимую проектировщикам для конфигурирования систем, которые могут работать максимально близко к максимальной пиковой точке мощности. Пиковая точка мощности измеряется тем, что фотоэлектрический модуль вырабатывает максимальную мощность при воздействии солнечного излучения, эквивалентную 1000 Вт на квадратный метр, 1000 Вт/м2 или 1 кВт/м2. Рассмотрим схему ниже.
Подключения к фотоэлектрическим массивам
Этот простой фотоэлектрический массив состоит из четырех фотоэлектрических модулей, как показано на рисунке, образующих две параллельные ветви, в которых есть две фотоэлектрические панели, которые электрически соединены друг с другом для создания последовательной цепи. Таким образом, выходное напряжение от массива будет равно последовательному соединению фотоэлектрических панелей, и в нашем примере выше оно рассчитывается как: Vout = 12 В + 12 В = 24 Вольт.
Выходной ток будет равен сумме токов параллельных ветвей. Если мы предположим, что каждая фотоэлектрическая панель производит 3,75 ампера при полном солнце, общий ток ( IT ) будет равен: IT = 3,75 А + 3,75 А = 7,5 ампер. Тогда максимальная мощность фотоэлектрической батареи при полном солнце может быть рассчитана следующим образом: Pout = V x I = 24 x 7,5 = 180 Вт.
Фотоэлектрический массив достигает максимальной мощности в 180 Вт при полном солнечном свете, потому что максимальная выходная мощность каждой фотоэлектрической панели или модуля равна 45 Вт (12 В x 3,75 А). Однако из-за разного уровня солнечной радиации, температурного эффекта, электрических потерь и т.д., реальная максимальная выходная мощность обычно намного меньше расчетных 180 Вт. Затем мы можем представить характеристики нашей фотоэлектрической матрицы как таковые.
Характеристики фотоэлектрической матрицы
Байпасные диоды в фотоэлектрических массивах
Фотоэлектрические элементы и диоды представляют собой полупроводниковые устройства, изготовленные из кремниевого материала P-типа и кремниевого материала N-типа, сплавленных вместе. В отличие от фотоэлектрических элементов, которые генерируют напряжение при воздействии света, диоды с PN-переходом действуют как твердотельный односторонний электрический клапан, который позволяет электрическому току протекать через себя только в одном направлении.
Преимущество этого заключается в том, что диоды можно использовать для блокировки потока электрического тока от других частей электрической солнечной цепи. При использовании в фотоэлектрических солнечных батареях эти типы кремниевых диодов обычно называются блокирующими диодами.
В предыдущем уроке о фотоэлектрических панелях мы видели, что «байпасные диоды» используются параллельно с одним или несколькими фотоэлектрическими солнечными элементами, чтобы предотвратить перегрев тока от хороших, хорошо подверженных воздействию солнечного света фотоэлектрических элементов и выжигание слабых или частично затененных фотоэлектрических элементов, обеспечивая путь тока вокруг поврежденного элемента. Блокирующие диоды используются иначе, чем байпасные диоды.
Байпасные диоды обычно подключаются «параллельно» фотоэлектрическому элементу или панели для шунтирования тока вокруг него, в то время как блокирующие диоды подключаются «последовательно» с фотоэлектрическими панелями, чтобы предотвратить обратный поток тока в них. Таким образом, блокирующие диоды отличаются от байпасных диодов, хотя в большинстве случаев диод физически один и тот же, но они установлены по-другому и служат другой цели. Рассмотрим нашу фотоэлектрическую солнечную батарею ниже.
Диоды в фотоэлектрических массивах
Как мы уже говорили ранее, диоды — это устройства, которые позволяют току течь только в одном направлении. Диоды, окрашенные в зеленый цвет, представляют собой знакомые байпасные диоды, расположенные параллельно каждой фотоэлектрической панели, чтобы обеспечить путь с низким сопротивлением вокруг панели. Тем не менее, два диода, окрашенные в красный цвет, называются «блокирующими диодами», по одному последовательно с каждой последовательной ветвью. Эти блокирующие диоды гарантируют, что электрический ток будет протекать только из последовательного массива на внешнюю нагрузку, контроллер или батареи.
Причина этого заключается в том, чтобы предотвратить обратный поток тока, генерируемого другими параллельно соединенными фотоэлектрическими панелями в том же массиве, через более слабую (затененную) сеть, а также предотвратить разрядку полностью заряженных батарей или их обратное течение через фотоэлектрический массив в ночное время. Таким образом, когда несколько фотоэлектрических панелей подключены параллельно, в каждой параллельно подключенной ветви следует использовать блокирующие диоды.
Вообще говоря, блокирующие диоды используются в фотоэлектрических массивах, когда есть два или более параллельных ответвления или есть вероятность, что часть массива будет частично затеняться в течение дня при движении солнца по небу. Размер и тип используемого блокирующего диода зависят от типа фотоэлектрической матрицы. Для солнечных электростанций доступны два типа диодов: кремниевый диод с PN-переходом и барьерный диод Шоттки. Оба доступны с широким диапазоном номинальных значений тока.
Барьерный диод Шоттки имеет гораздо более низкое прямое падение напряжения — около 0,4 вольта, в отличие от диодов PN с падением напряжения 0,7 вольта для кремниевого устройства. Это более низкое падение напряжения позволяет сэкономить одну полную фотоэлектрическую ячейку в каждой последовательной ветви солнечной батареи, следовательно, массив более эффективен, поскольку меньше энергии рассеивается в блокирующем диоде. Большинство производителей включают блокирующие диоды в свои фотоэлектрические модули, упрощая конструкцию.
Соберите свой собственный фотоэлектрический массив
Количество получаемого солнечного излучения и ежедневная потребность в энергии являются двумя определяющими факторами при проектировании фотоэлектрической батареи и солнечных энергетических систем. Фотоэлектрический массив должен иметь размер, чтобы удовлетворять спрос на нагрузку и учитывать любые потери в системе, в то время как затенение любой части солнечной батареи значительно снизит производительность всей системы.
Если солнечные панели электрически соединены друг с другом последовательно, ток будет одинаковым в каждой панели, а если панели частично затенены, они не смогут производить одинаковое количество тока. Кроме того, затененные фотоэлектрические панели будут рассеивать энергию и отходы в виде тепла, а не генерировать его, и использование байпасных диодов поможет предотвратить такие проблемы, обеспечивая альтернативный путь тока.
Блокирующие диоды не требуются в полностью последовательно подключенной системе, но их следует использовать для предотвращения обратного течения тока от батарей обратно к массиву в ночное время или при низкой солнечной освещенности. При проектировании необходимо учитывать и другие климатические условия, помимо солнечного света.
Поскольку выходное напряжение кремниевого солнечного элемента является параметром, связанным с температурой, проектировщик должен быть осведомлен о преобладающих суточных температурах, как экстремальных (высоких и низких), так и сезонных колебаниях. Кроме того, при проектировании монтажной конструкции необходимо учитывать дождь и снегопад. Ветровая нагрузка особенно важна при установке на горных вершинах.
В нашем следующем уроке по «Солнечной энергии» мы рассмотрим, как мы можем использовать полупроводниковые фотоэлектрические массивы и солнечные батареи как часть автономной фотоэлектрической системы для выработки энергии для автономных приложений.
Если фотоэлектрические солнечные панели состоят из отдельных фотоэлектрических элементов, соединенных между собой, то Солнечная фотоэлектрическая батарея, также известный просто как Солнечная батарея представляет собой систему, состоящую из группы солнечных панелей, соединенных между собой.
Таким образом, фотоэлектрический массив представляет собой несколько солнечных панелей, соединенных электрически вместе, чтобы сформировать гораздо более крупную фотоэлектрическую установку (фотоэлектрическую систему), называемую массивом, и в целом, чем больше общая площадь поверхности массива, тем больше солнечной электроэнергии он будет производить.
В полной фотоэлектрической системе в качестве основного источника электроэнергии используется фотоэлектрическая батарея. Количество солнечной энергии, производимой одной фотоэлектрической панелью или модулем, недостаточно для общего использования.
Большинство производителей выпускают стандартную фотоэлектрическую панель с выходным напряжением 12В или 24В. Соединяя множество отдельных фотоэлектрических панелей последовательно (для более высокого требования к напряжению) и параллельно (для более высокого требования к току), фотоэлектрический массив будет производить желаемую выходную мощность.
Фотоэлектрическая солнечная батарея
Фотоэлектрические элементы и панели преобразуют солнечную энергию в электричество постоянного тока (DC). Подключение солнечных панелей в одном фотоэлектрическом массиве такое же, как и подключение фотоэлектрических элементов в одной панели.
Панели в массиве могут быть электрически соединены друг с другом последовательно, параллельно или комбинацией того и другого, но обычно последовательное соединение выбирается для получения повышенного выходного напряжения. Например, когда две солнечные панели соединены друг с другом последовательно, их напряжение удваивается, а ток остается прежним.
Размер фотоэлектрической батареи может состоять из нескольких отдельных фотоэлектрических модулей или панелей, соединенных вместе в городской среде и установленных на крыше, или может состоять из многих сотен фотоэлектрических панелей, соединенных между собой в поле для обеспечения энергией целого города или района. Гибкость модульной фотоэлектрической батареи (фотоэлектрической системы) позволяет проектировщикам создавать солнечные энергетические системы, которые могут удовлетворить широкий спектр электрических потребностей, независимо от того, насколько они велики или малы.
Важно отметить, что фотоэлектрические панели или модули разных производителей не должны смешиваться вместе в единый массив, даже если их выходы по мощности, напряжению или току номинально схожи. Это связано с тем, что различия в вольт-амперных характеристиках солнечных батарей, а также в их спектральном отклике, вероятно, приведут к дополнительным потерям в несоответствии внутри массива, тем самым снижая его общую эффективность.
Электрические характеристики фотоэлектрической матрицы
Электрические характеристики фотоэлектрической батареи суммируются в соотношении между выходным током и напряжением. Величина и интенсивность солнечной инсоляции (солнечного излучения) контролирует величину выходного тока (I), а рабочая температура солнечных батарей влияет на выходное напряжение (В) фотоэлектрической батареи. Кривые фотоэлектрических панелей (ВАХ), которые суммируют соотношение между током и напряжением, даны производителями и представлены в виде:
Параметры солнечной батареи
VOC = напряжение холостого хода: – Это максимальное напряжение, которое массив выдает, когда клеммы не подключены к какой-либо нагрузке (состояние обрыва цепи). Эта величина значительно выше, чем Vmax, которая относится к работе фотогальванического массива, который фиксируется нагрузкой. Эта величина зависит от количества фотоэлектрических панелей, соединенных вместе последовательно.
ISC = ток короткого замыкания – Максимальный ток, выдаваемый фотогальванической матрицей при коротком замыкании выходных разъемов (состояние короткого замыкания). Эта величина намного выше, чем у IMAX, которая относится к нормальному рабочему току цепи.
Pmax = максимальная мощность точки – Это относится к точке, где мощность, подаваемая массивом, подключенным к нагрузке (батареями, инверторами), находится на максимальном значении, где Pmax = Imax x Vmax. Максимальная мощность фотоэлектрической батареи измеряется в ваттах (Вт) или пиковых ваттах (Вт).
FF = коэффициент заполнения – Коэффициент заполнения — это отношение между максимальной мощностью, которую массив может фактически обеспечить при нормальных условиях эксплуатации, и произведением напряжения холостого хода на ток короткого замыкания ( Voc x Isc ) Это значение коэффициента заполнения дает представление о качестве массива и чем ближе коэффициент заполнения к 1 (единица), тем большую мощность может обеспечить массив. Типичные значения находятся в диапазоне от 0,7 до 0,8.
% эффективности = процент эффективности – КПД фотоэлектрической батареи — это соотношение между максимальной электрической мощностью, которую может произвести массив, и количеством солнечного излучения, попадающего на массив. КПД типичной солнечной батареи обычно низок и составляет около 10-12%, в зависимости от типа используемых ячеек (монокристаллические, поликристаллические, аморфные или тонкопленочные).
Кривые вольт-амперных характеристик представляют собой информацию, необходимую проектировщикам для конфигурирования систем, которые могут работать максимально близко к максимальной пиковой точке мощности. Пиковая точка мощности измеряется тем, что фотоэлектрический модуль вырабатывает максимальную мощность при воздействии солнечного излучения, эквивалентную 1000 Вт на квадратный метр, 1000 Вт/м2 или 1 кВт/м2. Рассмотрим схему ниже.
Подключения к фотоэлектрическим массивам
Этот простой фотоэлектрический массив состоит из четырех фотоэлектрических модулей, как показано на рисунке, образующих две параллельные ветви, в которых есть две фотоэлектрические панели, которые электрически соединены друг с другом для создания последовательной цепи. Таким образом, выходное напряжение от массива будет равно последовательному соединению фотоэлектрических панелей, и в нашем примере выше оно рассчитывается как: Vout = 12 В + 12 В = 24 Вольт.
Выходной ток будет равен сумме токов параллельных ветвей. Если мы предположим, что каждая фотоэлектрическая панель производит 3,75 ампера при полном солнце, общий ток ( IT ) будет равен: IT = 3,75 А + 3,75 А = 7,5 ампер. Тогда максимальная мощность фотоэлектрической батареи при полном солнце может быть рассчитана следующим образом: Pout = V x I = 24 x 7,5 = 180 Вт.
Фотоэлектрический массив достигает максимальной мощности в 180 Вт при полном солнечном свете, потому что максимальная выходная мощность каждой фотоэлектрической панели или модуля равна 45 Вт (12 В x 3,75 А). Однако из-за разного уровня солнечной радиации, температурного эффекта, электрических потерь и т.д., реальная максимальная выходная мощность обычно намного меньше расчетных 180 Вт. Затем мы можем представить характеристики нашей фотоэлектрической матрицы как таковые.
Характеристики фотоэлектрической матрицы
Байпасные диоды в фотоэлектрических массивах
Фотоэлектрические элементы и диоды представляют собой полупроводниковые устройства, изготовленные из кремниевого материала P-типа и кремниевого материала N-типа, сплавленных вместе. В отличие от фотоэлектрических элементов, которые генерируют напряжение при воздействии света, диоды с PN-переходом действуют как твердотельный односторонний электрический клапан, который позволяет электрическому току протекать через себя только в одном направлении.
Преимущество этого заключается в том, что диоды можно использовать для блокировки потока электрического тока от других частей электрической солнечной цепи. При использовании в фотоэлектрических солнечных батареях эти типы кремниевых диодов обычно называются блокирующими диодами.
В предыдущем уроке о фотоэлектрических панелях мы видели, что «байпасные диоды» используются параллельно с одним или несколькими фотоэлектрическими солнечными элементами, чтобы предотвратить перегрев тока от хороших, хорошо подверженных воздействию солнечного света фотоэлектрических элементов и выжигание слабых или частично затененных фотоэлектрических элементов, обеспечивая путь тока вокруг поврежденного элемента. Блокирующие диоды используются иначе, чем байпасные диоды.
Байпасные диоды обычно подключаются «параллельно» фотоэлектрическому элементу или панели для шунтирования тока вокруг него, в то время как блокирующие диоды подключаются «последовательно» с фотоэлектрическими панелями, чтобы предотвратить обратный поток тока в них. Таким образом, блокирующие диоды отличаются от байпасных диодов, хотя в большинстве случаев диод физически один и тот же, но они установлены по-другому и служат другой цели. Рассмотрим нашу фотоэлектрическую солнечную батарею ниже.
Диоды в фотоэлектрических массивах
Как мы уже говорили ранее, диоды — это устройства, которые позволяют току течь только в одном направлении. Диоды, окрашенные в зеленый цвет, представляют собой знакомые байпасные диоды, расположенные параллельно каждой фотоэлектрической панели, чтобы обеспечить путь с низким сопротивлением вокруг панели. Тем не менее, два диода, окрашенные в красный цвет, называются «блокирующими диодами», по одному последовательно с каждой последовательной ветвью. Эти блокирующие диоды гарантируют, что электрический ток будет протекать только из последовательного массива на внешнюю нагрузку, контроллер или батареи.
Причина этого заключается в том, чтобы предотвратить обратный поток тока, генерируемого другими параллельно соединенными фотоэлектрическими панелями в том же массиве, через более слабую (затененную) сеть, а также предотвратить разрядку полностью заряженных батарей или их обратное течение через фотоэлектрический массив в ночное время. Таким образом, когда несколько фотоэлектрических панелей подключены параллельно, в каждой параллельно подключенной ветви следует использовать блокирующие диоды.
Вообще говоря, блокирующие диоды используются в фотоэлектрических массивах, когда есть два или более параллельных ответвления или есть вероятность, что часть массива будет частично затеняться в течение дня при движении солнца по небу. Размер и тип используемого блокирующего диода зависят от типа фотоэлектрической матрицы. Для солнечных электростанций доступны два типа диодов: кремниевый диод с PN-переходом и барьерный диод Шоттки. Оба доступны с широким диапазоном номинальных значений тока.
Барьерный диод Шоттки имеет гораздо более низкое прямое падение напряжения — около 0,4 вольта, в отличие от диодов PN с падением напряжения 0,7 вольта для кремниевого устройства. Это более низкое падение напряжения позволяет сэкономить одну полную фотоэлектрическую ячейку в каждой последовательной ветви солнечной батареи, следовательно, массив более эффективен, поскольку меньше энергии рассеивается в блокирующем диоде. Большинство производителей включают блокирующие диоды в свои фотоэлектрические модули, упрощая конструкцию.
Соберите свой собственный фотоэлектрический массив
Количество получаемого солнечного излучения и ежедневная потребность в энергии являются двумя определяющими факторами при проектировании фотоэлектрической батареи и солнечных энергетических систем. Фотоэлектрический массив должен иметь размер, чтобы удовлетворять спрос на нагрузку и учитывать любые потери в системе, в то время как затенение любой части солнечной батареи значительно снизит производительность всей системы.
Если солнечные панели электрически соединены друг с другом последовательно, ток будет одинаковым в каждой панели, а если панели частично затенены, они не смогут производить одинаковое количество тока. Кроме того, затененные фотоэлектрические панели будут рассеивать энергию и отходы в виде тепла, а не генерировать его, и использование байпасных диодов поможет предотвратить такие проблемы, обеспечивая альтернативный путь тока.
Блокирующие диоды не требуются в полностью последовательно подключенной системе, но их следует использовать для предотвращения обратного течения тока от батарей обратно к массиву в ночное время или при низкой солнечной освещенности. При проектировании необходимо учитывать и другие климатические условия, помимо солнечного света.
Поскольку выходное напряжение кремниевого солнечного элемента является параметром, связанным с температурой, проектировщик должен быть осведомлен о преобладающих суточных температурах, как экстремальных (высоких и низких), так и сезонных колебаниях. Кроме того, при проектировании монтажной конструкции необходимо учитывать дождь и снегопад. Ветровая нагрузка особенно важна при установке на горных вершинах.
В нашем следующем уроке по «Солнечной энергии» мы рассмотрим, как мы можем использовать полупроводниковые фотоэлектрические массивы и солнечные батареи как часть автономной фотоэлектрической системы для выработки энергии для автономных приложений.