Солнечная фотоэлектрическая решетка
Если фотоэлектрические солнечные панели состоят из отдельных фотоэлектрических элементов, соединенных вместе, тоСолнечная фотоэлектрическая решетка, также известный просто какСолнечная батареяпредставляет собой систему, состоящую из группы солнечных панелей, соединенных вместе.
Таким образом, фотоэлектрическая решетка представляет собой несколько солнечных панелей, электрически соединенных вместе, чтобы сформировать гораздо большую фотоэлектрическую установку (фотоэлектрическую систему), называемую массивом, и в целом, чем больше общая площадь поверхности массива, тем больше солнечной электроэнергии он будет производить.
Полная фотоэлектрическая система использует фотоэлектрическую решетку в качестве основного источника для производства электроэнергии. Количество солнечной энергии, производимой одной фотоэлектрической панелью или модулем, недостаточно для общего использования.
Большинство производителей выпускают стандартные фотоэлектрические панели с выходным напряжением 12В или 24В. Соединяя множество одиночных фотоэлектрических панелей последовательно (для более высоких требований к напряжению) и параллельно (для более высоких требований к току), фотоэлектрический массив будет производить желаемую выходную мощность.
Фотоэлектрическая солнечная батарея
Фотоэлектрические элементы и панели преобразуют солнечную энергию в электричество постоянного тока (DC). Соединение солнечных панелей в одной фотоэлектрической решетке такое же, как и у фотоэлементов в одной панели.
Панели в массиве могут быть электрически соединены вместе либо последовательно, либо параллельно, либо в смеси двух, но, как правило, последовательное соединение выбирается для получения повышенного выходного напряжения. Например, когда две солнечные панели соединены вместе последовательно, их напряжение удваивается, а ток остается неизменным.
Размер фотоэлектрического массива 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 вместе в поле для подачи электроэнергии для целого города или района. Гибкость модульной фотоэлектрической решетки (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 одном массиве, даже если их мощность, напряжение или токовые выходы номинально похожи. Это связано с тем, что различия в кривых характеристик I-V солнечного элемента, а также их спектральный отклик, вероятно, вызовут дополнительные потери несоответствия внутри массива, тем самым снижая его общую эффективность.
Электрические характеристики фотоэлектрической решетки
Электрические характеристики фотоэлектрической решетки суммируются во взаимосвязи между выходным током и напряжением. Величина и интенсивность солнечной инсоляции (солнечного излучения) контролирует величину выходного тока (I), а рабочая температура солнечных элементов влияет на выходное напряжение (V) фотоэлектрической решетки. Кривые фотоэлектрических панелей (I-V), которые суммируют взаимосвязь между током и напряжением, даются производителями и даются как:
Параметры солнечной батареи
ЛОС = напряжение разомкнутой цепи:— Это максимальное напряжение, которое обеспечивает массив, когда клеммы не подключены к какой-либо нагрузке (условие разомкнутой цепи). Это значение намного выше, чем Vmax, который относится к работе PV-массива, который фиксируется нагрузкой. Это значение зависит от количества фотоэлектрических панелей, соединенных вместе последовательно.
ISC = ток короткого замыкания– Максимальный ток, обеспечиваемый фотоэлектрическим массивом, когда выходные разъемы замыкаются вместе (условие короткого замыкания). Это значение намного выше, чем Imax, который относится к нормальному току рабочей цепи.
Pmax = максимальная точка мощности— Это относится к точке, где питание, подаваемое массивом, который подключен к нагрузке (батареи, инверторы), находится на своем максимальном значении, где Pmax = Imax x Vmax. Максимальная точка мощности фотоэлектрической матрицы измеряется в ваттах (Вт) или пиковых ваттах (Wp).
FF = коэффициент заполнения –Коэффициент заполнения - это отношение между максимальной мощностью, которую массив может фактически обеспечить при нормальных рабочих условиях, и произведением напряжения разомкнутой цепи на ток короткого замыкания, ( Voc x Isc ) Это значение коэффициента заполнения дает представление о качестве массива и чем ближе коэффициент заполнения к 1 (единица), чем больше мощности может обеспечить массив. Типичные значения: от 0,7 до 0,8.
% eff = процент КПД –Эффективность фотоэлектрической решетки представляет собой соотношение между максимальной электрической мощностью, которую массив может произвести, и количеством солнечного излучения, попадающего на массив. Эффективность типичной солнечной батареи обычно низкая и составляет около 10-12%, в зависимости от типа используемых ячеек (монокристаллических, поликристаллических, аморфных или тонкопленочных).
Кривые характеристик фотоэлектрических I-V предоставляют разработчикам информацию, необходимую для настройки систем, которые могут работать как можно ближе к максимальной пиковой точке мощности. Пиковая точка мощности измеряется, когда фотоэлектрический модуль производит свое максимальное количество энергии при воздействии солнечного излучения, эквивалентное 1000 Вт на квадратный метр, 1000 Вт / м2 или 1 кВт / м2. Рассмотрим схему ниже.
Соединения фотоэлектрических матриц
Этот простой фотоэлектрический массив выше состоит из четырех фотоэлектрических модулей, как показано на рисунке, создавая две параллельные ветви, в которых есть две фотоэлектрические панели, которые электрически соединены вместе для создания последовательной схемы. Таким образом, выходное напряжение от массива будет равно последовательному соединению фотоэлектрических панелей, и в нашем примере выше оно вычисляется следующим образом: Vout = 12V + 12V = 24 Volts.
Выходной ток будет равен сумме токов параллельных ветвей. Если предположить, что каждая фотоэлектрическая панель производит 3,75 ампера при полном солнце, то суммарный ток (IT) будет равен: IT = 3,75A + 3,75A = 7,5 А. Тогда максимальная мощность фотоэлектрического массива при полном солнце может быть рассчитана следующим образом: Pout = V x I = 24 x 7,5 = 180 Вт.
Фотоэлектрический массив достигает максимума в 180 Вт на полном солнце, поскольку максимальная выходная мощность каждой фотоэлектрической панели или модуля равна 45 Вт (12 В x 3,75 А). Однако из-за различных уровней солнечной радиации, температурного эффекта, электрических потерь и т. Д. Реальная максимальная выходная мощность обычно намного меньше, чем расчетные 180 Вт. Затем мы можем представить наши характеристики фотоэлектрического массива как существующие.
Характеристики фотоэлектрических матриц
Байпас диодов в фотоэлектрических матрицах
Фотоэлектрические элементы и диоды представляют собой полупроводниковые устройства, изготовленные из кремниевого материала P-типа и кремниевого материала N-типа, слитого вместе. В отличие от фотоэлектрической ячейки, которая генерирует напряжение при воздействии света, диоды PN-переходов действуют как твердотельный односторонний электрический клапан, который позволяет электрическому току протекать через себя только в одном направлении.
Преимущество этого заключается в том, что диоды могут использоваться для блокирования потока электрического тока от других частей электрической солнечной цепи. При использовании в фотоэлектрической солнечной батарее эти типы кремниевых диодов обычно называются блокирующими диодами.
В предыдущем уроке о фотоэлектрических панелях мы увидели, что «байпасные диоды» используются параллельно с одним или несколькими фотоэлектрическими солнечными элементами, чтобы предотвратить поток тока (ов) от хорошего, хорошо подверженного воздействию солнечного света фотоэлементов, перегрева и выгорания слабых или частично затененных фотоэлектрических элементов, обеспечивая путь тока вокруг плохой ячейки. Блокирующие диоды используются иначе, чем байпасные диоды.
Байпасные диоды обычно соединяются «параллельно» с фотоэлектрической ячейкой или панелью для шунтирования тока вокруг нее, тогда как блокирующие диоды соединяются «последовательно» с фотоэлектрическими панелями, чтобы предотвратить поток тока обратно в них. Поэтому блокирующие диоды отличаются от байпасных диодов, хотя в большинстве случаев диод физически одинаков, но они установлены по-разному и служат другой цели. Рассмотрим нашу фотоэлектрическую солнечную батарею ниже.
Диоды в фотоэлектрических матрицах
Как мы уже говорили ранее, диоды — это устройства, которые позволяют току течь только в одном направлении. Диоды, окрашенные в зеленый цвет, являются знакомыми байпасными диодами, по одному параллельно с каждой фотоэлектрической панелью, чтобы обеспечить низкий путь сопротивления вокруг панели. Тем не менее, два диода, окрашенные в красный цвет, называются «блокирующими диодами», по одному в ряду с каждой ветвью серии. Эти блокирующие диоды гарантируют, что электрический ток выходит только из массива серии к внешней нагрузке, контроллеру или батареям.
Причина этого заключается в том, чтобы предотвратить ток, генерируемый другими параллельно подключенными фотоэлектрическими панелями в том же массиве, протекающим обратно через более слабую (затененную) сеть, а также предотвратить разрядку или разрядку полностью заряженных батарей через фотоэлектрический массив ночью. Поэтому, когда несколько фотоэлектрических панелей соединены параллельно, блокирующие диоды должны использоваться в каждой параллельно подключенной ветви.
Вообще говоря, блокирующие диоды используются в фотоэлектрических массивах, когда есть две или более параллельных ветвей или есть вероятность, что некоторые из массивов станут частично затененными в течение дня, когда солнце движется по небу. Размер и тип используемого блокирующего диода зависит от типа фотоэлектрической решетки. Для солнечных батарей доступны два типа диодов: кремниевый диод PN-перехода и барьерный диод Шоттки. Оба доступны с широким диапазоном текущих рейтингов.
Барьерный диод Шоттки имеет гораздо более низкое падение прямого напряжения около 0,4 вольта, в отличие от PN-диодов 0,7 вольт для кремниевого устройства. Это более низкое падение напряжения позволяет сэкономить один полный фотоэлектрический элемент в каждой последовательной ветви солнечной батареи, поэтому массив более эффективен, поскольку в блокирующем диоде рассеивается меньше энергии. Большинство производителей включают блокирующие диоды в свои фотоэлектрические модули, упрощая конструкцию.
Создайте свой собственный фотоэлектрический массив
Количество получаемой солнечной радиации и суточная потребность в энергии являются двумя контролирующими факторами при проектировании фотоэлектрической решетки и солнечных энергетических систем. Фотоэлектрическая решетка должна быть рассчитана на удовлетворение потребностей в нагрузке и учитывать любые потери системы, в то время как затенение любой части солнечной батареи значительно снизит выход всей системы.
Если солнечные панели электрически соединены вместе последовательно, ток будет одинаковым в каждой панели, и если панели частично затенены, они не могут производить одинаковое количество тока. Кроме того, затененные фотоэлектрические панели будут рассеивать энергию и отходы в виде тепла, а не генерировать его, а использование байпасных диодов поможет предотвратить такие проблемы, обеспечив альтернативный путь тока.
Блокирующие диоды не требуются в полностью последовательно подключенной системе, но должны использоваться для предотвращения обратного потока тока от батарей обратно к массиву в течение ночи или при низком солнечном излучении. Другие климатические условия, кроме солнечного света, должны быть учтены в любом дизайне.
Поскольку выходное напряжение кремниевого солнечного элемента является параметром, связанным с температурой, дизайнер должен знать о преобладающих суточных температурах, как экстремальных (высоких и низких), так и сезонных колебаниях. Кроме того, дождь и снегопад необходимо учитывать при проектировании монтажной конструкции. Ветровая нагрузка особенно важна в горных вершинах.
В нашем следующем уроке о «Солнечной энергии» мы рассмотрим, как мы можем использовать полупроводниковые фотоэлектрические батареи и солнечные панели как часть автономной фотоэлектрической системы для выработки энергии для автономных приложений.
Если фотоэлектрические солнечные панели состоят из отдельных фотоэлектрических элементов, соединенных вместе, тоСолнечная фотоэлектрическая решетка, также известный просто какСолнечная батареяпредставляет собой систему, состоящую из группы солнечных панелей, соединенных вместе.
Таким образом, фотоэлектрическая решетка представляет собой несколько солнечных панелей, электрически соединенных вместе, чтобы сформировать гораздо большую фотоэлектрическую установку (фотоэлектрическую систему), называемую массивом, и в целом, чем больше общая площадь поверхности массива, тем больше солнечной электроэнергии он будет производить.
Полная фотоэлектрическая система использует фотоэлектрическую решетку в качестве основного источника для производства электроэнергии. Количество солнечной энергии, производимой одной фотоэлектрической панелью или модулем, недостаточно для общего использования.
Большинство производителей выпускают стандартные фотоэлектрические панели с выходным напряжением 12В или 24В. Соединяя множество одиночных фотоэлектрических панелей последовательно (для более высоких требований к напряжению) и параллельно (для более высоких требований к току), фотоэлектрический массив будет производить желаемую выходную мощность.
Фотоэлектрическая солнечная батарея
Фотоэлектрические элементы и панели преобразуют солнечную энергию в электричество постоянного тока (DC). Соединение солнечных панелей в одной фотоэлектрической решетке такое же, как и у фотоэлементов в одной панели.
Панели в массиве могут быть электрически соединены вместе либо последовательно, либо параллельно, либо в смеси двух, но, как правило, последовательное соединение выбирается для получения повышенного выходного напряжения. Например, когда две солнечные панели соединены вместе последовательно, их напряжение удваивается, а ток остается неизменным.
Размер фотоэлектрического массива 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 вместе в поле для подачи электроэнергии для целого города или района. Гибкость модульной фотоэлектрической решетки (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 одном массиве, даже если их мощность, напряжение или токовые выходы номинально похожи. Это связано с тем, что различия в кривых характеристик I-V солнечного элемента, а также их спектральный отклик, вероятно, вызовут дополнительные потери несоответствия внутри массива, тем самым снижая его общую эффективность.
Электрические характеристики фотоэлектрической решетки
Электрические характеристики фотоэлектрической решетки суммируются во взаимосвязи между выходным током и напряжением. Величина и интенсивность солнечной инсоляции (солнечного излучения) контролирует величину выходного тока (I), а рабочая температура солнечных элементов влияет на выходное напряжение (V) фотоэлектрической решетки. Кривые фотоэлектрических панелей (I-V), которые суммируют взаимосвязь между током и напряжением, даются производителями и даются как:
Параметры солнечной батареи
ЛОС = напряжение разомкнутой цепи:— Это максимальное напряжение, которое обеспечивает массив, когда клеммы не подключены к какой-либо нагрузке (условие разомкнутой цепи). Это значение намного выше, чем Vmax, который относится к работе PV-массива, который фиксируется нагрузкой. Это значение зависит от количества фотоэлектрических панелей, соединенных вместе последовательно.
ISC = ток короткого замыкания– Максимальный ток, обеспечиваемый фотоэлектрическим массивом, когда выходные разъемы замыкаются вместе (условие короткого замыкания). Это значение намного выше, чем Imax, который относится к нормальному току рабочей цепи.
Pmax = максимальная точка мощности— Это относится к точке, где питание, подаваемое массивом, который подключен к нагрузке (батареи, инверторы), находится на своем максимальном значении, где Pmax = Imax x Vmax. Максимальная точка мощности фотоэлектрической матрицы измеряется в ваттах (Вт) или пиковых ваттах (Wp).
FF = коэффициент заполнения –Коэффициент заполнения - это отношение между максимальной мощностью, которую массив может фактически обеспечить при нормальных рабочих условиях, и произведением напряжения разомкнутой цепи на ток короткого замыкания, ( Voc x Isc ) Это значение коэффициента заполнения дает представление о качестве массива и чем ближе коэффициент заполнения к 1 (единица), чем больше мощности может обеспечить массив. Типичные значения: от 0,7 до 0,8.
% eff = процент КПД –Эффективность фотоэлектрической решетки представляет собой соотношение между максимальной электрической мощностью, которую массив может произвести, и количеством солнечного излучения, попадающего на массив. Эффективность типичной солнечной батареи обычно низкая и составляет около 10-12%, в зависимости от типа используемых ячеек (монокристаллических, поликристаллических, аморфных или тонкопленочных).
Кривые характеристик фотоэлектрических I-V предоставляют разработчикам информацию, необходимую для настройки систем, которые могут работать как можно ближе к максимальной пиковой точке мощности. Пиковая точка мощности измеряется, когда фотоэлектрический модуль производит свое максимальное количество энергии при воздействии солнечного излучения, эквивалентное 1000 Вт на квадратный метр, 1000 Вт / м2 или 1 кВт / м2. Рассмотрим схему ниже.
Соединения фотоэлектрических матриц
Этот простой фотоэлектрический массив выше состоит из четырех фотоэлектрических модулей, как показано на рисунке, создавая две параллельные ветви, в которых есть две фотоэлектрические панели, которые электрически соединены вместе для создания последовательной схемы. Таким образом, выходное напряжение от массива будет равно последовательному соединению фотоэлектрических панелей, и в нашем примере выше оно вычисляется следующим образом: Vout = 12V + 12V = 24 Volts.
Выходной ток будет равен сумме токов параллельных ветвей. Если предположить, что каждая фотоэлектрическая панель производит 3,75 ампера при полном солнце, то суммарный ток (IT) будет равен: IT = 3,75A + 3,75A = 7,5 А. Тогда максимальная мощность фотоэлектрического массива при полном солнце может быть рассчитана следующим образом: Pout = V x I = 24 x 7,5 = 180 Вт.
Фотоэлектрический массив достигает максимума в 180 Вт на полном солнце, поскольку максимальная выходная мощность каждой фотоэлектрической панели или модуля равна 45 Вт (12 В x 3,75 А). Однако из-за различных уровней солнечной радиации, температурного эффекта, электрических потерь и т. Д. Реальная максимальная выходная мощность обычно намного меньше, чем расчетные 180 Вт. Затем мы можем представить наши характеристики фотоэлектрического массива как существующие.
Характеристики фотоэлектрических матриц
Байпас диодов в фотоэлектрических матрицах
Фотоэлектрические элементы и диоды представляют собой полупроводниковые устройства, изготовленные из кремниевого материала P-типа и кремниевого материала N-типа, слитого вместе. В отличие от фотоэлектрической ячейки, которая генерирует напряжение при воздействии света, диоды PN-переходов действуют как твердотельный односторонний электрический клапан, который позволяет электрическому току протекать через себя только в одном направлении.
Преимущество этого заключается в том, что диоды могут использоваться для блокирования потока электрического тока от других частей электрической солнечной цепи. При использовании в фотоэлектрической солнечной батарее эти типы кремниевых диодов обычно называются блокирующими диодами.
В предыдущем уроке о фотоэлектрических панелях мы увидели, что «байпасные диоды» используются параллельно с одним или несколькими фотоэлектрическими солнечными элементами, чтобы предотвратить поток тока (ов) от хорошего, хорошо подверженного воздействию солнечного света фотоэлементов, перегрева и выгорания слабых или частично затененных фотоэлектрических элементов, обеспечивая путь тока вокруг плохой ячейки. Блокирующие диоды используются иначе, чем байпасные диоды.
Байпасные диоды обычно соединяются «параллельно» с фотоэлектрической ячейкой или панелью для шунтирования тока вокруг нее, тогда как блокирующие диоды соединяются «последовательно» с фотоэлектрическими панелями, чтобы предотвратить поток тока обратно в них. Поэтому блокирующие диоды отличаются от байпасных диодов, хотя в большинстве случаев диод физически одинаков, но они установлены по-разному и служат другой цели. Рассмотрим нашу фотоэлектрическую солнечную батарею ниже.
Диоды в фотоэлектрических матрицах
Как мы уже говорили ранее, диоды — это устройства, которые позволяют току течь только в одном направлении. Диоды, окрашенные в зеленый цвет, являются знакомыми байпасными диодами, по одному параллельно с каждой фотоэлектрической панелью, чтобы обеспечить низкий путь сопротивления вокруг панели. Тем не менее, два диода, окрашенные в красный цвет, называются «блокирующими диодами», по одному в ряду с каждой ветвью серии. Эти блокирующие диоды гарантируют, что электрический ток выходит только из массива серии к внешней нагрузке, контроллеру или батареям.
Причина этого заключается в том, чтобы предотвратить ток, генерируемый другими параллельно подключенными фотоэлектрическими панелями в том же массиве, протекающим обратно через более слабую (затененную) сеть, а также предотвратить разрядку или разрядку полностью заряженных батарей через фотоэлектрический массив ночью. Поэтому, когда несколько фотоэлектрических панелей соединены параллельно, блокирующие диоды должны использоваться в каждой параллельно подключенной ветви.
Вообще говоря, блокирующие диоды используются в фотоэлектрических массивах, когда есть две или более параллельных ветвей или есть вероятность, что некоторые из массивов станут частично затененными в течение дня, когда солнце движется по небу. Размер и тип используемого блокирующего диода зависит от типа фотоэлектрической решетки. Для солнечных батарей доступны два типа диодов: кремниевый диод PN-перехода и барьерный диод Шоттки. Оба доступны с широким диапазоном текущих рейтингов.
Барьерный диод Шоттки имеет гораздо более низкое падение прямого напряжения около 0,4 вольта, в отличие от PN-диодов 0,7 вольт для кремниевого устройства. Это более низкое падение напряжения позволяет сэкономить один полный фотоэлектрический элемент в каждой последовательной ветви солнечной батареи, поэтому массив более эффективен, поскольку в блокирующем диоде рассеивается меньше энергии. Большинство производителей включают блокирующие диоды в свои фотоэлектрические модули, упрощая конструкцию.
Создайте свой собственный фотоэлектрический массив
Количество получаемой солнечной радиации и суточная потребность в энергии являются двумя контролирующими факторами при проектировании фотоэлектрической решетки и солнечных энергетических систем. Фотоэлектрическая решетка должна быть рассчитана на удовлетворение потребностей в нагрузке и учитывать любые потери системы, в то время как затенение любой части солнечной батареи значительно снизит выход всей системы.
Если солнечные панели электрически соединены вместе последовательно, ток будет одинаковым в каждой панели, и если панели частично затенены, они не могут производить одинаковое количество тока. Кроме того, затененные фотоэлектрические панели будут рассеивать энергию и отходы в виде тепла, а не генерировать его, а использование байпасных диодов поможет предотвратить такие проблемы, обеспечив альтернативный путь тока.
Блокирующие диоды не требуются в полностью последовательно подключенной системе, но должны использоваться для предотвращения обратного потока тока от батарей обратно к массиву в течение ночи или при низком солнечном излучении. Другие климатические условия, кроме солнечного света, должны быть учтены в любом дизайне.
Поскольку выходное напряжение кремниевого солнечного элемента является параметром, связанным с температурой, дизайнер должен знать о преобладающих суточных температурах, как экстремальных (высоких и низких), так и сезонных колебаниях. Кроме того, дождь и снегопад необходимо учитывать при проектировании монтажной конструкции. Ветровая нагрузка особенно важна в горных вершинах.
В нашем следующем уроке о «Солнечной энергии» мы рассмотрим, как мы можем использовать полупроводниковые фотоэлектрические батареи и солнечные панели как часть автономной фотоэлектрической системы для выработки энергии для автономных приложений.