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I-V-Charakteristik der Solarzelle und I-V-Kurve der Solarzelle
Die Solarzellen-I-V-Charakteristikkurven zeigen die Strom- und Spannungscharakteristiken (I-V) einer bestimmten Photovoltaik (&# 160;PV ) Zelle, Modul oder Array. Es enthält eine detaillierte Beschreibung der Fähigkeit und Effizienz der Umwandlung von Sonnenenergie. Die Kenntnis der elektrischen I-V-Eigenschaften (was noch wichtiger ist Pmax) einer Solarzelle oder eines Moduls ist entscheidend für die Bestimmung der Ausgangsleistung und des Solarwirkungsgrads des Geräts.
Photovoltaik-Solarzellen wandeln das strahlende Licht der Sonne direkt in Strom um. Mit der steigenden Nachfrage nach einer sauberen Energiequelle und dem Potenzial der Sonne als kostenlose Energiequelle hat die Umwandlung von Solarenergie als Teil einer Mischung aus erneuerbaren Energiequellen zunehmend an Bedeutung gewonnen. Dadurch wächst die Nachfrage nach effizienten Solarzellen, die Sonnenlicht direkt in Strom umwandeln, schneller als je zuvor =”async” loading=”lazy” width=”270″ height=”180″ class=”card-img-top img-fluid p-1″ title=”Solarzelle” alt=”Solarzelle” />Photovoltaikzelle
Photovoltaik ( PV ) Zellen bestehen fast vollständig aus Halbleitersilizium, das zu einem extrem reinen kristallinen Material verarbeitet wurde, das die Photonen des Sonnenlichts absorbiert.
Die Photonen treffen auf die Siliziumatome und setzen Elektronen frei, wodurch ein elektrischer Strom fließt, wenn die photoleitende Zelle an eine externe Last angeschlossen wird. Zum Beispiel eine Batterie. Es gibt eine Vielzahl verschiedener Messungen, die wir durchführen können, um die Leistung der Solarzelle zu bestimmen, wie z. B. ihre Leistungsabgabe und ihren Umwandlungswirkungsgrad.
Die wichtigsten elektrischen Eigenschaften einer PV-Zelle oder eines Moduls werden in der Beziehung zwischen zusammengefasst der Strom und die Spannung, die auf einer typischen I-V-Kennlinie einer Solarzelle erzeugt werden. Die Intensität der Sonnenstrahlung (Einstrahlung), die auf die Zelle trifft, steuert den Strom ( I ), während die Temperatur der Solarzelle zunimmt reduziert seine Spannung ( V ).
Solarzellen erzeugen Gleichstrom ( DC ) und Strom mal Spannung gleich Leistung, sodass wir Solarzellen-I-V-Kurven erstellen können, die den Strom gegenüber der Spannung darstellen für eine Photovoltaikanlage.
I-V-Kennlinien von Solarzellen sind im Grunde eine grafische Darstellung des Betriebs einer Solarzelle oder eines Moduls, die die Beziehung zwischen Strom und Spannung bei den bestehenden Bestrahlungsstärke- und Temperaturbedingungen zusammenfasst. I-V-Kurven liefern die Informationen, die erforderlich sind, um ein Solarsystem so zu konfigurieren, dass es so nah wie möglich an seinem optimalen Spitzenleistungspunkt (MPP) betrieben werden kann.
Solarzellen-I-V-Kennlinie
Die obige Grafik zeigt die Strom-Spannung ( I-V ) Eigenschaften einer typischen Silizium-PV-Zelle, die unter normalen Bedingungen betrieben wird. Die von einer einzelnen Solarzelle oder einem einzelnen Modul gelieferte Leistung ist das Produkt aus Ausgangsstrom und Ausgangsspannung ( I x V ). Wenn die Multiplikation Punkt für Punkt für alle Spannungen von Kurzschluss- bis Leerlaufbedingungen durchgeführt wird, erhält man die obige Leistungskurve für einen gegebenen Strahlungspegel.
Wenn die Solarzelle im Leerlauf ist, d. h. an keine Last angeschlossen ist, ist der Strom auf seinem Minimum (null) und die Spannung über der Zelle auf ihrem Maximum, bekannt als die Leerlaufspannung oder Voc. Im anderen Extrem, wenn die Solarzelle kurzgeschlossen ist, d. h. die positiven und negativen Leitungen miteinander verbunden sind, ist die Spannung über der Zelle auf ihrem Minimum (Null), aber der Strom, der aus der Zelle fließt, erreicht sein Maximum, das als bekannt ist Solarzellen Kurzschlussstrom oder Isc.
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Dann reicht die Spannweite der I-V-Kennlinie der Solarzelle vom Kurzschlussstrom ( Isc ) bei null Ausgangsvolt bis zum Nullstrom bei voller Leerlaufspannung ( Voc ). Mit anderen Worten, die maximale Spannung, die von einer Zelle verfügbar ist, ist bei offenem Stromkreis und der maximale Strom bei geschlossenem Stromkreis. Natürlich erzeugt keiner dieser beiden Zustände elektrische Energie, aber es muss irgendwo dazwischen einen Punkt geben, an dem die Solarzelle maximale Energie erzeugt.
Es gibt jedoch eine bestimmte Kombination aus Strom und Spannung, bei der die Leistung ihren Maximalwert erreicht, bei Imp und Vmp. Mit anderen Worten, der Punkt, an dem die Zelle die maximale elektrische Leistung erzeugt, wird im oberen rechten Bereich des grünen Rechtecks angezeigt. Dies ist der “maximale Leistungspunkt” oder MPP. Daher ist der ideale Betrieb einer Photovoltaikzelle (oder eines Panels) am maximalen Leistungspunkt definiert.
Der Maximum Power Point (MPP) einer Solarzelle liegt in der Nähe des Knicks der IV-Kennlinie. Aus der Leerlaufspannung und dem Kurzschlussstrom lassen sich die entsprechenden Werte von Vmp und Imp abschätzen: Vmp ≅ (0,8–0,90)Voc und Imp ≅ (0,85–0,95)Isc. Da sowohl die Ausgangsspannung als auch der Strom der Solarzellen von der Temperatur abhängen, variiert die tatsächliche Ausgangsleistung mit Änderungen der Umgebungstemperatur.
Bisher haben wir uns die I-V-Kennlinie der Solarzelle angesehen eine einzelne Solarzelle oder ein Panel. Aber eine Photovoltaikanlage besteht aus kleineren PV-Modulen, die miteinander verbunden sind. Dann ist die I-V-Kurve eines PV-Arrays nur eine vergrößerte Version der I-V-Kennlinie einer einzelnen Solarzelle, wie gezeigt.
Solarmodul-I-V-Kennlinien
Photovoltaikmodule können entweder in Reihen- oder Parallelkombinationen oder beidem verdrahtet oder miteinander verbunden werden, um die Spannung oder Stromkapazität der Solaranlage zu erhöhen. Wenn die Array-Panels in Reihe geschaltet werden, steigt die Spannung und wenn sie parallel geschaltet werden, steigt der Strom.
Die elektrische Leistung in Watt, die von diesen verschiedenen Photovoltaik-Kombinationen erzeugt wird, ist immer noch das Produkt aus Spannung mal Strom ( P = V x I ). Unabhängig davon, wie die Solarmodule miteinander verbunden sind, ist die obere rechte Ecke immer der maximale Leistungspunkt (MPP) des Arrays.
Die elektrischen Eigenschaften eines Photovoltaik-Arrays
Die elektrischen Eigenschaften einer Photovoltaikanlage werden in der Beziehung zwischen Ausgangsstrom und Ausgangsspannung zusammengefasst. Die Menge und Intensität der Sonneneinstrahlung (Sonneneinstrahlung) steuert die Höhe des Ausgangsstroms ( I ), und die Betriebstemperatur der Solarzellen beeinflusst die Ausgangsspannung ( V ) des PV-Generators. I-V-Kennlinien von Solarzellen, die die Beziehung zwischen Strom und Spannung zusammenfassen, werden im Allgemeinen vom Modulhersteller bereitgestellt und sind angegeben als:
Solar-Array-Parameter
- VOC = Leerlaufspannung –& #160;Dies ist die maximale Spannung, die das Array liefert, wenn die Klemmen nicht mit einer Last verbunden sind (ein offener Stromkreis). Dieser Wert ist viel höher als Vmp, der sich auf den durch die Last festgelegten Betrieb des PV-Arrays bezieht. Dieser Wert hängt von der Anzahl der in Reihe geschalteten PV-Module ab.
- ISC = Kurzschlussstrom – Der maximale Strom, der vom PV-Generator geliefert wird, wenn die Ausgangsanschlüsse miteinander kurzgeschlossen sind (Kurzschlusszustand). Dieser Wert ist viel höher als Imp, der sich auf den normalen Betriebsstrom bezieht.
- MPP = maximaler Leistungspunkt – Dies bezieht sich auf den Punkt, an dem die vom Array gelieferte Leistung, die mit der Last (Batterien, Wechselrichter) verbunden ist, ihren Maximalwert erreicht, wobei MPP = Imp x Vmp. Der maximale Leistungspunkt einer Photovoltaikanlage wird in Watt (W) oder Spitzenwatt (Wp) gemessen.
- FF = Füllfaktor – Der Füllfaktor ist das Verhältnis zwischen der maximalen Leistung, die das Array unter normalen Betriebsbedingungen tatsächlich liefern kann, und dem Produkt aus Leerlaufspannung multipliziert mit dem Kurzschlussstrom, ( VOC x ISC ) Dieser Füllfaktorwert gibt eine Vorstellung von der Qualität des Arrays und je näher der Füllfaktor an 1 (Einheit) liegt, desto mehr Leistung kann das Array liefern. Typische Werte liegen zwischen 0,7 und 0,8.
- %eff = Prozent Effizienz – Der Wirkungsgrad eines Photovoltaik-Arrays ist das Verhältnis zwischen der maximalen elektrischen Leistung, die das Array erzeugen kann, und der Menge an Sonneneinstrahlung, die auf das Array trifft. Der Wirkungsgrad einer typischen Solaranlage liegt normalerweise bei etwa 10–12 %, je nach verwendetem Photovoltaiktyp (monokristallin, polykristallin, amorph oder Dünnschicht) der verwendeten Zelle.
Solarzelle I-V Kennliniensind Diagramme der Ausgangsspannung gegenüber dem Strom für verschiedene Einstrahlungs- und Temperaturniveaus und können Ihnen viel über die Fähigkeit einer PV-Zelle oder eines Moduls sagen, Sonnenlicht in Strom umzuwandeln. Die wichtigsten Werte zur Berechnung einer bestimmten Modulleistung sind die Spannung und der Strom bei maximaler Leistung.
Einige Solarmodule sind für etwas höhere oder niedrigere Spannungen ausgelegt als andere mit dem gleichen Wattwert, und dies wirkt sich auf die verfügbare Strommenge und damit auf den MPP der Module aus. Weitere wichtige Parameter sind aus sicherheitstechnischer Sicht die Leerlaufspannung und der Kurzschlussstrom, insbesondere die Nennspannung. Ein Array aus sechs in Reihe geschalteten Modulen hat zwar eine Nennspannung von 72 Volt (6 x 12), könnte aber möglicherweise eine Leerlaufspannung von über 120 Volt DC erzeugen, was mehr als genug ist, um gefährlich zu sein.
Photovoltaische I-U-Kennlinien liefern die Informationen, die wir benötigen, um eine Solarstromanlage so zu konfigurieren, dass sie so nahe wie möglich an ihrem maximalen Spitzenleistungspunkt betrieben werden kann. Der Spitzenleistungspunkt wird gemessen, wenn das PV-Modul seine maximale Leistung erzeugt, wenn es einer Sonneneinstrahlung von 1000 Watt pro Quadratmeter, 1000 W/m2 oder 1 kW/m2 ausgesetzt wird.
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