Das Solar-Photovoltaik-Array

Wenn Photovoltaik-Solarmodule aus einzelnen miteinander verbundenen Photovoltaikzellen bestehen, dann ist das Solar Photovoltaic Array, auch einfach als Solar Array bekannt, ein System, das aus einer Gruppe besteht von miteinander verbundenen Solarmodulen.

Ein Photovoltaik-Array besteht daher aus mehreren elektrisch miteinander verdrahteten Solarmodulen, um eine viel größere PV-Anlage (PV-System) zu bilden, die als Array bezeichnet wird. Je größer die Gesamtfläche des Arrays ist, desto mehr Solarstrom wird im Allgemeinen produziert >

Ein komplettes Photovoltaiksystem nutzt eine Photovoltaikanlage als Hauptquelle für die Erzeugung der elektrischen Energie. Die Menge an Solarstrom, die von einem einzelnen Photovoltaikpanel oder -modul erzeugt wird, reicht für den allgemeinen Gebrauch nicht aus.

Die meisten Hersteller produzieren ein Standard-Photovoltaikmodul mit einer Ausgangsspannung von 12 V oder 24 V. Indem viele einzelne PV-Module in Reihe (für einen höheren Spannungsbedarf) und parallel (für einen höheren Strombedarf) geschaltet werden, erzeugt das PV-Array die gewünschte Ausgangsleistung.

Ein photovoltaisches Solar-Array

Photovoltaikzellen und -paneele wandeln die Sonnenenergie in Gleichstrom (DC) um. Die Verbindung der Solarmodule in einem einzelnen Photovoltaik-Array ist dieselbe wie die der PV-Zellen in einem einzelnen Panel.

Die Module in einem Array können entweder in Reihe, parallel oder elektrisch miteinander verbunden werden eine Mischung der beiden, aber im Allgemeinen wird eine Reihenschaltung gewählt, um eine erhöhte Ausgangsspannung zu ergeben. Wenn beispielsweise zwei Solarmodule in Reihe geschaltet werden, verdoppelt sich ihre Spannung, während der Strom gleich bleibt.

Die Größe einer Photovoltaikanlage kann aus wenigen einzelnen PV-Modulen oder -Paneelen bestehen, die in einer städtischen Umgebung miteinander verbunden und auf einem Dach montiert sind, oder aus vielen hundert PV-Paneelen, die in einem Feld miteinander verbunden sind, um eine ganze Stadt mit Strom zu versorgen Nachbarschaft. Die Flexibilität des modularen Photovoltaik-Arrays (PV-System) ermöglicht es Designern, Solarstromsysteme zu erstellen, die eine Vielzahl von elektrischen Anforderungen erfüllen können, egal wie groß oder klein.

Es ist wichtig zu beachten, dass Photovoltaikmodule oder -module verschiedener Hersteller nicht in einem einzigen Array gemischt werden sollten, selbst wenn ihre Leistung, Spannung oder Stromabgabe nominell ähnlich sind. Dies liegt daran, dass Unterschiede in den I-V-Kennlinien der Solarzellen sowie in ihrer spektralen Empfindlichkeit wahrscheinlich zusätzliche Fehlanpassungsverluste innerhalb des Arrays verursachen und dadurch dessen Gesamteffizienz verringern.

Die elektrischen Eigenschaften eines Photovoltaik-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 wirkt sich auf die Betriebstemperatur der Solarzellen aus die Ausgangsspannung ( V ) des PV-Generators. Photovoltaikpanel ( I-V ) Kurven, die die Beziehung zwischen Strom und Spannung zusammenfassen, werden von den Herstellern angegeben und sind angegeben als:

Solar-Array-Parameter

• VOC = Leerlaufspannung: – 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 Vmax, was sich auf den durch die Last festgelegten Betrieb des PV-Generators bezieht. Dieser Wert hängt von der Anzahl der in Reihe geschalteten PV-Module ab.
• ISC = Kurzschlussstrom – Der maximale Strom, der von der PV-Anlage bereitgestellt wird, wenn die Ausgangsanschlüsse miteinander kurzgeschlossen sind (ein Kurzschlusszustand). Dieser Wert ist viel höher als Imax, der sich auf den normalen Betriebsstrom bezieht.
• Pmax = maximaler Leistungspunkt – Dies bezieht sich auf den Punkt, an dem die vom Array gelieferte Leistung das an die Last (Batterien, Wechselrichter) angeschlossen ist, hat seinen Maximalwert, wobei Pmax = Imax x Vmax ist. 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 mal 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 Wirkungsgrad – 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 Zelltyp (monokristallin, polykristallin, amorph oder Dünnschicht).

Photovoltaik I-VKennlinien liefern die Informationen, die Designer benötigen, um Systeme zu konfigurieren, die so nah wie möglich am Punkt der maximalen Spitzenleistung betrieben werden können. 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. Betrachten Sie die folgende Schaltung.

Photovoltaische Array-Verbindungen

Dieses einfache Photovoltaik-Array oben besteht aus vier Photovoltaikmodulen, wie gezeigt, wodurch zwei parallele Zweige entstehen, in denen sich zwei PV-Module befinden, die elektrisch miteinander verbunden sind, um eine Reihenschaltung zu erzeugen . Die Ausgangsspannung des Arrays entspricht daher der Reihenschaltung der PV-Module, und in unserem obigen Beispiel wird dies wie folgt berechnet: Vout = 12 V + 12 V = 24 Volt .

Der Ausgangsstrom ist gleich der Summe der Parallelzweigströme. Wenn wir davon ausgehen, dass jedes PV-Modul bei voller Sonne 3,75 Ampere erzeugt, ist der Gesamtstrom ( IT ) gleich: IT = 3,75 A + 3,75A = 7,5 Ampere. Dann kann die maximale Leistung der Photovoltaikanlage bei voller Sonne wie folgt berechnet werden: Pout = V x I = 24 x 7,5 = 180W.

Die PV-Anlage erreicht ihr Maximum von 180 Watt in voller Sonne, da die maximale Ausgangsleistung jedes PV-Panels oder -Moduls 45 Watt (12 V x 3,75 A) entspricht. Aufgrund unterschiedlicher Sonneneinstrahlung, Temperatureinflüsse, elektrischer Verluste usw. liegt die tatsächliche maximale Ausgangsleistung jedoch in der Regel deutlich unter den errechneten 180 Watt. Dann können wir unsere Photovoltaik-Array-Eigenschaften wie folgt darstellen:

Photovoltaic Array Characteristics

Bypass-Dioden in Photovoltaik-Arrays

Photovoltaikzellen und Dioden sind beides Halbleiterbauelemente, die aus einem Siliziummaterial vom P-Typ und einem Siliziummaterial vom N-Typ hergestellt sind, die miteinander verschmolzen sind. Anders als eine Photovoltaikzelle, die eine Spannung erzeugt, wenn sie Licht ausgesetzt wird, wirken PN-Übergangsdioden wie ein elektrisches Festkörper-Einwegventil, das elektrischen Strom nur in einer Richtung durch sich selbst fließen lässt.

Der Vorteil davon ist, dass Dioden verwendet werden können, um den elektrischen Stromfluss von anderen Teilen eines elektrischen Solarkreises zu blockieren. Bei Verwendung in einer Photovoltaik-Solaranlage werden diese Arten von Siliziumdioden allgemein als Sperrdioden bezeichnet.

Im vorherigen Tutorial über Photovoltaikmodule haben wir gesehen, dass "Bypass-Dioden" werden parallel zu einer einzelnen oder mehreren photovoltaischen Solarzellen verwendet, um zu verhindern, dass der/die Strom(e), der bzw. die von guten, gut dem Sonnenlicht ausgesetzten PV-Zellen fließt, überhitzt und schwache oder teilweise abgeschattete PV-Zellen durchbrennt, indem ein Strompfad um die herum bereitgestellt wird schlechte Zelle. Sperrdioden werden anders verwendet als Bypass-Dioden.

Bypass-Dioden werden normalerweise “parallel” mit einer PV-Zelle oder einem Panel, um den Strom um sie herum abzuleiten, während Sperrdioden in &8220;Reihe&8221; mit den PV-Paneelen, um zu verhindern, dass Strom in sie zurückfließt. Sperrdioden unterscheiden sich daher von Bypass-Dioden, obwohl die Diode in den meisten Fällen physikalisch dieselbe ist, aber sie werden anders installiert und dienen einem anderen Zweck. Betrachten Sie unsere Photovoltaik-Solaranlage unten.

Dioden in Photovoltaikanlagen

Wie wir bereits gesagt haben, sind Dioden Geräte, die Strom nur in eine Richtung fließen lassen. Die grün gefärbten Dioden sind die bekannten Bypass-Dioden, eine parallel zu jedem PV-Modul, um einen Pfad mit niedrigem Widerstand um das Modul herum bereitzustellen. Die beiden rot gefärbten Dioden werden jedoch als „Sperrdioden“ bezeichnet, eine in Reihe mit jedem Serienzweig. Diese Sperrdioden stellen sicher, dass der elektrische Strom nur AUS der Reihenschaltung zu der externen Last, dem Controller oder den Batterien fließt.

Der Grund dafür besteht darin, zu verhindern, dass der Strom, der von den anderen parallel geschalteten PV-Modulen im selben Array erzeugt wird, durch ein schwächeres (schattiertes) Netz zurückfließt, und auch zu verhindern, dass sich die voll geladenen Batterien nachts entladen oder durch das PV-Array zurückfließen. Wenn also mehrere PV-Module parallel geschaltet werden, sollten Sperrdioden in jedem parallel geschalteten Zweig verwendet werden.

Im Allgemeinen werden Sperrdioden in PV-Arrays verwendet, wenn es zwei oder mehr parallele Zweige gibt oder die Möglichkeit besteht, dass ein Teil des Arrays tagsüber teilweise abgeschattet wird, wenn die Sonne über den Himmel wandert. Die Größe und Art der verwendeten Sperrdiode hängt von der Art der Photovoltaikanlage ab. Für Solarstrom-Arrays sind zwei Arten von Dioden erhältlich: die Siliziumdiode mit PN-Übergang und die Schottky-Diode. Beide sind mit einer großen Auswahl an Nennströmen erhältlich.

Die Schottky-Sperrdiode hat einen viel geringeren Durchlassspannungsabfall von etwa 0,4 Volt im Gegensatz zu dem 0,7-Volt-Abfall der PN-Dioden für eine Siliziumvorrichtung. Dieser niedrigere Spannungsabfall ermöglicht eine Einsparung von einer vollen PV-Zelle in jedem Reihenzweig der Solaranlage, daher ist die Anlage effizienter, da weniger Leistung in der Sperrdiode verbraucht wird. Die meisten Hersteller bauen Sperrdioden in ihre PV-Module ein, um das Design zu vereinfachen.

Bauen Sie Ihr eigenes Photovoltaik-Array

Die Menge der empfangenen Sonnenstrahlung und der tägliche Energiebedarf sind die beiden steuernden Faktoren bei der Auslegung der Photovoltaikanlage und der Solarstromsysteme. Die Photovoltaikanlage muss so dimensioniert sein, dass sie den Lastbedarf deckt und etwaige Systemverluste berücksichtigt, während die Verschattung eines Teils der Solaranlage die Leistung des gesamten Systems erheblich reduziert.

Wenn die Solarmodule elektrisch in Reihe geschaltet sind, ist der Strom in jedem Modul gleich, und wenn die Module teilweise beschattet sind, können sie nicht die gleiche Strommenge erzeugen. Außerdem leiten abgeschattete PV-Module Strom und Abfall als Wärme ab, anstatt sie zu erzeugen, und die Verwendung von Bypass-Dioden hilft, solche Probleme zu vermeiden, indem sie einen alternativen Strompfad bereitstellen.

Sperrdioden sind bei einer vollständigen Reihenschaltung nicht erforderlich sollte jedoch verwendet werden, um einen Rückstromfluss von den Batterien zurück zum Array während der Nacht oder bei geringer Sonneneinstrahlung zu verhindern. Andere klimatische Bedingungen neben dem Sonnenlicht müssen bei jedem Design berücksichtigt werden.

Da die Ausgangsspannung von Siliziumsolarzellen ein temperaturabhängiger Parameter ist, muss der Designer die vorherrschenden Tagestemperaturen kennen, sowohl extreme (hohe als auch hohe). niedrig) und saisonale Schwankungen. Außerdem müssen Regen und Schneefall bei der Konstruktion der Montagekonstruktion berücksichtigt werden. Windbelastung ist besonders wichtig bei Installationen auf Berggipfeln.

In unserem nächsten Tutorial über „Solarenergie“ werden wir uns ansehen, wie wir Halbleiter-Photovoltaik-Arrays und Sonnenkollektoren als Teil einer verwenden können Eigenständiges PV-System zur Stromerzeugung für netzunabhängige Anwendungen.