Die elektrische Leistung in Watt, die diese verschiedenen Photovoltaikzellen bei direkter Sonneneinstrahlung erzeugen, ist für jedes Modul ungefähr gleich und wird als Produkt aus Spannung mal Stromstärke angegeben. Das heißt: P = V x I.

Die Menge an elektrischer Leistung, die eine einzelne Photovoltaikzelle an ihren Ausgangsklemmen erzeugt, hängt von der Menge der Sonnenstrahlung ab, die auf ihren PN-Übergang trifft, sowie von dem Prozentsatz der Sonnenstrahlung, den sie tatsächlich in Strom umwandelt, mit anderen Worten von ihrem Wirkungsgrad >

Solarzellenspannung

Eine einzelne photovoltaische Solarzelle kann eine “Leerlaufspannung” ( VOC ) von etwa 0,5 bis 0,6 Volt bei 25 °C (typischerweise etwa 0,58 V), egal wie groß sie sind. Diese Zellspannung bleibt ziemlich konstant, solange genügend Einstrahlungslicht von stumpfem bis hellem Sonnenlicht vorhanden ist. Leerlaufspannung bedeutet, dass die PV-Zelle mit keiner externen Last verbunden ist und daher keinen Stromfluss erzeugt.

Beim Anschluss an eine externe Last, z. B. eine Lampe, fällt die Ausgangsspannung der einzelnen Zelle auf etwa 0,46 Volt oder 460 mV (460 Millivolt), wenn der elektrische Strom zu fließen beginnt, und bleibt unabhängig von der Sonne auf diesem Spannungsniveau. #8217;s Intensität. Diese Abnahme der Ausgangsspannung wird durch Widerstands- und Leistungsverluste innerhalb der Zellstruktur sowie durch die auf der Zelloberfläche abgelagerten metallischen Leiter verursacht.

Die Temperatur beeinflusst auch eine Photovoltaik-Ausgangsspannung. Je höher die Temperatur ist, desto niedriger wird die Ausgangsspannung der Zelle, da sich die Zelle unter heißen Bedingungen verschlechtert. In voller Sonne reduziert sich die Ausgangsspannung also um etwa 5 % pro 25 °C Erhöhung der Zellentemperatur. Dann werden Sonnenkollektoren und Module mit mehr Photovoltaikzellen für sehr heiße Klimazonen empfohlen, als in kälteren Klimazonen verwendet würden, um Leistungsverluste aufgrund hoher Temperaturen auszugleichen.

Solarzellenstrom

Im Gegensatz zur Spannung einer Photovoltaikzelle variiert der Ausgangsgleichstrom (I) jedoch in direktem Verhältnis zur Menge oder Intensität des Sonnenlichts ( Photonenenergie), die auf die Vorderseite der PV-Zelle fallen.

Auch der Ausgangsstrom ist direkt proportional zur Zelloberfläche, da je größer die Zelle, desto mehr Lichtenergie in die Zelle eindringt. Je mehr Sonnenlicht in die Zelle eindringt, desto mehr Strom wird produziert. Photovoltaikzellen mit hoher Stromabgabe sind im Allgemeinen wünschenswerter, aber je höher die Stromabgabe, desto mehr kosten sie.

PV-Panel-Leistungsabgabe

Wir haben gesagt zuvor, dass die Leistung einer Photovoltaik-Solarzelle in Watt angegeben wird und gleich dem Produkt aus Spannung mal Strom ist ( V x I ) und das ist wahr. Die optimale Betriebsspannung einer PV-Zelle unter Last liegt bei etwa 0,46 Volt bei den normalen Betriebstemperaturen und erzeugt bei voller Sonneneinstrahlung einen Strom von etwa drei Ampere.

So kann die Ausgangsleistung einer typischen Photovoltaik-Solarzelle liegen berechnet als: Leistung (P) gleich Spannung mal Strom = V x I = 0,46 x 3 = 1,38 Watt. Während diese Menge an Solarenergie für den Betrieb eines kleinen elektronischen Geräts wie eines Telefonladegeräts oder einer dekorativen Gartenbeleuchtung in Ordnung sein kann, reichen 1,38 Watt nicht wirklich aus, um brauchbare Arbeiten zu erledigen.

Einzelne photovoltaische Solarzellen können jedoch elektrisch in Reihe geschaltet (verkettet) werden, um die gewünschte Spannung zu erreichen, wenn Reihenspannungen addiert werden, oder parallel (nebeneinander) geschaltet werden, um den gewünschten Strom zu erreichen, wenn parallele Ströme addiert werden. p>

Dann kann jede Kombination von zwei oder mehr PV-Zellen entweder in Reihe und/oder parallel geschaltet werden, um jede gewünschte Spannung, jeden gewünschten Strom und jede gewünschte Ausgangsleistung zu ergeben, wodurch ein Photovoltaikpanel entsteht. In der Praxis arbeitet die Photovoltaikzelle im linearen Teil ihrer IV-Kennlinie und liefert etwa den gleichen Strom wie im Kurzschluss. Die vom PV-Panel an eine parallel zum Panel angeschlossene Batterie und Last gelieferte Leistung beträgt: P = V x I.

Wenn wir beispielsweise zehn 0,46-Volt-PV-Zellen aus unserem letzten Beispiel in Reihe schalten, um ein Solar-Photovoltaik-Panel herzustellen, wäre die neue Ausgangsspannung 0,46 x 10 oder 4,6 Volt, aber der Strom bleibt gleich bei 3A (Reihenschaltung ). Allerdings hat sich auch die Gesamtleistung auf 13,8 Watt Spitzenleistung verzehnfacht.

Einzelne Solar-Photovoltaik-Zellen können zu einem größeren „Solar-Photovoltaik-Panel“ verbunden werden. oder Solarmodul, wie sie auch genannt werden, mit Leistungen von 50 bis 200 plus Watt Peak möglich. In der Praxis werden für eine verbesserte Effizienz und Praktikabilität mehrere PV-Zellen in Reihe und/oder parallel geschaltet, um die erforderliche Spannung und Spitzenleistung zu erzeugen.

Wie viele Zellen werden für ein Solar-Photovoltaik-Modul benötigt?

Die Anzahl der einzelnen PV-Zellen, die erforderlich sind, um ein einzelnes Solar-Photovoltaik-Modul zu vervollständigen, hängt wirklich davon ab, wie viel Strom Sie benötigen und von welcher Art Verwendete PV-Zellen, monokristallin, polykristallin oder Dünnschicht.

Photovoltaikmodule gibt es in allen möglichen Konfigurationen und Größen, damit Sie Ihren Energiebedarf decken können. Die meisten Hersteller von PV-Modulen produzieren Standard-Solarmodule mit einer Ausgangsspannung von 12 Volt und 24 Volt. Das Design dieser Standard-Photovoltaikmodule besteht im Allgemeinen aus 36 kristallinen Siliziumzellen, die sich aus der Notwendigkeit entwickelt haben, eine 12-Volt-Batterie aufzuladen.

Ein typisches 12-Volt-Photovoltaik-Solarmodul liefert etwa 18,5 bis 20,8 Volt Spitzenleistung (unter der Annahme einer Zellenspannung von 0,58 V), indem es 32 bzw. 36 einzelne Zellen verwendet, die in einer Reihenschaltung miteinander verbunden sind, was mehr als genug ist, um eine Standard-12-Volt-Batterie aufzuladen. 24-Volt- und 36-Volt-Module sind ebenfalls erhältlich, um große zyklenfeste Batteriebänke aufzuladen, und da die Photovoltaikmodule aus der gleichen Basis-PV-Zelle bestehen, sind sie alle für ungefähr den gleichen Gleichstrom ausgelegt.

Wenn ein 24-Volt-Solarpanel erforderlich ist, befinden sich 64 oder 72 einzelne Zellen in einem einzelnen Solarpanel. Um den erforderlichen 24-Volt-Ausgang zu erhalten, werden zwei 12-Volt-Module effektiv in Reihe geschaltet, normalerweise mit einem Jumper, sodass das Solarmodul die erforderlichen 24 Volt ausgeben kann. 24-Volt-Solarmodule haben eine viel höhere Leerlaufspannung ( VOC ) im mittleren bis hohen 30er-Bereich und einen größeren Spitzenwert Wattwert, ab 150 Watt und aufwärts.

Reihengeschaltetes Photovoltaikmodul

Von photovoltaischen Solarzellen wird gesagt, dass sie in „Serie“ geschaltet sind, wenn sie in einer einzigen Linie verkettet sind. Da der von der ersten Zelle erzeugte Strom keinen anderen Weg hat, muss er auch durch die zweite Zelle und die dritte Zelle fließen und so weiter.

Dann können wir sehen, dass Solarzellen in Reihe ein haben Gemeinsame Strömungdurch sie fließen, da der Strom, der durch eine PV-Zelle fließt, auch durch die anderen innerhalb des Moduls fließen muss, da er nur einen Weg nehmen kann. Dann ist die Strommenge, die durch eine Reihe von in Reihe geschalteten Photovoltaikzellen fließt, an allen Punkten einer Reihenschaltung gleich.

Photovoltaikmodule oder Solarmodule bestehen aus mehreren Zellen, die in Reihe kaskadiert und in einem umweltfreundlichen Gehäuse eingekapselt sind, wodurch ein einzelnes Solarmodul mit einer höheren Ausgangsspannung entsteht als mit nur einer einzelnen PV-Zelle, wie gezeigt.

Seriengeschaltete Photovoltaikzellen

In unserem obigen Beispiel sind vier Photovoltaik-Solarzellen in einer Reihenkombination miteinander verbunden. Wenn wir davon ausgehen, dass die von jeder einzelnen PV-Zelle in der Kette erzeugte Ausgangsspannung 0,5 Volt beträgt, dann ist die kombinierte Ausgangsspannung die Summe der Ausgangsspannung der einzelnen Zellen und wird wie folgt berechnet:

VTOTAL = V1 + V2 + V3 + V4 = 0,5 V + 0,5 V + 0,5 V + 0,5 V = 2,0 V

Bei in Reihe geschalteten Zellen ist der kombinierte Ausgangsstrom derselbe wie der erzeugte von jeder Zelle, dann: I1 = I2 = I3 = I4 = ICELL. Die kombinierte Leistung ist die Summe der Leistung der einzelnen Zellen oder das Produkt aus der Spannung mal dem Strom, wie zuvor gesehen.

Es gibt einen großen Nachteil von in Reihe geschalteten Solarzellen. Ein unerwünschter Effekt tritt auf, wenn eine Solarzelle defekt, beschädigt oder teilweise oder vollständig vom Sonnenlicht abgeschattet wird. Selbst wenn nur eine Solarzelle (teilweise) abgeschattet wird, ist der Effekt derselbe, als wenn ALLE in Reihe geschalteten Zellen abgeschattet würden, was zu einem vollständigen Leistungsverlust führt.

Außerdem besteht das Risiko, dass der volle Strom aus den übrigen Zellen durch die abgeschattete Zelle fließt und Überhitzungsschäden verursacht, die als „Hot-Spot-Erwärmung“ bezeichnet werden. Dann ist es für den Betrieb eines in Reihe geschalteten Photovoltaikmoduls wichtig, selbst leichte Schatten auf seinen Zellen zu vermeiden. Um elektrische Schäden an den Zellen zu vermeiden, wird wie abgebildet eine sogenannte Bypass-Diode parallel zu jeder PV-Zelle geschaltet, eine Bypass-Diode für jede Solarzelle.

Schutz der Bypass-Diode

Das Vorhandensein der Überbrückungsdiode begrenzt die Spannung über der schlechten Zelle, wenn sie sich in ihrem Sperrvorspannungszustand befindet, um einen Strom durchzulassen. Die Bypass-Diode leitet, wodurch der Strom von den guten Solarzellen hindurch und in den extern angeschlossenen Stromkreis fließen kann.

Die über der verschatteten Zelle entstehende maximale Sperrüberspannung wird auf etwa einen einzigen Diodenspannungsabfall reduziert, so dass keine größeren Spannungsdifferenzen in Sperrstromrichtung über der Zelle entstehen können. Somit werden alle hohen Ströme begrenzt und kontrolliert, wodurch eine Überhitzung aufgrund einer geringeren Verlustleistung verhindert wird. Idealerweise hätten wir eine Bypass-Diode für jede einzelne PV-Zelle, aber in der Praxis wäre es eine Bypass-Diode für mehrere Zellen.

Parallel geschaltetes Photovoltaikmodul

Parallel geschaltete Photovoltaikzellen

In unserem obigen Beispiel sind die vier Photovoltaik-Solarzellen in einer parallelen Kombination miteinander verbunden. Bei parallel geschalteten Zellen ist die kombinierte Ausgangsspannung dieselbe wie die von jeder Zelle erzeugte, dann gilt: V1 = V2 = V3 = V4 = VCELL.

Wenn wir davon ausgehen, dass der von jeder einzelnen PV-Zelle in der Kette erzeugte Ausgangsstrom 1,0 Ampere beträgt, dann ist der kombinierte Ausgangsstrom die Summe der Ausgangsströme der einzelnen Zellen und wird wie folgt berechnet:

ITOTAL = I1 + I2 + I3 + I4 = 1.0A + 1.0A + 1.0A + 1.0A = 4.0A

Dann wir kann parallel geschaltete Photovoltaik-Solarzellen verwenden, um die Stromabgabe zu erhöhen. Die Gesamtleistung ist die Summe der Einzelzellenleistung oder das Produkt aus Spannung mal Strom.

Wir haben zuvor gesagt, dass wir aufgrund von Verschattung oder einer fehlerhaften Photovoltaikzelle eine Stromfehlanpassung für in Reihe geschaltete Solarzellen haben können. Dies führt dazu, dass die guten Zellen die schlechte Zelle vorspannen, was dazu führt, dass große Mengen an elektrischer Energie in die schlechte Zelle abgeleitet werden.

Diese Situation wiederum verursacht das, was allgemein als "Hot-Spot-Erhitzung" innerhalb der fehlerhaften (schlechten) Zelle, wodurch das Solarpanel schwer beschädigt wird. In einem parallel geschalteten Photovoltaikmodul kann eine Spannungsabweichung drastischer sein.

Wenn wir nominell identische Solarzellen verwenden, um unser Photovoltaik-Solarmodul zu konstruieren, warum gibt es dann eine Fehlanpassung der Zellenspannung? In unserem einfachen Parallelbeispiel oben haben wir angenommen, dass jede Zelle 0,5 Volt erzeugt, aber das ist nicht immer der Fall. Bei schwachen Stromausgängen (trübe Tage) ist diese Fehlanpassung der Spannungen im Allgemeinen kein Problem.

Wenn jedoch der Panelstrom ansteigt, hört die schlechte Zelle auf, Strom zu erzeugen, und verbraucht oder verbraucht nun Strom, wodurch die Ausgangsspannung des Solarpanels reduziert wird. Genau wie bei in Reihe geschalteten Zellen führen die Auswirkungen aufgrund von Zellverschattung, Zellverschlechterung, Beschädigung usw. dazu, dass es in der Praxis zu Fehlanpassungen zwischen den PV-Zellen kommen kann.

Eine Parallelschaltung ist für diesen Typ weniger empfindlich der Schattierungsfehlanpassung, da es sich um eine Spannungsfehlanpassung handelt, die ein größeres Problem verursacht. Warum also nicht Zellen in Photovoltaik-Paneelen und -Modulen hauptsächlich parallel schalten, denn in Wirklichkeit sind die meisten Zellen in Reihe geschaltet, da wir die Ausgangsspannung erhöhen müssen.

Das bevorzugte Solar-Photovoltaik-Modul für die meisten Solarladeanwendungen ist ein 36-Zellen-Modul, das eine Leerlaufspannung von etwa 21 Volt liefert, wenn eine Spitzenzellenspannung von 0,58 Volt angenommen wird, die unter Volllastbedingungen auf etwa 16,5 Volt abfällt.

Ein 36-Zellen-Solarmodul ist besser für sehr heiße Klimazonen geeignet, um den Leistungsverlust durch die höheren Betriebstemperaturen auszugleichen. Vergessen Sie nicht, dass ein Photovoltaik-Solarmodul den ganzen Tag in der heißen Sonne steht! Außerdem gleicht die zusätzliche Spannung Spannungsabfälle im System bei langen Kabelwegen aus.

Typisches 36-Zellen-Photovoltaikmodul

Wir haben zuvor gesagt, dass die einzelne Photovoltaische Solarzelleist der Grundbaustein eines kompletten Photovoltaikmoduls oder -moduls, und einer der großen Vorteile beim Bau von Solarmodulen besteht darin, dass sie durch Anpassung des Typs und der Anzahl der Zellen genau auf die für Ihr spezielles Projekt erforderlichen Spannungs- und Stromanforderungen gebaut werden können.

Die Photovoltaikzellen können parallel geschaltet werden, um den gewünschten Strom zu erreichen, oder in Reihe geschaltet werden, um die gewünschte Spannung zu erreichen, und dann in einem mit Glas bedeckten Gehäuse untergebracht und zum Schutz vor Korrosion, Feuchtigkeit, Verschmutzung und Verwitterung hermetisch abgedichtet werden.

Das Photovoltaik-Panelkönnen einzeln verwendet oder parallel und in Reihe mit anderen Solarmodulen und -modulen verbunden werden, um eine größere Solaranlage mit einem höheren Strom- und Spannungsausgang zu erzeugen. Diese Arrays können dann als Paneele auf dem Dach oder an den Wänden eines Gebäudes angeordnet werden und können den Solarstrom oft direkt in ein Gebäude einspeisen. Mit neuester PV-Technologie können Zellen auch in die Dachziegel selbst integriert werden. Gruppen von Solar-PV-Zellen können zusammengefügt werden, um zunehmende Leistungsniveaus bereitzustellen.

Im nächsten Tutorial über „Solarenergie“ werden wir sehen, dass die maximale Ausgangsleistung beibehalten und verbessert werden kann Um die Effizienz eines Photovoltaikmoduls zu gewährleisten, muss das PV-Modul ständig der Sonne zugewandt sein. Dies kann leicht erreicht werden, indem eine einfache Technik namens Solarpanel-Ausrichtung verwendet wird, um die Bewegung der Sonne über den Himmel zwischen früh morgens und spät abends automatisch zu verfolgen, oder indem der Winkel des PV-Panels zur Sonne manuell eingestellt und dann jeweils angepasst wird Tag.