Temperaturkoeffizient einer PV-Zelle

Hier bei Alternative Energy Tutorials werden wir oft gefragt, ob wir Photovoltaik-Solarmodule in Reihe oder parallel miteinander verbinden können, um mehr Leistung zu erzielen. Aber die maximale Panel- oder Array-Spannung "gesehen" durch einen Laderegler ist nicht nur die Nennspannung des Moduls, 12 V, 24 V usw., sondern eine Kombination aus seiner Leerlaufspannung, VOC und seinem Temperaturkoeffizienten.

Es gibt eine Reihe von Faktoren, die die tatsächliche Leistung eines Photovoltaikmoduls beeinflussen können, was dazu führt, dass es von seinem theoretischen Wert abweicht, und einer davon ist der Temperaturkoeffizient, oder genauer gesagt der Temperaturkoeffizient der Leerlaufspannung angegeben entweder in Prozent VOC pro Grad C, ( %/oC ) oder Volt pro Grad C, (V/oC).

Natürlich gibt es auch andere Faktoren, die die Leistung eines Photovoltaikmoduls (oder Arrays) beeinflussen, wie z das Alter des PV-Moduls, da die Leistung des Moduls mit zunehmendem Alter abnimmt usw.

Temperaturkoeffizient

Der Temperaturkoeffizient einer Solarzelle ist der Betrag, um den sich ihre Ausgangsspannung, ihr Strom oder ihre Leistung aufgrund einer physikalischen Änderung der sie umgebenden Umgebungstemperaturbedingungen ändert, und bevor das Array begonnen hat, sich aufzuwärmen.

Insbesondere das Verhältnis der Änderung der elektrischen Leistung, wenn die Temperatur des PV-Moduls (oder Arrays) um ein Vielfaches von 1 °C verringert (oder erhöht) wird, relativ zu seiner angegebenen STC-Referenztemperatur von 25 °C.

Beispielsweise bedeutet ein Temperaturkoeffizient von 0,25 % pro oC, dass sich die Spannung, der Strom oder die Ausgangsleistung des Panels bei jeder Temperaturänderung um 1 oC um ein Viertel Prozent ändern.

Also für jede 1oC Temperaturänderung über 25oC (wärmer) verliert das PV-Modul vorübergehend 0,25 % seiner Spannung. Aber ebenso steigt die Spannung des PV-Panels für jedes 1oC unter 25oC (kälter) um 0,25%. Das bedeutet bei heißem Wetter einen niedrigeren VOC und daher einen niedrigeren VMP und bei kaltem Wetter einen höheren VOC und einen höheren VMP.

Das Abschätzen der Temperaturschwankung, in der ein PV-Panel, -Modul oder -Array betrieben wird, hilft bei der Bestimmung der temperaturangepassten Spannungen des Panels. Die genauen Temperaturwerte basieren auf Ihrem Standort.

Photovoltaik-Solarmodule sind Geräte, die Gleichstrom in direktem Verhältnis zur Menge an Sonnenstrahlung erzeugen, die auf ihre Oberfläche fällt. Daher kann die Ausgangsleistung eines PV-Moduls für eine Reihe unterschiedlicher Lichtverhältnisse berechnet werden.

Wir wissen aus früheren Tutorials, dass ein PV-Modul aus vielen einzelnen Photovoltaikzellen besteht, die miteinander verdrahtet sind, um bei voller Sonne (1000 W/m2) eine in Watt angegebene Nennleistung zu erzeugen. Wir wissen auch, dass mehrere PV-Module miteinander verbunden werden können, um eine PV-Anlage zu bilden, die mehr Solarausgangsleistung erzeugen kann als nur ein einzelnes Solarmodul.

Eine photovoltaische Solarzelle erzeugt Strom über einen Spannungsbereich von 0 V (Kurzschluss) bis zu ihrer maximalen Leerlaufspannung bei VOC. Da eine PV-Zelle im Kurzschluss keine Ausgangsspannung erzeugt, da ISC x 0 Volt = 0 Watt. Es erzeugt auch keinen Ausgangsstrom im Leerlauf, da 0 Ampere x VOC = 0 Watt, die maximale Ausgangsleistung einer PV-Zelle (oder eines Panels) bei einer Kombination aus Ausgangsstrom und -spannung bei voller Sonne auftreten muss.

Betrachten Sie eine typische Solarzellen-I-V-Kennlinie wie unten gezeigt.

Solarzellen-I-V-Kennlinie

Das obige Diagramm zeigt die Strom-Spannungs-(I-V)-Charakteristikkurven einer typischen Silizium-PV-Zelle, die unter normalen Solarbedingungen betrieben wird. Wenn die PV-Zelle im Leerlauf ist, also an keine Last angeschlossen ist, hat der Zellenstrom (I) seinen Minimalwert (Null), aber die Spannung über der Zelle ist auf ihrem Maximum, VOC.

Im anderen Extrem, wenn die Solarzelle kurzgeschlossen ist, d. h. die positiven und negativen Leitungen miteinander verbunden sind, ist die Spannung (V) über der Zelle auf ihrem Minimum (Null), aber der durch die Zelle fließende Strom ist auf ihrem Minimum Maximum, ISC

Aber der für uns hier interessante Parameter ist der für die Zellen-Leerlaufspannung angegebene VOC, da dies die maximale Spannung ist, die von einer PV-Zelle, einem Panel, einem Modul oder einem Array erzeugt wird, wenn sie dem Sonnenlicht ohne Last ausgesetzt sind, oder a sehr leichte Controller-, Batterie- oder Wechselrichterlast angeschlossen. Da die Spannung einer PV-Zelle direkt von ihrer Betriebstemperatur beeinflusst wird.

Temperaturkoeffizient der Leerlaufspannung

Die vom Hersteller angegebenen elektrischen Betriebseigenschaften eines bestimmten Photovoltaikmoduls oder -moduls gelten für den Betrieb des Moduls bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C. Die Leerlaufspannung eines PV-Moduls steigt jedoch an, wenn die Temperatur des Moduls abnimmt. Das Ergebnis ist, dass ein Überspannungszustand auftreten kann, wenn mehrere Panels in einer Reihenkette miteinander verbunden werden, wodurch möglicherweise alle angeschlossenen Laderegler oder Wechselrichter beschädigt werden.

Da die Temperatur einen erheblichen Einfluss auf die Leistung eines Photovoltaikmoduls hat , geben die Hersteller einen “Temperaturkoeffizient” Parameter für jedes Panel, der den Prozentsatz der Spannungsänderung (oder Millivolt Spannungsänderung) pro 1oC Paneltemperaturänderung über oder unter dem Standardwert von 25oC anzeigt.

Laderegler sind wichtige Komponenten in jedem netzunabhängigen oder batteriebasierten PV-System, da sie verhindern, dass PV-Panel-Module oder -Arrays die Batterien überladen, während sie gleichzeitig den Ladestrom optimieren , aber es gibt eine Grenze für die maximale Eingangsspannung, die angelegt werden kann.

Beachten Sie das Renogy 100 Watt, 12 Volt monokristallines Solarpanel-Etikett unten.

I-V-Kennlinie der Solarzelle

Bei Standard-STC (Standardtestbedingungen) einer PV-Zellentemperatur (T) von 25 °C, einer Bestrahlungsstärke von 1000 W/m2 und einer Luftmasse von 1,5 (AM = 1,5) erzeugt das Solarpanel eine maximale, aber kontinuierliche Ausgangsleistung (PMAX) von 100 Watt.

Diese 100 Watt Ausgangsleistung, die vom PV-Panel erzeugt werden, sind das Produkt aus Spannung und Strom am maximalen Leistungspunkt, d. h.: P = V x I. Das Renogy-Etikett sagt uns, dass VMP = 16,0 Volt und IMP = 6,25 Ampere.

Also 16,0 x 6,25 = 100 Watt.

Das Renogy-Etikett sagt uns auch, dass die Leerlaufspannung, VOC, 20,0 Volt beträgt, wenn die Panel-Klemmen in einem offenen Stromkreis sind. Lastzustand, etwa 4,0 Volt höher als der VMP-Wert.

Aber was interessanter ist, sagt uns auch, dass der Temperaturkoeffizient des PV-Moduls ist: -0,30 % pro oC VOC.

Während das Etikett mit den elektrischen Spezifikationen des Moduls nicht den Betriebstemperaturbereich angibt, weisen die meisten Standardmodule ab Ein guter Hersteller kann problemlos bei Temperaturen zwischen -40 °C und +85 °C (-40 bis 185 °F) arbeiten.

-40 °C sind eindeutig arktische Bedingungen, aber nehmen wir an, dass die kälteste Temperatur für einen bestimmten Standort auf diese -40 °C (-40 °F) fällt, wenn auch nur für ein paar klare Sonnentage. Wie hoch wäre die maximale Ausgangsspannung des Panels bei dieser niedrigeren Temperatur? (Die maximalen Tiefst- und Höchsttemperaturen an Ihrem Standort finden Sie online.)

• VOC des Renogy-PV-Panels oben bei STC (25oC) wird angegeben als: 20V
• Temperaturdifferenz zwischen STC und niedrigstem Temperaturwert = 25oC – (-40oC) = 65oC
• Die Spezifikation des Temperaturkoeffizienten des PV-Moduls wird wie folgt angegeben: 0,30 % VOC pro oC
• Wenn VOC = 20 V, dann (20 /100) x 0,3 % = 0,06 Volt Änderung pro 1 Grad Temperaturänderung
• Der Anstieg der VOC bei dieser Temperatur von -40 °C entspricht: 65 °C x 0,06 = 3,9 Volt
• Daher beträgt der VOC-Spannungswert des Panels bei unserer Temperatur von -40 °C 20 V + 3,9 V = 23,9 V
• Das heißt: 20 x [1 + ((-65/100) x -0,3)] = 23,9 Volt

Während dieses Renogy 100-Watt-Solarmodul als 12-V-Modul bezeichnet und verkauft wird , sein VMP-Wert beträgt 16,0 Volt, sein VOC-Wert bei STC beträgt 20,0 Volt, aber sein extrem niedriger Wetterwert beträgt 23,9 Volt, etwa 3,9 Volt höher als sein VOC-Nennwert und doppelt so hoch wie sein standardisierter 12-Volt-Wert, wie gezeigt.

Spannungskurven von PV-Modulen

Wir können also sehen, dass die Leerlaufspannung eines PV-Moduls steigt, wenn die Umgebungstemperatur sinkt, basierend auf der Standard-STC-Referenztemperatur von 25 °C.

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Das Gegenteil gilt auch, dass VOC mit steigender Umgebungstemperatur abnehmen. Zum Beispiel bei der maximalen Arbeitstemperatur von +85oC, VOC = 16,4 Volt. Eine Spannungsspanne von 7,5 V (23,9 – 16,4) über dem Arbeitstemperaturbereich des PV-Panels.

Während der Stromausgang des Panels bei Änderungen der Umgebungstemperatur leicht schwankt, sind es die Spannungsextreme, die es sind für uns interessant, da diese je nach Modell des verwendeten Ladereglers (bzw. Wechselrichters) die Anzahl der PV-Module pro Reihenstring bestimmt.

Nehmen wir zum Beispiel an, wir haben einen Laderegler mit einer maximalen Array-Eingangsspannung von 110 VDC. Anfänglich denken Sie vielleicht, dass Sie 12-V-Panels der Serie 9 als 12 x 9 = 108 Volt verwenden könnten. Oder wenn Sie den VOC-Wert der Panels mit 20 Volt betrachten, könnten Sie 5 Reihenpanels pro String als 20 x 5 = 100 Volt verwenden. Aber das ist möglicherweise nicht der Fall, also schauen wir uns das genauer an.

Die maximale Anzahl unserer Renogy-PV-Module darüber, die wir in einem Reihenstrang verwenden können, basiert auf den 110 des Ladereglers V maximale Eingangsspannung wäre:

Drei Reihenmodule pro String: VOC(MAX) = 23,9 V x 3 = 71,7 V = Ok und innerhalb der 110-V-Grenze

Vier Reihenmodule pro String: VOC(MAX) = 23,9 V x 4 = 95,6 V = Ok und innerhalb der 110-V-Grenze

Fünf Reihenmodule pro String: VOC( MAX) = 23,9 V x 5 = 119,5 V = Nicht Ok, Spannung zu hoch

Anhand unseres Beispiels Renogy 100 W, 12 V PV-Panel von oben sind vier Panels pro Reihenstrang das Maximum, das wir für unseren gegebenen Laderegler und einen Temperaturkoeffizienten von 0,3 %/oC verwenden könnten. Somit definieren sowohl der minimale VMP als auch der maximale VOC das "Spannungsfenster" innerhalb dessen der Laderegler (oder Wechselrichter) betrieben werden kann. In unserem einfachen Beispiel sind das 16 bis 23,9 = 7,9 Volt pro Panel.

Dann, ob Sie sich entscheiden, zuerst einen bestimmten Laderegler (oder Wechselrichter) zu kaufen und dann die Anzahl der erforderlichen Panels anhand der temperaturangepassten Spannungen aus dem Array zu berechnen, oder die maximale Leerlaufspannung aller Ihrer angeschlossenen Panels anhand ihres Temperaturkoeffizienten zu berechnen für eine bestimmte Dachfläche und das Finden eines geeigneten Reglers, der der Spannung entspricht. Wenn Sie die niedrigstmögliche Temperatur kennen und den VOC-Wert des Panels anpassen, wird verhindert, dass unerwartet hohe DC-Array-Spannungen Ihren angeschlossenen Laderegler oder Wechselrichter beschädigen.

Tutorial-Zusammenfassung

Wir haben hier gesehen, dass sich die elektrischen Spezifikationen und Informationen auf dem Etikett oder Typenschild eines Photovoltaikmoduls auf seine Leistung unter Standardtestbedingungen (STC) beziehen. Das heißt, eine Sonneneinstrahlung von 1.000 Watt pro Quadratmeter und eine Zellentemperatur von 25 °C (77 °F). Leider sind diese Standardbedingungen, wie bei vielen Dingen, nicht typisch für die realen Bedingungen, denen Ihr Paneel standhalten muss, wenn es auf Ihrem Dach oder in Ihrem Garten angebracht wird.

Im Allgemeinen sind die einzigen drei Betriebswerte, die auf dem I-V-Kennzeichen oder Typenschild der Solarzelle angegeben sind, ihr Kurzschlussstrom, ISC, wenn V = 0, ihre Leerlaufspannung, VOC, wenn I = 0, und ihr maximaler Leistungspunkt, PMPP, für Werte von IMPP und VMPP. Aber wir müssen auch die Temperaturkoeffizienten der Spannung und des Stroms unter extremen Bedingungen berücksichtigen.

Die Ausgangsspannung eines PV-Moduls wird direkt von seiner Betriebstemperatur beeinflusst. Wenn die Plattentemperatur steigt oder sinkt, tut dies auch ihre Klemmenspannung für eine gegebene Lastsituation. Die Spezifikation, die am häufigsten in Verbindung mit der Leerlaufspannung verwendet wird, um die maximale Betriebsspannung eines Systems zu berechnen, ist sein Temperaturkoeffizient.

Durch die Anwendung der Temperaturkoeffizientenwerte eines Panels können wir die maximal mögliche prozentuale Änderung berechnen ein Modul könnte basierend auf der kältesten historischen Umgebungstemperatur für einen bestimmten Standort liefern, und wie wir gesehen haben, könnte es die von uns erwartete Spannung fast verdoppeln.

Der Temperaturkoeffizient eines bestimmten PV-Moduls oder -Moduls ist es nicht nur auf seine Leerlaufspannung VOC beschränkt, kann aber auch verwendet werden, um Nennströme und Nennleistungen von einer Temperatur auf eine andere umzurechnen. Da der Temperaturkoeffizient für Strom jedoch im Allgemeinen viel kleiner ist als für Spannung, 0,04 %/oC von unserem Beispieletikett, sind die Auswirkungen von Temperaturänderungen auf den Strom sehr gering. Der Temperaturkoeffizient der Schaltkreisspannung ist eine Möglichkeit, die absolute Maximalspannung an Ihrem Standort bei der kältestmöglichen Jahrestemperatur zu bestimmen, und ermöglicht Ihnen, die Verringerung der Panel- oder Array-Spannung bei extremen Temperaturen zu berechnen.