Wie viele Solarzellen brauche ich für mein Solarpanel

Viele einzelne Silizium-Solarzellen neigen dazu, eine Leerlaufspannung von ungefähr 0,5 Volt und einen auf ungefähr 3 Ampere begrenzten Kurzschluss-Ausgangsstrom zu haben, daher ist es notwendig, diese einzelnen Solarzellen entweder in Reihen- oder Parallelkombinationen miteinander zu kombinieren, um eine höhere Spannung zu erhalten Spannungen und Ströme. Aber wie viele Solarzellen benötige ich, um ein PV-Modul zu bauen.

Ein im Handel erhältliches Photovoltaikmodul besteht aus 32 bis 48 einzelnen Solarzellen in Reihe, um ein Modul zu erhalten, das eine 12-V-Gleichstrombatterie laden kann. Aber wie viele Solarzellen sind in einem Solarpanel und wie viele Solarzellen brauche ich?. Nun, wie üblich hängt es von Ihrer spezifischen Anwendung ab.

Die von einer Photovoltaikzelle erzeugte elektrische Leistung ( PV ) besteht aus zwei Komponenten: Spannung ( V ) und Strom ( I ). Die von der PV-Zelle erzeugte Ausgangsleistung wird in Watt ( P ) gemessen, die die Zelle erzeugt, ist das Produkt des Ausgangsstroms der Zelle mal ihrer Ausgangsspannung. Mit anderen Worten, P = V x I.

Die Ausgangsspannung der photovoltaischen Zelle bleibt aufgrund des photovoltaischen Effekts der Zelle über einen weiten Bereich von Eingangslichtintensitäten ziemlich konstant, solange etwas Licht vorhanden ist. Der Ausgangsstrom variiert jedoch direkt proportional zu der Menge an Sonnenlicht, die in die PV-Zelle eintritt. Je mehr Licht in die Zelle eindringt, desto mehr Strom erzeugt sie bis zu ihrem Maximum. Die Ausgangsspannung der Solarzelle bleibt von schwachem bis zu hellem Sonnenlicht ziemlich stabil.

Typisches Solarpanel mit 36 ​​(6×6) Zellen

Für die Zwecke dieses Tutorials hier betrachten wir ein Standard-4″ um 4″ (100 mm x 100 mm) photovoltaische Zelle aus polykristallinem Silizium. Monokristalline oder amorphe Siliziumzellen sind erhältlich.

Der Absolutwert der Spannungsinformationen wird leicht abweichen, aber ihre allgemeine Leistung bleibt für alle Arten von Silizium-PV-Zellen für die Menge an Sonnenschein, die sie an einem sonnigen Tag erhalten, tendenziell gleich. Wie funktioniert also eine Solarzelle?

Photovoltaische Zellenspannung

Eine polykristalline Siliziumsolarzelle hat eine Leerlaufspannung von etwa 0,57 Volt bei 25°C . Leerlaufspannung bedeutet, dass die Zelle mit keiner elektrischen Last verbunden ist und daher keinen Strom erzeugt.

Beim Anschluss an eine Last, beispielsweise eine Batterie, fällt die Ausgangsspannung der einzelnen Zelle bei 25 °C auf etwa 0,46 Volt ab, wenn der erzeugte Strom fließt. Sie bleibt ungefähr auf diesem 0,46-V-Pegel, unabhängig von der Intensität der Sonne oder der Strommenge, die die Zelle erzeugt.

Diese Abnahme der Ausgangsspannung wird durch innere Widerstandsverluste innerhalb der Zellstruktur sowie durch Spannungsabfälle an den metallischen Leitern verursacht, die auf der Oberfläche der Zelle abgeschieden sind, um den Strom zu sammeln. Die Umgebungstemperatur hat auch einen Einfluss auf die Zellenspannung der PV. Je höher die Temperatur ist, desto niedriger wird die Ausgangsspannung der Zelle, wenn sie sich erwärmt, was seltsam ist, wenn man bedenkt, dass sie den ganzen Tag in der Sonne sitzen.

Photovoltaikzelle Aktuell

Während die von einer Silizium-Photovoltaikzelle erzeugte Spannung ziemlich konstant ist, variiert ihr Ausgangsstrom andererseits beträchtlich. Die Menge des nutzbaren Ausgangsstroms, den eine Zelle erzeugt, hängt davon ab, wie intensiv das Sonnenlicht auf die Oberfläche der Zelle scheint, und auch von der Spannungsdifferenz zwischen der Zelle und der Last.

Unter normalen Betriebsbedingungen hat eine polykristalline Zelle einen Nennstrom von etwa 2,87 Ampere. An einem sehr kalten, sehr klaren, sehr hellen und sehr verschneiten Winternachmittag kann dieser Wert erheblich ansteigen. Auch die Höhe ist ein weiterer Faktor, der den Ausgangsstrom der PV-Zelle beeinflusst. Je höher Sie sind, desto weniger atmosphärische Bedingungen herrschen oben und desto mehr Sonnenlicht wird die Zelle erhalten, vorausgesetzt, es gibt keine Wolken oder Schnee. Erwarten Sie also Stromgewinne, wenn Sie weit über dem Meeresspiegel eingesetzt werden.

Verbinden einzelner Solarzellen zu Modulen

Wenn einzelne Photovoltaikzellen zu Modulen oder Paneelen zusammengebaut werden, werden sie im Allgemeinen in Reihe geschaltet. Das heißt, der positive Anschluss oder Pol einer PV-Zelle wird mit dem negativen Anschluss oder Pol der nächsten Zelle verbunden, und so weiter, bis alle Zellen im Modul in einem sogenannten Reihenstrang miteinander verbunden sind.

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Wenn einzelne Photovoltaikzellen zu Modulen oder Paneelen zusammengesetzt werden, werden sie im Allgemeinen in Reihe geschaltet. Das heißt, der positive Anschluss oder Pol einer PV-Zelle wird mit dem negativen Anschluss oder Pol der nächsten Zelle verbunden, und so weiter, bis alle Zellen im Modul in einem sogenannten Reihenstrang miteinander verbunden sind.

Diese Reihenschaltung wird durchgeführt, um die Spannung des Panels zu erhöhen. Wir haben bereits gesagt, dass eine einzelne Zelle ein Spannungspotential von etwa 0,46 Volt hat. Dies ist nicht genug Spannung, um in einem 12-Volt-System brauchbare Arbeit zu leisten. Aber wenn wir die Spannungen von sagen wir 36 Zellen addieren, indem wir sie in Reihe schalten, dann haben wir eine Arbeitsspannung von 16,7 Volt, und das ist mehr als genug, um eine 12-Volt-Batterie zu laden.

Die Betriebsspannung einer typischen 12-Volt-Blei-Säure-Batterie liegt zwischen 10,5 Volt und 14 Volt. Die genaue Spannung der Batterie hängt vom Ladezustand, der Umgebungstemperatur und davon ab, ob die Batterie gerade geladen oder entladen wird. Für diese Batteriespannungskurve sind die PV-Module ausgelegt und MÜSSEN daher eine höhere Spannung liefern, als die Batterie besitzt. Wenn das PV-Modul dies nicht kann, kann es keine Elektronen an die Batterie übertragen und kann daher die Batterie nicht wieder aufladen.

Der von einem Solarmodul mit insgesamt 36 Zellen erzeugte Ausgangsstrom bleibt derselbe wie der von einer einzelnen Zelle erzeugte Strom, etwa 3 Ampere. Die Reihenschaltungstechnik bewirkt, dass die Spannungen addiert werden, aber der Strom bleibt gleich. Wir könnten alle 36 Zellen parallel schalten, aber das würde eher ihre Ströme als ihre Spannungen addieren. Das Ergebnis wäre ein Solarmodul, das 108 Ampere elektrischen Strom (36 x 3) erzeugt, aber nur 0,46 Volt, zu wenig.

Wie viele Zellen brauche ich also?

Die meisten Hersteller von Photovoltaik (PV)-Modulen stellen 12-Volt-Solarmodule für Batterieladeanwendungen mit 32, 36 oder 48 Zellen in Reihenschaltung her. Sie sind alle für ungefähr den gleichen Strom ausgelegt und bestehen aus der gleichen Grundzelle. Der Unterschied zwischen diesen Panels liegt in der Spannung. Die Frage, die wir hier beantworten müssen, ist, wie sich ihre Ausgangsspannungen zu den Spannungen verhalten, die wir für unser 12-V-Ladesystem benötigen.

32 Photovoltaikzellen in Reihe

Diese Größe von Photovoltaikmodulen hat die niedrigste Nennspannung von nur 14,7 Volt (0,46 Volt mal 32 Zellen). Dies liegt daran, dass es die geringste Anzahl von PV-Zellen in seinem Reihenstrang hat. Dieses Paneeldesign entspricht genau der Ladekurve einer standardmäßigen 12-Volt-Blei-Säure-Batterie. Wenn die Batterie aufgeladen wird, steigt ihre Klemmenspannung.

Wenn diese Batterie fast voll ist, ist ihre Spannung mit etwa 14,7 Volt ungefähr gleich der der PV-Zelle. Das 32-Zellen-Modul hat einfach nicht genug Spannung, um den Akku weiter aufzuladen, wenn er voll ist, und kann daher den durchschnittlich kleinen Blei-Säure-Akku nicht überladen.

Die für diese kleinen 32-Zellen-Solarmodule geeigneten Anwendungen sind Wohnmobile, Boote, Gartenbeleuchtung und Sommerhütten. Diese Anwendungen zeichnen sich durch ihren intermittierenden Einsatz und eine relativ geringe Batterieladekapazität aus. Bei diesen Anwendungen mit geringem Stromverbrauch kann ein 32-Zellen-Panel mit oder ohne Ladestromregler verwendet werden, da die Batterien nicht überladen werden, wenn sie während längerer Nichtbenutzung am Panel angeschlossen bleiben.

36 Photovoltaikzellen in Serie

Diese Größe von Photovoltaikmodulen hat eine Ausgangsspannung von etwa 16,7 Volt (0,46 mal 36 Zellen). Das ist genug Ausgangsspannung, um einen Blei-Säure-Akku weiter laden zu können, auch wenn er bereits vollständig aufgeladen ist. Das 36-Zellen-Panel eignet sich für ein alternatives 12-Volt-Energiesystem zu Hause mit hohen Batteriekapazitäten, da es die höhere Ausgangsspannung hat, die zum Aufladen von zyklenfesten Blei-Säure-Batterien erforderlich ist.

Ein 36-Zellen-Solarmodul erfordert jedoch eine Form der Laderegulierung, um ein Überladen der Batterie in Zeiten hoher Sonnenintensität oder wenn die Batterienutzung am niedrigsten ist.

Ein 36-Zellen-Solarmodul ist tendenziell mehr kostengünstig in einer typischen Hausstromanwendung, da es bei erhöhten Temperaturen eine gute Strommenge oder hohe Spannungen erzeugen kann. Die höhere Spannung, die von den verdrahteten Zellen der Serie 36 erzeugt wird, lädt große zyklenfeste Blei-Säure-Batterien effektiver auf.

Hohe Umgebungstemperaturen führen dazu, dass die Spannung jedes PV-Moduls leicht abnimmt, aber das 36-Zellen-Modul hat mehr als genug Spannungsüberschuss, um auch bei hohen Umgebungstemperaturen noch ein effektives Batterieladegerät zu sein.

48 Photovoltaikzellen in Serie

Ein 48-Zellen-Modul ist der große Vater der PV-Industrie. 48 in Reihe geschaltete einzelne Photovoltaikzellen erzeugen eine Ausgangsspannung von etwa 22 Volt. Diese großen PV-Module haben eine ausreichende Ausgangsstromkapazität, um ein 12-Volt-System aufzuladen, unabhängig von der Spannung oder der hohen Temperatur der Batterie.

Diese großen Panels erfordern jedoch in fast jeder Anwendung eine Form der Ladungsregulierung. Sie haben die nötige Spannung, um die Spannung einer Solaranlage beim Laden voller Batterien auf deutlich über 16 Volt anzuheben. Diese Überspannung ist hoch genug, um alle elektronischen Geräte mit einer Nennspannung von 12 VDC zu zerstören, daher ist eine Art Schutz erforderlich.

Im Allgemeinen hat ein 48-Zellen-Solarmodul sehr spezifische Anwendungen, bei denen hohe Leistung und Ströme erforderlich sind, z. B. beim Pumpen von Wasser, oder wenn sie mit anderen 48-Zellen-Modulen kombiniert werden, um eine Photovoltaikanlage zu erzeugen. Solaranlagen können viele Module in verschiedenen Kombinationen kombinieren, um die Leistung zu erhöhen.

Ein weiterer Nachteil dieses PV-Moduls ist seine physische Größe und die zusätzlichen Kosten im Vergleich zu 32- und 36-PV-Zellenmodulen. 48-Zellen-Module sind größer und nehmen daher mehr Platz auf dem Dach ein. Auf der positiven Seite zeigt ein 48-Zellen-Modul eine bessere Leistung in sehr heißen Gebieten und Gebieten mit sehr geringer Sonneneinstrahlung während des ganzen Jahres.

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