Шунтовое сопротивление солнечной панели

Электрик и диод. Когда нужны диоды для солнечных батарей?

Ни для кого не секрет, что, при производстве солнечных батарей, а также при их монтаже, используют диоды. Тем не менее, у большинства пользователей нет четкого понимания о том, какую роль эти диоды выполняют и зачем они вообще нужны.
Мы постараемся пролить свет на этот сложный вопрос и сформулируем основные правила применения диодов при монтаже солнечных электростанций.

По большей части солнечные батареи состоят из некоторого количества солнечных ячеек. Простейшая эквивалентная схема солнечной ячейки выглядит следующим образом:

Рис. 1 Эквивалентная схема фотоэлектрической ячейки

Здесь Rп – последовательное сопротивление фотоэлектрической ячейки, Rш – шунтовое (параллельное) сопротивление фотоэлектрической ячейки.
Обычно в солнечной панели все элементы соединяются последовательно, что может приводить к проблеме «черного пятна». Рассмотрим схему солнечной батареи. Нагрузку обозначим как Rн.

Рис.2 Схема солнечной батареи

Если затеняется один из элементов, исчезает его ЭДС, а активное сопротивление растет по мере затенения. Нетрудно догадаться, что на затененной ячейке выделится большая часть мощности солнечной батареи, от чего ячейка может перегреться и выйти из строя, а вместе с ней и вся солнечная панель.
Для предотвращения этого нежелательного эффекта каждую фотоэлектрическую ячейку нужно шунтировать диодом.

Рис. 3 Схема фотоэлектрической панели с шунтирующими диодами.

Если солнечная ячейка освещена, шунтирующий диод заперт ЭДС самой ячейки, и ток через него не идет, солнечная батарея работает в обычном режиме. При затенении исчезает ЭДС, диод открывается и весть ток идет мимо ячейки, не повреждая её. Таким образом, фотоэлектрическая ячейка, равно как и вся солнечная батарея, не выходит из строя.

Конечно, шунтировать каждую ячейку очень сложно и дорого, поэтому обычно диоды подключают к некоторой группе ячеек. В зависимости от мощности и конструкции солнечной батареи, в монтажной коробке может быть различное количество шунтирующих диодов.

Теперь, наверняка, понятно, зачем нужны шунтирующие диоды, также совершенно ясно, что ставить их отдельно не нужно, они уже есть внутри солнечных батарей. Могут встречаться солнечные батареи и без шунтирующих диодов, однако это большая редкость.

Блокирующие диоды для солнечных панелей

Помимо шунтирующих диодов широко применяются и блокирующие. Зачем они нужны? Рассмотрим параллельное соединение двух солнечных батарей. Для наглядности изобразим их как диоды.

Рис.4 Параллельное соединение двух солнечных батарей.

При затенении одной из солнечных батарей, даже частичном, возникнет довольно неприятная картина: затененный модуль станет нагрузкой для освещенного, возникнет противоток и дополнительный нагрев. Ситуация усугубляется, если сопротивление нагрузки велико, а это запросто может быть, если аккумулятор заряжен. В предельном случае имеет место просто короткое замыкание освещенной панели через затененную.
Тем не менее, если солнечных батарей две, то все не так страшно, в цепи будет течь ток короткого замыкания одной солнечной батареи, который, как известно, не так велик, чтобы как-то повредить панель.

Рис.5 Параллельное соединение трех солнечных батарей.

Другое дело, если параллельно соединено много солнечных батарей, больше двух. Тогда, при затенении, в цепи может протекать сумма нескольких токов короткого замыкания и затененный солнечный модуль запросто может выйти из строя. В данном случае, чтобы исключить противоток, следует установить блокирующий диод для каждой параллельной цепочки, будь это одна солнечная батарея или несколько, соединенных последовательно.

Рис. 6 Применение блокирующих диодов при параллельном соединении солнечных батарей.

Итак, мы рассмотрели тот единственный случай, когда действительно нужно дополнительно устанавливать блокирующие диоды.
Подключается диод при помощи МС4 коннекторов. Прелесть в том, что подключить его в неверном направлении просто невозможно, так как МС4 + и – разные и они просто не подойдут, если направление неверное. Диоды характеризуются предельным током, от 5 до 30 А. Больше 30А вряд ли получится встретить, так как это максимальный ток для МС4 коннектора.

Намеренное затенение солнечных батарей

Затенение солнечных батарей является большой проблемой, однако иногда оно создается намеренно. Довольно популярна идея установки солнечных батарей на разные стороны света, допустим, на восток и на запад. Идея, действительна, хорошая. Пожертвовав суммарной дневной выработкой, мы улучшаем распределение этой выработки в течении дня, то есть увеличиваем утреннюю и вечернюю часть. Таким образом, аккумулятор меньше циклируется и живет дольше. Использовать в подобных системах следует два независимых трекера, то есть два солнечных контроллера, что вполне логично, солнечные массивы освещены по-разному и каждый имеет свою рабочую точку.
Пример такой электростанции мы уже разбирали в обзоре «Установка солнечных батарей на разные скаты крыши».
Тем не менее, очень часто, по большей части из экономии, оба солнечных массива подключают к одному контроллеру. Якобы второй контроллер вообще не нужен, а влияние солнечных батарей друг на друга можно исключить при помощи диодов. Применяется даже термин – «развязывающие» диоды. Действительно, блокирующие диоды в данной ситуации просто необходимы, и скорее уже как противопожарная мера. Тем не менее, в течение дня один из солнечных массивов постоянно блокирован диодом, работает только самый освещенный. По сути, солнечные батареи мешают работать друг другу и толку от такой системы совсем не много.
Итак, имея солнечные батареи в разных условиях, это могут быть просто разные солнечные панели, разная ориентация по сторонам света, или разный угол установки — используйте отдельные контроллеры заряда. Диоды вам не помогут сохранить выработку. Вообще, как мы выяснили, диоды нужно ставить лишь в одном случае, когда параллельно соединены три и более солнечных батареи или группы солнечных батарей.

Источник

Устройство солнечной батареи. Роль диодов в схеме солнечной панели

Понимание принципов работы солнечных панелей крайне важно при проектировании и эксплуатации электростанций. В этой статье мы изложим некоторые физические основы работы солнечных ячеек, а также особенности конструкции солнечных батарей.

Устройство солнечной батареи

Рассмотрим устройство солнечной батареи. Фотоэлектрическая ячейка является полупроводниковой гетероструктурой, имеющей один p-n переход, который возникает на границе раздела двух полупроводниковых пластин p и n типа, соответственно, с «дырочной» и электронной проводимостью. На переднюю и заднюю поверхность ячейки нанесены электрические контакты. При падении света на солнечный элемент фотоны «выбивают» электроны из кристаллической решетки, образуя таким образом электронно- дырочную пару. Далее носители заряда свободно движутся под действием электрического поля p-n перехода. Таким образом, на обкладках солнечной ячейки появляется электро-движущая сила (ЭДС).

Простейшая эквивалентная схема фотоэлектрической ячейки выглядит следующим образом:

Рис.1 Эквивалентная схема солнечной ячейки.

Здесь Rп – последовательное сопротивление солнечного элемента, Rш – шунтовое сопротивление солнечного элемента.

Мощность всей солнечной батареи складывается из мощности входящих в нее солнечных элементов, которые могут быть соединены последовательно или параллельно. Введем обозначения: I – максимальный ток отдельного элемента, U – напряжение отдельного элемента, Nпс – число последовательно соединенных элементов, Nпр – число параллельно соединенных элементов, Iб – максимальный ток солнечной батареи, Uб – напряжение солнечной батареи.

При последовательном соединении солнечных ячеек имеем: Uб=U* Nпс, Iб=I.

Рис.2 Последовательное соединение солнечных элементов.

При параллельном соединении: Uб=U, Iб=I* Nпр

Рис.3 Параллельное соединение солнечных элементов.

Руководствуясь данным принципом можно рассчитать максимальный ток и напряжение для любой системы солнечных элементов

Приведем пример. Ячейки соединены в три каскада по 2 штуки, как показано на Рис.4

Рис.4 Схема соединения солнечных ячеек в три каскада.

Для данной системы имеем: Uб=2U, Iб=3I.

Роль диодов в схеме солнечной панели

Как правило, в солнечной батареи все элементы соединены последовательно, вследствие чего возникает так называемая проблема «темного пятна». Рассмотрим солнечные панели, состоящие из большого числа элементов, соединенных последовательно. К батарее подключена нагрузка Rн. (Рис. 5)

Рис. 5 Схема солнечной панели из большого числа элементов и под нагрузкой

Предположим, один из солнечных элементов затенен. Сопротивление затененной ячейки намного больше сопротивления нагрузки, следовательно, на ней выделится почти вся энергия солнечной батареи, вследствие чего ячейка может перегреться и выйти из строя.

Для борьбы с таким явлением параллельно каждой ячейке нужно включить шунтирующий диод Rш, как показано на Рис. 6.

Рис. 6 Схема солнечной батареи с шунтирующими диодами.

В результате, когда солнечный элемент освещен, шунтирующий диод находится под прямым напряжением смещения самого солнечного элемента и ток не пропускает. Когда элемент затенен, то есть его напряжение меньше падения напряжения на нем при протекании тока, создаваемого остальными ячейками в цепи, шунтирующий диод «открыт» обратным напряжением смещения.

В реальной жизни диодами шунтируется не каждый солнечный элемент (это слишком сложно и дорого), а группы элементов в солнечной батарее. Например, батарея из 72 ячеек 125*125мм, обычно имеет в своем составе три шунтирующих диода.

В рамках данной статье, мы затронули основные физические принципы работы солнечных фотоэлектрических систем. Более подробно тема изложена в монографии Г. Раушенбах. Справочник по проектированию солнечных батарей: пер. с англ. – М.: энергоатомиздат, 1983.

Вам также могут быть интересны другие статьи..

Источник

Как правильно выбрать солнечные батареи

Мы не так часто в нашей жизни покупаем солнечные батареи или устанавливаем солнечную электростанцию у себя на крыше. И правильно подобрать такое дорогостоящее оборудование одновременно ответственная и сложная задача для покупателя. Давайте попробуем разобраться в некоторых нюансах и возможных подводных камнях перед желанной покупкой.

В первую очередь, необходимо обратить внимание на технические характеристики солнечного фотомодуля. Основные из них перечислены ниже. Также, необходимо проверить качество изготовления и отсутствие визуальных дефектов на фотоэлементах, защитном стекле, ну и конечно, раме солнечного модуля.

Как определить, какое напряжение у модулей?

В последние годы на рынке появились солнечные панели с нестандартным напряжением, которые предназначены для работы в последовательных высоковольтных цепочках. С легкой руки непрофессиональных продавцов, появилась путаница с указанием номинального напряжения солнечных модулей. Мы возьмём на себя смелость и постараемся дать несколько советов, как определить, какое напряжение у солнечной батареи.

Различают несколько напряжений, которые указываются в параметрах солнечных панелей.

1. Напряжение в точке максимальной мощности (ТММ). Это напряжение при работе модуля с максимальной эффективностью, т.е. когда он выдает свою пиковую мощность при стандартных тестовых условиях (STC). Это напряжение указывается в спецификациях модулей. Нужно учитывать, что измерить напряжение ТММ не так просто. Более того, очень часто нагрузка или аккумуляторные батареи заставляют работать солнечный модуль при напряжении, отличном от напряжения ТММ (обычно на несколько вольт ниже). Номинальная мощность равна произведению напряжения в точке максимальной мощности на ток в ТММ.
2. Напряжение холостого хода. Напряжение холостого хода измеряется на клеммах солнечной панели без нагрузки, т.е. когда ток равен нулю. Это напряжение указывается в спецификациях на солнечных модуль. Напряжение холостого хода важно для определения максимально возможного напряжения, которое может выдавать модуль и солнечная батарея, собранная из нескольких модулей. Используя коэффициент температурной коррекции напряжения можно вычислить максимально возможное напряжение солнечного модуля при низкой температуре. Это напряжение не должно превышать максимально допустимого напряжения контроллера или инвертора.
3. Номинальное напряжение. Это напряжение используется для классификации и различения модулей. Этот параметр пришел к нам со времен, когда солнечные панели использовались только для заряда аккумуляторных батарей. Это напряжение часто не указывается в спецификациях солнечной панели. Параметр номинального напряжения был введен для облегчения подбора солнечных панелей к аккумуляторам. Например, 12 В аккумуляторы нужно заряжать солнечной панелью с номинальным напряжением 12 В, а батарею 24 В — солнечной панелью с номинальным напряжением 24 В.
   Здесь ситуация аналогичная напряжениям, указываемым для аккумуляторов. Как известно, для заряда аккумулятора номинальным напряжением 12 В нужно зарядное устройство с напряжением примерно до 15 В. Поэтому 12-ти вольтовая солнечная панель должна выдавать такое напряжение при различной температуре.
   Поэтому, даже несмотря на то, что напряжение в ТММ солнечной панели равно 17 В, она будет заряжать аккумулятор при 14 В, а инвертор питать при 10-15 В, но все эти элементы будут иметь номинальное напряжение 12 В. Таким образом, для потребителя облегчается задача подбора оборудования, совместимого друг с другом.
   Такой подход прекрасно работал до появления MPPT контроллеров и сетевых фотоэлектрических инверторов. Технология MPPT (поиска точки максимальной мощности солнечной батареи, англ. maximum power point tracking) позволяет «отвязать» напряжение солнечной батареи от номинальных напряжений инвертора и аккумулятора.
   Сетевые инверторы и MPPT контроллеры позволили производителям солнечных панелей ориентироваться на размер панелей и их мощность, а не на напряжение. Так появились модули, напряжение которых совершенно не связано с напряжениями на аккумуляторах.

Напряжение солнечной батареи определяется количеством соединенных последовательно солнечных фотоэлементов. Каждый элемент имеет рабочее напряжение чуть менее полвольта. В настоящее время есть модули с количеством элементов 36 шт., 48 шт., 54 шт., 60 шт., 72 шт., 96 шт. и 120 шт. Самые распространённые панели с количеством фотоэлементов 36 шт., 60 шт. или 72 шт. В таблице ниже приведены основные напряжения этих солнечных панелей.

При покупке модулей для автономной системы с аккумуляторами обращайте внимание на напряжение модуля. В последнее время массово производятся модули высокой мощности с нестандартным номинальным напряжением 20 В. Такие модули обычно используются совместно с сетевыми фотоэлектрическими инверторами или с MPPT контроллерами заряда. Если вы хотите удешевить систему за счет менее дорогого ШИМ контроллера, выбирайте модули с номинальным напряжением 12 В или 24 В.

Температурная коррекция напряжения

Напряжение при возможных низких рабочих температурах модуля важно знать, для того, чтобы правильно подобрать солнечный контроллер или инвертор. Как известно, напряжение солнечной батареи растет при понижении температуры. Температурный коэффициент обычно указывается в спецификациях солнечного модуля.

На что обращать внимание при выборе солнечных панелей для вашей солнечной электростанции?

Цена против качества

Кроме того, что не все производители и солнечные модули одинаковы, есть еще ряд параметров и факторов, на которые следует обратить внимание при принятии решения о покупке и при выборе поставщика. Только лишь цена на модули не должна быть определяющим фактором.

Проблемы и ухудшение параметров солнечных модулей может быть вызвано следующими факторами:

• Качество солнечного элемента — его эффективность может быть разной. Это зависит от множества его параметров — шунтового и последовательного сопротивлений, шумовых токов, обратного сопротивления и т.д. Многое зависит от качества производства солнечного элемента и качества применяемых при его производстве материалов и оборудования. Известны проблемы практически на каждом этапе производства элемента — начиная от качества применённого кремния, до качества применяемых контактных паст и припоя. Мы в данной статье не будем рассматривать эти проблемы, это предмет для отдельной большой статьи.
• Качество пайки солнечных элементов. При некачественной пайке возможен локальный перегрев контакта и его прогорание.
• Качество EVA пленки, которая расположена между элементами и стеклом. Старение кристаллических солнечных модулей в основном связано со старением и помутнением этой пленки. Некачественная пленка может начать мутнеть и разрушаться уже через несколько лет. Хорошая пленка будет служить 30 и более лет, при этом ее помутнение (и, следовательно, потеря мощности модулем) не будет превышать 25-30%
• Качество герметизации модуля и качество задней защитной пленки. Задняя пленка защищает модуль от попадания влаги. В любом модуле происходит диффузия влаги через пленку. Если качество пленки хорошее, то вся влага, которая попадает внутрь модуля, при его нагревании на солнце, выводится наружу. Если же пленка некачественная, то влаги попадает больше, чем может выйти при нагреве, остаточная влага накапливается внутри модуля и разрушает контакты и контактную сетку элементов. Это приводит к преждевременному выходу модуля из строя.
• Качество алюминиевой рамы. Здесь все понятно: некачественное анодирование может приводить к окислению рамки и ее коррозии. К счастью, этот дефект больше визуальный и вряд ли приводит к преждевременному выходу модуля из строя. Хотя, в некоторых случаях (например, при установке модулей на мачтах, где возможны сильные ветровые нагрузки или там, где среда агрессивная) ускоренная коррозия металла может приводить к его разрушению под нагрузками.
• В последнее время появились солнечные модули с двойным стеклом, т.е. вместо задней защитной пленки применено стекло. Такие модули имеют ряд преимуществ.

Крыша веранды изготовлена из солнечных панелей с двойным стеклом

Толеранс

Под толерансом подразумевается отклонение реальной мощности модуля от паспортной. Толеранс может быть, как положительным, так и отрицательным. Например, модуль c паспортной мощностью 280 Вт может иметь мощность 275 Вт — это будет означать, что данный модуль имеет отрицательный толеранс. Положительный толеранс означает, что солнечная панель не только гарантированно будет иметь при стандартных тестовых условиях выходную мощность 290Вт, но и даже больше.

Температурный коэффициент

Температурный коэффициент отражает, какое влияние на выходные ток и напряжение модуля будет иметь повышение или понижение температуры модуля. Как известно, напряжение и мощность модуля при повышении температуры уменьшаются, а ток повышается. Чем меньше температурный коэффициент изменения мощности, тем лучше.

Эффективность преобразования солнечного света

C этим понятно — чем больше КПД, тем меньшая площадь модулей потребуется для генерации одинаковой мощности и энергии.

Срок службы и гарантии

Заявленный срок службы солнечной панели важен по нескольким причинам. Он может отражать уверенность производителя в качестве произведенной продукции. Солидные производители имеют гарантию 25 лет на 80-90% мощности модуля, а также 5 и более лет на механические повреждения.

Однако, нужно учитывать, что гарантия действует до тех пор, пока существует производитель или импортер. Здесь уже «как карта ляжет» — в последние годы из солнечного бизнеса ушли компании, которые, казалось, будут в нем еще очень долго. Но тем не менее, общее правило остается — покупайте у продавцов и производителей, которые давно на рынке и устойчиво «плывут» в бурном потоке рынка. Так как мало кто покупает модули напрямую от производителя, важно правильно выбрать продавца или установщика, которые обеспечат вам правильный выбор и режимы работы вашей системы солнечного электроснабжения.

Размеры и мощность

Стоимость модуля зависит от его мощности прямо пропорционально. Однако, чем больше единичная мощность модуля, тем меньше будет его стоимость за ватт. Поэтому, если вам нужна определенная мощность, то лучше ее набрать большими модулями, чем маленькими — это будет и дешевле, и надежнее, т.к. у вас будет меньше соединений. Также, стоимость за ватт модулей со стандартным напряжением 12/24 В обычно выше, чем с нестандартным количеством элементов в модуле 48 или 54. Для последних при заряде аккумуляторов нужен более дорогой MPPT контроллер.

Тип солнечных элементов, примененных в модуле, также определяет его размер. Поэтому сначала посчитайте, какая мощность вам нужна для снабжения энергией вашей нагрузки, потом посмотрите, хватит ли вам места для размещения такого количества модулей. Может потребоваться выбрать более дорогие, но более эффективные модули, для того, чтобы обеспечить все ваши потребности в энергии. Не забывайте, кстати, что перед проектированием системы солнечного электроснабжения нужно принять все возможные меры по энергосбережению.

Пиковая мощность всех модулей измерена при стандартных тестовых условиях:
Масса воздуха AM=1.5, радиация E=1000 Вт/м 2 и температура фотоэлектрического элемента T_c=25°C. Такие условия при реальной работе модулей не существуют — модули нагреваются обычно до 40-60 градусов, освещенность почти всегда ниже 1000 Вт/м 2 (исключение составляют морозные ясные дни). Поэтому многие производители также дают характеристики модулей при NOCT (normal operation conditions) — обычно для температуры модуля 45-47 °C и освещенности 800 Вт/м 2 , при этом выработка модулей примерно на 25-30% ниже пиковой. В морозный ясный день выработка модулей может доходить до 125% от пиковой.

Типы солнечных элементов: монокристаллические, поликристаллические, аморфные и другие.

Основные типы солнечных элементов, которые сейчас массово продаются на рынке, следующие:

• Монокристаллические. Имеют наибольшую эффективность и удовлетворительные температурные коэффициенты.
• Поликристаллические. В настоящее время наиболее популярные, т.к. имеют меньшую стоимость за ватт при примерно таких же характеристиках, как монокристаллические. Последние улучшения в технологии поликристаллических модулей брендовых производителей привели к тому, что их параметры могут быть даже лучше, чем у монокристаллических модулей noname производителей/сборщиков панелей.
• Аморфные (тонкопленочные). Используют наименьшее количество кремния. Имеют примерно в 2 раза меньший КПД по сравнению с кристаллическими модулями. К преимуществам можно отнести низкий температурных коэффициент (т.е. при нагревании мощность таких модулей падает незначительно) и большую чувствительность при низких освещенностях.
• CIGs — тонкопленочные модули из кадмий-индий-галлий теллурида. Многообещающая технология, но массового распространения пока не получила. Делают такие модули всего несколько производителей, и цена на них за ватт обычно выше, чем на массово выпускаемые модули из кристаллического кремния.

В последние годы появились солнечные модули, изготовленные с применение новых технологий: PERC, гетероструктурные и т.п. Они имеют больший КПД и улучшенную эффективность. Пока их стоимость превышает стоимость стандартных кристаллических модулей с токосъемными шинами, но технология совершенствуется и рынок постепенно переходит на новые типы модулей, цена которых снижается.

Какие же модули, из перечисленных выше, работают лучше? В последнее время появилось много мифов и необоснованных заявлений насчет того, что какой-то из этих типов модулей работает лучше, чем другие. Некоторые уверяют, что поликристаллические элементы лучше работают при низкой освещенности и в пасмурную погоду. Другие утверждают то же самое, но для монокристаллических элементов. Были даже версии, что поликристаллические элементы лучше преобразуют рассеянный свет, потому что кристаллы в них «повернуты в разные стороны».

Анализ результатов тестирования сотен модулей показывает, что модуль хорош не тот, который моно или поли, а тот, который сделан качественно. Результаты тестирования модулей по PTC (которые ближе к реальным условиям эксплуатации модулей) показывают, что некоторые монокристаллические лучше, чем некоторые поликристаллические, а некоторые поликристаллические лучше, чем некоторые монокристаллические. Этот факт также подтверждают многочисленные результаты сравнений модулей конечными пользователями — можно найти как «доказательства» преимуществ моно перед поли, так и преимуществ поли перед моно. Однако большинство монокристаллических модулей немного лучше работают при нагреве — это подтверждает анализ большого количества данных по PTC мощности солнечных модулей различных производителей.

Что является фактами, так это следующее:

• Монокристаллические модули обычно имеют больший КПД при STC, т.е. можно получить больше мощности с единицы площади солнечной батареи при ярком солнце.
• Монокристаллические модули имеют меньшую деградацию со временем.
• Монокристаллические модули дороже за ватт.
• На эффективность стандартных модулей в общем случае влияет количество токосъемных шин. Чем их больше, тем лучше работают солнечные элементы. Солнечные элементы с 4 шинами (4BB) постепенно вытеснены элементами с 5 шинами (5BB). Эффективность их выше, чем у элементов с 3 или 4 шинами, но сравнивать при этом нужно элементы производителей одинакового уровня. Хороший (брендовый, Tier1) производитель делает модули с 4BB элементами лучше, чем noname или Tier3 c 5BB.
• Солнечные элементы, изготовленные по новой технологии (PERC, гетероструктурные и др.) имеют КПД примерно на 10-15% выше. Т.е. в размере стандартного 260-280Вт модуля можно получить до 320Вт.

Так что еще раз повторим — если хотите получить солнечные панели с прогнозируемыми параметрами — покупайте брендовые, с указанием реального производителя. Этот производитель должен быть в списке протестированных независимыми лабораториями или рекомендован независимыми агентствами.

Источник