Меню

Вольт амперная характеристика солнечной панели

Характеристики солнечных батарей

Солнечные батареи, которые также называют солнечными панелями или солнечными модулями, строятся из отдельных фотоэлектрических преобразователей (так называемых солнечных элементов), которые соединяются друг с другом в последовательные и параллельные цепи, в совокупности работающие как единый источник тока.

Собственно одна панель может рассматриваться как источник тока. Несколько солнечных панелей образуют автономную солнечную электростанцию, которая может быть малой (если речь идет например о частном доме) или большой (если речь идет о промышленной солнечной электростанции) мощности. Размер солнечной станции зависит от ее назначения и от нужд ее потребителя.

Одна солнечная панель обычно содержит количество элементов кратно 12, а именно: 12, 24, 36, 48, 60 или 72 солнечных элемента. Номинальная мощность одной такой панели обычно лежит в диапазоне от 30 до 350 ватт. Соответственно размер и вес панели тем больше, чем больше ее номинальная мощность.

На сегодняшний день реальный КПД солнечных батарей, доступных широкому потребителю, лежит в пределах от 17 до 23%. Есть отдельные экземпляры, декларирующие КПД до 24%, но это скорее исключения и преувеличения. Лаборатории по всему миру стремятся разработать солнечные элементы, КПД которых хотя бы приблизился к 30% — это было бы очень хорошим результатом для источника энергии данного типа, если смотреть на вещи реально.

Солнечные батареи на базе кремния, как альтернативный источник электрической энергии, проверены временем, они отличаются надежностью и безопасностью, компактностью и относительной доступностью. Срок их нормальной эксплуатации доходит до 30 лет и даже превышает. Хотя, справедливости ради стоит отметить, что кремниевые фотоэлектрические элементы со временем деградируют, это выражается в снижении получаемой при полном освещении мощности примерно на 10% от первоначального номинала за каждые 10 лет активной эксплуатации.

То есть если в 2019 году приобреталась новая солнечная панель на 300 Вт, то к 2039 году она будет способна выработать максимум 240 Вт. По этой причине следует вычислять установленную мощность системы с определенным запасом по току. Что касается тонкопленочных элементов, то они временем не проверены, но специалисты утверждают, что скорость деградации в первые же годы у них многократно выше чем у монокристаллических и поликристаллических кремниевых элементов.

При нормальной эксплуатации ни замена элементов, ни какое бы то ни было иное специальное обслуживание монокристаллическим и поликристаллическим солнечным панелям не требуется. Они просты в установке, не содержат движущихся частей, их поверхность обращенная к солнцу всегда имеет защитное механически прочное покрытие.

Вольт-амперная характеристика солнечных батарей снимается в лабораторных условиях при производстве и приводится в спецификации. Стандартный тест проводится при радиации 1000 Вт/кв.м при температуре окружающего воздуха 25°С, как на широте 45°.

Здесь можно видеть крайние точки ВАХ, в которых снимаемая с батареи мощность обращается в ноль. Напряжение холостого хода — Voc — это максимально доступное напряжение на выходе батареи при разомкнутой цепи нагрузки. Ток при коротко замкнутой цепи нагрузки — Isc – это, соответственно, ток при нулевом выходном напряжении.

Практически батарея всегда работает в неком оптимальном режиме где-то посередине между этими двумя точками. В оптимальной точке MPP — максимальная мощность нагрузки. Номинальное напряжение для точки максимальной мощности обозначается Vp, а номинальный ток для данной точки — Ip. В этой точке определяется и КПД солнечной панели.

В принципе солнечная батарея способна работать в любой точке ВАХ, однако для получения максимальной эффективности полезно использовать точку наивысшей мощности, поэтому солнечные панели никогда не питают нагрузку напрямую. Для достижения лучшей эффективности, между солнечной батареей и аккумуляторами (инвертором) следует подключить контроллер заряда с технологией MPPT, который всегда будет работать в точке максимума доступной мощности при любой текущей интенсивности солнечного освещения.

Источник

Параметры солнечного элемента

Вольт-амперная характеристика СЭ представляет собой суперпозицию вольт-амперной характеристики диода в темноте и светового тока СЭ.

Под действием света вольт-амперная характеристика смещается вниз в четвертую четверть, в которой находится полезная мощность. Освещение СЭ добавляет световой ток к темновому току и уравнение диода принимает вид:

Уравнение вольт-амперной характеристики в первой четверти записывается как

Слагаемым (-1) в этом уравнении обычно можно пренебречь. Экспоненциальная составляющая обычно >> 1 для всех напряжений, кроме очень маленьких (меньше 100 мВ). При низких напряжениях световой ток IL преобладает над током I0(. ), поэтому (-1) можно опустить.

Читайте также:  Где установлены солнечные панели

Темновой ток , I = 1e-10 A
Световой ток , IL = 0.5 A
Коэффициент идеальности , n = 1

Температура, T = 300 K

Напряжение, V = 0.5 В
Ток, I = 0.4753 A

Далее обсуждаются некоторые важные параметры, используемые для характеристики СЭ. Основными среди них являются ток короткого замыкания ISC, напряжение холостого хода VOC, коэффициент заполнения FF и коэффициент полезного действия. Эти параметры можно рассчитать из вольт-амперной характеристики.

Ток короткого замыкания

Ток короткого замыкания возникает в результате генерации и разделения сгенерированных светом носителей. В идеальном СЭ при условии умеренных резистивных потерь ток короткого замыкания равен световому току. Поэтому ток короткого замыкания можно считать максимальным током, который способен создать СЭ.

Ток короткого замыкания зависит от ряда параметров, описанных ниже: — Площадь СЭ. Обычно вместо тока короткого замыкания рассматривают плотность тока короткого замыкания (Jsc в мА/см2). Это позволяет не учитывать площадь СЭ.
— Число фотонов (то есть мощность падающего излучения). ISC прямо зависит от интенсивности света, как это было показано в пункте «Влияние интенсивности излучения».
— Спектр падающего излучения. Для большинства измерений проводимых с СЭ используется спектр при условии AM1.5.
Оптические свойства (поглощение и отражение) СЭ. О них говорится в пункте «Оптические потери».
— Вероятность разделения носителей в СЭ, которая зависит главным образом от пассивации поверхности и времени жизни неосновных носителей в базе.

При сравнении однотипных СЭ критическим параметром является диффузионная длина и пассивация поверхности. В СЭ с идеально пассивированной поверхностью и равномерной генерацией ток короткого замыкания можно записать, как

где G — скорость генерации, Ln и Lp диффузионная длина электронов и дырок соответственно. Хотя это уравнение использует некоторые допущения, не выполняющиеся в большинстве реальных СЭ, оно показывает, что ток короткого замыкания сильно зависит от скорости генерации и диффузионной длины.

Максимальная плотность тока солнечных кремниевых элементов при условии АМ 1.5 равна 46 мА/см2. Плотность тока лабораторных СЭ достигает 42 мА/см2, коммерческих — 28 — 35 мА/см2.

Световой ток и ток короткого замыкания (IL или Isc ?)

Также предполагается, что IL зависит только от падающего излучения и не зависит от напряжения на СЭ. Однако на самом деле это не так и в некоторых СЭ IL зависит от напряжения.

Напряжение холостого хода

Voc можно определить, положив в уравнении СЭ ток равным нулю:

Ток насыщения , I = 1e-10 A
Световой ток , IL = 0.5 A
Коэффициент идеальности , n = 1

Температура, T = 300 K
Voc = 0.578 В

Это уравнение показывает, что Voc зависит от тока насыщения СЭ и светового тока. Обычно ISC изменяется незначительно, поэтому основное влияние на Voc оказывает ток насыщения, который может изменятся на порядок. Ток насыщения I0 зависит от рекомбинации в СЭ. Значит напряжение холостого хода характеризует рекомбинацию в устройстве. Напряжение холостого хода монокристаллических СЭ высокого качества достигает 730 мВ при условии АМ1.5, 1 Sun. В коммерческих устройствах оно обычно находится на уровне около 600 мВ.

Voc также можно определить из концентрации носителей:

где kT/q — тепловое напряжение, NA — концентрация легирующей примеси, Δn — концентрация избыточных носителей, ni — собственная концентрация. Когда Voc определяют через концентрацию носителей, его также называют значащим напряжением.

Концентрация легирующей примеси , NA = 1.5e16 cм-3
Концентрация избыточных носителей, Δn = 1e15 cм-3
Температура, T = 298 K
Собственная концентрация носителей , ni = 8.6e9 cм-3
Voc = 0.667 В

Зависимость выходного тока (красная линия) и мощности (синяя линия) СЭ от напряжения. Так же показаны точки тока короткого замыкания, напряжения холостого хода, максимальных тока и напряжения. Нажмите на изображение, чтобы увидеть, как изменяется кривая для СЭ с низким FF. Так как FF является мерой квадратичности вольта-амперной кривой, СЭ с более высоким напряжением будет иметь более большой возможный FF. Это следует из того, что закругленная часть кривой занимает меньше места. Максимальный теоретически возможный FF можно определить дифференцируя мощность по напряжению и приравнивая производную к нулю:

Однако этот метод не дает окончательного уравнения. Уравнение выше связывает VOC и VMP. Чтобы найти FF и IMP нужно записать дополнительные уравнения. Часто используют эмпирическое уравнение для FF:

где VOC — это значащее VOC.

Напряжение холостого хода , Voc = 0.6 В
Коэффициент идеальности , n = 1

Температура, T = 300 K
значащее VOC , voc = 23.1884 В
Коэффициент заполнения , FF = 0.8274

Читайте также:  Что нужно для подключения солнечной панели

Это уравнение показывает, что чем больше напряжение, тем больше теоретический FF. Для СЭ, выполненных по одинаковой технологии, значения VOC обычно отличаются не очень сильно. Например, под действием 1 Sun разница между лабораторными и коммерческими СЭ составляет около 120 мВ, что дает максимальный FF 0.85 и 0.83 соответственно. FF может различаться существенно для СЭ из разных материалов. Например, FF солнечных элементов на основе GaAs может достигать 0.89.

Также уравнение, записанное выше, показывает важность коэффициента идеальности СЭ, называемого n-фактором. Величина коэффициента идеальности характеризует качество p-n перехода и говорит о виде рекомбинации в СЭ. При наличии обычных механизмов рекомбинации, n-фактор равен 1. Однако, в других случаях n может принимать значение 2 и др. Высокое значение n уменьшает не только FF, но и напряжение холостого хода, так как оно свидетельствует о наличие высокой скорости рекомбинации.

На практике FF всегда ниже идеального значения в следствие присутствия паразитных сопротивлений, о которых говорится в пункте «Влияние паразитных сопротивлений». Поэтому FF чаще всего определяют из вольт-амперной характеристики как максимальную мощность деленную на произведение ISC и VOC:

Напряжение холостого хода , Voc = 0.611 В
Ток короткого замыкания , Isc = 2.75 A
Напряжение в точке максимальной мощности , Vmp = 0.500 В
Ток в точке максимальной мощности , Imp = 2.59 A
Результирующий коэффициент заполнения, FF = 0.7707

Коэффициент полезного действия

КПД СЭ определяется, как часть падающей энергии, преобразованной в электричество:

где Voc — напряжение холостого хода
Isc — ток короткого замыкания
FF — коэффициент заполнения
η — КПД

Для элемента площадью 10×10 см2 при плотности потока падающего излучения 100 мВт/см2

Voc = 0.611 В
Isc = 3.5 A
FF = 0.7

Pin = 10 Вт
Pmax = 1.1762 Вт
КПД, η = 14.9695 %

Источник

Солнечная батарея (панель)

Солнечная батарея или солнечная панель – это самый доступный способ получать энергию от солнца.

Типы солнечных ячеек

В основном в солнечной промышленной энергетике выделяют два типа ячеек – это поликристаллические ячейки, а также монокристаллические ячейки.

Про плюсы и минусы моно- и поликристаллических панелей можете прочитать в этой статье. Одно скажу точно, солнечная батарея из монокристалла лучше по всем характеристикам, хотя и дороже по цене.

Что такое солнечная батарея

Солнечная батарея представляет из себя множество солнечных ячеек, которые соединены в определенной последовательности. Они могут быть соединены последовательно, параллельно, или даже последовательно-параллельно.

Вот так выглядит солнечная панель на 100 Вт

Вид панели с обратной стороны

Сзади на этикетке параметры этой панели:

Основные параметры солнечной батареи

Максимальная мощность (Maximum power)

Этот параметр солнечной панели показывает, какую максимальную мощность может выдать такая панель в солнечный день, при условии, что солнце будет в зените и панель будет полностью освещаться солнечными лучами.

Максимальное напряжение при нагрузке (Maximum power voltage)

Максимальное значение напряжение при условии, что панель выдает в нагрузку максимальную мощность. То есть этот параметр также учитывает, что панель должна быть под солнцем в зените в яркий солнечный день.

Максимальный ток, который может выдать солнечная панель в нагрузку (Maximum Power Current)

Этот параметр показывает, какой максимальную силу тока может выдать панель в нагрузку.

Напряжение в холостом режиме (Open Circuit Voltage)

Это напряжение на клеммах солнечной панели в яркий солнечный день, при условии, что к клеммах не подсоединяется никакая нагрузка.

Ток короткого замыкания ( Short Circuit Current)

Это сила тока, которая будет течь в цепи солнечной панели, если ее клеммы соединить между собой, при условии, что панель находится под солнцем.

Ну а далее различные массо-габаритные характеристики. Также в сопроводительном листе были указаны такие параметры, как КПД солнечного модуля = 15,2%, закаленное матовое стекло толщиной в 3,2 мм, а также рабочий диапазон температур от -40 и до +80 градусов по Цельсию. По заявлению производителя, такая панель выдерживает град размером в горох и срок ее службы составляет 15-20 лет. Ну что же, поживем увидим.

Солнечная батарея в ясный день

Итак, в нашей статье мы будем ставить опыты с солнечной панелью на 100 Вт и посмотрим, целесообразно ли ее было покупать. Так как я живу в Удмуртии, это получается 57 градусов северной широты. Лето теплое солнечное, зима умеренно-холодная.

Приятный солнечный денек 10 июня. На небе ни тучки, солнце в зените.

Читайте также:  Китай солнечные панели опт

Направляю панель на солнышко и смотрю напряжение на клеммах в холостом режиме.

23,1 Вольта халявы)

А теперь смотрим ток короткого замыкания. Для этого ставим мультиметр в режим измерения силы тока и соединяем выводы солнечной панели.

Все прям почти как по описанию).

Берем галогенную автомобильную лампу и цепляем к панели

Горит так, что даже глаза слепит.

Давайте замеряем напряжение на клеммах панели с нагрузкой-лампочкой.

Смотрим силу тока, которую кушает наша автомобильная лампочка:

Давайте посчитаем, какую мощность кушает лампочка от панельки. Вспоминаем, что мощность – это произведение силы тока на напряжение. То есть получаем P=IU=5,45 x 16,2 = 88,3 Ватта. Как видите, панелька в легкую питает нагрузку, которая кушает 88,3 Ватта при напряжении в 16,2 Вольта. Честно говоря, более чем 14,4 Вольт подавать на лампочку не стоило бы, так как она автомобильная. Но вроде осталась жива.

Солнечная батарея в пасмурный день

Все бы хорошо, но сказка рано или поздно заканчивается. На следующий день солнышко зашло и на небе стали появляться грозовые тучки:

Замеряем напряжение на клеммах без нагрузки:

Напряжение вроде бы есть.

Замеряем силу тока короткого замыкания:

Даже меньше Ампера…. На то она и солнечная батарея).

Что внутри солнечной батареи

Распределительная коробка имеет уровень защиты IP67, что говорит о том, что она пыленепроницаемая и водонепроницаемая:

Внутри стоят два мощных диода, скорее всего диоды Шоттки

Они нужны для того, чтобы электрический ток шел только от солнечной панели к нагрузке.

Как сделать мини-электростанцию на солнечных батареях

Сейчас с Али мне идет солнечный контроллер

Будем делать миниэлектростанцию для своей лаборатории по классической схеме:

Синяя коробочка – это и есть контроллер. Черная коробочка под ним – это инвертор, который преобразует 12 Вольт постоянного тока от аккумулятора в 220 Вольт переменного тока (в напряжение в вашей домашней розетке). Остальные части схемы вам уже известны. Эта схема полностью автономная и требует минимального обслуживания.

Стоит ли брать солнечные батареи?

Давайте посчитаем вместе. Сама 100 Ваттная панель стоит 5000 руб. Хотя, на Алибабе (отец Алиэкпресса) оптом можно затариться дешевле, хотя и по доставке еще надо будет решать вопрос:

Моя панель выдает 0,1 Киловатт. Допустим у нас солнце светит в среднем в год по 8 часов в день. Получается, за день панель может производить энергию в количестве 0,1 х 8 = 0,8 Киловатт х часов. У нас в селе Киловатт в час стоит 2,5 рублей. Стоит ли игра свеч? Я думаю, что нет. По крайней мере у меня в Удмуртии. В южных странах, где солнце “поливает” по 12 часов в день – это будет лучшим решением.

Но теперь давайте рассмотрим другой случай.

Ваш маленький домик находится в глуши. Хватит ли одной такой панели, чтобы поддерживать маломальский комфорт, типа освещения, питания ноутбука, телефона и ловли интернета? Вполне. Думаю, будет даже выгоднее, чем дизель-генератор. Поэтому, в данном случае солнечные батареи будут наилучшим решением.

Как соединять солнечные батареи?

Солнечная панель – это простой источник питания, как аккумулятор или батарейка. Поэтому, для них действуют все те же законы, что и для источников питания. Солнечные панели можно соединять с друг другом последовательно, параллельно или даже последовательно-параллельно. Более подробно про виды соединений источников питания читайте в этой статье.

Последовательное соединение

Вот так выглядит параллельное соединение солнечный панелей. В этом случае суммируется выдаваемая сила тока, а напряжение остается таким же

параллельное соединение солнечных панелей

Параллельное соединение

Если же вы хотите увеличить напряжение, то следует соединять панели последовательно. В этом случае у вас напряжения, получаемые с каждой солнечной панели будут суммироваться.

последовательное соединение солнечных панелей

Последовательно-параллельное соединение

Если вы хотите увеличить и напряжение и выдаваемую силу тока, то в этом случае соединяют панели последовательно-параллельно

последовательно-параллельное соединение солнечных панелей

Заключение

Использование альтернативной энергии бывает иногда очень полезно в некоторых случаях, особенно для питания автономных устройств, типа уличного освещения, радиопередатчиков, питания различных GSM-сигнализаций в садоогороде и тд.

Ну а если кто-то сомневается в будущем солнечной энергетики, просто взгляните на эти солнечные батареи, которые вырабатывают Мегаватты энергии за день!

Источник