محاسبه و طراحی ماژول های خورشیدی فتوولتائیک

محاسبه و طراحی ماژول های خورشیدی فتوولتائیک

تعیین تعداد سلول‌های یک ماژول ، اندازه گیری پارامترهای ماژول و محاسبه جریان اتصال کوتاه ، ولتاژ مدار باز و مشخصه V-I در ماژول‌های خورشیدی

فهرست مطالب

• 1- ماژول فتوولتائیک خورشیدی چیست؟
• 2- تعیین تعداد سلول‌های یک ماژول
• 3- مثال 
• 4- اندازه گیری پارامترهای ماژول
• 5- اندازه گیری ولتاژ مدار باز(VOC):
• 6- اندازه گیری جریان اتصال کوتاه(ISC):
• 7- اندازه گیری منحنی V-I
• 8- ماژول های با ولتاژ بالاتر
• 9- مثال
• 10- دیودهای مسدود کننده و بای پس
• 11- دیود بای پس
• 12- دیود مسدود کننده
• 13- اتصال سری ، موازی و سری – موازی صفحات خورشیدی و آرایه

ماژول فتوولتائیک خورشیدی چیست؟

توان مورد نیاز بارهای روزانه ما در چندین وات یا بعضی اوقات در کیلو وات‌است. یک سلول خورشیدی نمی‌تواند برای تامین چنین تقاضای باری ،  انرژی کافی تولیدکند. بسته به ناحیه سلول به سختی می‌تواند در محدوده ای از 1/0 تا 3 وات توان تولیدکند. در مورد نیروگاه‌های برق متصل به شبکه و صنعتی ، ما به برق در محدوده مگا وات یا حتی گیگا وات نیازداریم .

بدین ترتیب، تک‌سلول PV توانایی چنین تقاضای زیادی راندارد. بنابراین، برای پاسخگویی به این خواسته‌های بالا ، سلول‌های خورشیدی به هم متصل‌می‌شوند. اتصال و آرایش سلول‌های خورشیدی را ماژول های PVمی‌نامند.

وقتی تابش خورشید بر روی یک سلول خورشیدی قرارمی‌گیرد ، بین ترمینال آند و کاتد ولتاژ تولیدمی‌شود (یعنی آند ترمینال مثبت است و کاتد ترمینال منفی‌است). برای افزایش پتانسیل برای توان موردنیاز ، تعداد N سلول به طور سری متصل‌می‌شوند. همانطور که در شکل زیر نشان‌داده‌شده‌است ، پایانه منفی یک سلول به پایانه مثبت سلول دیگر متصل‌می‌گردد.

شکل

وقتی تعداد N سلولهای خورشیدی را به صورت سری وصل‌کنیم ، دو ترمینال بدست‌می‌آوریم و ولتاژ این دو ترمینال مجموع ولتاژ سلول‌های سری شده‌است. به عنوان مثال ، اگر یک سلول 3/0ولت باشد و 10 سلول به صورت سری متصل شوند ولتاژ کل رشته

3/ . ولت × 10 = 3 ولت خواهدبود.

اگر 40 سلول 6/ .  ولت به صورت سری متصل‌شوند ، ولتاژ کل 6/ 0ولت × 40 = 24 ولت خواهدبود. توجه به این نکته مهم‌است که وقتی سلول‌ها به صورت سری متصل‌می‌شوند ولتاژ اضافه‌می‌شود در حالی که جریان ثابت‌می‌ماند.

به طورمشابه ، هنگامی که سلول ها به طور موازی متصل‌می‌شوند ، جریان سلول‌های جداگانه اضافه‌می‌شود. ترمینال آند یک سلول به ترمینال آند سلول بعدی متصل‌شده و به همین ترتیب ، ترمینال کاتد همانطور که در شکل 2 نشان‌داده‌شده‌است ، به ترمینال کاتد سلول بعدی متصل‌می‌شود.

برخلاف اتصال سری ، ولتاژ کل رشته در اتصال موازی بدون تغییر باقی‌می‌ماند. به عنوان مثال ، اگر سلول توانایی تولید جریان A 2 را دارد و 5 سلول خورشیدی به طور موازی به هم متصل‌می‌شوند. سپس ظرفیت تولید کل سلول 2A × 5 = 10 A خواهدبود.

شکل

پارامترهای ماژول PV توسط تولید کنندگان تحت شرایط استاندارد تست (STC) ذکرشده‌است ، یعنی دمای 25 درجه سانتیگراد و تابش 1000 وات بر متر مربع. در بیشتر اوقات و مکان ها ، شرایط مشخص شده تحت STC اتفاق‌نمی‌افتد.

زیرا تابش خورشید همیشه کمتر از W / m²1000 و دمای کارکرد سلول بالاتر از 25 سانتی گراداست ، این عدم اطمینان منجر به کاهش قدرت خروجی ماژول PVمی‌شود.

همانطور که قبلاً بحث‌کردیم که ماژول PV از تعدادی سلول خورشیدی تشکیل‌شده‌است ، از این رو پارامترها و عوامل موثر بر آن در تولید برق ، مشابه سلول خورشیدی‌است که قبلاً در مقاله قبلی خود به آن پرداخته‌ایم.

تعیین تعداد سلول‌های یک ماژول

یکی از نیازهای اساسی ماژول PV تأمین ولتاژ کافی برای شارژ باتری در سطوح مختلف ولتاژ تحت تابش روزانه خورشیداست.

این بدان معنی‌است که ولتاژ ماژول برای شارژ باتری در هنگام تابش کم خورشید و دمای بالا باید بیشترباشد.

ماژول‌های PV برای تأمین ولتاژهای چند برابر ولتاژ باتری 12 ولت یعنی 12 ولت ، 24 ولت ، 36 ولت ، 48 ولت و غیره طراحی‌شده‌اند.

برای شارژ باتری 12 ولت از طریق ماژول PV به ماژولی با V_M  15 V  و برای باتری 24 ولت به ماژولی با V_M  30 V و غیره نیازداریم.

سایر دستگاه‌های استفاده شده در سیستم PV برای کار با سطح ولتاژ باتری سازگار شده‌اند.

برای تأمین سطح ولتاژ مورد نیاز ما باید سلول ها را به صورت سری وصل‌کنیم.

بسته به فن آوری های مختلفی که در سلول PV استفاده‌می‌شود ، تعداد سلولهای مورد نیاز برای اتصال سری متفاوت‌خواهد بود.

تعداد سلول‌هایی که باید به صورت سری متصل‌شوند به ولتاژ در حداکثر نقطه قدرت یعنی V_M سلول منفرد و افت ولتاژ بستگی‌دارد که به دلیل افزایش درجه حرارت سلول بالاتر از STC رخ میدهد.

مثال:

بگذارید این را با یک مثال درک‌کنیم ، قراراست یک ماژول PV با سلول‌های خورشیدی برای شارژ باتری 12 ولت طراحی‌شود. ولتاژ مدار باز V_OC سلول 0.89 V  و ولتاژ ماکزیمم V_M  0.79 Vاست.

دمای کارکرد سلول‌ها 60 درجه سانتی گراداست و برای هر درجه افزایش دما ، ولتاژ 2 میلی ولت کاهش‌می‌یابد. برای شارژ شدن باتری چند سلول با اتصال سری لازم‌است؟

مرحله 1: ولتاژ ماکزیمم را پیدا کنید. V_M = 0.79 V

اگر V_M مشخص نشده باشد ، از V_M به عنوان 80 تا 85٪  V_OC استفاده‌کنید.

مرحله 2: افت ولتاژ در دمای کار یعنی 60 درجه سانتیگراد را پیداکنید.

افزایش دما بالاتر از STC = دمای کار – دما در STC.

افزایش دما بیش از STC = 60 ° C – 25 ° C = 35 ° C

بنابراین ، افت ولتاژ به دلیل افزایش دما بیش از STC:

افت ولتاژ = 35 درجه سانتیگراد  ×  0.002 V= 0.07 V ولت

مرحله 3: تعیین ولتاژ در شرایط کار.

ولتاژ در شرایط کار = ولتاژ در STC (VM) – افت ولتاژ به دلیل افزایش دما بالاتر از STC.

بنابراین ، ولتاژ در شرایط عملیاتی = 0.79  ولت – 0.07  ولت = 0.72  ولت

مرحله 4:

ولتاژ ماژول PV مورد نیاز را برای شارژ باتری تعیین‌کنید.

برای شارژ باتری 12 ولت نیاز به ولتاژ ماژول داریم تا حدود 15 ولت‌باشد.

مرحله 5: تعداد سلول‌هایی که به صورت سری وصل می‌شوند را تعیین‌کنید.

تعداد سلول‌های متصل به سری = ولتاژ / ولتاژ ماژول PV در شرایط عملیاتی.

تعداد سلول‌های سری متصل = 15 V / 0.72 V = 20.83 یا حدود 21 سلول

بنابراین ، برای شارژ باتری 12 ولت به 21 سلول سری نیازداریم. توجه به این نکته مهم‌است که برای تکنولوژی‌های مختلف سلول خورشیدی ، برای ولتاژ خروجی یکسان به تعداد مختلف سلول‌های سری نیاز خواهیم‌داشت. یک عکس واقعی از ماژول PV که شامل تعداد N سلول متصل به برق‌است ، در شکل 3 در زیر نشان‌داده‌شده‌است.

اندازه گیری پارامترهای ماژول

برای اندازه گیری پارامترهای ماژول مانند V_OC ، I_SC ، V_M و I_M  ما به ولت متر و آمپرمتر یا مولتی متر ، رئوستا و سیم های اتصال نیازداریم.

اندازه گیری ولتاژ مدار باز (V_OC):

هنگام اندازه گیری V_OC ، بدون بار باید از طریق دو ترمینال ماژول متصل‌شود. برای یافتن ولتاژ مدار باز ماژول فتوولتائیک از طریق مولتیمر ، مراحل ساده زیر را دنبال‌کنید.

• دکمه مولتی متر را روی اندازه گیری ولتاژ DC تنظیم کنید و دامنه اندازه گیری ولتاژ را مطابق با آن انتخاب کنید یعنی 6 ولت ، 12 ولت ، 24 ولت و غیره.
• اطمینان حاصل کنید که یک پروب به درگاه COM مولتی متر و دیگری به درگاه اندازه گیری ولتاژ متصل‌است.
• پس از انتخاب حالت و دامنه ، پروب های مولتی متر را به دو ترمینال ماژول PV متصل کرده و میزان خواندن را بر روی صفحه نمایش مشاهده کنید.
• اطمینان حاصل کنید که پروب مثبت (پورت اندازه گیری ولتاژ) به ترمینال مثبت و پروب منفی) پورت ( COM به ترمینال منفی متصل شده اند. اگر پروب ها برعکس وصل شوند ، مقدار خوانده شده منفی خواهدشد.
• مقدار نمایش داده شده روی نمایشگر مولتی متر ولتاژ مدار باز V_OC ماژول PV است.

اندازه گیری جریان اتصال کوتاه (I_SC):

هنگام اندازه گیری I_SC  ، بدون بار باید از طریق دو ترمینال ماژول متصل‌شود.

برای یافتن جریان اتصال کوتاه یک ماژول فتوولتائیک از طریق مولتیمر ، مراحل ساده زیر را دنبال‌کنید.

• دکمه مولتی متر را روی اندازه گیری جریان تنظیم‌کنید و محدوده اندازه گیری جریان را بر این اساس انتخاب‌کنید ، به طور معمول بین 0.1 تا 10 A .
• اطمینان حاصل کنید که یک پروب به پورت COM مولتی متر و دیگری به پورت اندازه گیری جریان متصل‌است.
• پس از انتخاب حالت و دامنه ، پروب های مولتیمتر را به دو ترمینال ماژول PV متصل کرده و مقدار خوانده‌شده را بر روی صفحه نمایش مشاهده‌کنید.
• اطمینان حاصل‌کنید که پروب مثبت به ترمینال مثبت (پورت اندازه گیری جریان) و پروب منفی (پورت COM) به ترمینال منفی متصل‌شده‌است. اگر پروب ها معکوس وصل‌شوند ، مقدار خوانده شده منفی خواهدبود.
• قرائت مشاهده‌شده بر روی نمایشگر مولتی متر I_SC جریان اتصال کوتاه ماژول PVاست.

اندازه گیری منحنی V-I:

برای اندازه گیری منحنی I-V ، ماژول PV خورشیدی باید بصورت سری با مقاومت متغیر متصل شود ، همانطور که در شکل زیر نشان‌داده‌شده‌است.

ترمینال منفی ماژول به ترمینال مثبت آمپرمتر و ولتمتر مستقیماً از طریق ماژول PV متصل می‌شود همانطور که در شکل 4 نشان داده‌شده‌است.

اگر ناخودآگاه اتصالات برعکس انجام‌شود ، مقدار نشان داده شده دارای علامت منفی‌است ، اتصال ها را دوباره وصل‌کنید تا مقادیر صحیح بدست‌آورید.

پس از انجام صحیح مقاومت متغیر (رئوستا) را از یک طرف تنظیم کنید تا ولتاژ حداکثر و جریان کمترین‌باشد. مقادیر جریان و ولتاژ را در این موقعیت رئوستا یادداشت‌کنید.

حالا رئوستا را به آرامی به طرف دیگر بلغزانید و برای هر تنظیم اسلاید ، قرائت ها را یادداشت‌کنید تا اینکه رئوستا کاملا کوتاه‌شود. با استفاده از معادله زیر توان هر مقدار ولتاژ و جریان را محاسبه‌کنید.

P = V × I

بنابراین ، با استفاده از این مقادیر اندازه گیری‌شده می توان تمام پارامترهای دیگر ماژول PV را بدست آورد.

ماژول های با ولتاژ بالاتر

یکی از سلول‌های متداول موجود در بازار فناوری “Crystaline Silicon Cell” است.

این سلول ها در مساحت 5/12 × 5/12 سانتی متر مربع و 15× 15 سانتی متر مربع در دسترس‌هستند.

اما این ماژول چقدر توان بیشتری‌دارد و چگونه می‌تواند قدرت بیشتری را در هر ماژول بدست‌آورد؟

یک ماژول PV معمولی طراحی‌شده دارای ولتاژ 15 ولت برای شارژ باتری 12 ولت‌است.

برای بدست آوردن این ولتاژ ، 32 تا 36 سلول به صورت دایره ای و پیک ولتاژ یک سلول منفرد متصل‌می‌شوند.جریان تولید شده توسط سلول‌ها به ناحیه ، مقدار نوری که روی آن می افتد ، زاویه نور روی آن و تراکم جریان بستگی‌دارد.

Crystaline Silicon Cell  دارای تراکم جریان J_SC  در محدوده 30 میلی آمپر در سانتی متر مربع تا 35 میلی آمپر در سانتی مترمربع‌است.

اجازه‌دهید چگالی جریان 30 میلی آمپر در سانتی مترمربع را برای مثال خود در نظربگیریم.سپس جریان اتصال کوتاه برای مساحت 5/12 × 5/12 سانتی متر مربع را می توان به صورت زیر محاسبه‌کرد:

I_SC = J_SC × Area = 30 mA/cm² × 12.5 × 12.5 cm² = 4.68 A

به طور مشابه ، برای 15 × 15 سانتی متر مربع جریان اتصال کوتاه محاسبه‌می‌شود:

I_SC = J_SC × Area = 30 mA/cm² × 15 × 15 cm² = 6.75 A

برای اکثر تولیدکنندگان ، I_M   حدود 90 تا 95٪ I_SC است. برای مثال ما ، I_M   مقدار 95٪ ISC است.

I_M = 0.95 × I_SC

سپس می‌توان I_M   را برای مساحت 5/12 × 5/12 سانتی متر مربع بدست‌آورد.

I_M = 0.95 × 4.68 A = 4.446 A

به همین ترتیب ، برای مساحت15 × 15 سانتی متر مربع محاسبه‌می‌شود:

I_M = 0.95 × 6.75 A = 6.412 A

اکنون می‌توانیم حداکثر توان را برای این دو سلول تعیین‌کنیم.

1- P_M = V_M × I_M

2- P_M = 15 V × 4.446 A = 66.69 W (برای مساحت 5/12 × 5/12 سانتی متر مربع)

3- P_M = 15 V × 6.412 A = 96.18 W (برای مساحت15 × 15 سانتی متر مربع)

بنابراین ، با استفاده از بهترین فناوری سلول موجود با مساحت 5/12 × 5/12 و 15 × 15 سانتی متر مربع ، ما به ترتیب 66.69 W و 96.18 W  قدرت خروجی‌می‌گیریم (در نظر گرفتن I_M  95٪ I_SC  و تراکم جریان 30 mA/cm² ).
برای افزایش ولتاژ و جریان ماژول باید تعداد بیشتری سلول به ترتیب و به صورت موازی متصل‌شوند ، این باعث افزایش قدرت کلی ماژول بیش از آنچه ما محاسبه کرده‌ایم‌می‌شود.

مثال:

اکنون برای درک بهتر به ما اجازه‌دهید ماژول PV را طراحی کنیم که بتواند ولتاژ حداکثر توان V_M 45 ولت تحت STC و 33.5 ولت را در دمای کارکرد 60 درجه سانتیگراد ایجادکند. ما از سلولهایی با ولتاژ مدار باز V_OC 0.64 ولت ، با کاهش 004/0 ولت در V_M در هر درجه افزایش دما استفاده خواهیم‌کرد.

مرحله 1: ولتاژ را در حداکثر توان V_M پیداکنید.

اگر V_M مشخص نشده باشد ، از V_M به عنوان 80 تا 85٪ V_OC استفاده‌کنید

بگذارید فرض کنیم V_M = 0.85 × V_OC = 0.85 × 0.64 V = 0.544 V باشد

مرحله 2: افت ولتاژ را در دمای کار یعنی 60 درجه سانتیگراد پیداکنید.

افزایش دما بالاتر از STC = دمای کار – دما در STC.

افزایش دما بیش از

STC = 60 ° C – 25 ° C = 35 ° C

بنابراین ، افت ولتاژ به دلیل افزایش دما

STC = 35 °C × 0.004 V = 0.14 V

مرحله 3: تعیین ولتاژ در شرایط کار

ولتاژ در شرایط کار = ولتاژ در STC (VM) – افت ولتاژ به دلیل افزایش دما بالاتر از STC.

بنابراین ، ولتاژ در شرایط عملیاتی

0.544 V – 0.14 V = 0.404 V

مرحله 4: ولتاژ ماژول PV مورد نیاز را تعیین‌کنید

ما به ولتاژ ماژول نیاز داریم تا حدود 5/33 ولت‌باشد.

مرحله 5: تعداد سلول‌هایی که به صورت سری وصل می‌شوند را تعیین‌کنید

تعداد سلول‌های سری = ولتاژ / ولتاژ ماژول PV در شرایط عملیاتی.

تعداد سلول‌های سری = 33.5 V / 0.404 V = 82.92  یا حدود 83 سلول.

مثال

حال اجازه دهید محاسبه‌کنیم که این 83 سلول تحت STC با داشتن V_M  = 45 ولت چه توانی می‌توانند تولید کنند و اجازه دهید مقادیر یکسان جریان را برای دو سلول از مثال قبلی‌بگیریم.

I_M = 4.446 A (برای مساحت 5/12 × 5/12 سانتی متر مربع)

I_M = 6.412 A (برای مساحت 15 × 15 سانتی متر مربع)

حال می توانیم حداکثر توان پیک را برای این دو سلول در ولتاژ 45 ولت تعیین کنیم.

P_M = V_M × I_M

P_M = 45 V × 4.446 A = 200.07 W (برای مساحت 5/12 × 5/12 سانتی متر مربع)

PM = 45 V × 6.412 A = 288.54 W (برای مساحت 15 × 15 سانتی متر مربع)

بنابراین ، با توجه به نیاز به توان زیاد ، چنین سلول‌هایی از مناطق بزرگتر بصورت سری و موازی متصل می‌شوند و یک ماژول PV را تشکیل‌می‌دهند. بعلاوه ، این ماژول‌های PV می توانند بصورت سری و موازی متصل‌شوند و یک آرایه PV ایجاد کنند که در مگاوات برق تولیدکند.

دیودهای مسدود کننده و بای پس

دیود بای پس

تمام سلولهای سری در ماژول PV یکسان‌هستند و همه آنها وقتی نور به آنها می تابد جریان تولیدمی‌کنند.

اما اگر یکی از سلولهای خورشیدی تحت سایه ای قراربگیرد ، نور افتاده بر روی آن قطع می‌شود و جریان کمتری ایجادمی‌کند یا تقریباً هیچ جریانی ایجادنمی‌کنداین سلول اکنون مانند یک مقاومت در برابر جریان در رشته سری سلول ها عمل‌می‌کند.

این به عنوان یک بار عمل‌می‌کند و انرژی تولید شده توسط سلول‌های دیگر در سلول سایه دار پخش‌می‌شود و باعث افزایش درجه حرارت سلول و تشکیل یک نقطه داغ‌می‌شود.

این حتی ممکن‌است منجر به شکستن شیشه ماژول ، آتش سوزی و تصادفات در سیستم‌شود.

از دیودهای بای پس برای جلوگیری از چنین فاجعه هایی در سیستم طراحی شده ما استفاده‌می‌شود.

همانطور که در شکل 5 نشان‌داده‌شده‌است ، دیود بای پس به طور موازی با سلول خورشیدی با قطبیت مخالف متصل‌می‌شود.

شکل

در حالت عادی و بدون سایه ، دیود بای پس معکوس عمل‌می‌کند و به عنوان یک مدار باز عمل‌می‌کند.

اما اگر در رشته سلولهای سری سایه بوجودآید ، سلول سایه دار بایاس معکوس خواهد بود و این همانطور که با قطب مخالف سلول خورشیدی متصل‌می‌شود ،به عنوان یک بایاس جلو به دیود بای پس عمل خواهدکرد.

اکنون این دیود بای پس سلول سایه دار جریان را از این طریق انتقال‌می‌دهد تا سلول سایه دار. بنابراین ، دیود از دور سلول عبور می‌کند و از آسیب ناشی از گرم شدن بیش از حد جلوگیری‌می‌کند ،از این رو دیود بای پس نامیده‌می‌شود.

در حالت ایده آل ، باید یک دیود در هر سلول خورشیدی در یک ماژول وجودداشته‌باشد ، اما عملاً برای مقرون به صرفه بودن ماژول ، یک دیود بای پس برای یک سری ترکیبی از 10-15 سلول متصل‌می‌شود.

دیود مسدود کننده

در سیستم خارج از شبکه ، از ماژول ها برای تأمین برق بار و شارژ باتری استفاده‌می‌شود.

در طول شب که نور خورشید وجود ندارد ، ماژول انرژی تولیدنمی‌کند و باتری های شارژ شروع به تأمین برق بار و ماژول PVمی‌کنند.

منبع تغذیه ماژول PV  منجر به از دست دادن برق‌است.

برای جلوگیری از اتلاف ، دیودی برای جلوگیری از جاری شدن جریان باتری به ماژول PV قرارداده‌می‌شود.

مقالات مرتبط :

انواع مختلف پنل‌های خورشیدی و بهترین نوع آن

تجهیزات اساسی و لازم برای نصب سیستم پنل خورشیدی

لینک زبان اصلی مقاله :

Calculation & Design of Solar Photovoltaic Modules & Array