太陽光発電モジュールとアレイの計算と設計

モジュール内のセル数の決定、モジュールパラメータの測定、およびソーラーモジュールとアレイの短絡電流、開回路電圧、V-I特性の計算

太陽光発電モジュールとは何ですか？

毎日の負荷に必要な電力は、数ワット、場合によってはキロワットの範囲です。単一の太陽電池は、このような負荷需要を満たすのに十分な電力を生成できず、セルの面積に応じて0.1〜3ワットの範囲の電力を生成することはほとんどできません。グリッド接続された産業用発電所の場合、メガワットまたはギガワットの範囲の電力が必要です。

したがって、単一のPVセルはそのような高い需要に対応できません。したがって、これらの高い需要を満たすために、太陽電池が配置され、電気的に接続されています。このような太陽電池の接続と配置は、PVモジュールと呼ばれます。これらのPVモジュールは、単一のセルが供給できるよりも大きな需要を供給することを可能にします。

太陽放射が単一の太陽電池に当たると、2つの端子のアノードとカソードの間に電位が生成されます（つまり、アノードは正の端子で、カソードは負の端子です）。必要な電力の可能性を高めるために、N個のセルが直列に接続されています。下の図に示すように、一方のセルのマイナス端子がもう一方のセルのプラス端子に接続されています。

N個の太陽電池を直列に接続すると、2つの端子が得られ、これら2つの端子間の電圧は、直列に接続されたセルの電圧の合計になります。たとえば、単一のセルのが0.3 Vで、そのようなセルが10個直列に接続されている場合、ストリングの両端の合計電圧は0.3V×10=3ボルトになります。

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0.6 Vのセルが40個直列に接続されている場合、合計電圧は0.6V×40=24ボルトになります。セルが直列に接続されている場合、電流は同じままで電圧が加算されることに注意することが重要です。

同様に、セルが並列に接続されている場合、個々のセルの電流が追加されます。図2に示すように、あるセルのアノード端子は次のセルのアノード端子に接続され、同様に、カソード端子は次のセルのカソード端子に接続されます。

直列接続とは異なり、並列接続のストリングの合計電圧は変更されません。たとえば、セルの電流生成能力が2 Aで、5つの太陽電池が並列に接続されている場合。その場合、セルの総電流生成容量は2A×5=10Aになります。

PVモジュールのパラメータは、標準テスト条件（STC）、つまり温度25°Cおよび放射1000 W / m ^{2> 。ほとんどの時間と場所では、STCで指定された条件は発生しません。これは、日射量が常に1000 W / m ²
未満であるために発生します。セルの動作温度が25°Cを超えると、この不確実性により、PVモジュールの出力電力が低下します。}

前に説明したように、PVモジュールは太陽電池の数で構成されているため、発電に影響を与えるパラメータと要因は、太陽電池のそれと似ています。前回の記事ですでに取り上げました。したがって、ここではその部分については再度説明しません。

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モジュール内のセル数の決定

PVモジュールの基本的な要件の1つは、毎日の太陽放射の下でさまざまな電圧レベルのバッテリーを充電するのに十分な電圧を提供することです。これは、日射量が少なく高温のときにバッテリーを充電するには、モジュールの電圧を高くする必要があることを意味します。

PVモジュールは、12 V、24 V、36 V、48Vなどの12Vバッテリーレベルの倍数の電圧を提供するように設計されています。 PVモジュールを介して12Vバッテリーを充電するには、V _Mを備えたモジュールが必要です。 15Vのバッテリーと24Vのバッテリーには、V _Mのモジュールが必要です。 30Vなど。 PVシステムで使用される他のデバイスは、バッテリー電圧レベルで動作するように互換性があります。

必要な電圧レベルを提供するには、セルを直列に接続する必要があります。太陽電池で使用されているさまざまな技術に応じて、直列に接続する必要のあるセルの数は異なります。直列に接続されるセルの数は、最大電力点での電圧、つまりV _Mによって異なります。個々のセルの温度と、STCを超えるセルの温度の上昇によって発生する電圧降下。

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例：

これを例で理解しましょう。PVモジュールは、12Vのバッテリーを充電するために太陽電池で設計されます。開回路電圧V_OC セルの電圧は0.89Vで、最大電力点V _Mでの電圧は0.79Vです。

セルの動作温度は60°Cで、摂氏1度の温度上昇に対して電圧が2mV低下します。バッテリーを充電するには、何個のセルを直列に接続する必要がありますか？

ステップ1： 最大電力点V_Mでの電圧を見つけます = 0.79 V 。

V _Mの場合指定されていない場合は、V _Mを取得します V _OCの80〜85％として。

ステップ2： 電圧の低下を見つけます動作温度、つまり60°Cで

STCを超える温度の上昇=動作温度–STCでの温度。

STCを超える温度の上昇=60°C–25°C=35°C

したがって、STCを超える温度の上昇による電圧の損失：

電圧損失=35°C×0.002V = 0.07 V

ステップ3 ：動作条件での電圧の決定。

動作条件での電圧=STCでの電圧（V _M ）–STCを超える温度上昇による電圧の損失。

したがって、動作条件での電圧=0.79 V – 0.07 V = 0.72 V

ステップ4： 必要なPVモジュール電圧を決定しますバッテリーを充電します。

12 Vのバッテリーを充電するには、モジュール電圧を約15Vにする必要があります。

ステップ5： セルの数を決定します直列に接続します。

直列接続されたセルの数=PVモジュールの電圧/動作状態での電圧。

直列接続されたセルの数=15 V / 0.72 V=20.83または約21セル

したがって、12Vバッテリーを充電するには21個の直列接続されたセルが必要です 。異なる太陽電池技術では、同じ出力電圧に対して直列に異なる数のセルが必要になることに注意することが重要です。 N個の電気的に接続されたセルで構成されるPVモジュールの実際の写真を下の図3に示します。

モジュールパラメータの測定

V _OCなどのモジュールパラメータの測定用、I _SC 、V _M、とI_M 電圧計が必要ですおよび電流計 またはマルチメータ 、レオスタット 、および接続ワイヤ。

開回路電圧の測定（V _OC ）：

V _OCの測定中、無負荷はモジュールの2つの端子間に接続する必要があります。 マルチマーを介して太陽光発電モジュールの開回路電圧を見つける 、次の簡単な手順に従ってください。

マルチメーターノブをDC電圧測定に設定し、それに応じて電圧測定の範囲（6 V、12 V、24 Vなど）を選択します。
1つのプローブがマルチメータのCOMポートに接続され、もう1つのプローブが電圧測定ポートに接続されていることを確認してください。
モードと範囲を選択したら、マルチメータのプローブをPVモジュールの2つの端子に接続し、ディスプレイの読み取り値を観察します。
正のプローブ（電圧測定ポート）が正の端子に接続され、負のプローブ（COMポート）が負の端子に接続されていることを確認します。プローブが接続されている場合、またはその逆の場合、負の読み取り値が得られます。
マルチメータのディスプレイの読み取り値は、開回路電圧V _OCです。 PVモジュールの。

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短絡電流の測定（I _SC ）：

I _SCの測定中、モジュールの2つの端子間に無負荷を接続する必要があります。

マルチマーを介して太陽光発電モジュールの短絡電流を見つける 、次の簡単な手順に従ってください。

マルチメータノブを電流測定に設定し、それに応じて電流測定の範囲を選択します。つまり、通常は0.1〜10Aです。
1つのプローブがマルチメータのCOMポートに接続され、もう1つのプローブが現在の測定ポートに接続されていることを確認してください。
モードと範囲を選択した後、マルチメータのプローブをPVモジュールの2つの端子に接続し、ディスプレイの読み取り値を観察します。
正のプローブが正の端子（電流測定ポート）に接続され、負のプローブ（COMポート）が負の端子に接続されていることを確認します。プローブが接続されている場合、またはその逆の場合、負の読み取り値が得られます。
マルチメータのディスプレイに表示される読み取り値は、短絡電流I _SCです。 PVモジュールの。

I-V曲線の測定：

I-V曲線を測定するには、下の図に示すように、太陽光発電モジュールを可変抵抗器と直列に接続する必要があります。

図4に示すように、モジュールの負の端子は電流計の正の端子に接続され、電圧計はPVモジュールの両端に直接接続されています。

接続が無意識のうちに行われた場合、またはその逆の場合、取得された読み取り値は負の符号になります。メーターを再接続して正しい値を取得してください。完了したら、電圧が最大になり、電流が最小になるように、片側の可変抵抗器（レオスタット）を適切に調整します。

レオスタットのこの位置での電流と電圧の値を書き留めます。次に、レオスタットをゆっくりと反対側にスライドさせ、レオスタットが完全に短絡するまで、スライド調整ごとの読み取り値を書き留めます。次の式を使用して、電圧と電流のすべての値の電力を計算します。

P=V×I

したがって、これらの測定値を使用することにより、PVモジュールの他のすべてのパラメータを取得できます。

ワット数の高いモジュール

市場で入手可能な最も一般的なセルの1つは、「結晶シリコンセル」テクノロジーです。これらのセルは、12.5×12.5 cm ² の領域で使用できます。と15×15cm² 。市場でこの領域を超えてセルを見つけることは困難です。大規模な太陽光発電所のほとんどは、このセル領域でモジュールを使用しています。

しかし、このモジュールが提供できるワット数はどれだけ高く、モジュールあたりの電力をどのように増やすことができるでしょうか。一般的に設計されたPVモジュールにはV_Mがありますこの電圧を得るために、動作温度とピーク電圧V _Mに応じて、32〜36個のセルが直列に接続されています。個々のセルの。

セルによって生成される電流は、面積、セルに当たる光の量、セルに当たる光の角度、および電流密度によって異なります。結晶シリコンセルの電流密度はJ_SC 30mA/cmの範囲で² 〜35 mA / cm ² 。

30 mA/cmの電流密度を使用してみましょう² 私たちの例では。次に、12.5×12.5 cm ² の領域の短絡電流次のように計算できます;

I _SC =J _SC ×面積=30mA / cm ² ×12.5×12.5cm² =4.68 A

同様に、15×15cmの場合² 短絡電流は次のように計算されます;

I _SC =J _SC ×面積=30mA / cm ² ×15×15cm² =6.75 A

ほとんどのメーカーでは、I _M I _SCの約90〜95％です。この例では、I _Mを取り上げます。 I _SCの95％として。

I _M =0.95×I_SC

次にI _M 12.5×12.5cm² の領域の場合次のように計算できます;

I _M =0.95×4.68A=4.446 A

同様に、15×15cmの場合² I _M として計算されます;

I _M =0.95×6.75A=6.412 A

これで、これら2つのセルの最大ピーク電力を決定できます;

P _M =V _M ×I_M

P _M =15V×4.446A=66.69 W（12.5×12.5 cm ² の領域の場合）

P _M =15V×6.412A=96.18 W（15×15 cm ² の領域の場合）

したがって、12.5×12.5および15×15 cm ² の面積を持つ、利用可能な最高のセルテクノロジーを利用します。それぞれ66.69Wと96.18Wの出力が得られます（I _Mを考慮） I _SCの95％になる電流密度は30mA/ cm ² 。

モジュールの電圧と電流を増やすには、それぞれ直列と並列に接続するセルの数を増やす必要があります。これにより、モジュールの全体的な電力が計算値よりも多くなります。。

例：

理解を深めるために、最大電力V _Mで電圧を供給できるPVモジュールを設計しましょう。 STCで45V、動作温度60°Cで33.5V。開回路電圧V_OCのセルを使用します 0.64 Vで、V _Mが0.004V減少します。 1°Cあたりの温度上昇。

ステップ1： 最大電力点V_Mでの電圧を見つけます。

V _Mの場合指定されていない場合は、V _Mを取得します V _OCの80〜85％として

V _Mと仮定しましょう =0.85×V_OC =0.85×0.64V=0.544 V

ステップ2： 動作温度、つまり60 ^o での電圧損失を見つけます C。

STCを超える温度の上昇=動作温度–STCでの温度。

STCを超える温度の上昇=60°C–25°C=35°C

したがって、STC=35°C×0.004V=0.14Vを超える温度上昇による電圧損失

ステップ3： 動作条件での電圧の決定

動作条件での電圧=STCでの電圧（V _M ）–STCを超える温度上昇による電圧の損失。

したがって、動作条件での電圧=0.544 V – 0.14 V =0.404 V

ステップ4： 必要なPVモジュール電圧を決定します

モジュールの電圧は約33.5Vである必要があります。

ステップ5： 直列に接続するセルの数を決定します

直列接続されたセルの数=PVモジュールの電圧/動作状態での電圧。

直列に接続されたセルの数=33.5 V / 0.404 V=82.92または約83セル。

ここで、V _Mを使用して、これらの83個のセルがSTCで生成できる電力量を計算してみましょう。 =45 Vであり、前の例の2つのセルに同じ値の電流を流します。

I _M =4.446 A（12.5×12.5 cm ² の領域の場合）

I _M =6.412 A（15×15 cm ² の領域の場合）

これで、45Vの電圧でこれら2つのセルの最大ピーク電力を決定できます;

P _M =V _M ×I_M

P _M =45V×4.446A=200.07 W（12.5×12.5 cm ² の領域の場合）

P _M =45V×6.412A=288.54 W（15×15 cm ² の領域の場合）

したがって、大電力の要件に応じて、このような大面積のセルは直列および並列に接続され、PVモジュールを形成します。さらに、これらのPVモジュールを直列および並列に接続して、MW単位で電力を生成するPVアレイを形成することができます。

ブロッキングおよびバイパスダイオード

バイパスダイオード

PVモジュールで直列に接続されたすべてのセルは同一であり、光が当たるとすべて電流を生成します。しかし、太陽電池の1つが何らかの物体によって日陰になると、その太陽電池に当たる光が遮られ、太陽電池に当たる光が遮られるため、電流が少なくなるか、ほとんど電流が流れなくなります。

このセルは、セルの一連の文字列内の電流の流れに対する抵抗として機能するようになります。これは負荷として機能し、他のセルによって生成された電力が影付きのセルで消費され、セルの温度が上昇してホットスポットが形成されます。これにより、モジュールのガラスが割れたり、火災が発生したり、システム内で事故が発生したりする可能性もあります。

バイパスダイオードは、設計されたシステムでこのような大惨事を回避するために使用されます。図5に示すように、バイパスダイオードは反対の極性で太陽電池に並列に接続されています。

通常のシェーディングなしの状態では、バイパスダイオードは逆バイアスされて開回路として機能します。ただし、直列に接続された一連のセルでシェーディングが発生した場合、シェーディングされたセルは逆バイアスになり、太陽電池とは反対の極性で接続されているため、バイパスダイオードへの順方向バイアスとして機能します。

これで、この影付きのセルのバイパスダイオードは、影付きのセルではなく、このセルに電流を流します。したがって、ダイオードはセルをバイパスするため、過熱による損傷を回避するため、バイパスダイオードと呼ばれます。理想的には、モジュール内の太陽電池ごとに1つのダイオードが必要ですが、実際には、モジュールを費用効果の高いものにするために、1つのバイパスダイオードを10〜15個のセルの直列組み合わせに接続します。

ブロッキングダイオード

オフグリッドシステムでは、モジュールは負荷に電力を供給し、バッテリーを充電するために使用されます。日光が当たらない夜間、モジュールはエネルギーを生成せず、充電バッテリーは負荷とPVモジュールに電力を供給し始めます。 PVモジュールへの電源供給は電力の損失です。損失を避けるために、バッテリーからPVモジュールへの電流の流れを遮断するためにダイオードが配置されています。したがって、バッテリーからモジュールへの電流の流れを遮断することで電力の損失が回避されるのは、このダイオードによるものです。