Эффекты соединения

Кристаллический модуль состоит из нескольких отдельных солнечных элементов, практически всегда соединенных последовательно, что позволяет увеличить напряжение и выходную мощность по сравнению с одним солнечным элементом.

Обычно напряжение модуля делают таким, чтобы он соответствовало напряжению батареи 12В. Напряжение отдельного солнечного элемента при 25С и атмосферной массе 1.5 составляет около 0.6В. Принимая во внимание то, что производительность солнечных элементов уменьшается при увеличении температуры, а для аккумулятора может потребоваться напряжение 15В, большинство модулей включают в себя 36 элементов, соединенных последовательно. Такой модуль вырабатывает напряжение 21В при стандартных условиях тестирования и рабочее напряжение равное 17-18В при максимальной мощности и температуре. Избыточное напряжение необходимо, чтобы компенсировать падение напряжения на других элементах фотоэлектрической системы и работу не в точке максимальнгой мощности из-за уменьшения интенсивности излучения.

36STRING.GIF

В типичном модуле 36 элементов соединены последовательно, чтобы создать напряжение необходимое для зарядки 12В батареи. В то время, как напряжение фотоэлектрического модуля определяется количеством солнечных элементов, вырабатываемый им ток зависит от размера солнечных элементов и их эффективности. Для атмосферной массы 1.5, при оптимальном угле наклона плотность тока, вырабатываемой коммерческими солнечными элементами равна примерно 30-36мА/см2. Обычно монокристаллические солнечные элементы имеют площадь 100см2, и дают ток примерно равный 3.5А. Площадь мультикристаллических солнечных элементов в модуле больше, но они вырабатывают меньшую плотность тока и следовательно модуль из таких элементов дает ток примерно 4А. Вообще, разные модули дают разный ток, так как мультикристаллические элементы могут иметь различные размеры. Ток, вырабатываемый в модуле, не зависит от температуры, как напряжение, но в то же время он сильно зависит от угла наклона модуля по отношению к солнцу.

Если все солнечные элементы в модуле имеют одинаковые электрические характеристики и температуру, то все они будут работать при одинаковом напряжении и токе. В этом случае вольт-амперная характеристика фотоэлектрического модуля будет иметь такую же форму, как и у отдельного элемента, только с большим током и напряжением. Уравнение цепи можно запсать так:

2.png

Где

N — число элементов, соединенных последовательно
M -число элементов, соединенных параллельно
IT- суммарный ток в цепи
VT — суммарное напряжение
I0 — ток насыщения отдельного солнечного элемента
IL — ток короткого замыкания отдельного солнечного элемента
n — фактор идеальности отдельного солнечного элемента
и q, k, и T — постоянные.

Результирующая вольт-ампреная характеристика нескольких соединенных идентичных солнечных элементов показана ниже

3.GIF

Эффект несоответствия элементов 
Эффект несоответствия вызван соединением в одном модуле элементов с различными свойствами или работающими в различных условиях. Несоответствие является серьезной проблемой в фотоэлектрических модулях и батареях при некоторых условиях, так как выходные параметры модуля в плохих условиях определяются характеристиками солнечного элемента с самым низким выходом. Например, когда на один из элементов модуля падает тень, мощность, вырабатываемая остальными элементами может рассеятся на на «плохом» элементе и не дойти до полезной нагрузки. Это может привести к рассеянию большого количества электрической мощности на малом участке, в результате чего на нем значительно возрастет температура и вероятность необратимого повреждения.

SHADE.GIF
Затенение части модуля является большой проблемой, вызывающей несоответствие характеристик элементов в модуле.  Несоответствие может также быть вызывано существенным различием параметров одного из солнечных элементов в модуле от всех остальных. Потери энергии в этом случае зависят от трех факторов:

- рабочей точки модуля
- конфигурации цепи
- параметров, которыми отличюатся элементы 

Различия в некоторых частях вольт-амперных характеристик солнечных элементов могут привести к потерям при некоторых рабочих режимах. Неидеальная вольт-амперная характеристика и режим работы солнечного элемента показаны ниже. Хотя несоответствие может проявиться в любом из приведенных параметров элемента, обычно оно вызвано различием тока короткого замыкания или напряжения холостого хода. Влияние несоответствия зависит как и от конфигурации электрической цепи, так и от его вида. Подробнее обо всем этом в следующих пунктах.

NONIDEAL.gif

Сравнение идеального и реального солнечных элементов. Наибольшее несоотвествие наблюдается при обратном смещении солнечного элемента. Несоответствие последовательно соединенных элементов 
Так как в большинстве ФЭ модулей элементы соединены последовательно, несоотвествие при их последовательном соединении является наиболее распространенным из встречающихся несоответствий. Из двух простейших видов несоответсвия (несоответствие тока короткого замыкания и напряжения холостого хода) более часто происходит несоответствие тока короткого замыкания, так как оно может произойти из-за затенения части модуля. Этот вид несоответствия является и наиболее значительным.

MCSERIES.GIF

Токи, текущие через два последовательно соединенных элемента, равны. Результирующее напряжение равно сумме напряжений на каждом элементе. Так как ток должен быть одним и тем же, несоответствие тока означает, что общий ток от двух элементов будет равен меньшему из токов.Несоответствие напряжения холостого хода для последовательно соединенных элементов
Несоответствие напряжения холостого хода при последовательном соединении относительно выгодно. Как показано на следующей анимации в точке короткого замыкания общий ток модуля остается неизменным. Мощность модуля в точке максимальной мощности уменьшается из-за более низкой производительности «плохого» солнечного элемента. Так как два элемента подключеные последовательно, через них течет одинаковый ток, а результирующее напряжение можно найти, сложив напряжения на каждом их двух элементов.

ркгкнг.GIF

На рисунке выходное напряжение второго элемента меньше, чем у первого.

Несоответствие тока короткого замыкания у элементов, соединенных последовательно
Несоответсвие тока короткого замыкания при последовательном соединении в зависимости от рабочей точки модуля и степени несоотвествия может оказыавть очень сильное негативное влияние на ФЭ модуль. Как показано на анимации ниже, в точке напряжения холостого хода влияние снижения тока короткого замыкания относмительно не велико. Напряжение холостого хода уменьшается лишь незначительно, так как оно логарифмически зависит от тока короткого замыкания. Однако, так как ток, текущий через два элемента, должен быть одним и тем же, суммарный ток не может привышать ток от плохого элемента. Поэтому ток от двух элементов не может быть больше, чем ток короткого замыкания плохого элемента. При низком напряжении, при котором вероятно выполнится это условие, дополнительно сгенерированный ток хорошего элемента будет рассеиваться не в каждом элементе (как это обычно происходит при коротком замыкании), а тольков плохом элементе.

В общем, несоотвествие тока при последовательном соединении может вызвать значительное падение вырабатываемой мощности, если плохой элемент производит меньший ток, чем ток точки максимальной мощности хорошего элемента, а также, если модуль работает на низких напряжениях или в режиме короткого замыкания, высокое рассеяние энергии в плохом элементе может вызвать необратимые разрушения в модуле. Два этих эффекта покзааны на рисунках ниже.

пооп.GIF
Несоответствие тока последователно соединенных элементов случается довольно часто и может иметь серьезные последствия. Isc соединения ограничено Isc самого плохого элемента.kvh.GIFkljg.GIF

Последователно соединенный солнечные элементы с одинаковыми токами короткого замыкания. Элементы схемы, объединенные синей пункитрной лининей представляют собой модель солнечного элемента. Источником тока является световой ток, Isc. Солнечные элементы находятся в режиме короткого замыкания, поэтому ток прямого смещения, текущий через солнечные элементы, равен нулю и напряжение тоже равно нулю. Несоответствующие токи кортокого замыкания. Максимальным током, который может течь через контур, является ток короткого замыкания плохого элемента. Поэтому дополнительный ток через хороший элемент, равный Isc1 — Isc2 вынужден течь через хороший элемент, смещая его в прямом направлении и создавая напряжение. На рисунке выходное напряжение второго элемента меньше, чем у первого.FINDISC.GIF

Простой метод рассчета тока короткого замыкания последовательно соединенных несоответствующих солнечных элементов. Ток в точке пересечения представляет собой ток короткого замыкания комбинации (то есть V1+V2=0).Локальный перегрев
Перегрев на активном участке происходит, когда один солнечный элемент с низким током короткого замыкания соединяется последовательно с несколькими элементами с высоким током короткого замыкания, как показано на изображении ниже.

10STRING.GIF

Один затененный элемент в цепи уменьшает ток через хорошие солнечные элементы, в результате чего они создают более высокое напряжение, которое может сместить плохой элемент в обратном направлении.Если результирующий ток, текущий в цепи, приближается к току короткого замыкания плохого элемента, то он становится ограниченным током плохого элемента. Дополнительный ток, производимый хорошими элементами, смещает их в прямом направлении. Если цепь замкнута, то прямое смещение на хороших элементах смещает обратный элемент в обратном направлении. Нагревание на активном участке происходит, когда большое количество последовательно соединенных солнечных элементов создают обратное смещение на затененном элементе, в результате чего на нем рассеивается большое количество энергии. По существу, на нем рассеивается вся энергия, производимая хорошими элементами. Большое рассеяние энергии на маленькой площади приводит к перегреву, который в свою очередь может вызвать различные разрушения, такие как растрескивание стекла, расплавление припоя или повреждение самого солнечного элемента.

HEAT6A.JPG

Тепло, рассеянное на затененном элементе привело к растрескиванию модуля.

Обводные диоды
Разрушительное действие локального перегрева можно снивелировать с помощью обводного диода. Обводной диод соединяется параллельно с солнечным элементом, так, чтобы их полярности были противоположны, как показано ниже. В нормальных условиях каждый солнечный элемент будет смещен в прямом направлении, а обводной диод — в обратном, то есть будет в состоянии холостого хода. Однако, когда солнечный элемент в результате несоответствия токов короткого замыкания между несколькими последовательно соединенным элементами сместится в обратном направлении, обводной диод станет проводящим, позволяя току от хороших элементов течь во внешней цепи не изменяя напряжение на каждом хорошем элементе. Максимальное обратном напряжение на плохом элементе уменьшается на величину напряжений на каждом из диодов, уменьшая ток и предотвращая перегрев. Работа обводного диода и влияние на вольт-амперную характеристику показаны на изображениях ниже.

10.GIF11.GIF13.GIF14.GIF

Действие обводного диода можно показать на вольт-амперной характеристике сначала получив вольт-амперную характеристику одного солнечного элемента с обводным диодом, и потом объединив ее с вольт-амперными характеристиками всех элементов. Обводной диод влияет на солнечный элемент только при обратном смещении. Если обратное смещение становится больше, чем угловое напряжение солнечного элемента, диод смещается в прямом направлении и проводит ток. Объединенная вольт-амперная характеристика показана ниже.

15.GIF

Вольт-амперная характеристика солнечного элемента с обводным диодом.16.GIF

Предотвращение локального перегрева с помощью обводного диода. Для наглядности тут используется всего 10 элементов, один из которых затенен. Обычно модуль состоит из 36 элементов и несоответствие токов в отсутствие обводного диода приводит к еще более плохим последствиям, но при наличии обводного диода они становятся несущественными.Как бы то ни было, на практике использовать обводной диод для каждого элемента слишком дорого, поэтому их обычно включают сразу для нескольких элементов. Напряжение на затененном элементе, или любом элементе, вырабатывающим низкий ток, равно напряжению прямого смещения остальных последовательно соединенных элементов плюс напряжение на обводном диоде, который с ними соединен. Это показано на изображении ниже. Напряжение на не затененных солнечных элементах зависит от степени затенения плохих элементов. Например, если элемент полностью затенен, то не затененные элементы будут смещены в прямом направлении их токами короткого замыкания и напряжение будет равно примерно 0.6В. Если плохой элемент затенен лишь частично, то часть тока от хороших элементов может течь через цепь, а оставшийся ток сместит каждый солнечный элемент в прямом направлении, приводя к более низкому напряжению прямого смещения на каждом элементе. Максимальное рассеяние энергии на затененном элементе приблизительно равно энергии, производимой оставшимися элементами в цепи. Максимальное количество элементов, которое можно обезопасить от локального перегрева с помощью одного обводного диода равно 15. Поэтому в обычном модуле из 36 элементов для этого используется 2 обводных диода.

17.gif

Обводные диоды, соединенные с несколькими солнечными элементами. Напряжение на незатененных солнечных элементах зависит от степени затенения плохого элемента. Напряжение 0.5В выбрано произвольно.Несоответствие параллельно соединенных элементов
В небольших модулях все элементы соединены последовательно и параллельное несоответствие не является проблемой. В солнечных батареях модули обычно соединены параллельно, поэтому параллельное несоответствие обычно является проблемой для батарей а не для модулей.

MCPARRA.GIF

Параллельно соединенные элементы. Напряжение в цепи всегда одинаково, а результирующий ток равен сумме токов от каждого элемента.2.GIF

На рисунке выходной ток второго элемента ниже, чем у первого. При сложении токов проблем не возникает не смотря на то, что общий ток всегда выше, чем ток каждого элемента.3.GIF

Несоответствие напряжений двух параллельно соединенных элементов. Второй элемент уменьшает Voc хорошего элемента.4.GIF

Легкий способ расчета результирующего напряжения холостого хода несоответствующих элементов, соединенных параллельно. Кривая вольт-амперной характеристики одного элемента отражается от оси напряжения и точка пересечения с кривой второго элемента (в которой I1+I2=0) дает результирующее напряжение холостого хода.Эффекты несоответствия в батареях
В больших фотоэлектрических батареях модули соединяются как последовательно, так и параллельно. Последовательно соединенный набор элементов или модулей называется «рядом». Объединение последовательно и параллельного соединений может привести к некоторым проблемам в ФВ батареях. Одна проблема, например, может возникнуть с напряжением холостого хода в одном из рядов. Ток через параллельно соединенные ряды (которые часто называют «блоком») будет меньше, чем ток через остальные блоки в батарее. С электрической точки зрения это аналогично случаю, когда один из последовательно соединенных солнечных элементов затенен, что приводит к потере вырабатываемой мощности. Этот эффект показан ниже.

1.GIF

Возможное несоответствие в больших ФВ батареях. Не смотря на то, что все модули могут быть абсолютно одинаковыми, а затенение может отсутствовать, несоответствие и локальный перегрев все равно могут иметь место. Ток при таком параллельном соединении уменьшается в четыре раза. Батарея слева электрически экивалентна цепи справа, в которой напряжение на каждом солнечном элементе в 72 раза больше, чем у обычного элемента, а ток в 4 раза больше.Параллельное соединение в сочетании с эффектом несоответствия также может привести к проблемам, если обводящий диод не рассчитан на то, чтобы выдержать ток всей параллельно соединенной батареи. Например в параллельных рядах с последовательно соединенными модулями обводящий диод подключенный параллельно с модулями оказывается подключенным параллельно, как показано на изображении ниже. Несоответствие в последовательно соединенных модулях вызовет ток через обводной диод, нагревая его. Однако, нагревание обводного диода уменьшает ток насыщения и эффективное сопротивление, при чем дополнительный ряд модулей частично затеняется. Теперь ток может течь через обводные диоды в каждом модуле, но он также должен течь через один ряд обводных диодов. Эти обводные диоды становятся еще горячее, их сопротивлении еще больше уменьшается, увеличивая ток. Если обводные диоды не рассчитаны на такой ток, они могут сгореть, что приведет к повреждению ФВ модулей.

2.gif

Обводные диоды в параллельно соединенных модулях. Обычно в каждом модулей из 36 элементов есть два обводных диода. В одном наборе могут быть обводные диоды с более низким сопротивлением. Через диоды с более низким сопротивлением течет больший ток.В дополнение к обводным диодам для уменьшения потерь, вызванных несоответствием, может использоваться дополнительный диод, который называют блокирующим. Блокирующий диод, показанный ни изображении ниже, обычно используется в автономных системах для того, чтобы ночью ток от аккумуляторов не тек через ФВ батарею. При параллельном соединении модулей, каждый ряд модулей должен иметь блокирующий диод. Это не только уменьшает нагрузку на отдельный диод, но и не позволяет току из одного параллельно соединенного ряда течь в ряд с меньшим током, что снижает потери, вызванные несоответствием при параллельном соединении рядов в батарее.

3.gif

Значение блокирующих диодов при параллельном соединении модулей. Блокирующий диод на затененном модуле не дает течь в него току от хорошего параллельно соединенного модуля.PVCDROM Christiana Honsberg и Stuart Bowden