Jakie jest prawidłowe napięcie paneli fotowoltaicznych? Jak dokonać pomiaru ogniw? Jaka jest recepta na wykorzystanie pełnej mocy ogniw fotowoltaicznych, aby móc być pewnym, że wytworzony prąd stały bez problemu ulegnie przemianie i trafi do sieci energetycznej? To pytania, na które postaramy się odpowiedzieć.
Tekst WOJCIECH WAWRZON
Fot. Revolt Energy
Tworzenie instalacji fotowoltaicznej jest związane z koniecznością wyboru odpowiedniego sposobu połączenia paneli słonecznych w łańcuchy, tak zwane stringi. Generalnie można to zrobić szeregowo lub równolegle. Odpowiednie łączenie paneli pozwala na otrzymanie spodziewanych parametrów stringu, samo łączenie nie zwiększa parametrów modułu PV. Iloczyn obu tych parametrów to wielkość, która określa moc modułu słonecznego wyrażoną w kilowatopikach. To właśnie moc umożliwia dość precyzyjne zdefiniowanie, jaką ilość prądu jest w stanie wyprodukować dana instalacja PV.
Jakie jest napięcie paneli PV?
Napięcie wyjściowe modułów fotowoltaicznych to określona wartości z zakresu od 30 do 60 V (dokładna wartość napięcia jałowego modułu i prądu zwarcia zawsze znajduje się w karcie katalogowej danego modułu). Aby je zwiększyć, moduły należy ze sobą połączyć, tym samym zwiększając też moc całego układu. Panele najczęściej łączone są szeregowo i w tym systemie falowniki razem śledzą maksymalny punkt mocy. To skutkuje proporcjonalnym wzrostem napięcia. Natomiast w zależności od układu równoległe połączenie ogniw pozwala uzyskać proporcjonalny wzrost natężenia płynącego prądu, przy napięciu równym znamionowemu napięciu jednego modułu. Niezwykle istotne jest stosowanie zasady, aby równolegle łączyć moduły o tym samym napięciu, a szeregowo moduły o tym samym natężeniu prądu. Możliwe jest również stosowanie połączenia szeregowo-równoległego. Wówczas sumują się zarówno napięcia, jak i natężenia prądów. O charakterze stringu decydują ostatecznie kwestie techniczne – dobór falownika.
Parametry pracy paneli PV
Parametrem często najbardziej interesującym tych, którzy dokonują wyboru osprzętu fotowoltaicznego jest moc maksymalna. Jak ją rozumieć? To moc w punkcie mocy szczytowej uzyskiwana przez moduły fotowoltaiczne w optymalnych warunkach nasłonecznienia i standaryzowanych warunkach testowych STC. A to dlatego, że panele słoneczne pracują w różnych warunkach i odbierają różną ilość energii słonecznej, zależną między innymi od zachmurzenia, pory roku czy kąta padania promieni słonecznych. STC zakładają następujące warunki:
- temperaturę ogniw panelu 25°C,
- nasłonecznienie 1000W/m2,
- spektrum promieniowania dla gęstości atmosfery 1,5 (AM = 1,5).
Fotowoltaika rzadko jednak pracuje w tych warunkach, dlatego moc paneli określa się również w NMOT/NOCT, czyli w warunkach daleko bardziej zbliżonych do rzeczywistych. Przyjmuje się, że w nich, że:
- temperatura ogniw panelu to 20°C,
- ilość promieniowania słonecznego to 800 W/m2,
- spektrum promieniowania przyjmuje się dla gęstości atmosfery 1,5 (AM = 1,5),
- prędkość wiatru to 1 m/s.
Jak interpretować parametry ogniw?
Karty produktowe paneli fotowoltaicznych zawierają także inne istotne wartości techniczne, między innymi: sprawność panelu, sprawność pojedynczego panelu, tolerancję mocy, maksymalne napięcie systemu, prąd zwarciowy czy napięcie jałowe. Wszystkie one są od siebie zależne.
By interpretować parametry ogniw fotowoltaicznych i całych paneli oraz robić to właściwie, należy zrozumieć to, co nazywa się charakterystyką prądowo-napięciową. Charakterystyka prądowo-napięciowa (I/V) to relacja prądu wyjściowego do napięcia wyjściowego modułów fotowoltaicznych. Charakterystyka ta pozwala sprawdzić parametry stringu i obliczyć moc w różnych punktach pracy.
Jeśli chodzi o tę ostatnią kwestię, to należy wyznaczyć wartości prądu i napięcia dla maksymalnej mocy ogniwa, zmierzyć prąd zwarciowy oraz napięcie obwodu otwartego (inaczej napięcie jałowe). Po naniesieniu danych ewentualne zmiany na wykresie charakterystyki prądowo-napięciowej wskazują źródło problemu.
Prąd zwarciowy to inaczej natężenie prądu płynącego przy zwarciu ogniwa, a więc w chwili jego maksymalnego obciążenia.
Prąd napięcia/natężenia dla maksymalnej mocy ogniwa to napięcie/natężenie osiągalne w momencie, gdy panel będzie pracował z mocą maksymalną.
Nie bez znaczenia dla inwestorów jest też sprawność panelu PV, która wyraża się procentowo stosunkiem energii słonecznej, jaką panel jest w stanie przetworzyć na energię elektryczną. Uwaga! Jest ona zawsze niższa od sprawności pojedynczego ogniwa, a to dlatego, że nie jest możliwe, aby cała powierzchnia panelu PV stale produkowała prąd.
Z kolei współczynnik wypełnienia jest w stanie powiedzieć inwestorowi, w jakim stopniu charakterystyka prądowo-napięciowa ogniwa PV jest zbliżona do modelu idealnego. A to przekłada się na możliwość sprawdzenia stosunku pozyskanej przez ogniwa mocy do energii uzyskanej przy ich maksymalnym natężeniu i napięciu.
Parametrem, który także warto jest wziąć pod uwagę jest rezystancja szeregowa ogniwa fotowoltaicznego. To nic innego jak suma oporu elektrycznego wszystkich ogniw, które znalazły się w danym szeregu. Opór będzie zależał bezpośrednio od rodzaju półprzewodnika z jakiego wykonano ogniwa.
Napięcie jałowe ogniwa PV i jego znaczenie
Wyjaśniając definicję, jałowe napięcie (ang. open circuit voltage) jest napięciem prądu w panelu fotowoltaicznym w momencie niepodłączenia do żadnego obciążenia. Dla tego parametru, jak i opisywanego wcześniej prądu zwarcia oraz mocy maksymalnej, określa się współczynnik temperaturowy ogniw fotowoltaicznych. Wzrost oświetlenia skutkuje wzrostem prądu przy małych wahaniach napięcia, ale tylko do momentu, gdy temperatura nie przekroczy granicznych wartości. Im wyższa temperatura ogniwa, tym niższe napięcie, a tym samym wydajność spada. Im mniejszy jest współczynnik temperaturowy paneli fotowoltaicznych, tym wydajniej będą one w stanie działać w warunkach wysokich temperatur. Inaczej mówiąc wzrost temperatury o 1°C nie będzie skutkował znacznym spadkiem napięcia i co za tym idzie – wydajności. Przykładowo. Współczynnik – 0,32% oznacza, że wzrost temperatury paneli o 10°C będzie za sobą niósł spadek wydajności o 3,2%. Pomiar napięcia obwodu otwartego (jałowego) jest też sposobem na sprawdzenie poprawności połączenia wszystkich modułów instalacji PV. Otrzymaną pomiarem wartość należy porównać z odczytaną wartością napięcia obwodu otwartego pomnożoną przez liczbę modułów.
Pomiar ogniw i modułów fotowoltaicznych
Nowoczesna fotowoltaika nie rozwijałaby się bez zaawansowanych technologii i procedur pomiarowych. Wyniki pomiarów parametrów ogniw decydują o przydatności osprzętu, bowiem dokładność i szersze spektrum wykonywanych pomiarów wpływają na sposób projektowania urządzeń. Pozwala to na wprowadzanie zmian i modyfikacji, począwszy od etapu projektowania struktur krystalicznych, a skończywszy na najmniejszych detalach. Każdy moduł jest badany przez producenta i jednostkę certyfikującą. Natomiast odbiorca może zbadać moduł tylko przy pomocy aparatury kontrolno-pomiarowej.
Jak w pełni wykorzystać możliwości ogniwa fotowoltaicznego?
Podstawową zasadą jest, aby każdy moduł słoneczny działał w takim punkcie charakterystyki prądowo-napięciowej, w którym jest dostarczana wyłącznie maksymalna moc dla danego poziomu nasłonecznienia. W przypadku zastosowania jednego z systemów moduły są pojedynczo monitorowane pod kątem zapewnienia ich pracy właśnie w punkcie mocy maksymalnej. Służy temu elektronika, przykładowo dołączany do modułu przetwornik DC-DC. Dzięki takiemu rozwiązaniu minimalizuje się negatywne skutki ewentualnego zacienienia, które zawsze wpływa na spadek mocy nie tylko pojedynczego ogniwa czy modułu, ale całego łańcucha. Jak działa tego typu przetwornik? Przetwornik pracuje w trybie obniżania i podwyższania. Gdy VPV ≥ VO, pracuje gałąź obniżająca, a gdy VO ≥ VPV – podwyższająca.
Elektronika jest więc doskonałym narzędziem do optymalizacji pracy systemu fotowoltaicznego.
WOJCIECH WAWRZON
Dyrektor Działu Audytu w Revolt Energy. Z Odnawialnymi Źródłami Energii, a w szczególności z fotowoltaiką, związany od lat. Jego pasją jest praca: audyty i szkolenia to jego konik. W wolnych chwilach aktywnie spędza czas z dziećmi i żoną.
