태양광 모듈 및 어레이의 계산 및 설계

모듈의 셀 수 결정, 모듈 매개변수 측정 및 태양광 모듈 및 어레이의 단락 전류, 개방 회로 전압 및 V-I 특성 계산

태양광 모듈이란 무엇입니까?

일일 부하에 필요한 전력 범위는 몇 와트 또는 때로는 킬로와트입니다. 단일 태양 전지는 이러한 부하 수요를 충족시키기에 충분한 전력을 생산할 수 없으며 셀 면적에 따라 0.1~3와트 범위의 전력을 생산하기 어렵습니다. 그리드 연결 및 산업용 발전소의 경우 메가와트 또는 기가와트 범위의 전력이 필요합니다.

따라서 단일 PV 전지는 이러한 높은 수요를 감당할 수 없습니다. 따라서 이러한 높은 수요를 충족시키기 위해 태양 전지가 배열되고 전기적으로 연결됩니다. 이러한 태양전지의 연결 및 배열을 PV 모듈이라고 합니다. 이러한 PV 모듈을 사용하면 단일 셀이 공급할 수 있는 것보다 더 많은 수요를 공급할 수 있습니다.

태양 복사가 단일 태양 전지에 떨어지면 양극과 음극의 두 단자에 걸쳐 전위가 생성됩니다(즉, 양극은 양극 단자이고 음극은 음극 단자). 필요한 전력에 대한 전위를 높이려면 N개의 셀이 직렬로 연결됩니다. 아래 그림과 같이 한 셀의 음극 단자를 다른 셀의 양극 단자에 연결합니다.

N개의 태양 전지를 직렬로 연결하면 두 개의 단자가 생성되고 이 두 단자의 전압은 직렬로 연결된 전지의 전압의 합입니다. 예를 들어, 단일 셀의 전압이 0.3V이고 이러한 셀이 10개 직렬로 연결된 경우 스트링의 총 전압은 0.3V × 10 =3V가 됩니다.

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0.6V의 셀 40개를 직렬로 연결하면 총 전압은 0.6V × 40 =24V가 됩니다. 셀이 직렬로 연결되면 전류가 동일하게 유지되는 동안 전압이 추가된다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.

마찬가지로 셀이 병렬로 연결되면 개별 셀의 전류가 추가됩니다. 한 셀의 양극 단자는 다음 셀의 양극 단자에 연결되고 마찬가지로 음극 단자는 그림 2와 같이 다음 셀의 음극 단자에 연결됩니다.

직렬 연결과 달리 병렬 연결의 총 전압은 그대로 유지됩니다. 예를 들어, 전지가 2A의 전류 생산 용량을 갖고 5개의 태양 전지가 병렬로 연결되어 있는 경우입니다. 그러면 전지의 총 전류 생산 용량은 2A × 5 =10A가 됩니다.

PV 모듈 매개변수는 제조업체가 STC(Standard Test Condition) 즉 온도 25°C 및 복사열 1000W/m2에 따라 언급합니다.² . 대부분의 시간과 장소에서는 STC에 명시된 조건이 발생하지 않습니다. 이는 일사량이 항상 1000W/m² 미만이기 때문에 발생합니다. 셀 작동 온도가 25°C보다 높으면 이러한 불확실성으로 인해 PV 모듈의 출력이 감소합니다.

이전에 논의한 바와 같이 PV 모듈은 다수의 태양 전지로 구성되므로 전기 생성에 영향을 미치는 매개변수 및 요인은 태양 전지의 매개변수와 유사합니다. 우리는 이전 기사에서 이미 다뤘습니다. 따라서 이 부분은 여기서 다시 다루지 않겠습니다.

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모듈의 셀 수 결정

PV 모듈의 기본 요구 사항 중 하나는 일일 태양 복사 아래서 다양한 전압 수준의 배터리를 충전하기에 충분한 전압을 제공하는 것입니다. 이것은 낮은 태양 복사와 높은 온도에서 배터리를 충전하기 위해 모듈 전압이 더 높아야 함을 의미합니다.

PV 모듈은 12V, 24V, 36V, 48V 등의 12V 배터리 레벨의 배수로 전압을 제공하도록 설계되었습니다. PV 모듈을 통해 12V 배터리를 충전하려면 V_M이 있는 모듈이 필요합니다. 15V 및 24V 배터리의 경우 V_M 모듈이 필요합니다. 30V 등. PV 시스템에 사용되는 다른 장치는 배터리 전압 수준에서 작동하도록 호환됩니다.

필요한 전압 수준을 제공하려면 셀을 직렬로 연결해야 합니다. PV 전지에 사용되는 다양한 기술에 따라 직렬로 연결해야 하는 전지의 수가 다릅니다. 직렬로 연결될 셀의 수는 V_M와 같은 최대 전력점에서의 전압에 따라 달라집니다. 개별 셀의 온도 및 STC 이상의 셀 온도 증가로 인해 발생하는 전압 강하.

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예:

이를 예를 들어 이해합시다. PV 모듈은 12V의 배터리를 충전하기 위해 태양 전지로 설계되어야 합니다. 개방 회로 전압 V_{OC 셀의 전압은 0.89V이고 최대 전력점 V_M에서의 전압 0.79V입니다.}

셀 작동 온도는 60°C이고 온도가 섭씨 1도 상승할 때마다 전압이 2mV 감소합니다. 배터리를 충전하려면 몇 개의 셀을 직렬로 연결해야 하나요?

1단계: 최대 전력점 V_M에서의 전압 찾기 =0.79V .

V_M인 경우 지정되지 않은 경우 V_M 사용 V_OC의 80~85% .

2단계: 전압 손실 찾기 작동 온도, 즉 60°C에서

STC 이상의 온도 상승 =작동 온도 – STC의 온도.

STC 이상의 온도 상승 =60°C – 25°C =35°C

따라서 STC 이상의 온도 상승으로 인한 전압 손실:

전압 손실 =35°C × 0.002V =0.07V

3단계 :동작 조건에서 전압을 결정합니다.

작동 조건에서의 전압 =STC에서의 전압(V_M ) – STC 이상의 온도 상승으로 인한 전압 손실.

따라서 작동 조건에서의 전압 =0.79V – 0.07V =0.72V

4단계: 필요한 PV 모듈 전압 결정 배터리를 충전합니다.

12V 배터리를 충전하려면 모듈 전압이 약 15V가 되어야 합니다.

5단계: 셀 수 결정 직렬로 연결됩니다.

직렬 연결된 셀의 수 =PV 모듈 전압 / 작동 조건에서의 전압

연결된 직렬 셀 수 =15V / 0.72V =20.83 또는 약 21셀

따라서 12V 배터리를 충전하려면 21개의 직렬 연결 셀이 필요합니다. . 다른 태양 전지 기술의 경우 동일한 출력 전압에 대해 직렬로 연결된 다른 수의 셀이 필요하다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. N개의 전기적으로 연결된 셀로 구성된 PV 모듈의 실제 사진은 아래 그림 3과 같습니다.

모듈 매개변수 측정

V_OC와 같은 모듈 매개변수 측정용 , 나_SC , V_M, 그리고 나는_M 전압계가 필요합니다 및 전류계 또는 멀티미터 , 가감저항기 , 및 연결 전선.

개방 회로 전압 측정(V_OC ):

V_OC를 측정하는 동안 , 무부하가 모듈의 두 단자에 걸쳐 연결되어야 합니다. 멀티머를 통해 태양광 모듈의 개방 회로 전압 찾기 , 간단한 다음 단계를 따르십시오.

멀티미터 노브를 DC 전압 측정으로 설정하고 그에 따라 전압 측정 범위(예:6V, 12V, 24V 등)를 선택합니다.
프로브 하나는 멀티미터의 COM 포트에 연결하고 다른 하나는 전압 측정 포트에 연결해야 합니다.
모드와 범위를 선택한 후 멀티미터의 프로브를 PV 모듈의 두 단자에 연결하고 디스플레이의 판독값을 관찰합니다.
양극 프로브(전압 측정 포트)가 양극 단자에 연결되어 있고 음극 프로브(COM 포트)가 음극 단자에 연결되어 있는지 확인하십시오. 프로브를 반대로 연결하면 음수 판독값이 표시됩니다.
멀티미터 디스플레이의 판독값은 개방 회로 전압 V_OC입니다. PV 모듈.

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단락 전류 측정(I_SC ):

I_SC를 측정하는 동안 , 무부하가 모듈의 두 단자에 걸쳐 연결되어야 합니다.

멀티머를 통해 태양광 모듈의 단락 전류 찾기 , 간단한 다음 단계를 따르십시오.

멀티미터 노브를 현재 측정으로 설정하고 이에 따라 현재 측정 범위를 선택합니다(예:일반적으로 0.1~10A).
프로브 하나는 멀티미터의 COM 포트에 연결하고 다른 프로브는 현재 측정 포트에 연결해야 합니다.
모드와 범위를 선택한 후 멀티미터의 프로브를 PV 모듈의 두 단자에 연결하고 디스플레이의 판독값을 관찰합니다.
양극 프로브가 양극 단자(전류 측정 포트)에 연결되고 음극 프로브(COM 포트)가 음극 단자에 연결되어 있는지 확인하십시오. 프로브를 반대로 연결하면 음수 판독값이 표시됩니다.
멀티미터의 디스플레이에서 관찰된 판독값은 단락 전류 I_SC입니다. PV 모듈.

I-V 곡선 측정:

I-V 곡선을 측정하려면 아래 그림과 같이 태양광 모듈을 가변 저항과 직렬로 연결해야 합니다.

모듈의 음극 단자는 전류계의 양극 단자에 연결되고 전압계는 그림 4와 같이 PV 모듈에 걸쳐 직접 연결됩니다.

무의식적으로 그 반대의 경우 연결이 수행되면 얻은 판독값에 음수 부호가 표시됩니다. 올바른 값을 얻으려면 미터를 다시 연결하십시오. 적절하게 완료되면 전압이 최대가 되고 전류가 최소가 되도록 한쪽의 가변 저항(가감 저항)을 조정합니다.

가감저항기의 이 위치에서 전류 및 전압 값을 기록해 둡니다. 이제 가변 저항을 반대쪽으로 천천히 밀고 가변 저항이 완전히 단락될 때까지 모든 슬라이드 조정에 대한 판독값을 기록해 둡니다. 아래 방정식을 사용하여 전압과 전류의 모든 값에 대한 전력을 계산하십시오.

P =V × I

따라서 이러한 측정값을 사용하여 PV 모듈의 다른 모든 매개변수를 얻을 수 있습니다.

와트가 더 높은 모듈

시장에서 사용 가능한 가장 일반적인 전지 중 하나는 "결정질 실리콘 전지" 기술입니다. 이 셀은 12.5 × 12.5cm² 영역에서 사용할 수 있습니다. 및 15 × 15cm² . 시장에서 이 영역 이외의 셀을 찾기가 어렵습니다. 대부분의 대형 태양광 발전소는 이 셀 영역에 모듈을 사용합니다.

하지만 이 모듈이 제공할 수 있는 더 높은 전력량은 얼마나 되며 어떻게 모듈당 더 높은 전력을 얻을 수 있습니까? 일반적으로 설계된 PV 모듈에는 V_M이 있습니다. 12V의 배터리를 충전하기 위해 15V의 개별 셀의.

셀에서 생성되는 전류는 면적, 셀에 떨어지는 빛의 양, 셀에 떨어지는 빛의 각도 및 전류 밀도에 따라 다릅니다. 결정질 실리콘 셀의 전류 밀도는 J_SC입니다. 30mA/cm² 범위에서 ~ 35mA/cm² .

현재 밀도를 30mA/cm² 로 가정하겠습니다. 우리의 예를 들어. 그런 다음 12.5 × 12.5cm² 면적에 대한 단락 전류 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

나_SC =J_SC × 면적 =30mA/cm² × 12.5 × 12.5cm² =4.68A

마찬가지로 15 × 15cm의 경우² 단락 전류는 다음과 같이 계산됩니다.

나_SC =J_SC × 면적 =30mA/cm² × 15 × 15cm² =6.75A

대부분의 제조업체에서 I_M I_SC의 약 90~95%입니다. . 예를 들어 I_M I_SC의 95% .

나는_M =0.95 × I_SC

그런 다음 I_M 12.5 × 12.5cm² 면적의 경우 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

나는_M =0.95 × 4.68A =4.446A

마찬가지로 15 × 15cm의 경우² 나_엠 다음과 같이 계산됩니다.

나는_M =0.95 × 6.75A =6.412A

이제 이 두 셀의 최대 피크 전력을 결정할 수 있습니다.

P_M =V_M × 나_M

P_M =15V × 4.446A =66.69W(12.5 × 12.5cm 면적의 경우² )

P_M =15V × 6.412A =96.18W(15 × 15cm 면적의 경우² )

따라서 12.5 × 12.5 및 15 × 15cm² 면적을 갖는 가장 유용한 셀 기술을 활용하여 각각 66.69W 및 96.18W의 전력 출력을 얻습니다(I_M I_SC의 95% 30mA/cm² 의 전류 밀도 ).

모듈의 전압과 전류를 높이려면 더 많은 수의 셀을 직렬 및 병렬로 각각 연결해야 합니다. 이렇게 하면 모듈의 전체 전력이 계산한 것보다 더 많이 증가합니다. .

예:

이제 더 나은 이해를 위해 최대 전력 V_M에서 전압을 제공할 수 있는 PV 모듈을 설계하겠습니다. STC에서 45V 및 60°C 작동 온도에서 33.5V. 우리는 개방 회로 전압 V_OC를 갖는 셀을 사용할 것입니다. 0.64V의 V_M에서 0.004V 감소 온도의 °C 상승당.

1단계: 최대 전력점 V_M에서의 전압 찾기 .

V_M인 경우 지정되지 않은 경우 V_M 사용 V_OC의 80~85%

V_M이라고 가정하겠습니다. =0.85 × V_OC =0.85 × 0.64V =0.544V

2단계: 작동 온도, 즉 60 ^o 에서 전압 손실 찾기 다.

STC 이상의 온도 상승 =작동 온도 – STC의 온도.

STC 이상의 온도 상승 =60°C – 25°C =35°C

따라서 STC를 초과하는 온도 상승으로 인한 전압 손실 =35°C × 0.004V =0.14V

3단계: 작동 조건에서 전압 결정

작동 조건에서의 전압 =STC에서의 전압(V_M ) – STC 이상의 온도 상승으로 인한 전압 손실.

따라서 작동 조건에서의 전압 =0.544V – 0.14V =0.404V

4단계: 필요한 PV 모듈 전압 결정

모듈 전압이 약 33.5V여야 합니다.

5단계: 직렬로 연결할 셀의 수를 결정합니다.

직렬 연결된 셀의 수 =PV 모듈 전압 / 작동 조건에서의 전압

직렬 연결된 셀의 수 =33.5 V / 0.404 V =82.92 또는 약 83 셀.

이제 V_M이 있는 STC에서 이 83개의 셀이 생산할 수 있는 전력을 계산해 보겠습니다. =45V이고 이전 예에서 두 셀에 대해 동일한 전류 값을 취합시다.

나는_M =4.446A(12.5 × 12.5cm² 면적의 경우 )

나는_M =6.412A(15 × 15cm² 면적의 경우 )

이제 45V의 전압에서 이 두 셀의 최대 피크 전력을 결정할 수 있습니다.

P_M =V_M × 나_M

P_M =45V × 4.446A =200.07W(12.5 × 12.5cm 면적의 경우² )

P_M =45V × 6.412A =288.54W(15 × 15cm² 면적의 경우 )

따라서 대전력 요구 사항에 따라 이러한 더 큰 면적의 셀을 직렬 및 병렬로 연결하여 PV 모듈을 형성합니다. 또한 이러한 PV 모듈을 직렬 및 병렬로 연결하여 MW 단위의 전력을 생성하는 PV 어레이를 형성할 수 있습니다.

차단 및 바이패스 다이오드

바이패스 다이오드

PV 모듈에서 직렬로 연결된 모든 셀은 동일하며 빛이 닿을 때 모두 전류를 생성합니다. 그러나 태양 전지 중 하나가 어떤 물체에 의해 가려지면 그 위에 떨어지는 빛이 차단되고 전지에 떨어지는 빛의 차단으로 인해 더 낮은 전류를 생성하거나 거의 전류를 생성하지 않습니다.

이 셀은 이제 셀의 시리즈 문자열에서 현재 흐름에 대한 저항 역할을 합니다. 그것은 부하로 작용하고 다른 셀에서 생성된 전력은 음영 처리된 셀에서 소산되어 셀의 온도가 상승하고 핫스팟을 형성합니다. 이는 모듈 유리 파손, 화재 및 시스템 사고로 이어질 수도 있습니다.

바이패스 다이오드는 설계된 시스템에서 이러한 재앙을 피하기 위해 사용됩니다. 그림 5와 같이 바이패스 다이오드는 극성이 반대인 태양전지에 병렬로 연결됩니다.

보통 음영이 없는 조건에서 바이패스 다이오드는 개방 회로 역할을 하는 역 바이어스됩니다. 그러나 직렬 연결된 셀 스트링에서 음영이 발생하면 음영 처리된 셀은 역 바이어스가 되며 이는 태양 전지에 반대 극성으로 연결되어 바이패스 다이오드에 순방향 바이어스로 작용합니다.

이제 음영 처리된 셀의 바이패스 다이오드가 음영 처리된 셀이 아닌 이를 통해 전류를 전달합니다. 따라서 다이오드는 셀을 바이패스하므로 과열로 인한 손상을 방지하므로 바이패스 다이오드라고 합니다. 이상적으로는 모듈에 태양 전지당 하나의 다이오드가 있어야 하지만 실제로 모듈을 비용 효율적으로 만들려면 10-15개의 셀을 직렬로 조합하기 위해 하나의 바이패스 다이오드가 연결됩니다.

차단 다이오드

오프 그리드 시스템에서 모듈은 부하에 전원을 공급하고 배터리를 충전하는 데 사용됩니다. 햇빛이 없는 밤 동안 모듈은 에너지를 생산하지 않으며 충전 배터리는 부하와 PV 모듈에 전원을 공급하기 시작합니다. PV 모듈에 대한 전원 공급 장치는 전력 손실입니다. 손실을 방지하기 위해 배터리에서 PV 모듈로의 전류 흐름을 차단하기 위해 다이오드가 배치됩니다. 따라서 이 다이오드로 인해 배터리에서 모듈로 흐르는 전류를 차단하여 전력 손실을 방지할 수 있습니다.