E-Learning

Ga aan de slag. Succes !


4. Zonnemodules

 

4.1. Eigenschappen van kristallijne silicium zonnecellen

 

4.1.1 Invloed van de golflengte

• De stroom is recht evenredig met de golflengte.

• De spanning neemt snel toe bij weinig licht en bereikt al snel de maximale waarde. Het kan de maximale waarde bereiken met een lage hoeveelheid licht. (95% van de maximale spanning met 10% lichtcapaciteit).

29
Figuur
29: U-I karakteristiek van een zonnecel

 

4.1.2 Invloed van de expositiehoek

De optimale positie van een zonnecel is loodrecht op de stralingsrichting. De stroom neemt af naarmate de hoek meer verschilt van deze positie. Het vermogen van de zonnecel is dus afhankelijk van de oprichtingshoek.

30 

Figuur 30: Invloed van de hoek op het vermogen van een zonnecel

Conclusie:

Er bestaat een optimale hoek waarin een zonnecel geplaatst moet worden en die is afhankelijk van de geografische breedte. Voor Nederland wordt een hoek van 36 o geadviseerd. De beste oplossing zou uiteraard zijn de zaak automatisch continu te volgen (tracking) maar dit is technisch best ingewikkeld en dus niet rendabel over een lange periode.

4.1.3 Afhankelijkheid van de temperatuur

• de spanning wordt sneller lager naarmate de temperatuur toeneemt.  

• de stroom neemt maar een beetje toe bij toenemende temperatuur.

Dit betekent dat het vermogen van de zonnecel afneemt naarmate de temperatuur toeneemt en dat met name indien we de sterkste lichthoeveelheid hebben.

31 

Figuur 31: Het specifieke gedrag van een zonnecel in relatie tot de temperatuur.

De figuur laat de kortsluitingsstroom Isc, de open spanning Uoc, en het topvermogen Pm van een silicium zonnecel ten opzichte van de temperatuur van de zonnecel zien.

Men kan aflezen dat de kortsluitingsstroom een beetje toeneemt naarmate de temperatuur toeneemt maar dat de open spanning behoorlijk afneemt. Omdat het vermogen stroom maal spanning is, neemt het vermogen behoorlijk af naarmate de temperatuur van de panelen toeneemt.

 

Conclusie: Een zonnecel of een PV-module warmt op bij een straling van 1000 W/m2 tot 60 - 70ºC! Indien men dan in de grafiek kijkt is te zien dat het vermogen dan 18 - 24% afneemt. (het witte gebied).

De gegevens m.b.t. het vermogen van zonnemodulen gaan altijd uit van Standaard Test

Condities (STC) die bestaan uit 1000 W/m2 straling, een temperatuur van 25ºC en een luchtmassa (Air Mass (AM)) van 1.5. Deze omstandigheden worden maar zelden aangetroffen hetgeen betekent dat de modules beduidend minder vermogen hebben dan wordt aangegeven.

 

4.1.4 De karakteristieke grafiek van een zonnemodule

De grafiek hieronder is karakteristiek voor een zonnecel. Hij wordt aangeduid met de U-I karakteristieke curve en deze kan op dezelfde manier verkregen worden voor grote modules. Indien de grafieken goed worden geïnterpreteerd kan men een aardig beeld krijgen van het relatieve vermogen.

32

Figuur 32: U-I karakteristieke grafiek met de MPP van een zonnecel

 

In de grafiek kan men het volgende waarnemen:

• In een geladen zonnecel veranderen stroom en spanning in relatie tot de weerstand van een verbruiker in een bepaalde verhouding. Deze verhouding kan men zien in de karakteristieke grafiek.

• Bij een toename van de spanning zakt de stroom, eerst een beetje maar vanaf een bepaalde spanning is de daling aanzienlijk.

• Er bestaat een punt waar stroom maal spanning, ofwel de kracht, maximaal is. Dat punt wordt het maximale krachtspunt = Maximum Power Point (MPP) genoemd. Om maximale kracht te verkrijgen moet de consument precies werken in deze stroom-spannings relatie. Zo’n karakteristieke grafiek is alleen geldig in de lichtsterkte die is gekozen in het experiment. Indien men de lichtsterkte verandert, verandert ook de toename van de grafiek en dus ook de MPP:

 

33 

Figuur 33: De invloed van de zonnestraling op de karakteristieke grafiek van een zonnecel.

Zulke grafieken zijn altijd interessant wanneer het MPP wordt bereikt. Dan stelt de MPP-tracker, die in de inverter is geïntegreerd, bij of reguleert de interne weerstand zodanig dat de zonne-opwekker zich altijd bevindt in op het maximale vermogenspunt ongeacht de lichtsterkte. Omdat de Wp nog steeds duur is, is dit ook interessant voor kleine netgekoppelde installaties en grotere eilandinstallaties. Voor de laatste bestaan MPP-ladingsregelaars.  

4.1.5 Serie en parallel verbinding van eenvormige zonnecellen

Serie schakeling:

• Bij schakelingen in serie telt de spanning op Utotal = U1 + U2+ ... + Un

• De stroomsterkte blijft constant Itotal = I1 = I2

34
Figuur
34: Serieschakeling van uniforme zonnecellen.

 

Bij een in serie schakeling van spanningsbronnen kan men de spanningen bij elkaar optellen. De modules uit het voorbeeld moeten een open spanning hebben van elk 20 V waarbij 4 modules dus 80 volt leveren.  

Let op: Bij het aaneenschakelen van modules in serie kunnen snel spanningen bereikt worden van meer dan 100V in een string.

 

Parallelle schakelingen:

• In parallelle schakelingen telt de stroom op Itotal = I1+I2+..+In

• De spanning blijkt constant Utotal = U1 = U2.....

35 

Figuur 35: Parallelle schakeling van uniforme zonnecellen

 

In parallelle schakelingen van spanningsbronnen kan men de stroom optellen. De spanning komt overeen met dat van een enkele bron. Indien men hoge stroomsterkten nodig heeft voor specifieke toepassingen worden de modules meestal parallel geschakeld.

 

De gevolgen voor de technische planning: door de modulaire constructie van fotovoltaïsche installaties is het mogelijk de fan-out stroom en de output spanning in overeenstemming te brengen met een geplande of voorgeschreven opwekkingskracht en de benodigdheden van de systeemonderdelen of de gebruiker. Hiertoe wordt het in serie of parallel schakelen van modules gescheiden of in combinatie gebruikt voor zo een aanpassing.

4.1.6 Serie en parallelle schakelingen van verschillende cellen

Indien men verschillende cellen met elkaar verbindt, ziet men verrassende dingen die van groot belang zijn voor de technische toepassing van zonnecellen en modules

Serie verbinding

• Bij in serie schakelingen telt de spanning op Utotal = U1 + U2+ ... + Un

• De stroom past zich aan, aan de laagste waarde! Itotal = Imin !!

Dit betekent dat indien men verschillende cellen in serie schakelt de spanning optelt maar dat de stroom die wordt geproduceerd alleen maar zo groot is als wordt opgewekt door de zwakste cel !!

36 

Figuur 36: Het effect van een slechte zonnecel in een serieschakeling

In dit voorbeeld kan men zien wat het effect is van een slechte module op de totale stroom die daalt tot bijna het niveau van de slechte module.

Technische implicaties:

De aaneenschakeling van zonnemodules met verschillende werkingspunten lijdt tot energieverlies. Dit is te zien in verschillende problemen:

-          het donker worden van gedeelten van de PV-installatie

-          verschillende karakteristieke waarden van de modules die gegeven worden door de leveranciers

-          beschadiging of vervuiling van een cel in een module

In alle drie de gevallen is het gevolg dat er grote energieverliezen optreden hoewel in het begin het lijkt dat alleen maar een deel van de installatie aangetast is.

Let op: De zwakste schakelbepaalt de sterkte en de capaciteit.

4.2. Samenvatting en belangrijke conclusies

• De capaciteit van een zonnegenerator is direct afhankelijk van de lichtsterkte, het oppervlak, de oprichtingshoek, de temperatuur en de zonne-opwekker die wordt gebruikt.

• Foute verbindingen of schaduw lijdt tot een sterk energieverlies omdat de zwakste schakel van de keten het vermogen bepaalt.

• De stroom, spanning en het vermogen van de zonnecel bij constante verlichting hangt behoorlijk af van de weerstand aan de verbruikerskant.

•Er bestaat een bepaalde verbruikersweerstand waarbij het vermogen een optimum bereikt.

• Als de verbruikersweerstand kleiner is dan de optimale interne weerstand van de zonneopwekker treedt de zonnecel op als een stroombron: de stroom door de verbruiker is relatief constant en onafhankelijk van de spanning van de zonnecel.

• Als de verbruikersweerstand groter is dan de optimale interne weerstand, treedt de zonnecel meer op als een spanningscel. De celspanning verandert amper terwijl de stroom door de verbruiker daalt bij toenemende weerstand van de verbruiker.

4.3. Beoordeling van technische specificaties van modules

Bij het beoordelen van zonnemodules is het van belang specificaties direct te vergelijken met actuele metingen. De data die normaal worden weergegeven zijn verkregen onder Standaard Test Condities (STC) namelijk:

• omgevingstemperatuur 25 º C

• luchtmassa 1,5

• lichtsterkte van 1000W/m 2

In deze cijfers treden de verschillen op tussen de leveranciers:

Bij gebruik wordt de temperatuur van de zonnecellen namelijk veel hoger dan 25 ºC.

Bij hogere temperaturen daalt de efficiency van zonnecellen. Een 75W module (25 ºC) levert bij 50 ºC geen vermogen van 75W maar nog maar ongeveer 70W.

Serieuze fabrikanten houden hier rekening mee en geven ook het piekvermogen bij 47 ºC.

De mechanische vervaardiging verschilt ook. In modules met frames moet men er zeker van zijn dat ze niet kromtrekken. Indien een module stevig is, zal het laminaat (glas-cel-folie) niet snel breken door hitte en geen kabelbreuken op de contactpunten tot gevolg hebben waardoor de levensduur lang zal zijn. Een ander belangrijk punt is hoe vast de connectorbox zit aan het module. Indien die niet ondoorlaatbaar is, komt er na verschillende jaren water in het module op de verbindingspunten. De module raakt dan beschadigd van binnenuit. De eerste signalen van waterlekkages zijn smalle takjes die voorwaarts groeien in de structuur van de connectorbox naar binnen toe.

Mogelijke beschadigingen bij de vervaardiging:

De celcontacten zijn niet compleet. De cellen worden met elkaar in contact gebracht door zeefprints. Indien vervuiling, stof of vet zich bevindt op de water (bijvoorbeeld van vingers of de zuigkoppen van de machines die ze vervaardigen) kan het verbindingsmateriaal niet succesvol hechten op de cellen. De cel produceert dan minder energie.

4.4 Rekenopgaven

Tracht de volgende opgaven op te lossen met de kennis die je hebt op gedaan in de experimenten:

Opgave 1

Er zijn zonnecellen beschikbaar met een spanning van 0.5 V en een stroom van 2 A belast. Een verbruiker werkt bij een spanning van 3.5 V en een stroom van minstens 1.5 A.

Hoeveel cellen moeten er verbonden worden en hoe ?

Opgave 2

Nu met dezelfde cellen maar met een verbruiker waarbij 0.5 V voldoende is maar die 4 A nodig heeft..

Hoeveel cellen moeten er verbonden worden en hoe ?

Opgave 3

Een andere verbruiker heeft 3.5 V nodig en een stroom van 4 A.

Hoeveel cellen moeten er verbonden worden en hoe ?

Opgave 4

Een zonne-installatie bestaat uit twee strings met 10 modules. Elke module heeft bij optimale instraling, een open spanning van 21 V en een kortsluitstroom van 2.8 A.

De tien modules zijn in serie met elkaar verbonden en de twee strings parallel.

Hoe groot is (bij optimale instraling) de kortsluitstroom en de open spanning in de string ?

Hoe groot is (bij optimale instraling) de kortsluitstroom en de open spanning in de parallele strings ?

Opgave 5

In de bovenstaande verbinding ging een module kapot. Een vriend van de huiseigenaar had een module over. Die module had (bij optimale instalering) een kortsluitstroom van 2 A en een voltage van 21 V maar liever de 2 A dan niets, is het niet ?

Hoe groot is (bij optimale instraling) de kortsluitstroom en de open spanning van de string met de nieuwe module ?

Hoe groot is (bij optimale instraling) de kortsluitstroom en de open spanning indien de module niet geïnstalleerd zou zijn ?

Wat gebeurt er in de totale verbinding ?

Was het daarom een goed idee de module te vervangen ?