4.3. Сонячні модулі

Сонячні модулі являються основними компонентами для побудови фотоелектронних систем (ФЕС). Вони можуть бути виготовлені для будь-якої вихідної напруги.

Після того, як сонячні елементи підібрані, їх необхідно спаяти. Серійні елементи оснащені струмоз’ємними сітками для приєднання до них провідників. Батареї можна збирати в будь-які комбінації.

Найбільш прості батареї складаються з послідовно-з’єднаних елементів. Можна з’єднувати ланцюжки паралельно, отримуючи так зване послідовно-паралельне з’єднання. Паралельно можна з’єднувати лише лінійки з ідентичною напругою, при цьому струми відповідно до закону Кірхгофа скаладаються.

Такі сонячні батареї використовують для зарядження акумуляторних батарей з номінальною напругою 12В. Для цього 36 сонячних елементів з’єднуються послідовно і герметизуються за допомогою ламінації на склі, текстоліті, алюмінії.

При цьому елементи знаходяться між двома шарами герметизуючої плівки без повітряного зазору. Технологія вакуумної ламінації дозволяє виконати такі вимоги. В випадку повітряного прошарку між захистним склом та елементом втрати на відображення та поглинання досягають 20–30 % в порівнянні з 12 % без повітряного прошарку.

Сонячні модулі конструктивно реалізуюються у вигляді монолітного ламіната спаяних монокристалічних елементів. Існують каркасні та безкаркасні сонячні модулі [21].

Каркасний сонячний модуль створюється у вигляді панелі, яка виконується з алюмінієвого профілю. Панель являє собою фотоелектричний генератор, який складається з скляної плити з заламінованими на ній елементами. До внутрішнього боку корпуса закріплений діодний блок, під кришкою якого розташовані електричні контакти, що призначені для підключення модуля.

Безкаркасні модулі являють собою ламінат на алюмінію, склотекстоліті, а також без основи. Сонячні елементи розташовані між двома шарами ламінуючої плівки типу ЕВА(етил-вінил-ацетат). Передній бік захищений оптично прозорою плівкою типу ПЕТ (поліетен терефталет), а задній бік - або підставкою (склотекстоліт, алюміній), або тією ж плівкою ПЕТ без додаткових вимог щодо оптичних характеристик.

Модулі зберігають працездатність в діапазоні температур –50…+75, при атмосферному тиску 84–106,7 кПа, відносної вологості до 100%, дощу інтенсивністю 5 мм/хв, снігового або гололідно - вітряного навантаження до 2000Па.

Термін працездатності модулів 20 років.

Максимальні розміри модуля 1300х700мм. В цих межах можна замовити будь-який модуль з розрахунку 85 Вт/м².

Електричні параметри сонячного модуля, як і окремого сонячного елемента зображаються у вигляді вольт-амперної характеристики (рис. 4.3.1) при стандартних умовах (Standart Test Conditions), тобто при сонячному випромінюванні 1000 Вт/м², температурі ±25 ^ºС та сонячному спектрі на широті 45^º (АМ 1,5).

Точка перетину кривої струму з віссю напруг називається напругою холостого ходу U_xx ;

Точка пертину з віссю струмів визначає струм короткого замикання I_кз. Максимальна потужність модуля визначається як найбільша потужність при стандартних умовах (STC).

Рис. 4.3.1 Вольт- амперна характеристика модуля.

Напруга, яка відповідає максимальній потужності, називаеться робочою напругою U_р, а відповідний струм при максимальній потужності називається робочим струмом I_p.

Значення робочої напруги для модуля, який складається із 36 елементів, таким чнином , буде дорівнювати близько 19–17В (0,45–0,74В на елемент) при 25^ºС.

Такий запас по напрузі в порівнянні з напругою повного заряду АКБ (14,4В) необхідний для того, щоб зкомпенсувати втрати в контролері зарядження –розрядження АКБ, а також забезпечити пониження робочої напруги модуля при нагріванні модуля сонячним випромінюванням (температурний коєфіціент для кремнія дорівнює близько 0,4%/грд , тобто 0,002 В/град для одного елемента). Напруга холостого ходу модуля мало залежить від освітленості , але струм короткого замкнення , а відповідно і робочий струм буде прямо пропорційним освітленості.

Слід зауважити, що при нагріванні в реальних умовах роботи, модулі розогріваються до температури 60–70^ºС , а це відповідає зміщенню точки робочої напруги, нарпиклад: для модуля з робочою нарпугою17В до 13,7–14,4В (0,38–0,4В на елемент)

Вказані умови необхідно знати при розрахунку числа послідовного з’єднаних елементів модуля.

Використовувати енергію сонячних елементів можна таким же способом, як і енергію інших джерел живлення, але різниця полягає в тому, що сонячні елементи не бояться короткого замкнення. Кожний із них призначений для підтримки визначеної сили струму при заданій напрузі. Але на відміну від других джерел струму характеристики сонячного елемента залежать від кількості поданого на його поверхню світла. Наприклад, набігша хмарка може поміняти вихідну потужність більш як на 50%. Крім того, відхілення в технологічних рішеннях обумовлюють розбіжності вихідних параметрів елементів однієї партії.

Таким чином, бажання забезпечити максимальну віддачу від фотоелектричних перетворювічів приводить до необхідності сортування елементів по вихідному струму. При послідовному з’єднанні фотоелемнтів один неякісний елемент зіпсує весь модуль подібно тому, як вузький відрізок водопровідгої труби, установлений у будь-якому місці водопроводу, суттево погіршить водяний потік.

Сонячні елементи із кремнію являються нелінійними пристроями, і для описання їх роботи необхідно користуватися вольт – амперними характеристиками (ВАХ), як це показано на рис. 4.3.2.

Рис. 4.3.2 ВАХ сонячного елемента

Напруга холостого ходу, створюєма одним елементом, трохи змінюється при переході від одного елемента до другого в одній партії і дорівнює близько 0,6В. Ця величина не залежить від розмірів елемента. Струм же залежить як від інтенсивності світлового випромінювання, так і від розмірів елемента, зокрема від площі його поверхні.

Нарпиклад, елемент розміром 100×100мм, в 100 раз більше від елемента 10×10мм, і тому він при тій же освітленості видає в 100 разів більший струм.

При навантаженні елемента можна побудувати графік залежності вихідної потужності від напруги (рис. 4.3.3). Максимальна потужнісь фотоелемента має місце при напрузі 0,47В. Таким чином, щоб оцінити якість сонячного елемента, а також для порівняння елементів між собою в однакових умовах, необхідно навантажити його так, щоб вихідна нарпуга дорівнювала 0,47В.

Рис. 4.3.3 Графік залежності виходної потужності

Після того, як сонячні елементи підібрані для роботи, їх необхідно спаяти. Серійні елементи оснащені струмозйомними сітками, які призначені для припайки до них провідників. Батареї можна з’єднувати в любій бажаній комбінації, застосовуючі як послідовні так і послідовно – паралельні варіанти з’єднання.

Важливим моментом роботи сонячних елементів являється їх температуринй режим. При нагріванні на один градус вище 25^ºС він втрачає нарпугу на 0,002В, тобто 0,4% на градус. На рис. 4.3.4 приведені графіки вольт-амперних характеристик для температур 25^ºС і 60^ºС.

Рис. 4.3.4 Вплив зміни температури на ВАХ сонячного елемента

В яскравий сонячний день елементи нагріваються до 60^º–70С, витрачаючи при цьому 0,07–0,09В кожний.Це являється основною причиною зменшення ККД сонячних елементів. ККД звичайного сонячного елемента коливається в межах 10–16%. Це буде значити, що елемент розміром 100×100мм при стандартних умовах може створювати потужність1–1,6Вт.

Стандартними умовами для паспортизації елементів у всьму світі вважаються: освітленість 1000Вт/м²; Температура 25ºС; спектр Ам 1,5 (сонячний спектр на широті 45º).