Skip to content
СА · Тема 22 · Енергия отвсякъде

Соларният панел и точката, в която дава най-много

Соларната клетка е диод, който сам си прави ток от светлината. Колко мощност дава зависи не само от слънцето, но и от това колко я натоварваш. Ако дърпаш много ток, напрежението пада. Ако дърпаш малко, токът е малък. Някъде по средата има една точка, в която мощността е най-голяма, и тя се мести с облаците. В урока я намираме и гледаме как контролерът я гони сам.

≈ 4 мин четене∿ 2 живи уредаСамопроверка: 4 въпроса

Клетката е диод ​

Фотон с енергия, по-голяма от забранената зона, прехвърля електрон от валентната зона в зоната на проводимост. p-n преходът разделя зарядите и през външната верига тече фототок. Клетката е диод, който сам си прави ток: I = I_ph − I₀(e^{qV/nkT} − 1). Еквивалентната схема е източник на ток I_L (светлината), диод D, шунтово R_sh (утечки – трябва да е голямо) и серийно R_s (контакти – трябва да е малко).

Две числа описват кривата:

  • I_sc – токът на късо съединение. Пропорционален е на светлината;
  • V_oc – напрежението на празен ход. Расте само логаритмично със светлината, но пада с температурата.

Между тях има точка на максимална мощност (MPP). Колко „квадратна“ е кривата казва FF = P_m/(V_oc·I_sc).

Тестват се при STC: G = 1000 W/m², 25 °C, AM 1,5. AM 1,5 значи, че лъчите минават 1,5 пъти повече атмосфера от отвесните (около 48° от зенита). Извън атмосферата слънчевата константа е 1367 W/m².

Модул от 72 клетки, 1,3 m², получава 1000 W/m² при 25 °C. I_sc = 4,99 A, V_oc = 43 V. MPP е при 34,9 V и 4,54 A: 158 W. FF = 0,737, η = 12,2 %.

I-V и P-V кривата
Токът
010203040500246V, VI, A
I(V) MPP
Мощността
010203040500100200V, VP, W
P(V) MPP
Фигура 1.

При облак (200 W/m²) токът пада 5 пъти, а напрежението само с около 4 V – логаритъмът. В жега е обратно: токът почти не се мени, но напрежението пада с ~0,35 % на градус и мощността губи около една шеста. Затова панелите дават най-много в студен слънчев ден. Жълтата точка (MPP) се мести с всяка промяна.

MPPT: гони върха ​

Ако модулът е вързан направо към постоянен товар, работната точка е там, където кривата среща правата на товара. Тя е на MPP само при едни условия. MPPT (Maximum Power Point Tracking) е DC-DC преобразувател, който сам мести напрежението на модула. Най-простият алгоритъм е „смути и наблюдавай“: мести напрежението малко, гледа мощността. Ако е расла, продължава в същата посока, ако е паднала – обръща. Така се люлее около върха и го следи, когато облаците го местят. Същото прави и PMU в energy harvesting (тема 20).

При G = 1000 W/m² с резистор, подбран за STC (7,67 Ω), модулът дава 158 W, а с MPPT – 158 W.

Смути и наблюдавай
30 стъпки на MPPT от 20 V
01020304050050100150200V, VP, W
P(V) стъпките на MPPT
Фигура 2.

Розовите стебла са стъпките: от 20 V нагоре по кривата, после се люлеят около върха. При STC резисторът е точно на MPP и печалбата е нула. Пусни облак: резисторът сваля модула далеч от върха, а MPPT пак е на него. Разликата е мощността, която иначе се губи.

Технологиите ​

ТехнологияКПДПлюсовеМинуси
монокристален Si15–20 % (лаб. до 24 %)най-ефективен, компактен, 25 г. гаранциянай-скъп, чувствителен на сянка
поликристален Si13–16 %по-евтин, по-малко отпадъкпо-малък КПД, до 65 °C
тънкослойниa-Si 6–9 %, CdTe ≈ 8 %, CIGS 10–12 %евтини, гъвкави, добре при слаба светлинаповече площ, деградация, Cd е токсичен
нови: перовскити, органични, багрилниперовскит > 20 % (лаб.)евтин процес, целият видим спектърстабилност

Самопроверка ​

1. Модул: V_oc = 43 V, I_sc = 5 A, FF = 0,75, 1,3 m² при STC. Колко е P_m и η?

P_m = 0,75·43·5 = 161 W; P_in = 1000·1,3 = 1300 W → η = 12,4 %.

2. Как се мени I_sc и V_oc при 5 пъти по-малко светлина?

I_sc пада 5 пъти (пропорционално); V_oc – само с няколко волта (логаритмично).

3. Какво е FF и какво показва?

FF = P_m/(V_oc·I_sc) – колко „квадратна“ е I-V кривата; колкото по-близо до 1, толкова по-добра клетка (малко R_s, голямо R_sh).

4. Как работи MPPT „смути и наблюдавай“?

Мести напрежението малко; ако мощността е расла – продължава в същата посока, ако е паднала – обръща. Люлее се около върха и го следва.