Panele fotowoltaiczne. Fakty i mity.

Transkrypt

1 Napięcie Panele fotowoltaiczne. Fakty i mity. Do napisanie tego artykułu skłoniły mnie prawdy objawione pojawiające się w różnych miejscach w internecie. Dotyczy to zarówno różnych for internetowych, również tych aspirujących do for fachowych jak i niestety informacji przekazywanych przez niektóre firmy zajmujące się zawodowo sprzedażą urządzeń fotowoltaicznych. Poświęciłem również trochę czasu na przejrzenie for internetowych anglojęzycznych. Niestety, równie często i tu zdarza się pisanie wierutnych bzdur ubranych w pseudo naukowe teorie. Panel fotowoltaiczny w odróżnieniu od akumulatora, i klasycznych zasilaczy jest źródłem prądowym a nie napięciowym. Brak wiedzy dotyczących źródeł prądowych prowadzi do wielu nieporozumień i niestety do wypisywanie na różnych forach internetowych wierutnych bzdur przyjmowanych niekiedy za pewniki. Trochę o źródłach napięcia i prądu: Źródło napięciowe: Rys.1 Schemat zastępczy źródła napięciowego. Idealne źródło napięciowe prądu stałego, w zakresie pracy posiada rezystancję wewnętrzną równą. Mówimy tu o rezystancji określonej wzorem : Prąd U Rys.2 Charakterystyka U=f(I) źródła napięciowego. Obszar pracy źródła tego źródła to - A. U=12V=const W przypadku źródła nie idealnego napięcie wyjściowe obniża się wraz ze wzrostem prądu wyjściowego wg zależności: Dla źródła idealnego ( zależność będzie wyglądała następująco: Prąd wyjściowy zaś zależy od rezystancji wewnętrznej źródła i rezystancji obciążenia:

2 Dla źródła idealnego ( zależność będzie wyglądała następująco: Źródła napięciowe możemy w sposób bezkarny łączyć szeregowo. Rys.3 Schemat zastępczy szeregowego połączenia źródeł napięciowych. Siła elektromotoryczna i rezystancja wewnętrzna takiego układu będzie wynosiła: Kategorycznie nie wolno łączyć idealnych źródeł napięciowych równolegle. Rys.4 Schemat zastępczy równoległego połączenia źródeł napięciowych. Takie połączenie jest możliwe jedynie w sytuacji gdy : a jak wiadomo w przyrodzie warunek ten nie jest nigdy spełniony. W każdym innym przypadku równoległe połączenie źródeł napięciowych jest tożsame z ich zwarciem! Tu oczywiście nasuwa się pytanie: Jak to, przecież w naszych kamperach akumulatory są łączone równolegle np. w czasie ładowania z alternatora? A przecież niejednokrotnie mają one inne napięcia, bo jeden jest mniej rozładowany a inny bardziej. Otóż przede wszystkim pomimo, że akumulator jest dość dobrym przybliżeniem źródła napięciowego to jednak ideałem nie jest. Napięcie a właściwie siła elektromotoryczna akumulatora jest funkcją choćby jego naładowania. W związku z tym jeżeli połączymy równolegle dwa akumulatory o różnym stopniu rozładowania to w pierwszym momencie nastąpi dość gwałtowny przepływ prądu z jednego do drugiego. Po pewnym czasie napięcia się wyrównają i nastąpi stan równowagi. Oczywiście łączyć można wyłącznie akumulatory o tych samych napięciach. Wskazane by było aby łączone równolegle akumulatory w ogóle były identyczne. Zdecydowanie nie jest wskazane wstawianie do kamperów posiadających elektrobloki starszej generacji akumulatorów żelowych. Akumulatory te posiadają inne napięcia niż akumulatory ołowiowe rozruchowe i proces ładowania nigdy nie będzie optymalny przy połączeniu równoległym. Zawsze jeden z akumulatorów będzie niedoładowany albo przeładowany

3 Prąd Źródło prądowe: Rys. schemat zastępczy źródła prądowego. Panel fotowoltaiczny w obszarze swojej pracy jest źródłem prądowym ( a nie napięciowym!). Warto poświęcić chwilę uwagi aby poznać podstawy dotyczące źródeł prądowych. Idealne źródło prądowe prądu stałego, w zakresie pracy posiada rezystancję wewnętrzną równą Napięcie I Rys.6 Charakterystyka I=f(U) źródła napięciowego. Obszar pracy tego źródła to -2 V. I=1A=const W przypadku źródła nie idealnego prąd wyjściowy określa zależność: Dla źródła idealnego ( zależność będzie wyglądała następująco: Napięcie wyjściowe zależy również od rezystancji wewnętrznej źródła: Dla źródła idealnego ( zależność będzie wyglądała następująco: Rezystancja wewnętrzna źródła jest określona wzorem : Źródła prądowe możemy w sposób bezkarny łączyć równolegle. Rys.7 Schemat zastępczy źródeł prądowych połączonych równolegle.

4 Prąd Napięcie Dla źródeł idealnych: Łączenie szeregowe idealnych źródeł prądowych jest pozbawione sensu. Rys.8 Schemat zastępczy źródeł prądowych połączonych szeregowo. W przypadku źródeł idealnych o różnych prądach jedno źródło będzie wymuszało prąd większy a drugie prąd mniejszy, co jest sprzecznością. W przypadku źródeł nie idealnych płynący przez obciążenie będzie równy temu z prądów Iz1;Iz2, który jest mniejszy. Uwagi końcowe: Przy omawianiu źródeł używałem pojęcia w zakresie swojej pracy. Jest to bardzo istotny warunek bo: Przyjrzyjmy się ponownie: Prąd U Rys.2 Charakterystyka U=f(I) źródła napięciowego. Obszar pracy źródła to - A. U=12V=const Otóż powyżej prądu obciążenia A nasze źródło napięciowe zaczyna się zachowywać jak źródło prądowe. Prąd płynący w obwodzie nie specjalnie zależy od wielkości obciążenia. I analogicznie: Napięcie I Rys.6 Charakterystyka I=f(U) źródła napięciowego. Obszar pracy źródła to -2 V. I=1A=const Powyżej napięcia 2 V nasze źródło prądowe zaczyna się zachowywać jak źródło napięciowe. Napięcie na obciążeniu w niewielkim stopniu zależy od jego wielkości.

5 Prąd Panel PV Napięcie I (1W/m kw) I (W/m kw) I (2W/m kw) Rys.9 Charakterystyka I=f(U) panela PV. Czarna pionowa linia określa w sposób przybliżony punkt pracy przy ładowaniu akumulatora 12 V z użyciem regulatora PWM. Fioletowa pionowa linia określa w sposób przybliżony punkt pracy przy ładowaniu akumulatora 12 V z użyciem regulatora MPPT- Śledzenie punktu mocy maksymalnej (Maximum Power Point Tracking). Należy zwrócić uwagę, że obszarze pracy panel PV wykazuje cechy źródła prądowego. Jest to bardzo ważne do rozważań dotyczących konfigurowania systemów fotowoltaicznych. Spróbuję odpowiedzieć na kilka pytań pojawiających się zarówno na forach internetowych jak i u dostawców paneli. Pytań, na które nie zawsze są podawane prawidłowe odpowiedzi: 1.Czy napięcie na panelu PV jest funkcją od promieniowania słonecznego, czyli czy od tego promieniowania zależy? Nie, nie zależy. Od natężenia promieniowania słonecznego zależy wielkość prądu generowanego przez panel a nie napięcie. Jak widać na charakterystyce (krzywe w kolorze niebieskim, czerwonym i zielonym dla różnych poziomów promieniowania), zmiana nasłonecznienia wywołuje zmianę prądu a nie napięcia. Z tym pytaniem jest związane kolejne zagadnienie: 2.Czy szeregowe połączenie paneli zwiększy skuteczność ładowania w warunkach słabego oświetlenia, bo mamy wyższe napięcie znamionowe na wyjściu? Nie, nie zwiększy. Uzasadnienie w odpowiedzi Nr 1. Napięcie nie zależy od promieniowania słonecznego. 3.Czy można łączyć równolegle panele o różnych parametrach? Można, ale nie zawsze takie połączenie jest uzasadnione i ma sens. Przy połączeniu równoległym należy zastosować diody blokujące. Konieczność stosowania diod blokujących zapobiegnie wstecznemu przepływowi prądu w przypadku znacznej różnicy napięć jałowych połączonych paneli. W przypadku paneli o takich samych napięciach diody nie są konieczne ale są wskazane. Rys. 1 Prawidłowy sposób równoległego połączenia paneli PV.

6 Należy zwrócić uwagę, że równolegle można łączyć nawet panele o znacznej różnicy napięć (oczywiście z diodami blokującymi). Dość interesującą zagadką jest pytanie: Jak zachowa się regulator MPPT gdy będzie podłączony do dwóch paneli o różnych napięciach jałowych? Przy regulatorze MPPT punktem pracy będzie napięcie panela o niższym napięciu a prąd będzie sumą prądów obu paneli. 4.Czy można łączyć szeregowo panele o różnych parametrach? Można, ale podobnie jak przy połączeniu równoległym nie zawsze jest uzasadnione i ma sens. Rys.11 Szeregowe połączenie paneli PV. Jeżeli komuś bardzo na tym zależy to można zastosować diody bypass, jak na Rys.11. Nie jest to jednak konieczne bo diody bypass w panelach póki co są stosowane i nie sądzę aby nich zrezygnowano. Wynikowo napięcie jałowe takiego połączenia będzie równe sumie napięć jałowych poszczególnych paneli. Prąd będzie równy temu z prądów, który jest mniejszy. I kolejna zagadka, tym razem dla połączenia szeregowego: Jak zachowa się regulator MPPT gdy będzie podłączony do dwóch paneli o różnych prądach? Przy regulatorze MPPT punktem pracy będzie suma napięć obu paneli a prąd będzie równy temu z prądów, który jest mniejszy. Pomimo możliwej dość dużej dowolności przy łączeniu paneli, zaleca się z uwagi na elegancję układu i dobrą praktykę ( nie mylić z dobrą zmianą ) łączenie paneli o takich samych parametrach. Dobra praktyka przemawia również za stosowaniem diod blokujących w przypadku równoległego łączenia paneli, nawet o tym samym napięciu..czy przy zastosowaniu regulatora MPPT korzystniej jest zastosować panel o wyższym napięciu jałowym czy o niższym? Np. w instalacji 12 V dać panel 21 czy 36 V? Nie to żadnego istotnego znaczenia. Przybliżony wzór (założenie, że sprawność przetwarzanie =1%) określający działanie regulatora MPPT wygląda tak: czyli: gdzie: Moc w punkcie mocy maksymalnej Moc oddawana do obciążenia Napięcie punktu mocy maksymalnej Prąd w punkcie mocy maksymalnej Napięcie na wyjściu regulatora Prąd wyjściowy regulatora

7 Mało tego po wywołaniu problemu dokładnie wczytałem się w dokumentację jednego z dostępnych na rynku regulatorów MPPT. Z dokumentacji tej wynika, że dla instalacji 12 V i panela PV 21 V możemy osiągnąć sprawność na poziomie 96%, natomiast przy panelu PV 36V osiągniemy sprawność 9%. Nieprawdą jest również, że panel o wyższym napięciu wcześniej zacznie pracować. Nie zacznie bo to prąd a nie napięcie zależy od oświetlenia. (Pytanie Nr 1) Jest natomiast inne uzasadnienie stosowania wyższych napięć. Mianowicie zastosowanie połączenia szeregowego pozwala na zmniejszenie przekroju przewodów połączeniowych pomiędzy panelami a regulatorem w stosunku do przekroju przy połączeniu równoległym. Zasada prosta: wyższe napięcie to przy tej samej mocy niższy prąd. Przy okazji niższy prąd to niższe straty na rezystancji kabli. A teraz pytania z cyklu rozważań akademickich : 6.Czy można ładować akumulator z panela PV bez użycia regulatora? Można pod kilkoma warunkami: -napięcia jałowe panela PV musi być wyższe od napięcia akumulatora, -prąd znamionowy panela nie może być wyższy niż dopuszczalny prąd ładowania akumulatora, -bezwzględnie należy kontrolować proces ładowania aby w przypadku osiągnięcia odpowiedniego napięcia przerwać ładowanie. W przeciwnym przypadku dojdzie do przeładowania i być może zniszczenia akumulatora. -w przypadku braku diody blokującej nie wolno zostawić panela podłączonego do akumulatora na noc, bo nastąpi jego rozładowanie. Uwaga: Tego typu operację-ładowanie bez regulatora można stosować tylko w przypadkach wyjątkowych. 7.Czy napięcie jałowe ma znaczenia w przypadku ładowania akumulatora bez użycia regulatora? Dolna granica tak- napięcie jałowe musi być wyższe od napięcia akumulatora. Górna granica nie ma znaczenia. Paradoksalnie (co zapewne wywoła wzburzenie) może to być panel nawet o napięciu 1V. Znaczenie ma również prąd znamionowy. Patrz pytanie 6 Kilka schematów obrazujący sensowne i bez sensowne połączenia paneli PV. Wszystkie przykłady dotyczą instalacji o napięciu wyjściowym 12 V: Rys.12 W przypadku równoległego połączenia otrzymamy na wyjściu znacząco większy prąd.

8 Rys.13 W tym przypadku połączenie szeregowe jest pozbawione sensu. Rys.14 W odróżnieniu od Rys.12 tu dla połączenia szeregowego otrzymamy większy prąd.

9 Rys. 1 Zarówno połączenie szeregowe jak i równoległe nie ma sensu. Dla wyjaśnienia: W przypadku połączenia równoległego punkt pracy ustali się na 12 V czyli powyżej napięcia jałowego panela 2. W tej sytuacji 2 panel nie będzie pracował. Jeżeli starczy mi czasu i zapału postaram się napisać co nieco o pomiarach mających na celu porównywanie paneli i regulatorów. Pozornie temat wydaje się błahy, bo to pomiary napięć i prądów stałych. Niestety wykonanie prawidłowych pomiarów do celów porównawczych nie jest sprawą banalną, szczególnie dlatego prądy i napięcia w obwodach PV nie są jednak stałe. Publikacje będą się również pojawiały na: Sławomir Binder