محاسبه ولتاژ حداکثر و حداقل پنل خورشیدی

هر پنل خورشیدی دارای دو سیم مثبت و منفی خروجی است که از طریق آن انرژی تولید شده توسط پنل خورشیدی دریافت می شود. ولتاژ خروجی پنل خورشیدی نسبت به پارامتر های مختلف مانند شدت تابش، دمای محیط و سایه دچار تغییر می شود و در طراحی نیروگاه خورشیدی باید حداقل و حداکثر این مقدار را اندازه و سیستم را متناسب با آن طراحی نمود. برای مثال در صورت استفاده از اینورتر متصل به شبکه یا شارژکنترلر، محدودیت هایی مانند حداکثر ولتاژ ورودی یا حداقل ولتاژ جهت عملکرد صحیح سیستم وجود دارد.

هر پنل خورشیدی دارای دو مقدار مهم ولتاژ مدارباز Voc و ولتاژ در حداکثر توان Vmp است که معمولا متناسب با تست استاندارد STC در آزمایشگاه اندازه گیری و در کاتالوگ و لیبل پشت پنل خورشیدی درج می شود. برای آشنایی بیشتر با این دو مقدار در ادامه با مجله آموزش برق خورشیدی سولارنیرو همراه باشید.

ولتاژ مدار باز پنل خورشیدی Voc

این ولتاژ زمانی در خروجی پنل خورشیدی اندازه گیری می شود که جریان صفر و پنل از مدار جدا باشد. ولتاژ مدار باز بیشترین ولتاژ در خروجی پنل خورشیدی است و در زمان انتخاب اینورتر متصل به شبکه یا شارژکنترلر به شدت مورد استفاده قرار می گیرد. گفتنی است این ولتاژ با تغییرات شدت تابش تغییرات اندکی دارد اما با تغییرات دما مقدار آن به صورت قابل توجه تغییر می کند.

ولتاژ در حداکثر توان پنل خورشیدی Vmp

این ولتاژ زمانی در خروجی پنل خورشیدی اندازه گیری می شود که شدت تابش حداکثر و حداکثر توان نامی در خروجی پنل خورشیدی قابل دریافت باشد. مقدار این ولتاژ همیشه از ولتاژ مدارباز کمتر و همانند ولتاژ مدارباز نسبت به شدت تابش و تغییرات دما، تغییر می کند. از این ولتاژ برای محاسبه حداقل ولتاژ خروجی پنل خورشیدی استفاده می شود.

حداکثر ولتاژ خروجی پنل خورشیدی

همانطور که گفته شد، ولتاژ مدار باز پنل خورشیدی نسبت به تغییرات شدت تابش، تغییرات اندک اما نسبت به تغییرات دما دستخوش تغییرات قابل توجهی می شود. برای برسی دقیق تر به جدول زیر توجه نمایید. این جدول از کاتالوگ پنل خورشیدی 550 وات مونوکریستال برند AE SOLAR استخراج شده است و مربوط به ضرایب تغییرات دما است.

همانطور مشاهده می کنید مقدار ولتاژ مدارباز که بالاترین ولتاژ خروجی پنل خورشیدی است، نسبت به دما متغیر بوده و دارای یک ضریب منفی است. بر همین اساس مقدار ولتاژ مدارباز این پنل خورشیدی نسبت به تغییر هر درجه سانتی گراد دما، 0.275 هزارم درصد تغییر می کند. به دلیل منفی بودن این ضریب در صورت کاهش دما از 25 درجه سانتی گراد، مقدار این ولتاژ افزایش می یابد.

فرمول زیر را می توان به عنوان یک رابطه نسبتا دقیق برای محاسبه حداکثر ولتاژ خروجی پنل خورشیدی استفاده نمود.

در این رابطه Voc همانطور ولتاژ مدارباز پنل خورشیدی است که در دیتاشیت و لیبل پشت پنل خورشیدی درج شده است. مقدار Tmin حداقل دمای محیط در فصل سرد و Tstc برابر با 25 درجه سانتی گراد است. آخرین پارامتر نیز Tk یا همان ضریب تغییرات ولتاژ مدار باز است که در جدول بالا با نام Temp.coefficient of Voc مشخص شده است.

برای مثال فرض کنید همین پنل خورشیدی را در تهران نصب نماییم و پایین ترین درجه دمای محیط را منفی 10 درجه در فصل زمستان در نظر بگیریم. با توجه به اینکه مقدار ولتاژ مدارباز این پنل خورشیدی 51.44 ولت و ضریب دمایی ولتاژ مدارباز منفی 0.275 اس، حداکثر مقدار ولتاژ مدارباز این پنل خورشیدی ممکن است به عدد زیر برسد.

Voc_max = 51.44 + 51.44x(-10-25)x(-0.275/100) = 51.44 + 4.95 = 56.39v

با توجه به مقادیر فوق حداکثر مقدار تغییرات ولتاژ 4.96 ولت است. همچنین در صورتی که تعدادی پنل با یکدیگر سری شده باشند مقدار تغییرات چشمگیر تر است. به عنوان مثال اگر 10 پنل خورشیدی با یکدیگر سری شده باشند، مقدار تغییرات ولتاژ تا 50 ولت است.

حداکثر جریان خروجی پنل خورشیدی

جریان اتصال کوتاه را می توان به عنوان حداکثر شدت جریان خروجی پنل خورشیدی معرفی کرد. این جریان نیز متناسب با شدت تابش و تغییرات دما کم و زیاد می شود. در جدول ضرایب حرارتی، ضریبی نیز برای جریان اتصال کوتاه در نظر گرفته شده است و مقدار آن مثبت است. به این صورت که برخلاف ولتاژ مدار باز، با افزایش دما مقدار جریان اتصال کوتاه افزایش و با کاهش دما مقدار آن کاهش می یابد. این ضریب مقدار ناچیزی دارد و به طور معمول تاثیر بزرگی بر جریان اتصال کوتاه نمی گذارد.

حداقل ولتاژ خروجی پنل خورشیدی

همانطور که گفته شد ولتاژ خروجی پنل خورشیدی علاوه بر شدت تابش به تغییرات دما نیز وابسته است و در قسمت قبل، مقدار حداکثر این ولتاژ از روی ولتاژ مدارباز پنل خورشیدی محاسبه شد. در این قسمت قصد داریم به برسی حداقل این ولتاژ بپردازیم. از آنجایی که مقدار ولتاژ در حداکثر توان همان Vmp از مقدار Voc کمتر است، تمامی محاسبات بر اساس این پارامتر انجام می شود.

اما مشکل اصلی اینجاست که در دیتاشیت پنل خورشیدی، ضریب حرارتی برای ولتاژ در حداکثر توان مشخص نشده است. اما از آنجایی که تغییرات جریان نسبت به دما تغییرات چشمگیری ندارد، پس می توانید از همان ضریب حرارتی توان پنل خورشیدی Pmax برای ولتاژ در حداکثر توان استفاده نماییم. برای محاسبه حداقل ولتاژ پنل خورشیدی می توان از رابطه زیر استفاده نمود.

در این رابطه Vmp ولتاژ پنل خورشیدی در حداکثر توان، Tmax حداکثر دمای محیط، Tadd اختلاف دمای ماژول با محیط و Tstc دما در تست STC و برابر با ۲۵ درجه سانتی گراد است و در نهایت Tk همان ضریب حرارتی است که می توان مقدار آن را برابر با ضریب حرارتی Pmax در نظر گرفت. به عنوان مثال پنل ۵۵۰ وات مونوکریستال برند AE SOLAR دارای Vmp برابر با ۴۲.۶۷ ولت و ضریب حرارتی Pmax برابر با منفی 0.35 درصد به ازای هر درجه سانتی گراد است. اگر این پنل خورشیدی را در محیطی با حداکثر دمای 45 درجه سانتی گراد نصب نماییم به صورت زیر مقدار حداقل ولتاژ بدست می آید.

نکته مهم در این بخش پارامتر Tadd است که اختلاف دمای سلول با دمای محیط است که به طور معمول برای پنل های نصب شده بر روی سطح بام هایی با گردش هوای پایین بین ۲۵ تا ۳۵ درجه است. این به این معنی است که دمای سلول یا ماژول به دلیل نبود گردش درست هوا، گرم تر از دمای محیط است.

Vmp_min = 42.67 + 42.67x(45+35-25)x(-0.35/100) = 42.67 – 8.21 = 34.46v

همانطور که مشاهده کردید، در صورتی که دمای محیط به ۴۵ درجه سانتی گراد برسد و گردش هوای خوبی اطراف پنل خورشیدی صورت نگیرد، حداقل ولتاژ پنل خورشیدی می تواند تا 34.46 ولت کاهش پیدا کند. نکته مهم وجود دارد که تمامی محاسبات در این بخش بر اساس تست STC پنل خورشیدی است که در این تست مقدار تابش برابر با ۱۰۰۰ وات بر متر مربع در نظر گرفته شده که می تواند این مقدار در روز ابری کمتر شود. توصیه می شود برای تقریب بهتر حداقل ولتاژ پنل خورشیدی، حاصل به دست آمده از رابطه را ۱۰ درصد نیز کم نمایید.

در این نوشته به موضوع حداقل و حداکثر ولتاژ پنل خورشیدی پرداختیم که یکی از مهم ترین نکات برای طراحی نیروگاه برق خورشیدی است و طراح با در دست داشتن این اطلاعات می تواند سیستم بهتری طراحی نماید. در صورتی که این مطلب برای شما کاربردی بوده و تمایل دارید مطالب مرتبط بیشتری مطالعه نمایید می توانید به مجله آموزشی سولارنیرو مراجعه نمایید.