太陽光発電アレイ
太陽光発電ソーラーパネルが相互に接続された個々の太陽電池で構成されている場合、太陽光発電アレイ、単にソーラーアレイは、互いに接続されたソーラーパネルのグループで構成されるシステムです。
したがって、太陽光発電アレイは、アレイと呼ばれるはるかに大きなPV設備(PVシステム)を形成するために電気的に配線された複数のソーラーパネルであり、一般にアレイの総表面積が大きいほど、より多くの太陽光発電が生成されます。
完全な太陽光発電システムは、電源を生成するための主な供給源として太陽光発電アレイを使用する。単一の太陽光発電パネルまたはモジュールによって生成される太陽光発電の量は、一般的な使用には十分ではありません。
ほとんどのメーカーは、出力電圧が12Vまたは24Vの標準的な太陽光発電パネルを製造しています。多くの単一PVパネルを直列(より高い電圧要件の場合)および並列(より高い電流要件の場合)に接続することにより、PVアレイは目的の電力出力を生成します。
太陽光発電ソーラーアレイ
太陽電池とパネルは、太陽エネルギーを直流(DC)電力に変換します。単一の太陽光発電アレイ内のソーラーパネルの接続は、単一のパネル内のPVセルの接続と同じです。
アレイ内のパネルは、直列、並列、または2つの混合物のいずれかで電気的に接続できますが、一般に、出力電圧を上げるために直列接続が選択されます。たとえば、2つのソーラーパネルが直列に配線されている場合、電流は同じままで電圧が2倍になります。
太陽光発電アレイのサイズは、都市環境で互いに接続され、屋上に取り付けられたいくつかの個々のPVモジュールまたはパネルで構成することも、町全体または近隣に電力を供給するためにフィールドで相互接続された数百のPVパネルで構成されてもよい。モジュラー太陽光発電アレイ(PVシステム)の柔軟性により、設計者は、大小を問わず、さまざまな電気ニーズを満たすことができる太陽光発電システムを作成できます。
異なるメーカーの太陽光発電パネルまたはモジュールは、電力、電圧、または電流出力が名目上類似している場合でも、単一のアレイに混在させてはならないことに注意することが重要です。これは、太陽電池のI-V特性曲線とそのスペクトル応答の違いにより、アレイ内で追加のミスマッチ損失が発生し、アレイ全体の効率が低下する可能性があるためです。
太陽電池アレイの電気的特性
太陽電池アレイの電気的特性は、出力電流と電圧の関係に要約されます。日射量と強度(日射量)は出力電流の量(I)を制御し、太陽電池の動作温度はPVアレイの出力電圧(V)に影響します。電流と電圧の関係を要約した太陽光発電パネル(I-V)曲線は、メーカーによって与えられ、次のように与えられます。
ソーラーアレイパラメータ
VOC = 開回路電圧:–これは、端子がどの負荷にも接続されていないとき(開回路状態)にアレイが提供する最大電圧です。この値は、負荷によって固定されるPVアレイの動作に関連するVmaxよりもはるかに高い。この値は、直列に接続されたPVパネルの数によって異なります。
ISC = 短絡電流–出力コネクタが互いに短絡したとき(短絡状態)にPVアレイによって提供される最大電流。この値は、通常の動作回路電流に関連するImaxよりもはるかに高い値です。
Pmax = 最大電力点–これは、負荷(バッテリー、インバーター)に接続されているアレイによって供給される電力が最大値(Pmax = Imax x Vmax)にあるポイントに関連しています。太陽光発電アレイの最大電力点は、ワット(W)またはピークワット(Wp)で測定されます。
FF =フィルファクター–フィルファクタは、アレイが通常の動作条件下で実際に提供できる最大電力と、開回路電圧と短絡電流の積との関係です(VocxIsc)このフィルファクタ値は、アレイの品質のアイデアを提供し、フィルファクタが1(ユニティ)に近いほど、 アレイが提供できる電力が大きくなります。一般的な値は 0.7 から 0.8 の間です。
% eff = 効率の割合 –太陽光発電アレイの効率は、アレイに当たる太陽放射照度の量と比較して、アレイが生成できる最大電力の比率です。典型的なソーラーアレイの効率は、通常、使用されているセルの種類(単結晶、多結晶、アモルファスまたは薄膜)に応じて、約10〜12%と低い。
太陽光発電I-V特性曲線は、設計者が最大ピーク電力点にできるだけ近い位置で動作できるシステムを構成するために必要な情報を提供します。ピーク電力点は、PVモジュールが1平方メートルあたり1000ワット、1000 W / m2または1kW / m2に相当する日射にさらされたときに最大量の電力を生成するときに測定されます。以下の回路を考えてみましょう。
太陽光発電アレイ接続
上記のこの単純な太陽光発電アレイは、図に示すように4つの太陽光発電モジュールで構成され、直列回路を生成するために電気的に接続された2つのPVパネルがある2つの平行な分岐を生成します。したがって、アレイからの出力電圧はPVパネルの直列接続に等しくなり、上記の例では、これはVout = 12V + 12V = 24ボルトとして計算されます。
出力電流は、並列分岐電流の合計に等しくなります。各PVパネルが完全な太陽で3.75アンペアを生成すると仮定すると、合計電流(IT)は、IT = 3.75A + 3.75A = 7.5アンペアに等しくなります。次に、完全な太陽の下での太陽光発電アレイの最大電力は、Pout = V x I = 24 x 7.5 = 180Wとして計算できます。
各PVパネルまたはモジュールの最大出力は45ワット(12V x 3.75A)に等しいため、PVアレイは完全な太陽の下で最大180ワットに達します。ただし、日射量、温度効果、電気的損失などのレベルが異なるため、実際の最大出力電力は通常、計算された180ワットよりもはるかに少なくなります。次に、太陽光発電アレイの特性を存在として提示できます。
太陽電池アレイの特性
太陽電池アレイのバイパスダイオード
太陽電池とダイオードはどちらも、P型シリコン材料とN型シリコン材料を融合させた半導体デバイスです。光にさらされると電圧を発生する太陽電池とは異なり、PN接合ダイオードはソリッドステート一方向電気バルブのように機能し、電流が一方向にのみ流れるようにします。
これの利点は、ダイオードを使用して、電気ソーラー回路の他の部分からの電流の流れを遮断できることです。太陽光発電ソーラーアレイで使用される場合、これらのタイプのシリコンダイオードは一般にブロッキングダイオードと呼ばれます。
太陽光発電パネルに関する前のチュートリアルでは、「バイパスダイオード」が単一または多数の太陽電池と並列に使用され、良好な太陽光によくさらされたPVセルから流れる電流が過熱し、不良セルの周りに電流経路を提供することにより、弱いまたは部分的に日陰のPVセルを焼き尽くすのを防ぎます。ブロッキングダイオードは、バイパスダイオードとは異なる方法で使用されます。
バイパスダイオードは通常、PVセルまたはパネルと「並列」に接続されて周囲の電流をシャントしますが、ブロッキングダイオードはPVパネルと「直列」に接続されて電流が逆流するのを防ぎます。したがって、ブロッキングダイオードはバイパスダイオードとは異なりますが、ほとんどの場合、ダイオードは物理的に同じですが、取り付け方が異なり、目的が異なります。以下の太陽光発電ソーラーアレイを考えてみましょう。
太陽電池アレイのダイオード
先に述べたように、ダイオードは電流を一方向にのみ流すことができるデバイスです。緑色に着色されたダイオードはおなじみのバイパスダイオードで、各PVパネルと並列に1つずつあり、パネルの周りに低抵抗の経路を提供します。ただし、赤色に着色された2つのダイオードは「ブロッキングダイオード」と呼ばれ、各直列分岐に直列に1つずつあります。これらのブロッキングダイオードは、電流が直列アレイから外部負荷、コントローラ、またはバッテリにのみ流れることを保証します。
この理由は、同じアレイ内の他の並列接続されたPVパネルによって生成された電流が弱い(影付きの)ネットワークを介して逆流するのを防ぎ、完全に充電されたバッテリーが夜間にPVアレイを介して放電または放電するのを防ぐためです。したがって、複数のPVパネルが並列に接続されている場合は、並列に接続された各分岐でブロッキングダイオードを使用する必要があります。
一般的に言えば、ブロッキングダイオードは、2つ以上の平行な分岐がある場合、または太陽が空を横切って移動するにつれて、アレイの一部が日中に部分的に日陰になる可能性がある場合にPVアレイで使用されます。使用されるブロッキングダイオードのサイズとタイプは、太陽光発電アレイのタイプによって異なります。太陽光発電アレイには、PN接合シリコンダイオードとショットキーバリアダイオードの2種類のダイオードが用意されています。どちらも幅広い定格電流で利用できます。
ショットキーバリアダイオードの順方向電圧降下は約0.4ボルトで、シリコンデバイスのPNダイオードの0.7ボルト降下とは対照的です。この低い電圧降下により、ソーラーアレイの各直列分岐で1つのフルPVセルを節約できるため、ブロッキングダイオードで消費される電力が少なくなるため、アレイはより効率的になります。ほとんどのメーカーは、設計を簡素化するためにPVモジュール内にブロッキングダイオードを組み込んでいます。
独自の太陽光発電アレイを構築する
受け取る日射量と毎日のエネルギー需要は、太陽光発電アレイと太陽光発電システムの設計における2つの制御要因です。太陽光発電アレイは、負荷需要を満たし、システムの損失を考慮するようにサイズを設定する必要がありますが、ソーラーアレイの任意の部分のシェーディングはシステム全体の出力を大幅に低下させます。
ソーラーパネルが電気的に直列に接続されている場合、電流は各パネルで同じになり、パネルが部分的に日陰になっている場合、同じ量の電流を生成できません。また、日陰のPVパネルは、電力と廃棄物を生成するのではなく熱として放散し、バイパスダイオードの使用は、代替電流経路を提供することにより、このような問題を防ぐのに役立ちます。
ブロッキングダイオードは、完全に直列接続されたシステムでは必要ありませんが、夜間または太陽放射照度が低いときにバッテリからアレイに逆電流が流れるのを防ぐために使用する必要があります。日光以外の他の気候条件は、どの設計でも考慮する必要があります。
シリコン太陽電池の出力電圧は温度関連のパラメータであるため、設計者は、極端な(高低)および季節変動の両方の一般的な毎日の温度に注意する必要があります。さらに、取り付け構造の設計では、雨や降雪を考慮する必要があります。風荷重は、山頂の設置では特に重要です。
「太陽光発電」に関する次のチュートリアルでは、半導体太陽光発電アレイとソーラーパネルをスタンドアロンPVシステムの一部として使用して、オフグリッドアプリケーション用の電力を生成する方法について説明します。
太陽光発電ソーラーパネルが相互に接続された個々の太陽電池で構成されている場合、太陽光発電アレイ、単にソーラーアレイは、互いに接続されたソーラーパネルのグループで構成されるシステムです。
したがって、太陽光発電アレイは、アレイと呼ばれるはるかに大きなPV設備(PVシステム)を形成するために電気的に配線された複数のソーラーパネルであり、一般にアレイの総表面積が大きいほど、より多くの太陽光発電が生成されます。
完全な太陽光発電システムは、電源を生成するための主な供給源として太陽光発電アレイを使用する。単一の太陽光発電パネルまたはモジュールによって生成される太陽光発電の量は、一般的な使用には十分ではありません。
ほとんどのメーカーは、出力電圧が12Vまたは24Vの標準的な太陽光発電パネルを製造しています。多くの単一PVパネルを直列(より高い電圧要件の場合)および並列(より高い電流要件の場合)に接続することにより、PVアレイは目的の電力出力を生成します。
太陽光発電ソーラーアレイ
太陽電池とパネルは、太陽エネルギーを直流(DC)電力に変換します。単一の太陽光発電アレイ内のソーラーパネルの接続は、単一のパネル内のPVセルの接続と同じです。
アレイ内のパネルは、直列、並列、または2つの混合物のいずれかで電気的に接続できますが、一般に、出力電圧を上げるために直列接続が選択されます。たとえば、2つのソーラーパネルが直列に配線されている場合、電流は同じままで電圧が2倍になります。
太陽光発電アレイのサイズは、都市環境で互いに接続され、屋上に取り付けられたいくつかの個々のPVモジュールまたはパネルで構成することも、町全体または近隣に電力を供給するためにフィールドで相互接続された数百のPVパネルで構成されてもよい。モジュラー太陽光発電アレイ(PVシステム)の柔軟性により、設計者は、大小を問わず、さまざまな電気ニーズを満たすことができる太陽光発電システムを作成できます。
異なるメーカーの太陽光発電パネルまたはモジュールは、電力、電圧、または電流出力が名目上類似している場合でも、単一のアレイに混在させてはならないことに注意することが重要です。これは、太陽電池のI-V特性曲線とそのスペクトル応答の違いにより、アレイ内で追加のミスマッチ損失が発生し、アレイ全体の効率が低下する可能性があるためです。
太陽電池アレイの電気的特性
太陽電池アレイの電気的特性は、出力電流と電圧の関係に要約されます。日射量と強度(日射量)は出力電流の量(I)を制御し、太陽電池の動作温度はPVアレイの出力電圧(V)に影響します。電流と電圧の関係を要約した太陽光発電パネル(I-V)曲線は、メーカーによって与えられ、次のように与えられます。
ソーラーアレイパラメータ
VOC = 開回路電圧:–これは、端子がどの負荷にも接続されていないとき(開回路状態)にアレイが提供する最大電圧です。この値は、負荷によって固定されるPVアレイの動作に関連するVmaxよりもはるかに高い。この値は、直列に接続されたPVパネルの数によって異なります。
ISC = 短絡電流–出力コネクタが互いに短絡したとき(短絡状態)にPVアレイによって提供される最大電流。この値は、通常の動作回路電流に関連するImaxよりもはるかに高い値です。
Pmax = 最大電力点–これは、負荷(バッテリー、インバーター)に接続されているアレイによって供給される電力が最大値(Pmax = Imax x Vmax)にあるポイントに関連しています。太陽光発電アレイの最大電力点は、ワット(W)またはピークワット(Wp)で測定されます。
FF =フィルファクター–フィルファクタは、アレイが通常の動作条件下で実際に提供できる最大電力と、開回路電圧と短絡電流の積との関係です(VocxIsc)このフィルファクタ値は、アレイの品質のアイデアを提供し、フィルファクタが1(ユニティ)に近いほど、 アレイが提供できる電力が大きくなります。一般的な値は 0.7 から 0.8 の間です。
% eff = 効率の割合 –太陽光発電アレイの効率は、アレイに当たる太陽放射照度の量と比較して、アレイが生成できる最大電力の比率です。典型的なソーラーアレイの効率は、通常、使用されているセルの種類(単結晶、多結晶、アモルファスまたは薄膜)に応じて、約10〜12%と低い。
太陽光発電I-V特性曲線は、設計者が最大ピーク電力点にできるだけ近い位置で動作できるシステムを構成するために必要な情報を提供します。ピーク電力点は、PVモジュールが1平方メートルあたり1000ワット、1000 W / m2または1kW / m2に相当する日射にさらされたときに最大量の電力を生成するときに測定されます。以下の回路を考えてみましょう。
太陽光発電アレイ接続
上記のこの単純な太陽光発電アレイは、図に示すように4つの太陽光発電モジュールで構成され、直列回路を生成するために電気的に接続された2つのPVパネルがある2つの平行な分岐を生成します。したがって、アレイからの出力電圧はPVパネルの直列接続に等しくなり、上記の例では、これはVout = 12V + 12V = 24ボルトとして計算されます。
出力電流は、並列分岐電流の合計に等しくなります。各PVパネルが完全な太陽で3.75アンペアを生成すると仮定すると、合計電流(IT)は、IT = 3.75A + 3.75A = 7.5アンペアに等しくなります。次に、完全な太陽の下での太陽光発電アレイの最大電力は、Pout = V x I = 24 x 7.5 = 180Wとして計算できます。
各PVパネルまたはモジュールの最大出力は45ワット(12V x 3.75A)に等しいため、PVアレイは完全な太陽の下で最大180ワットに達します。ただし、日射量、温度効果、電気的損失などのレベルが異なるため、実際の最大出力電力は通常、計算された180ワットよりもはるかに少なくなります。次に、太陽光発電アレイの特性を存在として提示できます。
太陽電池アレイの特性
太陽電池アレイのバイパスダイオード
太陽電池とダイオードはどちらも、P型シリコン材料とN型シリコン材料を融合させた半導体デバイスです。光にさらされると電圧を発生する太陽電池とは異なり、PN接合ダイオードはソリッドステート一方向電気バルブのように機能し、電流が一方向にのみ流れるようにします。
これの利点は、ダイオードを使用して、電気ソーラー回路の他の部分からの電流の流れを遮断できることです。太陽光発電ソーラーアレイで使用される場合、これらのタイプのシリコンダイオードは一般にブロッキングダイオードと呼ばれます。
太陽光発電パネルに関する前のチュートリアルでは、「バイパスダイオード」が単一または多数の太陽電池と並列に使用され、良好な太陽光によくさらされたPVセルから流れる電流が過熱し、不良セルの周りに電流経路を提供することにより、弱いまたは部分的に日陰のPVセルを焼き尽くすのを防ぎます。ブロッキングダイオードは、バイパスダイオードとは異なる方法で使用されます。
バイパスダイオードは通常、PVセルまたはパネルと「並列」に接続されて周囲の電流をシャントしますが、ブロッキングダイオードはPVパネルと「直列」に接続されて電流が逆流するのを防ぎます。したがって、ブロッキングダイオードはバイパスダイオードとは異なりますが、ほとんどの場合、ダイオードは物理的に同じですが、取り付け方が異なり、目的が異なります。以下の太陽光発電ソーラーアレイを考えてみましょう。
太陽電池アレイのダイオード
先に述べたように、ダイオードは電流を一方向にのみ流すことができるデバイスです。緑色に着色されたダイオードはおなじみのバイパスダイオードで、各PVパネルと並列に1つずつあり、パネルの周りに低抵抗の経路を提供します。ただし、赤色に着色された2つのダイオードは「ブロッキングダイオード」と呼ばれ、各直列分岐に直列に1つずつあります。これらのブロッキングダイオードは、電流が直列アレイから外部負荷、コントローラ、またはバッテリにのみ流れることを保証します。
この理由は、同じアレイ内の他の並列接続されたPVパネルによって生成された電流が弱い(影付きの)ネットワークを介して逆流するのを防ぎ、完全に充電されたバッテリーが夜間にPVアレイを介して放電または放電するのを防ぐためです。したがって、複数のPVパネルが並列に接続されている場合は、並列に接続された各分岐でブロッキングダイオードを使用する必要があります。
一般的に言えば、ブロッキングダイオードは、2つ以上の平行な分岐がある場合、または太陽が空を横切って移動するにつれて、アレイの一部が日中に部分的に日陰になる可能性がある場合にPVアレイで使用されます。使用されるブロッキングダイオードのサイズとタイプは、太陽光発電アレイのタイプによって異なります。太陽光発電アレイには、PN接合シリコンダイオードとショットキーバリアダイオードの2種類のダイオードが用意されています。どちらも幅広い定格電流で利用できます。
ショットキーバリアダイオードの順方向電圧降下は約0.4ボルトで、シリコンデバイスのPNダイオードの0.7ボルト降下とは対照的です。この低い電圧降下により、ソーラーアレイの各直列分岐で1つのフルPVセルを節約できるため、ブロッキングダイオードで消費される電力が少なくなるため、アレイはより効率的になります。ほとんどのメーカーは、設計を簡素化するためにPVモジュール内にブロッキングダイオードを組み込んでいます。
独自の太陽光発電アレイを構築する
受け取る日射量と毎日のエネルギー需要は、太陽光発電アレイと太陽光発電システムの設計における2つの制御要因です。太陽光発電アレイは、負荷需要を満たし、システムの損失を考慮するようにサイズを設定する必要がありますが、ソーラーアレイの任意の部分のシェーディングはシステム全体の出力を大幅に低下させます。
ソーラーパネルが電気的に直列に接続されている場合、電流は各パネルで同じになり、パネルが部分的に日陰になっている場合、同じ量の電流を生成できません。また、日陰のPVパネルは、電力と廃棄物を生成するのではなく熱として放散し、バイパスダイオードの使用は、代替電流経路を提供することにより、このような問題を防ぐのに役立ちます。
ブロッキングダイオードは、完全に直列接続されたシステムでは必要ありませんが、夜間または太陽放射照度が低いときにバッテリからアレイに逆電流が流れるのを防ぐために使用する必要があります。日光以外の他の気候条件は、どの設計でも考慮する必要があります。
シリコン太陽電池の出力電圧は温度関連のパラメータであるため、設計者は、極端な(高低)および季節変動の両方の一般的な毎日の温度に注意する必要があります。さらに、取り付け構造の設計では、雨や降雪を考慮する必要があります。風荷重は、山頂の設置では特に重要です。
「太陽光発電」に関する次のチュートリアルでは、半導体太陽光発電アレイとソーラーパネルをスタンドアロンPVシステムの一部として使用して、オフグリッドアプリケーション用の電力を生成する方法について説明します。