太陽光発電アレイ
太陽光発電ソーラーパネルが個々の太陽電池セルを互いに接続して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、ソーラーパネルのグループを互いに接続して構成されたシステムです。
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、電源の生成の主なソースとして太陽光発電アレイを使用します。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。多数の単一のPVパネルを直列(高電圧要件の場合)および並列(高電圧要件の場合)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)電気に変換します。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、一般的には、出力電圧を増やす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を直列に配線すると、電流は同じままですが、それらの電圧は2倍になります。
太陽光発電アレイのサイズは、都市環境で接続され、屋上に取り付けられたいくつかの個別のPVモジュールまたはパネルで構成することも、フィールド内で相互接続された数百のPVパネルで構成されて、町全体または近隣に電力を供給することもできます。モジュール式太陽光発電アレイ(PVシステム)の柔軟性により、設計者は、規模の大小にかかわらず、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ても、1つ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。
太陽光発電アレイの電気的特性
太陽光発電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(日射量)の量と強度は出力電流(I)の量を制御し、太陽電池の動作温度はPVアレイの出力電圧(V)に影響を与えます。電流と電圧の関係をまとめた太陽光発電パネル(IV)曲線は、メーカーによって提供され、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: –これは最大ボリュームですtag端子が負荷に接続されていないとき(開回路状態)にアレイが提供するe。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よりもはるかに高くなっています。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よりもはるかに高くなっています。
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– フィルファクターは、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(Voc x Isc)このフィルファクター値は、アレイの品質のアイデアを提供し、フィルファクターが1(ユニティ)に近づくほど、 アレイが提供できる電力が多ければ多いほど。一般的な値は 0.7 から 0.8 の間です。
% eff = 効率 – 太陽光発電アレイの効率は、アレイが生成できる最大電力と、アレイに当たる太陽放射照度の量との比率です。一般的な太陽電池アレイの効率は、使用するセルの種類(単結晶、多結晶、アモルファス、または薄膜)にもよりますが、通常は約10〜12%と低くなっています。
太陽光発電の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場所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、1000W / 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、図のように4つの太陽光発電モジュールで構成されており、2つの並列分岐を生成し、2つのPVパネルが電気的に接続された直列回路を生成します。したがって、アレイからの出力電圧はPVパネルの直列接続と等しくなり、上記の例では、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の下で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、太陽がいっぱいになったとき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、温度の影響、電気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そのまま提示できます。
太陽光発電アレイの特性
太陽光発電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生成する太陽電池とは異なり、PN接合ダイオードは、電流が一方向にのみ流れることを可能にする固体一方向電気バルブのように機能します。
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する場合、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光発電太陽電池と並行して使用され、太陽光に十分にさらされた良好なPVセルから流れる電流(s)を防ぎ、悪いセルの周囲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セルを過熱して燃え尽きることを確認しました。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、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、電流がパネルに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、取り付け方法が異なり、目的も異なります。以下の太陽光発電ソーラーアレイを考えてみましょう。
太陽光発電アレイのダイオード
先に述べたように、ダイオードは電流が一方向にのみ流れることを可能にするデバイスです。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、パネルの周囲に低抵抗の経路を提供します。ただし、赤色で表示されている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。
これは、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)ネットワークを通っ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消耗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ブランチ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、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るときに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。ソーラーパワーアレイには、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あります。どちらも幅広い定格電流で入手可能です。
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ボルトとはるかに低く、シリコンデバイスのPNダイオードの0.7ボルトの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ブランチで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モジュールにブロッキングダイオードを含めています。
独自の太陽光発電アレイを構築
受ける太陽放射の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に入れるようにサイズを決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することはできません。また、影付きのPVパネルは、電力と廃棄物を熱として消費するのではなく、バイパスダイオードの使用により、代替の電流経路を提供することでこのような問題を防ぐことができます。
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、夜間や太陽放射照度が低いときに、バッテリー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、極端な温度(高値と低温)と季節変動の両方の一般的な日常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、山頂の設備では特に重要です。
「太陽光発電」に関する次のチュートリアルでは、半導体太陽電池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を見ていきます。
太陽光発電ソーラーパネルが個々の太陽電池セルを互いに接続して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、ソーラーパネルのグループを互いに接続して構成されたシステムです。
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、電源の生成の主なソースとして太陽光発電アレイを使用します。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。多数の単一のPVパネルを直列(高電圧要件の場合)および並列(高電圧要件の場合)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)電気に変換します。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、一般的には、出力電圧を増やす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を直列に配線すると、電流は同じままですが、それらの電圧は2倍になります。
太陽光発電アレイのサイズは、都市環境で接続され、屋上に取り付けられたいくつかの個別のPVモジュールまたはパネルで構成することも、フィールド内で相互接続された数百のPVパネルで構成されて、町全体または近隣に電力を供給することもできます。モジュール式太陽光発電アレイ(PVシステム)の柔軟性により、設計者は、規模の大小にかかわらず、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ても、1つ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。
太陽光発電アレイの電気的特性
太陽光発電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(日射量)の量と強度は出力電流(I)の量を制御し、太陽電池の動作温度はPVアレイの出力電圧(V)に影響を与えます。電流と電圧の関係をまとめた太陽光発電パネル(IV)曲線は、メーカーによって提供され、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: –これは最大ボリュームですtag端子が負荷に接続されていないとき(開回路状態)にアレイが提供するe。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よりもはるかに高くなっています。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よりもはるかに高くなっています。
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– フィルファクターは、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(Voc x Isc)このフィルファクター値は、アレイの品質のアイデアを提供し、フィルファクターが1(ユニティ)に近づくほど、 アレイが提供できる電力が多ければ多いほど。一般的な値は 0.7 から 0.8 の間です。
% eff = 効率 – 太陽光発電アレイの効率は、アレイが生成できる最大電力と、アレイに当たる太陽放射照度の量との比率です。一般的な太陽電池アレイの効率は、使用するセルの種類(単結晶、多結晶、アモルファス、または薄膜)にもよりますが、通常は約10〜12%と低くなっています。
太陽光発電の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場所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、1000W / 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、図のように4つの太陽光発電モジュールで構成されており、2つの並列分岐を生成し、2つのPVパネルが電気的に接続された直列回路を生成します。したがって、アレイからの出力電圧はPVパネルの直列接続と等しくなり、上記の例では、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の下で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、太陽がいっぱいになったとき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、温度の影響、電気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そのまま提示できます。
太陽光発電アレイの特性
太陽光発電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生成する太陽電池とは異なり、PN接合ダイオードは、電流が一方向にのみ流れることを可能にする固体一方向電気バルブのように機能します。
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する場合、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光発電太陽電池と並行して使用され、太陽光に十分にさらされた良好なPVセルから流れる電流(s)を防ぎ、悪いセルの周囲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セルを過熱して燃え尽きることを確認しました。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、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、電流がパネルに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、取り付け方法が異なり、目的も異なります。以下の太陽光発電ソーラーアレイを考えてみましょう。
太陽光発電アレイのダイオード
先に述べたように、ダイオードは電流が一方向にのみ流れることを可能にするデバイスです。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、パネルの周囲に低抵抗の経路を提供します。ただし、赤色で表示されている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。
これは、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)ネットワークを通っ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消耗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ブランチ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、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るときに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。ソーラーパワーアレイには、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あります。どちらも幅広い定格電流で入手可能です。
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ボルトとはるかに低く、シリコンデバイスのPNダイオードの0.7ボルトの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ブランチで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モジュールにブロッキングダイオードを含めています。
独自の太陽光発電アレイを構築
受ける太陽放射の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に入れるようにサイズを決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することはできません。また、影付きのPVパネルは、電力と廃棄物を熱として消費するのではなく、バイパスダイオードの使用により、代替の電流経路を提供することでこのような問題を防ぐことができます。
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、夜間や太陽放射照度が低いときに、バッテリー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、極端な温度(高値と低温)と季節変動の両方の一般的な日常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、山頂の設備では特に重要です。
「太陽光発電」に関する次のチュートリアルでは、半導体太陽電池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を見ていきます。