Beräkning av högsta ström och spänning i solcellsanläggning

Det kom en fråga angående dimensionering med hänsyn till strömmar och toppeffekt hos en solcellsanläggning. Här är en kort beskrivning av hur man räknar ut högsta ström och spänning i en solcellsanläggning.

DC – Likström

En moduls datablad ger högsta möjliga ström (Isc ) och högsta spänning (Voc) vid STC (”Standard Test Conditions”). Vid STC är solcelltemperaturen 25°C, instrålning motsvarande 1000 W/m2 vinkelrät mot modulen och spektrum motsvarande ”air mass” 1,5. Modultillverkaren använder STC vid de ”flashtester” man gör av varje modul.

Ström och spänning har dock ett temperaturberoende så man kan inte använda STC-värdena för att beräkna möjlig ström och spänning i en solcellsanläggning. Temperaturberoendet anges i databladet för modulen. Exempelvis anges för modulen Yingli YLM60 280 W att kortslutningsströmmen Isc = 9,38 A och att öppenkretsspänningen Voc = 39,3 V vid STC samt att temperaturkoefficienterna är 0,05%/°C för Isc och -0,32%/°C för Voc. Det betyder att strömmen ökar något med solcelltemperaturen medan spänningen minskar med ökad solcelltemperatur.

Man får fundera på vilken lägsta respektive högsta celltemperatur man kan förvänta sig vid drift på den aktuella platsen. Låg säga att det är -20°C respektive +60°C. Högsta Isc för en modul blir då 9,38*(1,005^(60-25)) = 9,55 A. Högsta Voc för en modul blir 39,3*(0,9968^(-20-25)) = 45,4 V. Lägsta Voc blir 39,3*(0,9968^(60-25)) = 35,1 V

Om man har en sträng med 10 moduler i serie blir den högsta möjliga strömmen Isc=9,55 A. Samma ström måste gå genom alla moduler eftersom de är kopplade i serie. Högsta möjliga spänning Voc blir 10*45,4 = 454 V och lägsta möjliga spänningen 10*35,1 = 351 V. Om man har två parallella strängar med 10 moduler i serie i vardera strängen blir den maximala strömmen Isc istället 2*9,55 = 19,1 A. Högsta och lägsta spänning blir samma som vid en sträng.

Den Imp (8,91 A för Yingli-modulen) som anges i databladet är strömmen vid maxeffektpunkten vid STC. Strömmen från en solcellsmodul i drift är proportionell mot solstrålningen. Eftersom solstrålningen varierar mycket under en dag kommer även strömmen att variera mycket under en dag. Spänningen Ump (31,4 V för Yingli-modulen) kommer att variera en del beroende på vilken solcelltemperaturen är. Med ökande solstrålning ökar också celltemperaturen, vilket gör att modulspänningen minskar. Om vi använder samma temperaturkoefficient för Ump som för Uoc kommer Ump att bli 36,3 V vid -20°C och 28,1 V vid 60°C solcelltemperatur. Detta gör att modulens effekt minskar med ökande temperatur, vilket framgår av att temperaturkoefficient för Pmp är negativ, -0,42%/°C för Yingli-modulen.

Har man effektoptimerare på modulerna blir det annorlunda eftersom optimerarna justerar utgående ström och spänning från modulerna. I vårt fall med Solar Edge optimerare blir strängspänningen nästan konstant 750 V.

Växelriktare

Den växelriktare man väljer ska förutom högsta effekt även matcha högsta ström och lägsta samt högsta spänningar som det kan bli i solcellsanläggningen. Vanligen väljer man en högsta effekt på växelriktaren som är lägre än märkeffekten för solcellsanläggningen eftersom modulerna i stort sett aldrig når märkeffekten då man i verkligheten inte har STC-förhållanden.

Man får inte överskrida växelriktarens absoluta högsta inspänning som är 1 000 V. Om Voc är 45,4 V enligt räkneexemplet ovan får man ha högst 22 (1000/45,4) moduler i en sträng.

Med hjälp av växelriktarens intervall för ingående spänning för MPP (”Maximum Power Point” = maxeffektpunkt) kan man räkna ut minsta och högsta antalet moduler man kan  ha i en sträng med hjälp av modulernas lägsta och högsta arbetsspänning Ump vid drift, enligt ovan. Exempelvis har SMA:s Sunny Tripower 5000TL ett intervall på 245-800 V. Minsta antalet moduler i en sträng blir 9 (245/28,1 = 8,7, avrundas till närmaste högre heltal) och högsta antalet moduler blir 22 (800/36,3 = 22,1, avrundas till närmaste lägre heltal).

Använder man ett designprogram som exempelvis SMA:s Sunny Design kan programmet välja en lämplig växelriktare eller också kontrollerar programmet att den växelriktare man valt matchar anläggningens ström och spänning, så det är inget man behöver räkna ut själv.

AC – Växelström

Den högsta effekt och ström som anläggningen ger till huset bestäms av växelriktaren. Vår tidigare växelriktare Sunny Boy 3000TL, 1-fas, från SMA gav högst 3 000 W och 16 A enligt databladet. Vår nuvarande Solar Edge SE5K, 3-fas, ger högst 5 000 W och 8 A per fas.

Kablar

Kablarna på DC- och AC-sidan dimensioneras efter de maximala strömmarna. På DC-sidan används dubbelisolerade, UV-beständiga kablar. På AC-sidan ska solcellsanläggningen anslutas till egna säkringar i elcentralen.

PS 7/5: Uppdaterade texten när det gäller antalet moduler.

10 reaktion på “Beräkning av högsta ström och spänning i solcellsanläggning

  1. Något som inverkar mer än temperaturen är solinstrålningen en dag med djupblå himmel samtidigt som vita moln passerar solen. Med hjälp av reflektionen i molnkanten har jag under laborationer uppmätt en effektökning på upp till 30% över standard STC.
    Bara häromdagen den 30 april mätte jag 2376 Wdc från installerat 2160W. Samtidigt levererades 2145 Wac.
    Strömmen från panelerna var 10,42A att jämföra med databladets Isc 8,83A.
    Mätvärdena kommer direkt från växelriktaren och kan ses här.

    http://ekinus.se/31april.jpg

    • Har skrivit om molnförstärkningseffekter som kommentarer ett par gånger tidigare. Det är känt att när solinstrålningen reflekteras i molnkanter kan man kortvarigt få (betydligt) mer än 1000 W/m2 i instrålning som normalt är maximum mot en horisontell yta på jordens yta vid havsnivå. Jag vet inte vad ”världsrekordet” är men i Recife, Brasilien , uppmätte man 1477 W/m2 mot en horisontell yta 2008. I en annan artikel anges över 1800 W/m2 på hög höjd. Det innebär att man kortvarigt även kan få en effekt som är högre än modulens märkeffekt, som definieras vid STC (Standard Test Conditions).

      Det inverkar dock inte på kortslutningsströmmen Isc. Vad jag vet tar man ingen hänsyn till molnförstärkningseffekter i designprogram som exempelvis Sunny Design.

      Eftersom molnförstärkningseffekter inträffar endast under korta stunder, minuter, och endast vid växlande molnighet är inverkar på årsproduktionen sannolikt försumbar.

  2. När man räknar på högst antal moduler i en sträng är det växelriktarens max ingångspänning man skall beakta som är 1000V för Sma 5000, man brukar då landa på runt 22 st moduler i en sträng.

    För att se tilk att man hambar ino Mppt arbetsområde skall man räkna med panelen arbetsspänning upp som ju låg på ca 31V, och lägre ju varmare panelen blir.

    • Du har rätt, det blev en lapsus i hastigheten. Har varit och är på resande fot, men försöker korrigera så snart jag hinner.

    • Vad gäller högst antal paneler så beror det på vad man har för växelriktare. Jag har Stecagrid-2000 och den har max mpp på 410V och max spänning 450V. Problemet med den är att om spänningen går över 410V så stänger omriktaren av sig och väntar på att spänningen ska sjunka till under 410V vilket kanske inte händer då panelerna är olastade. Dessutom så mäter den inte på panelerna utan troligen på en kondensator som sitter efter en diod, så även om panelerna ger mindre än 410V kan det ta 10-20 minuter innan den går igång igen. Sen för att göra det värre går det ibland och matar ut ström på panelerna (antagligen för att försöka avgöra hur många det sitter i serie) vilket kan trycka upp spänningen över 410V om det är kallt.

      Vid minsta antal paneler bör man lägga till ett par om man har skuggning. Tråkigt att tappa hela strängen om en panel blir skuggad.

      För övrigt lätta moln här i dag så toppeffekt nästan 50% högre än normalt på en liten omriktare, inte på Steca då den begränsar till 2kW.

      http://imgur.com/gbeNgHE

      • Ok trist med så snäva gränser…så gott som alla sma och Fronius riktare fungerar fint med 8-22 paneler/sträng utan att det uppstår liknande problem som med din Steca.. Känns överlag som att Steca är baserade på lite äldre teknik med högre startspänning, snävare mppt områder och lägre maxspänning samt ofta endast 1 MPPT ingång och utan inbyggt wifiwebserver
        🙁 Rätta mig gärna om jag har fel?

      • Vad jag kan se på Steca:s webb har Stecagrid 2000 ett MPP-område på 75 V till 350 V och den högsta tillåtna inspänning till växelriktaren är 420 V.

        Vilka moduler har du och hur många moduler har du kopplade i serie?

        • Hej!
          Försvann visst ett +, det är en äldre modell, http://www.steca.com/index.php?StecaGrid-2000–en

          Det är 11 st PVE-P6-230 så borde teoretiskt komma upp i 409V olastat vid flash-test. Och för att nå 450V behövs full sol vid -5C. Tror jag sett max 430V

          Lösningen blev att koppla in en last på panelerna på ca 200W så fort spänningen överstiger 400V.

          • Ok. Den har ett MPP-område på 132-400 V. 11 moduler x 230 W = 2,53 kW. Högst rekommenderade effekt för växelriktaren StecaGrid 2000+ är 2,4 kW enligt “Maximum recommended PV power” i databladet.
            Vmp = 29,3 V, vilket gör 11 x 29,3 = 322 V vid drift i STC (Standard Test Conditions). Vid drift ska strängen inte kunna ge över 400 V ens vid låga temperaturer.

  3. Som Bengt skriver kan det bli rätt så höga spänningar och strömmar.

    Om det skulle bli något fel eller skada på ledningarna till solpanelerna finns ju vissa risker för brand.

    Om drivspänningen är hög blir det en avsevärd värmeutveckling. Kablarna fram till samlingslådan måste vara kortslutningssäkra.

    Om det inträffar ett motsvarande fel i den gemensamma ledningen mot växelriktaren blir katastrofen betydligt större.

    Ända lösning på detta just nu är att bygga med separation (kortslutningssäker kabelförläggning utöver dubbelisolering).

    9 maj kommer utgåva 3 av elinstallationsreglerna, ett utökat avsnitt 712 finns gällande elsäkerheten kring installationer.

    Vet inte om det är några nya krav som kommer?

Kommentera

E-postadressen publiceras inte. Obligatoriska fält är märkta *