منحنی مشخصه جریان-ولتاژ ماژول فتوولتائیک (Solar I-V Curve)

منحنی مشخصه I-V ماژول فتوولتائیک که از طریق برگه اطلاعات فنی (data sheet) در اختیار شما قرار می‌گیرد، نشان‌دهنده مشخصه جریان و ولتاژ (I-V) یک سلول، ماژول یا آرایه مشخص فتوولتائیک (PV) است که حاوی اطلاعات بسیار مفصلی از توانایی و کارایی تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی است. دانستن مشخصه الکتریکی I-V (مهمتر از آن P_max) یک سلول فتوولتائیک یا ماژول در تعیین عملکرد خروجی دستگاه و بهره‌وری خورشیدی حیاتی است.

مشخصه الکتریکی اصلی یک سلول یا ماژول فتوولتائیک در رابطه بین جریان و ولتاژ تولید شده در یک منحنی مشخصه معمول خورشیدی I-V خلاصه شده است. شدت تابش خورشیدی که به سلول می‌رسد جریان (I) را کنترل  می‌نماید، در حالی که افزایش دمای سلول فتوولتائیک از طرف دیگر ولتاژ آن (V) را کاهش می‌دهد.

سلول‌های فتوولتائیک برق جریان مستقیم و بدون تناوبی (DC) را تولید می‌کنند که توان آن برابر با حاصل‌ضرب ولتاژ در جریان است. بنابراین می‌توانیم منحنی‌های I-V سلول فتوولتائیک که نشان‌دهنده جریان در مقایسه با ولتاژ است برای تجهیز فتوولتائیک را رسم نمائیم. منحنی‌های مشخصه I-V سلول فتوولتائیک اساسا یک نمایشگر گرافیکی از کارکرد یک سلول یا ماژول فتوولتائیک است که به‌طور خلاصه ارتباط بین جریان و ولتاژ در شرایط موجود دمایی و تابشی را نشان می‌دهد. منحنی های I-V اطلاعاتی را برای پیکربندی نیروگاه خورشیدی فراهم می‌کنند تا این نیروگاه‌ها بتوانند نزدیک به نقطه حداکثر توان (MPP) بهره‌برداری گردند.

نمودار زیر نشان‌دهنده مشخصه جریان و ولتاژ (I-V) یک سلول فتوولتائیک معمولی سیلیکون است که در شرایط عادی کار می‌کند. قدرت تحویل داده شده توسط یک سلول فتوولتائیک برابر با حاصل‌ضرب جریان در ولتاژ (I x V) است. اگر ضرب نقطه به نقطه برای تمام ولتاژهای کاری از حالت اتصال کوتاه تا شرایط مدار باز انجام شود، منحنی توان ارائه شده در شکل زیر برای یک سطح تابش معین به‌دست می‌آید.

زمانی که سلول فتوولتائیک مدار باز است و به هیچ باری متصل نیست، جریان سلول به حداقل مقدار خود (صفر) و ولتاژ سلول به حداکثر مقدار خود می‌رسد، در این حالت به ولتاژ سلول فتوولتائیک، ولتاژ مدار باز (V_OC) می‌گویند. در شرایط خاص دیگر، زمانی که سلول فتوولتائیک اتصال کوتاه است، به‌عبارت دیگر زمانی که پلاریته مثبت و منفی سلول بدون هیچ مقاومتی به هم متصل شده‌اند، ولتاژ در سلول حداقل (صفر) است، اما جریان سلول به حداکثر خود می رسد. در این حالت جریان سلول فتوولتائیک به‌عنوان جریان اتصال کوتاه (I_SC) شناخته می‌شود.

سپس منحنی مشخصه I-V سلول فتوولتائیک از جریان اتصال کوتاه (I Short Circuit) در ولتاژ خروجی صفر تا جریان صفر در ولتاژ مدار باز (V Open Circuit) تغییر می‌کند. به عبارت دیگر، حداکثر ولتاژ یک سلول در مدار باز و حداکثر جریان در مدار بسته است. البته هیچ یک از این دو شرایط توان الکتریکی تولید نمی‌نمایند، اما باید نقطه حداکثر توان در جایی بین آن‌ها باشد که سلول فتوولتائیک تولید آن را داشته باشد.

با این حال، یک ترکیب خاص از جریان و ولتاژ وجود دارد که حداکثر مقدار توان را در Imp و Vmp به دست می‌آید. به‌عبارت دیگر، نقطه‌ای که سلول در آن حداکثر توان الکتریکی را تولید می‌کند در ناحیه بالا سمت راست مستطیل سبز شکل بالا نشان داده شده است. این نقطه “حداکثر توان” یا MPP است. بنابراین کارآیی ایده‌آل سلول فتوولتائیک (یا ماژول) در نقطه حداکثر توان تعریف شده است. نقطه حداکثر توان (MPP) یک سلول فتوولتائیک در نزدیکی خم منحنی مشخصه I-V قرار دارد. مقادیر متناظر Vmp و Imp را می توان به‌طور تقریبی از ولتاژ مدار باز و جریان مدار کوتاه محاسبه کرد:Vmp ≅ (0.8-0.90) Voc و Imp ≅ (0.95-0.85) Isc. از آنجایی که ولتاژ و جریان خروجی سلول فتوولتائیک هر دو به دما وابسته هستند، توان خروجی واقعی با تغییرات دمای محیط متفاوت خواهد بود.

منحنی مشخصه I-V برای یک سلول یا ماژول فتوولتائیک مورد بررسی قرار گرفته است. اما بسیاری از پنل‌ها، یا رشته‌ها و یا آرایه‌های فتوولتائیک از اتصال ماژول‌های کوچکتر فتوولتائیک با هم ایجاد می‌شوند. سپس منحنی I-V یک ماژول فتوولتائیک که فقط یک نسخه بزرگتر از منحنی مشخصه سلول فتوولتائیک می‌باشد در شکل زیر نشان داده شده است.

ماژول‌های فتوولتائیک را می‌توان برای افزایش ظرفیت ولتاژ یا جریان آرایه فتوولتائیک به‌صورت ترکیب سری یا موازی یا هر دو به هم متصل نمود. اگر ماژول‌های آرایه در ترکیب سری به هم متصل شوند، ولتاژ افزایش می‌یابد و اگر به صورت موازی به هم متصل شوند، جریان افزایش می یابد. توان الکتریکی با واحد وات، تولید شده توسط این ترکیب‌های مختلف فتوولتائیک، همچنان حاصل‌ضرب جریان ولتاژ در جریان است (P = V x I). با وجود اتصال ماژول‌های فتوولتائیک به یکدیگر، گوشه بالای سمت راست حداکثر نقطه توان (MPP) آرایه است. منحنی‌های مشخصه I-V سلول فتوولتائیک نشانگر ولتاژ – جریان خروجی برای سطوح مختلف تابش و دما است و می تواند به شما در مورد قابلیت سلول یا ماژول فتوولتائیک برای تبدیل نور خورشید به انرژی الکتریکی اطلاعات فراوانی دهد. مهمترین مقادیر برای محاسبه توان الکتریکی ماژول، ولتاژ و جریان در حداکثر توان آن است.

ولتاژ باز مدار (V_OC)

حداکثر مقدار ولتاژی است که در دو سر هر ماژول فتوولتائیک زمانی‌که پایانه‌ها به باری متصل نیست (شرایط مدار باز)، ایجاد می‌شود. این مقدار بزرگ‌تر از مقدار V_MPP است که مربوط به بهره‌برداری ماژول فتوولتائیک در شرایط متصل به بار است. مقدار V_MPP در رشته یا آرایه بستگی به تعداد ماژول‌های فتوولتائیک در هر رشته دارد.

جریان اتصال کوتاه (I_SC)

حداکثر جریانی که توسط ماژول فتوولتائیک زمانی‌که پایانه‌های خروجی بدون هیچ بار یا مقاومتی به هم متصل می‌شوند (یک وضعیت اتصال کوتاه)، ایجاد می‌گردد. این مقدار بیشتر از I_MPP است که مربوط به جریان مدار در شرایط عادی بهره‌برداری است.

فاکتور پر شدن (FF: Fill Factor)

این فاکتور نسبت بین حداکثر توانی که آرایه در واقع در شرایط بهره‌برداری معمول می‌تواند ارائه دهد به حاصل‌ضرب ولتاژ مدار باز در جریان اتصال کوتاه (V_OC x I_SC) است. مقدار فاکتور پر شدن ایده‌ای راجع به کیفیت ماژول فتوولتائیک را ارائه می‌دهد، بدین صورت که هر چه فاکتور پر شدن ماژول فتوولتائیک به 1 نزدیکتر باشد، ماژول در شرایط بهره‌برداری معمول توان بیشتری را می‌تواند ارائه دهد. مقادیر معمول FF بین 7/0 و 8/0 است.

ترتیپی که برای مطالعه مبحث مبانی و اصول سیستم‌های فوتوولتایک پیشنهاد می‌کنیم: