Korekta temperaturowa Voc łańcucha PV — maksymalna liczba paneli w szeregu przy niskiej temperaturze

Poradnik o systemach fotowoltaicznych (§712) wymienia rozłącznik DC i falownik jako podstawowe elementy instalacji PV. Ten artykuł zagłębia się w krok obliczeniowy poprzedzający projekt każdego łańcucha PV: ile paneli można połączyć szeregowo bez przekroczenia maksymalnego napięcia wejściowego DC falownika — i dlaczego tego obliczenia nie wolno wykonywać z użyciem Voc z tabliczki znamionowej.

Voc w warunkach STC nie jest wartością istotną dla projektu

Napięcie obwodu otwartego (Voc) na tabliczce znamionowej modułu PV jest mierzone w warunkach standardowych testowych (STC): temperaturze modułu 25 °C. W praktyce rzeczywista temperatura modułu rzadko wynosi 25 °C — w słoneczny letni dzień temperatura modułu może wzrosnąć znacznie powyżej temperatury otoczenia, natomiast w zimny, pogodny poranek zimowy temperatura modułu pozostaje blisko niskiej temperatury otoczenia, w połączeniu z pełnym nasłonecznieniem zaraz po wschodzie słońca.

Dlaczego niska temperatura daje wyższe napięcie

Moduł PV ma ujemny współczynnik temperaturowy dla Voc: napięcie rośnie wraz ze spadkiem temperatury modułu. Dla modułów z krzemu krystalicznego współczynnik ten (β) wynosi zwykle rzędu -0,25 do -0,4 %/°C i jest podany w karcie katalogowej modułu. Skorygowane temperaturowo Voc przybliża się wzorem:

Voc(T) ≈ Voc,STC × [1 + β × (T − 25 °C)]

Przykładowo przy minimalnej temperaturze projektowej -10 °C i β = -0,3 %/°C oznacza to wzrost napięcia o 0,3 % × 35 °C = 10,5 % powyżej Voc w warunkach STC. Dla łańcucha dwudziestu paneli, każdy o Voc STC równym 45 V, napięcie łańcucha wzrasta wtedy z 900 V do ponad 994 V.

Wymóg z IEC 60364-7-712

IEC 60364-7-712 (na której oparty jest §712 normy NEN 1010) wymaga, aby maksymalne napięcie systemu DC instalacji PV było określane przy najniższej spodziewanej temperaturze otoczenia w miejscu instalacji, a nie przy temperaturze STC. Maksymalna dopuszczalna liczba paneli w szeregu wynika z:

Maksymalna liczba paneli w szeregu = Umax,falownika / Voc(T_min)

gdzie Umax,falownika to maksymalne napięcie wejściowe DC falownika podane przez producenta, a Voc(T_min) to skorygowane temperaturowo napięcie obwodu otwartego jednego panelu przy najniższej spodziewanej temperaturze otoczenia.

Uwaga: dokładna najniższa spodziewana temperatura otoczenia zależy od lokalizacji; dla Niderlandów w praktyce często przyjmuje się minimalną temperaturę projektową między -10 °C a -15 °C, ale rzeczywista wartość i dokładny współczynnik temperaturowy wybranego panelu są rozstrzygające — oba znajdują się odpowiednio w karcie katalogowej producenta panelu i w lokalnych danych klimatycznych.

Dlaczego może to prowadzić do niezauważonego przekroczenia

Łańcuch, który przy obliczeniu opartym na STC pozostaje wyraźnie poniżej maksymalnego napięcia falownika, może w zimny, pogodny poranek — właśnie w momencie, gdy panele osiągają najwyższą moc dzięki połączeniu niskiej temperatury ogniwa i pełnego nasłonecznienia — mimo to przekroczyć maksymalne napięcie wejściowe DC falownika. Ryzyko to nie ujawnia się strukturalnie, lecz tylko przy tym konkretnym warunku pogodowym, przez co niedoszacowanie łańcucha może łatwo pozostać niezauważone przy pierwszym (cieplejszym) uruchomieniu, dopóki zimny poranek nie uszkodzi falownika lub nie zmusi go do wyłączenia.

Istotne jest też drugie ograniczenie: Vmp przy wysokiej temperaturze

Oprócz maksymalnego Voc przy niskiej temperaturze istnieje też dolna granica: przy wysokiej temperaturze modułu (letni dzień, moduł może znacznie się nagrzać ponad temperaturę powietrza otoczenia) napięcie MPP łańcucha (Vmp) spada. Zbyt krótko zwymiarowany łańcuch może więc w ciepłą pogodę spaść poniżej zakresu MPPT falownika, powodując utratę mocy. Maksymalna liczba paneli jest więc określana przez zimne Voc, minimalna liczba paneli przez ciepłe Vmp — obie granice wynikają z tej samej zasady (zależności napięcia modułu od temperatury), ale w przeciwnych kierunkach.

Znaczenie praktyczne

Przy projektowaniu łańcucha PV — zwłaszcza dla większych instalacji dachowych z łańcuchami zbliżonymi do maksymalnego napięcia falownika — ważne jest, aby zawsze wykonywać korektę temperaturową z użyciem rzeczywistego współczynnika temperaturowego wybranego panelu i najniższej spodziewanej temperatury w danej lokalizacji, zamiast prostszego, lecz niebezpiecznego obliczenia opartego na Voc STC. W przypadku istniejących instalacji bliskich granicy warto sprawdzić, czy pierwotne zwymiarowanie rzeczywiście uwzględniało korektę temperaturową.

Częste błędy

1. Obliczanie maksymalnej długości łańcucha przy użyciu Voc STC z tabliczki znamionowej, bez zastosowania korekty temperaturowej dla najniższej spodziewanej temperatury otoczenia.
2. Przyjmowanie ogólnego współczynnika temperaturowego zamiast użycia konkretnej wartości β wybranego typu panelu — różni się ona w zależności od technologii i producenta panelu.
3. Patrzenie wyłącznie na sytuację letnią przy określaniu maksymalnego napięcia łańcucha, podczas gdy to właśnie zimny, pogodny poranek zimowy jest warunkiem krytycznym pod względem napięcia.
4. Pomijanie minimalnej długości łańcucha (ciepłe Vmp, dolna granica MPPT) przy skupianiu się wyłącznie na maksymalnej długości łańcucha (zimne Voc) — obie granice są potrzebne do prawidłowego zwymiarowania łańcucha.

Powiązane

• Systemy fotowoltaiczne (§712)
• Instalacje PV — wyłącznik pożarowy i oznaczenie DC (§712)
• Zabezpieczenie przeciwwyspowe falowników PV (NEN-EN 50549-1)
• Pomiar rezystancji izolacji po stronie DC łańcuchów PV
• Kabel DC PV — EN 50618 i oznaczenie H1Z2Z2-K