Напруга сонячної панелі: холостий хід, робоча, на морозі

Напругу сонячної панелі в паспорті модуля задають два значення: напруга холостого ходу Voc, тобто напруга на роз’ємах без навантаження, і робоча напруга Vmp, за якої панель віддає найбільшу потужність. Обидва значення вказані для стандартних умов випробувань STC: опромінення 1000 Вт/м² і температура елементів 25 °C. У модуля LONGi LR5-72HTH-575M, наприклад, Voc 52,06 В і Vmp 43,91 В. З температурою напруга змінюється: у мороз вона вища за паспортну, у спеку нижча. Тому найбільшу напругу рядка рахують за Voc за найнижчої температури, а за робочою напругою в спеку перевіряють, чи не вийде рядок нижче робочого діапазону інвертора або контролера.

Яку напругу видає сонячна панель

Напруга сонячної панелі залежить від того, який струм від неї беруть: без навантаження вона найбільша, зі зростанням струму знижується, а під час короткого замикання падає до нуля. Цю залежність називають вольт-амперною характеристикою, і паспорт модуля описує її трьома точками: напругою холостого ходу Voc, струмом короткого замикання Isc і точкою максимальної потужності з напругою Vmp і струмом Imp.

Для прикладу візьмемо модуль LONGi LR5-72HTH-575M (паспорт версії 20230926V19): Voc 52,06 В, Vmp 43,91 В, Isc 14,14 А, Imp 13,10 А за STC, тобто за опромінення 1000 Вт/м², спектра AM1.5 і температури елементів 25 °C. Робоча напруга тут становить близько 84 % від напруги холостого ходу.

Якщо в описі товару написано “номінальна”, “максимальна” або “вихідна” напруга без позначення, яке з чисел мається на увазі, видно лише з паспорта модуля: у ньому напруга холостого ходу і робоча напруга стоять окремими рядками. Напис “12 В” або “24 В” на невеликій панелі теж не означає напруги на її роз’ємах: скільки покаже мультиметр без навантаження, видно з рядка Voc у паспорті.

Що таке напруга холостого ходу сонячної панелі (Voc)

Напругу холостого ходу, тобто напругу між плюсом і мінусом панелі, до якої нічого не підключено, позначають Voc або Uoc. Під навантаженням панель працює за меншої напруги, але холостий хід трапляється постійно: зранку до запуску інвертора, коли інвертор вимкнувся через захист, за вимкненого роз’єднувача постійного струму. У перших двох випадках на вході інвертора стоїть повна напруга холостого ходу рядка, тобто сума Voc усіх послідовно з’єднаних модулів. За вимкненого роз’єднувача ця напруга залишається на кабелях і роз’ємах рядка з боку панелей, до роз’єднувача: інструкція з монтажу модулів LONGi попереджає, що модулі без навантаження продовжують виробляти напругу.

Тому за Voc перевіряють усе, що стоїть на боці постійного струму: максимальну вхідну напругу інвертора або контролера, номінал роз’єднувача, напругу ПЗІП. IEC 60364-7-712:2017 вводить для цього окрему величину UOC MAX, найбільшу напругу холостого ходу модуля, рядка або масиву (пункт 712.3.14), і вимагає, щоб номінальна напруга всього обладнання була не нижчою за неї (пункт 712.512.1.1.102.1). Методику розрахунку UOC MAX наведено в додатку B стандарту. В Україні діє ДСТУ HD 60364-7-712:2022, прийнятий на основі європейського документа HD 60364-7-712; нумерація його пунктів відрізняється від IEC, тому пункти тут наведено за IEC 60364-7-712:2017. Як цей розрахунок впливає на вибір ПЗІП, показано в статті про блискавкозахист сонячних панелей.

У паспорті модуля Voc стоїть у таблиці електричних характеристик. Зазвичай там дві колонки: STC і NOCT (номінальна робоча температура елементів, у LONGi це опромінення 800 Вт/м², повітря 20 °C і вітер 1 м/с). Для перевірки рядка беруть значення STC і перераховують його на найнижчу температуру, як показано нижче. Значення NOCT для цього не підходить, воно нижче.

Яка напруга в одного елемента сонячної панелі

Напруга панелі складається з напруг елементів, з’єднаних послідовно. В одного кремнієвого елемента напруга холостого ходу невелика: за даними освітнього ресурсу PVEducation, у серійних кремнієвих елементів вона становить близько 690 мВ, у найкращих лабораторних до 764 мВ. Від площі елемента напруга не залежить, від неї залежить струм, тому за однакової технології елементів велика панель відрізняється від малої струмом, а напругу в них визначає кількість послідовно з’єднаних елементів.

У сучасних модулях елементи розрізані навпіл, але кількість половинок не подвоює напругу. Виробник модулів Solar Fabrik описує таку схему: половинки з’єднані послідовно у дві групи, а групи між собою паралельно. Тому модуль LONGi LR5-72HTH зі 144 половинок має Voc 51,8-52,4 В, а не близько 100 В, як вийшло б за послідовного з’єднання всіх половинок, а струм кожної половинки вдвічі менший, ніж у цілого елемента.

Як змінюється напруга сонячної панелі на морозі, у спеку і в похмуру погоду

Величину зміни напруги з температурою задає температурний коефіцієнт Voc з паспорта, у відсотках на градус. У LONGi LR5-72HTH він дорівнює мінус 0,23 %/°C, у LONGi Hi-MO 5 мінус 0,265 %/°C, у Hi-MO X10 мінус 0,2 %/°C. Знак мінус означає, що при охолодженні нижче 25 °C напруга зростає. Перерахунок роблять за формулою:

Voc(T) = Voc STC × (1 + β / 100 × (T – 25)),

де β це температурний коефіцієнт Voc у %/°C зі своїм знаком, а T це температура елементів у °C. Інструкція з монтажу модулів LONGi (версія V16) дає ту саму поправку у вигляді множника 1 – β × (25 – T), де T найнижча очікувана температура, і вимагає, щоб напруга холостого ходу за цієї температури не перевищувала допустимої напруги модуля та обладнання постійного струму.

Приклад для модуля LONGi LR5-72HTH-575M: Voc STC 52,06 В, β мінус 0,23 %/°C. При мінус 20 °C множник дорівнює 1 + 0,0023 × 45 = 1,1035, і Voc = 52,06 × 1,1035 ≈ 57,4 В. При нагріванні елементів до 65 °C множник дорівнює 1 – 0,0023 × 40 = 0,908, і Voc ≈ 47,3 В. Напруга рядка дорівнює напрузі модуля, помноженій на кількість модулів.

Найбільшою напруга холостого ходу стає за найнижчої температури, тому рядок перевіряють за найнижчою температурою повітря в місці встановлення. Спрощений розрахунок не враховує допуск: у паспорті LONGi вказано допуск Voc ±3 %, і з верхнім допуском той самий рядок при мінус 20 °C дає близько 592 В. Приклад показує порядок величин, а остаточний розрахунок роблять за паспортом свого модуля і за методикою, якої вимагає застосовний стандарт.

Від освітленості напруга залежить значно слабше, ніж струм. Струм панелі пропорційний світлу, а напруга холостого ходу зростає з освітленістю за логарифмом, тому в похмуру погоду напруга знижується помітно менше, ніж струм. Паспорт LONGi показує це в цифрах: в умовах NOCT, за опромінення 800 Вт/м² і гарячіших, ніж за STC, елементів Isc менший на 19 %, а Voc менша на 6 %. Порівняння неточне, бо в ньому одночасно змінюються і світло, і температура елементів, але різниця в поведінці струму і напруги з нього видна. Тому напруга на роз’ємах панелі в похмурий день не говорить про те, скільки енергії вона виробить, і рядок залишається під небезпечною напругою навіть за слабкого світла.

За якої мінімальної напруги сонячної панелі контролер та інвертор починають роботу

Мінімальної напруги в самої панелі немає: у сутінках і в тіні вона падає, а вночі йде в нуль. Нижню межу задає те, до чого панель підключена. Контролер заряду заряджає акумулятор, лише коли напруга панелей вища за напругу акумулятора, і наскільки вища, вказано в його інструкції. Інвертор запускається, коли напруга рядка досягає напруги запуску (start-up voltage), а найбільшу потужність відбирає, поки робоча напруга рядка лежить у межах діапазону MPPT. Обидва значення вказані в інструкції інвертора.

Ця межа важлива влітку. У спеку знижується не лише напруга холостого ходу, а й робоча напруга, і надто короткий рядок на гарячих панелях може опуститися нижче нижньої межі MPPT, і тоді інвертор може відбирати менше потужності або не запуститися. Тому довжину рядка перевіряють з двох боків: за напругою холостого ходу в мороз згори і за робочою напругою в спеку знизу. Температурного коефіцієнта для Vmp у паспорті LONGi немає, там вказано коефіцієнти Voc, Isc і потужності Pmax, а коефіцієнт Voc до робочої напруги не застосовують. Гарячу робочу напругу беруть з даних виробника модуля або рахують у програмі розрахунку рядків, якщо її надає виробник інвертора.

Як виміряти напругу сонячної панелі

Мультиметр, підключений до роз’ємів панелі без навантаження, показує напругу холостого ходу Voc, а не робочу Vmp: робоча напруга з’являється лише під навантаженням. Один модуль вимірюють просто: панель відключають від усього, мультиметр ставлять у режим постійної напруги з межею вищою за очікувану Voc і торкаються щупами плюса і мінуса. Рядок вимірюють лише після відключення в порядку, який задає інструкція інвертора: спершу вимикають інвертор і роз’єднувач постійного струму, і лише потім розмикають роз’єми, бо розривати з’єднання під навантаженням інструкція LONGi забороняє через дугу і небезпеку ураження струмом. Напруга рядка з десяти великих модулів близько 500 В постійного струму небезпечна для життя, і мультиметр разом зі щупами має бути розрахований на таку напругу згідно зі своїм маркуванням.

Показ майже ніколи не збігається з паспортом, і це нормально. На сонці елементи нагріті вище 25 °C, і напруга нижча за паспортну, а в холодний ясний день буває і вищою. Якщо напруга однієї панелі помітно менша, ніж у сусідніх таких самих панелей в тих самих умовах, панель варто перевірити окремо. Рядки між собою порівнюють так само: у рядків з однакової кількості однакових модулів напруга має бути близькою. Мультиметром заразом перевіряють полярність перед підключенням до інвертора.

Як зменшити напругу сонячної панелі

Штатного регулювання напруги холостого ходу в модуля немає: вона задана кількістю і технологією елементів і змінюється лише з температурою та освітленістю. Коли кажуть “зменшити напругу”, зазвичай мають на увазі рядок, у якого напруга холостого ходу в мороз вища, ніж допускає вхід інвертора або контролера. Практичних рішень три. Зменшують кількість модулів у рядку: кожен знятий модуль знижує напругу на свою Voc. Або ділять масив на два коротші рядки і підключають їх до двох входів MPPT або паралельно до одного, якщо дозволяє вхідний струм трекера. Або добирають інвертор чи контролер з вищою максимальною вхідною напругою.

Як порахувати, скільки модулів вміщується в рядок за напругою, вікном MPPT і вхідним струмом, розібрано в розділі скільки панелей можна підключити до інвертора. Для розрахунку потрібні паспорт модуля (Voc, Vmp, температурні коефіцієнти, допуск), інструкція інвертора або контролера (максимальна вхідна напруга, напруга запуску, діапазон MPPT, вхідний струм) і найнижча та найвища температура в місці встановлення.

Типові помилки під час розрахунку і вимірювання напруги сонячних панелей

• Звіряти з максимальною вхідною напругою інвертора робочу напругу Vmp. З межею входу порівнюють напругу холостого ходу, бо інвертор бачить її щоранку до запуску.
• Рахувати напругу рядка за 25 °C. У мороз напруга холостого ходу вища за паспортну, у прикладі вище на 10 %, і рядок, який проходить за паспортом, може перевищити межу інвертора. Перевищення максимальної вхідної напруги може вивести вхід інвертора з ладу.
• Брати для перевірки рядка значення Voc з колонки NOCT. Воно нижче за значення STC і дає занижений результат.
• Вважати панель несправною, бо мультиметр показав менше за паспорт. Паспортне значення стосується 25 °C, а на сонці елементи гарячіші. Порівнювати потрібно із сусідніми панелями в тих самих умовах.
• Плутати знак температурного коефіцієнта. Мінус у паспорті означає, що при зниженні температури напруга зростає. Якщо у формулі загубити знак, морозна напруга вийде меншою за паспортну замість більшої.
• Міряти рядок мультиметром, не розрахованим на його напругу. Напруга рядка в сотні вольт постійного струму може перевищувати межу приладу, тому межу і категорію перевіряють за маркуванням самого мультиметра.

Норми і документи щодо напруги сонячних панелей