Słońce to przyszłość…
20Sty

Pomiar mocy baterii słonecznej.

Na wstępie kilka słów wyjaśnień.

Nie testujemy ogniw ani baterii pod sztucznym światłem. Żarówki, świetlówki, halogeny, LEDy itp nie nadają się. Ta metoda pomiaru jest fałszywa, daje błędne wyniki i o niczym nie świadczy, nic ni mierzy.

Pamiętaj, że ogniwa słoneczne są stworzone dla światła słonecznego. Potrzebują go by się wzbudzić i zacząć produkować prąd. Wymagają całego spektrum widma, które może im zapewnić jedynie słońce. W sztucznym świetle brak wielu zakresów częstotliwości promieniowania i ogniwo nie będzie pracować prawidłowo. Do testu ogniw i baterii służą specjalne urządzenia zapewniające warunki identyczne ze słonecznymi. Powstaje zatem pytanie jak testować ogniwa i baterię, gdy nie mamy takiego specjalistycznego przyrządu… 

Moc baterii fotowoltaicznej określana jest w tzw: Standardowych Warunkach Testowych – 1000W/m², AM 1,5, 25˚C. Przetłumaczymy to na nasze Polskie warunki. 1000W/m² to ilość energii, jaka dociera do powierzchni ziemi w momencie testu. Jak jasno wynika z mapki po prawej – w naszych warunkach dokładnie taka moc dociera do ziemi 12 września w słoneczny dzień. Parametr AM1.5 (Air Mass) w bardzo dużym uproszeniu wskazuje pod jakim kątem znajduje się bateria względem ziemi. Kąt ten wynosi 42 stopnia Pochodną tego parametru są takie czynniki jak ilość powietrza, przez jaką promieniowanie słoneczne przechodzi w drodze do ogniwa, pochłanianie określonych części widma promieniowania itd. Dokładny opis znajdziemy tutaj. Jeśli w słoneczny dzień około 12 września ustawimy baterię słoneczną pod odpowiednim kątem względem ziemi oraz dokonamy pomiaru w momencie, gdy słońce będzie w maksymalnej wysokości – warunek AM1.5 zostanie spełniony. Ostatni czynnik to temperatura 25st. Tutaj występuje największy kłopot. Temperatura ta odnosi się do ogniw, nie powietrza na zewnątrz. Niestety, jak wiemy, wydajność ogniw spada wraz ze wzrostem temperatury. Łatwo można to zauważyć mierząc woltomierzem wystawioną na zewnątrz gotową baterię. Napięcie już po kilku sekundach zauważalnie spada o 5-10%. jest to spowodowane tym, że ogniwo pochłaniając promieniowanie mocno się nagrzewa. Dlatego trzeba mieć na uwadze, że 25°C ogniwo ma tylko przez chwilę od wystawienia na działanie słońca. I przez te kilka(naście) sek pomiar dokonany będzie zgodny ze Standardowymi Warunkami Testowymi i wynik powinien pokrywać się z deklaracją na baterii słonecznej.

Występowanie określonych warunków AM (Air Mass) w Polsce w określonym czasie:

  • 21 czerwca: Kąt padania promieni słonecznych – 61 => AM =1,15
  • 12 września: Kąt padania promieni słonecznych – 42 => AM 1,5
  • 22 grudnia: Kąt padania promieni słonecznych – 14 => AM 4

Czyli jeśli dokonamy pomiaru w lecie (sierpień-wrzesień) w idealnie słoneczny dzień, w południe, ustawiając baterię słoneczną (lub ogniwo) idealnie prostopadle do słońca – wtedy możemy dokonać pomiaru maksymalnej praktycznej mocy możliwej do uzyskania z baterii słonecznej.

Jeśli natomiast słońca nie ma, lub lato się skończyło – wtedy powyższego pomiaru nie da się dokonać. Jedyne co nam pozostaje, to możliwość pomiaru maksymalnej mocy praktycznej w obecnych warunkach oświetlenia. Oczywiście ten odczyt będzie o wiele niższy, gdyż dokonujemy go w nieoptymalnych warunkach. Ale nawet takie dane mogą być dla nas interesujące.

Pomiar mocy pojedynczego ogniwa

Nie da się wygodnie dokonać pomiaru mocy praktycznej ogniwa. Pojedyncza płytka ma jedynie 0.55V. Wymagałoby to konstrukcji  specjalnych obciążeń na rezystorach mocy, które w pewnym przybliżeniu dały by nam pojęcie  o wielkości produkowanej energii. W związku z tym nie ma potrzeby testowania wydajności pojedynczego ogniwa, gdyż za nas zrobił to już producent. Oczywiście nikt nie zabroni nam testu ponownego – ale bądź świadom, że bez dostępu do specjalistycznych urządzeń – wynik może być daleki od stanu faktycznego, a nawet różnić się pomiędzy poszczególnymi ogniwami (mimo tego, że wszystkie ogniwa są identyczne).

Jedynym istotnym parametrem, który jesteśmy w stanie zmierzyć to prąd zwarcia ogniwa. Jest to natężenie prądu produkowane przez ogniwo, które zewrzemy amperomierzem. Pomiar poszczególnych ogniw pozwoli nam porównać je ze sobą i w bardzo przybliżonym przedziale określić ogniwa sprawniejsze od pozostałych. Ta metoda jest szczególnie interesująca w przypadku ogniw klasy B, gdyż pozwala wyeliminować z budowy baterii sztuki o najmniejszej wydajności produkowanego prądu, a które to będą zaniżać nam i tak już niską moc baterii.

1. Pomiaru musimy dokonać na pełnym słońcu, ogniwo ma być ustawione prostopadle do słońca, a sam pomiar możliwie blisko południa (nasza gwiazda jest wtedy najwyżej). Chodzi o zmaksymalizowanie mocy, jaką może uzyskać ogniwo – co zwiększy dokładność pomiaru oraz jak najbliższe odwzorowanie warunków typowych dla AM1.5

2. Ogniwo musi mieć zalutowane taśmy z obu stron (a same taśmy muszą być połączone), w przeciwnym wypadku pomiar będzie fałszywy, gdyż ładunki z ogniwa będą odbierane niewystarczająco dobrze, a sam wynik będzie mocno zaniżony.

3. Musimy dysponować multimetrem odpowiedniej klasy. Chińskie ‚mierniczki za 25zł’ nie radzą sobie z pomiarem dużego prądu i małego napięcia. Wynik będzie niepoprawny i nie będzie zgodny ze stanem faktycznym.

Aby dokonać pomiaru musisz połączyć ze sobą wszystkie 6 punktów ze spodu ogniwa. Tam znajduje się wspólny „PLUS” dla płytki. MINUS znajduje się na górze – są to 2 białe paski. Należny także zalutować na nie tasiemki i połączyć je wspólnie. I dopiero teraz, dotykając sondami multimetru połączonych punktów PLUS i MINUS możemy przystąpić do pomiarów ogniwa.

Prawidłowo zmierzony prąd zwarcia powinien wynosić około 3,75A.

 

Pomiar mocy całej baterii słonecznej

(36 sztuk ogniw)

Pomiar mocy baterii słonecznej nie jest prostą czynnością. Nie wystarczy przyłożyć amperomierz do baterii (lub między baterię, a regulator ładowania) i dokonać sprawdzenia. Trzeba pamiętać, że moc, jaką bateria oddaje do instalacji zależy od tego,  jakie obciążenie generuje ta instalacja.

Rozpatrzmy przypadek, gdy nasza bateria słoneczna ładuje akumulator. Świeci pełne słońce. Spodziewamy się maksymalnego prądu generowanego z ogniw. Wpinamy amperomierz i co się okazuje. Zamiast maksymalnej mocy mamy jakieś marny 1A. I wbrew pierwszemu wrażeniu wszystko jest tak jak powinno być.

Pamiętaj, że akumulator podczas ładowania nie pobiera ciągle takiego samego prądu. Im bardziej naładowany jest akumulator tym mniej prądu pobiera. Zatem akumulator wyładowany do 0% i podłączony pod ogniwa obciąży je w dużym stopniu. Ale w miarę jak będzie się ładować ten prąd mierzony przez amperomierz zacznie maleć. Nie jest istotne, że ogniwa będą dysponować ogromną rezerwą mocy – akumulator po postu nie jest jej w stanie tego użyć.

Ale można powiedzieć:  ‚Chwila moment. A co jeśli zewrę baterię słoneczną amperomierzem. Wtedy obciążenie jest maksymalne i na pewno dokonam pomiaru mocy maksymalnej ogniwa w aktualnych warunkach!”

Niestety znów błąd. Wynik nie pokaże nam aktualnej mocy ogniw lecz całkowicie teoretyczną moc uzyskaną poprzez pomnożenie woltów bez obciążenia z amperami w pracy w zwarciu. Mimo, że otrzymany wynik będzie dość blisko poszukiwanej przez nas praktycznej mocy maksymalnej (praktyka mówi, że różnica to około 5-8%), jednak nadal nim nie będzie. A dlaczego praktyczna moc maksymalna wyliczona sposobem powyżej jest nieprawidłowa? Wiąże się to z charakterystyką prądowo-napięciową ogniw. Ampery generowane przez ogniwo rosną wraz z obciążeniem, jakie do baterii słonecznej przykładamy. Niestety odwrotnie jest z napięciem. Ono spada wraz ze wzrostem obciążenia. Spada szybciej niż rośnie prąd. Dlatego musimy obciążyć ogniwo dokładnie konkretną wielkością obciążenia, tak, aby prąd oraz napięcie na baterii słonecznej dały nam odczyt maksymalnej mocy praktycznie oddawanej do instalacji (bardziej rozbudowane falowniki/inwertery potrafią śledzić ten optymalny punkt maksymalizując uzysk z konwersji mocy z baterii słonecznej). Dlatego musimy dysponować regulowanym obciążeniem. Najlepszym, choć trudno dostępnym elementem są opornice suwakowe. Są do duże rezystory nastawne, które mogą wytrzymać wielkie moce z przyłączonej baterii słonecznej. Do tego możemy ustawić je bardzo dokładnie i wygodnie dokonywać odczytu.

Dzięki dokładnemu nastawieniu obciążenia – możemy odnaleźć aktualny tylko w obecnych warunkach oświetlenia tzw: „Maksymalny punkt mocy”. Jest to miejsce, w którym mnożąc napięcie i prąd pod konkretnym obciążeniem dostaniemy całkowicie maksymalną praktyczną wartość mocy generowanej przez baterię słoneczną.

Na całe szczęście nie trzeba kupować opornicy suwakowej. Można ją zrobić gdyż jest to bardzo proste urządzenie. Jest po zwykły drut oporowy nawinięty na tubę.  Na potrzeby pomiaru możemy zbudować to urządzenie samemu…

Zbudujemy „opornicę”, która posłuży nam do testu baterii złożonej z 36 ogniw, czyli około 70W.

Potrzebujemy:

  • Drut oporowy
  • Coś aby nawinąć ten drut

Drut kupujemy na allegro lub w sklepie elektronicznym. Kosztuje około 1-3zł/1m. Są różne druty z różną grubością i różną rezystancją. My potrzebujemy odcinek o oporze około 30-50Ohm i średnicy minimum 1mm. Drut musi mieć 1mm średnicy, aby zbyt szybko się nie nagrzewał i pozwolił wygodnie zrobić test. Ja kupiłem 11m drutu firmy KANTHAL o oporze 3 Ohm/1m czyli cały 11m odcinek ma około 33Ohm. Idealnie tyle, ile potrzebujemy. Oczywiście jeśli będzie drut 2Ohm/1m to kupimy 12-20m itp itd. Ważne, że cały odcinek będzie mieć te 30-50Ohm.

Do nawinięcia drutu posłuży nam tuba papierowa pozostała po rolce folii stretch. Dobrze jest wybrać materiał w miarę odporny na wysoką temperaturę. Plastikowe rury raczej się nie nadają.

Pracę rozpoczynamy od oznaczenia na rolce podziałki co 4-5mm. W tych miejscach wytniemy rowki do prowadzenia drutu. Dzięki temu będzie równo przylegać do tuby, nie będzie łączyć się ze sobą i fałszować wyniku. Ja dokonałem nacięcia zwykłym brzeszczotem do metalu. Zrób nacięcia z obu stron tuby. Znacznie uprości to późniejsze nawijanie drutu.

Gdy mamy już gotową tubę możemy nawinąć drut. Przed całą operacją naciągnij drut aby go wyprostować (naciągnij cały odcinek naraz). Zrób tak samo jak prostuje się taśmy. Opis znajdziesz tutaj.

W moim przypadku podziałka co 4mm umożliwiła nawinięcie 11m drutu na tubę długości 30cm, więc cała konstrukcja jest niewielka i poręczna. Po całej operacji przyrząd jest gotowy. Wiadomo, nie jest to szczyt techniki kosmicznej i wygląda raczej kiepsko… Ale działa, było tanie i łatwe do zrobienia 🙂

Teraz możemy badać naszą baterię pod obciążeniem nastawnym z dokładnością do 0.3Ohm, co w zupełności nam wystarczy.

Prócz nastawnego obciążenia potrzebujemy 2 multimetrów (mierników). Im lepszym sprzętem dysponujemy, tym bardziej dokładny wynik otrzymamy. Na wstępie przestrzegam przed wynalazkiem widocznym na zdjęciu po prawej stronie (i jego klonach). Tania chińszczyzna potrafi pokazywać cuda przy pomiarach niskich napięć i dużych prądów. Jeśli naprawdę nie mamy innego sprzętu (ani nie możemy pożyczyć) to dobrym pomysłem jest zmiana przewodów. Te w komplecie z miernikiem nie nadają się zbytnio do testu. Najlepiej jak wraz z zakupem drutu oporowego kupmy 4 wtyki bananowe (to wtyki pasujące do gniazda w mierniku) i zlutujmy sobie przewody sami (użyj 50cm przewodów miedzianych). Taki wariant da najdokładniejszy pomiar na dostępnym sprzęcie.

Poniżej znajduje się przydatna tabelka w formacie PDF. Po wydrukowaniu posłuży nam do notowania  wyników naszego testu. Od razu możemy uzupełnić ją o finalne wyliczenie mocy. Tabelka jest też o tyle fajna, że możemy zachować wyniki i po roku ponowić test porównując moc na przestrzeni dłuższego czasu. Pozwoli nam to bardzo łatwo zdiagnozowawszy wszelkie usterki. Jest to na tyle wygodne, że sam pomiar mocy maksymalnej trwa 5 min i nie trzeba demontować instalacji z jej miejsca.

TABELKA ->>>> pomiar_mocy

Możemy przystąpić do wiarygodnego pomiaru mocy praktycznej.

Montujemy całą instalację testową i dokonujemy pomiaru napięcia i prądu dla poszczególnych zakresów między brakiem obciążenia, a prądem zwarcia. Zdjęcia po prawej stronie dokumentują wszystkie wyniki. Za każdym razem uzupełniamy naszą tabelkę o odpowiednie dane, które posłużą nam do określenia maksymalnej mocy baterii słonecznej w obecnych warunkach. Oczywiście nie trzymamy obciążenia zbyt długo. Moc przekazywana z baterii słonecznej jest dość duża i istnieje ryzyko spalenia się naszej nowiutkiej opornicy 🙂

Cała wygoda rozwiązania – wystarczy zwierać odpowiednie miejsca aby szybko i dokładnie odczytywać z multimetrów otrzymane wyniki

Po zakończeniu możemy pomnożyć w odpowiednich polach napięcie i prąd, a otrzymamy interesujące nas wyniki. Jak jasno wynika z przeprowadzonego pomiaru – nasza bateria przy napięciu około 17V posiada 50W wydajności praktycznej. Zważywszy na to, że test przeprowadzony jest o godzinie 14:30 27 lutego oraz to, że słońce jest za delikatnymi chmurami pierzastymi i już bardzo nisko – wynik nie jest zły.

Na koniec możemy wstawić wszystkie liczby na wykres aby zobaczyć wizualizację.

Jak widać na wykresie po lewej – możemy się dopatrzyć maksymalnego punktu mocy w okolicach 17V. Dalej uzysk prądu jest bardzo mały, a napięcie spada już lawinowo. Zatem pomiar w punkcie maksymalnej mocy dał nam faktyczną i prawdziwą informację o wydajności naszej baterii słonecznej.

Istnieją też inwertery, które śledzą maksymalny punkt mocy (Maximum power point tracking, w skrócie MPPT) w którym bateria słoneczna wykazuje największą wydajność i starają się pracować w jego obrębie. Zwiększa to uzysk energii z instalacji o 5%-20% (najlepiej działa przy złej pogodzie i braku pełnego słońca).  Wtedy oprogramowanie załączone do takich urządzeń może podać nam wszystkie dane w czytelny sposób nieomal automatycznie. Niestety takie urządzenia nie są tanie i w amatorskich instalacjach nie są raczej spotykane.

 Powyżej zestawienie z programu monitorującego pracę inwertera lepszej klasy. Ogniwa o małym uzysku energii są w części pokryte śniegiem (do połowy wysokości). Panele z większym uzyskiem zostały wcześniej odśnieżone.

Na koniec trzeba obalić jeszcze jeden mit.

Różnica w produkcji energii między latem, a zimą jest bardzo nieduża. Dla przykładu bateria słoneczna w lecie osiągnie 100% mocy, a w zimie „jedynie” 80%. Pamiętaj, że słońce w zimnie nie świeci słabiej. Świeci tak samo mocno jak w lecie, ale jego energia rozkłada się na znacznie większej powierzchni oraz promieniowanie musi przejść pod mniejszym kątem przez grubszą atmosferę.

Stąd tak ważne, by np: dobierać pochył baterii słonecznych odpowiednio do pory roku. W ten sposób możemy zwiększyć uzysk energii lepiej korzystając z dostępnego nasłonecznienia.

Optymalne nachylenie:

  • Średnio w skali roku: 32°
  • W lecie: 23°
  • W zimie: 54°

Dużą rolę w wysokim uzysku energii w zimie ma też to, że mniejsza temperatura pracy wydatnie zwiększa skuteczność baterii słonecznej. W lecie większe nasłonecznienie idzie w parze za zbytnim nagrzewaniem się naszej instalacji i dodatkowemu spadkowi mocy. Więc między latem, a zimą różnice się dość mocno zacierają.

Tak więc sami możemy się o tym przekonać mierząc wydajność praktyczną paneli w zimie i lecie – różnicy nie ma aż tak dużej, jak można by się było spodziewać. Niestety ilość słonecznych dni w sezonie zimowym jest bardzo niewielka i to właśnie ten czynnik powoduje, że uzysk energii w tym okresie jest znacząco niższy, niż latem. Więcej informacji można odnaleźć w dziale o Temperaturze pracy instalacji.

C.D.N.

komentarzy 6 do wpisu “Pomiar mocy baterii słonecznej.”

  1. Krzysztof napisał(a):

    Witam

    Mam 4 panele o parametrach każdy.
    Voc(V): 32,8
    Isc(A): 8,24
    Vmpp(V): 26,9
    Impp(A): 7,44

    Regulator ładowania z przetwornicą
    TS-1500-212B MEAN WELL

    Ten regulator pozwala podłączyć panele o łącznej mocy do 30A(bezpiecznik). Czy biorąc pod uwagę że powyższe panele mają natężenie maxymalne 7,44A każdy, to czy mogę bezpiecznie podłączyć do regulatora cztery takie panele o łącznej mocy 29,76A czy muszę zostawić większy margines bezpieczeństwa aby nie przepalić bezpiecznika? (30A).

  2. Fotowoltaika napisał(a):

    No racje na allegro można czasem kupić używki z demobilu z Niemiec trzeba uważać.

  3. tadek napisał(a):

    Witam
    Ostatnio kupilem na alegro baterie 230W 7.8A moc 36,78V
    jak mierze amperomierzem ampery w sloneczny dzien to mam
    1A a volty sa rozne 33V 34V czy moze byc zepsuta bateria ze ma tak maly amperomierz

    • zuo napisał(a):

      Bardzo często można znaleźć na Allegro baterie słoneczne sprowadzone z Niemiec. Ich dobra cena spowodowana jest tym, że są to elementy z demontażu wielkich instalacji. Spośród tysięcy baterii co jakiś czas wyrzucane są te najgorszej wydajności, z awariami, zdradzające efekty rozszczelnienia, wewnętrznej korozji czy z mikropęknięciami. Odkupują je następnie polscy „handlowcy” sprzedając je jako w pełni sprawne. Oczywiście nie są i na przykład niska wydajność jest ich cechą normalną. Polecam jednak zakup fabrycznie nowych baterii baterii lub budowa ich we własnym zakresie.
      Dodam tylko, że nawet nowa bateria w naszym klimacie na pewno nie będzie pracować dłużej niż 3-5 lat. Po tym czasie wszystkie te chińskie konstrukcje oparte o laminowanie się rozszczelnią – bateria „podciągnie” wilgoć i straci moc. Budowa własnej baterii – poprzez zalewanie silikonem – tworzy instalację wolną od występowania tego efektu. I dopiero taka bateria zalewana ma szansę pracować bardzo długi czas.

  4. Perszing napisał(a):

    Zbudowałem baterie z 36 ogniw 2W i działa jak należy a nawet chyba za bardzo,jednej rzeczy nie potrafię zrozumieć ogniwa maja max prąd 3,75A,mam wpięty amperomierz analogowy między regulator ładowania a akumulator i dziś w słońcu pokazał 4A jak to możliwe?Czy regulator ładowania zamienia nadmiar napięcia na prąd?

    • zuo napisał(a):

      Standardowy „amatorski” (czytaj: chiński 5-50A) regulator nie ma przetwornicy, ale zwyczajny PWM. Wyższa od spodziewanej moc zbudowanej baterii (o ile prawidłowo działa amperomierz) najprawdopodobniej spowodowana jest dobrej jakości zakupionymi ogniwami oraz optymalnie przeprowadzonym montażem. Trzeba też pamiętać, że od mniej więcej 30 marca bateria osiągnęła już 100% mocy. Potrwa to mniej więcej do początku października.