Az I–V görbe: mit mutat egy napelem karakterisztikája?

Röviden: az I–V görbe (áram–feszültség görbe) azt mutatja meg, hogy a napelem különböző feszültségeknél mekkora áramot ad le. A görbén van egy pont, ahol a teljesítmény a legnagyobb: ezen a munkaponton érdemes üzemeltetni.

Mi az az I–V görbe?

Egy sötétben lévő napelemcella olyan, mint egy dióda: csak egy irányban vezet jól. Ha megvilágítjuk, a fény által keltett áram hozzáadódik a cella normál „sötét” áramához. A hatás az, hogy a dióda görbéje lefelé tolódik a negyedik síknegyedbe, ahol az eszközből teljesítményt lehet kinyerni.

A diódatörvény megvilágított cellára így alakul: az áram a sötétáram és a fény keltette áram különbsége. A képlet azért fontos, mert ebből rajzolható meg a görbe. A gyakorlatban a képletben szereplő „−1” tag elhagyható, mert a kitevős tag általában jóval nagyobb egynél, kivéve a 100 mV alatti feszültségeket, és alacsony feszültségnél a fény keltette áram úgyis felülmúlja a sötétáramot.

Melyek a görbe fontos pontjai?

A görbén két szélső pont van: a rövidzárási áram (ISC), amikor nincs feszültség a cellán, és az üresjárási feszültség (VOC), amikor nem folyik áram. Ezek közül a rövidzárási áram, az üresjárási feszültség, a kitöltési tényező és a hatásfok mind az I–V görbéből határozható meg, és ezek jellemzik a napelemet.

A teljesítménygörbének maximuma van. Ezt a pontot maximális teljesítménypontnak nevezik (jelölése PMP, PMAX vagy MPP), és VMP feszültségnél, IMP áramnál fordul elő. A cellát ezen a ponton kell üzemeltetni, hogy a legtöbb teljesítményt adja.

A két szélső pontban a leadott teljesítmény nulla: rövidzárnál nincs feszültség, üresjáratnál nincs áram. A hasznos munkapont a kettő között van. A fotovoltaikus hatásról szóló cikkben olvashatod, miért alakul ki ez a két szélső állapot.

Mi történik, ha túl nagy áramot erőltetnek rá?

A feszültségre átrendezett képlet logaritmust tartalmaz, amely akkor nem értelmezhető, ha az áram nagyobb a fény keltette áramnál. A valóságban ilyenkor a napelemcella fordított előfeszítésbe kerül (negatív feszültség), és a feszültséget vagy a cella tökéletlenségei, vagy a tápegység korlátozza. Mindkét esetben a cella teljesítményt disszipál, vagyis felmelegszik.

Ha nincs korlát a tápegységen, egy közel ideális cella szinte azonnal tönkremehet, a többi cella pedig a melegedéstől megy tönkre. Ezért van a napelempanelekben bypass-dióda, amelynek szerepéről az árnyékolásról szóló cikkben lesz szó.

Mire jó mindez a mindennapokban?

Az I–V görbe alakja árulkodik a cella állapotáról: a „négyszögletesebb” görbe jobb cellát jelent (ezt a kitöltési tényező méri), a lapos, lekerekített görbe veszteségekre utal. Aki a napelemes rendszer termelését vagy a mérési adatait értelmezi, annak érdemes ismernie a görbe alapvető pontjait. A számok kontextusához nézd meg a Mit termel egy 800 W-os rendszer Magyarországon cikket is.

Lásd még: A görbe „négyszögletességéről” a kitöltési tényezőről szóló cikkben írunk (megnyitás).