über die Vorlesung Solarenergie Übersicht Vorlesung Termin Thema Dozent 1 Di Wirtschaftliche Aspekte/Energiequelle Lemmer/Heering

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1 Übersicht über die Vorlesung Solarenergie 11.1 Vorlesung Termin Thema Dozent Nr. 1 Di Wirtschaftliche Aspekte/Energiequelle Lemmer/Heering Sonne 2 Di Halbleiterphysikalische Grundlagen Lemmer 3 Fr Kristalline pn-solarzellen Heering Di Lichttechnik-Tage "Automobile Lichtund Displaytechnik" in Karlsruhe 4 Fr Elektrische Eigenschaften Heering 5 Di Optimierung kristalliner Solarzellen Lemmer 6 Di Technologie kristalliner Solarzellen Lemmer 7 Fr Anorganische Dünnschichtsolarzellen Lemmer 8 Di Organische Dünnschichtsolarzellen Lemmer 9 Di Third Generation Photovoltaics Lemmer 10 Fr Photovoltaische Systeme I Heering 11 Di Photovoltaische Systeme II Heering 12 Di Solarkollektoren Heering Weihnachtsferien 13 Di Passive Sonnenenergienutzung Heering 14 Di Solarthermische Kraftwerke Lemmer 15 Di Energiespeicher/Solarchemie Heering 16 Di Kostenrechnungen zu Solaranlagen Heering 17 Di Energieszenarien Lemmer Di Exkursion Heering/Lemmer

2 Solarmodul mit Widerstandslast 11.2 Nur bei 25 C und E = 400 W m -2 wird der Modul nahe dem MPP betrieben, sonst liegt die abgegebene Leistung weit unterhalb der möglichen Leistung Arbeitspunkte: Schnittstellen von I(U)-Kennlinie des Moduls mit Widerstandsgeraden der Last Die Arbeitspunkte variieren mit der Temperatur und der Bestrahlungsstärke, die am Modul ansteht.

3 Solarmodul unter Konstantspannungslast 11.3 Wirkungsgrad vom DC-DC-Wandler > 90% Ohne Verluste im Wandler: P1 = U1 I1 = U2 I2 = P2 Leistungsausbeute vom Solargenerator erheblich verbessert durch Gleichspannungswandler zwischen Modul und Verbraucher. Der Gleichstrom- Umrichter wird geregelt auf konstante Spannung U 1 am Generator.

4 Tiefsetzsteller 11.4 C 1 speichert Solarenergie bei geöffnetem Schalter S (FET oder Bipolartransistor). u u u L 2 di2 = L dt ud ul = U1 ul mitul > 0 für 0 t TE = u u u mitu < 0 für T t T + T TE =δ U mit δ= Tastverhältnis T + T 2 1 i = i / δ 2 1 C 2 glättet die Ausgangsspannung. D L L L E E A E A Nicht lückender Drosselstrom Anpassung an eine Last R, die stets eine geringere Spannung u 2 benötigt als die Spannung U 1, die am Solargenerator anliegt Schaltfrequenz f = 1/(T E + T A ) = khz

5 Hochsetzsteller 11.5 Diode D verhindert ein Entladen von C 2 bei geschlossenem Schalter S. u = U mitu > 0 für 0 t T L 1 L E u = U u mitu < 0 für T t T + T 2 1 L L E E A u T = U 2 1 E + T A T A Anpassung an eine Last R, die stets eine höhere Spannung u 2 benötigt als die Spannung U 1, die am Solargenerator anliegt

6 Invertierender Wandler 11.6 T = E u2 U1 T A

7 Eintakt-Sperrwandler 11.7 T 1 E u2 = U1 T A ü Funktionsweise wie beim invertierenden Wandler Nur ist die Drossel durch einen Trafo mit Übersetzungsverhältnis ü ersetzt. Damit lassen sich höhere Ausgangsgleichspannungen realisieren. Für größere Leistungen werden Gegentakt-Wandler mit mehreren Leistungsschaltern als Gleichspannungswandler verwendet.

8 MPP-Tracker Teil I 11.8 Konzept: Bei variablen Temperaturen und Bestrahlungsstärken wird dem Solargenerator jeweils die größte Leistung entnommen, wenn über das veränderliche Tastverhältnis des Gleichspannungswandlers nicht auf eine feste Spannung am Generator geregelt wird, sondern auf die Spannung U MPP des jeweiligen MPP der Solarmodulkennlinie. Verfahren: 1. Sensorgesteuerte Regelung: Für gemessene Temperatur und Bestrahlungsstärke wird die MPP-Spannung berechnet und dann für eine vorgegebene Ausgangsspannung das Tastverhältnis so eingestellt, dass am Generator die MPP-Spannung ansteht. 2. Regelung mittels einer Referenzzelle: Aus der Bedingung, dass im MPP dp/du=0 ist, erhält man die MPP-Spannung einer Referenzzelle: kt UMPP UMPP = UOC m ln(1 + ) e m kt/e Misst man die Leerlaufspannung U OC dieser Referenzzelle, die nahe dem Solargenerator positioniert wird, kann man damit die MPP-Spannung berechnen und auf diese Größe dann regeln.

9 MPP-Tracker Teil II Suchschwingverfahren: Tastverhältnis wird nach jeder Leistungsmessung geändert, und zwar in gleicher Richtung bei Leistungszunahme, in umgekehrter Richtung bei Leistungsabfall. 4. Nulldurchgangsverfahren: Nach Messung von Strom und Spannung am Generator, Multiplikation beider Größen und Differenzieren nach der Spannung wird die Generatorspannung erhöht oder verringert, je nachdem ob die Ableitung positiv oder negativ ist. 5. Regelung mittels differenzieller Änderungen: Aus dp/du = 0 folgt: I du=-u di Regelung erfolgt auf die Gleichheit der Differenzenprodukte.

10 Batteriespannung steigt mit zunehmendem Ladestrom bzw. Bestrahlungsstärke; es werden bei unterschiedlichen Einstrahlungen gute Arbeitspunkte erreicht auf Spannungswandler und MPP-Tracker kann meist verzichtet werden. Akkumulator als Solarenergiespeicher Blockingdiode, meist Shottky-Diode (U D =0,55V), um Vorwärtsverluste klein zu halten, verhindert Entladung des Akku über den Innenwiderstand des Generators bei geringer Einstrahlung. Da die Ladeströme groß sind, sind ausreichende Kabelquerschnitte notwendig. Bei größeren Leistungen werden mehrere Akku in Serie betrieben.

11 Laderegler Serien-Laderegler Parallel-Laderegler Zur Verhinderung von Überladung und Tiefentladung des Akkumulators werden Serienoder Parallel-Laderegler eingesetzt. Vom Akku abgetrennt wird der Verbraucher bei der Tiefentladespannung (11,4 V beim 12 V Bleiakku) und die Ladung durch den Generator wird bei der Ladeschlusspannung (14,4 V beim 12 V Bleiakku) unterbrochen. Beim Serien-Laderegler entstehen ohmsche Verluste an S 1 beim Laden, wenn S 1,wie üblich, als Power-MOSFET ausgeführt ist.

12 Wechselrichter-Technologien Inselwechselrichter: Gespeist aus einer Photovoltaikanlage zur dezentralen Versorgung von handelsüblichen Geräten mit Wechselstrom, insbesondere bei autonomen, nicht ans öffentliche Netz angeschlossenen Anlagen. Netzgekoppelte Wechselrichter: Zur Einspeisung der Photovoltaikanlagenenergie ins öffentliche Netz. Erfordert passende sinusförmige, mit dem Netz synchronisierte Ausgangsspannungen! Ausführungsformen von Invertern : Zur Wandlung von Gleich- in Wechselstrom werden als schaltbare Ventile MOSFET, Bipolar-Transistoren, IGBT, Thyristoren inkl. GTO oder Triac genutzt. Kommutierung der Stromzweige entweder selbstgeführt, bei Inselnetzen, oder netzgeführt, bei Netzeinspeisung Unterschiedliche Ausgangsspannungsformen beim Rechteck-Wechselrichter, Treppen-Wechselrichter und Sinuswechselrichter (pulsweitengesteuert):

13 Schaltbare Ventile In netzgeführten Wechselrichtern werden Thyristoren - Wechselspannung wird zum Abschalten benötigt -, in selbstgeführten Invertern MOSFET, IGBT und GTO als Vollbrücken-Schalter eingesetzt.

14 Wechselrichter- Kenngröß ößen Rated DC voltage -VDC MPP voltage range -VMPP Maximum DC voltage -VDCmax SwitchOff voltage -VDCoff Rated AC voltage -VAC Rated DC current -IDC Maximum DC current -IDCmax Rated AC current -IAC Maximum AC current -IACmax Rated DC power -PDC Maximum DC power - PDCmax Rated AC power - PAC Maximum AC power - PACmax Power factor -cosφ DC power Off - PDCoff DC power On - PDCon StandBy DC power - PDCStandBy Night mode DC power - Pnight Noise level -dba Temperature range -T Distortion -k

15 Man unterscheidet selbstgeführte und netzgeführte Wechselrichter. Selbstgeführte Wechselrichter erzeugen die Frequenz ihrer Ausgangsspannung selbst. Netzgeführte Wechselrichter dagegen übernehmen die Netzfrequenz bzw. werden von ihr gesteuert. Es liegt auf der Hand, daß netzgeführte Wechselrichter nur für Systeme mit Netzankopplung in Frage kommen. Im Inselbetrieb steht kein Netz zur Verfügung, folglich können dort nur selbstgeführte Wechselrichter eingesetzt werden Klassifizierung der Wechselrichter Input: photovoltage Output: current or voltage controlled

16 Rechteck-Wechselrichter Zweipuls-Brückenschaltung (B2) Durch Trafo Spannungsanpassung und galvanische Trennung! Schalter 1 und 3 und dann 2 und 4 werden abwechselnd geschlossen und geöffnet. Sechspuls-Brückenschaltung (B6) Rechteckform beinhaltet viele Oberschwingungen; problematisch bei kapazitiven oder induktiven Eingängen des Verbrauchers! Zur Vermeidung von Asymmetrien durch ungleiche Belastung der Zweige eines Drehstromnetzes bei Einspeisung größerer Ströme auf nur eine Phase

17 Allgemeine Anforderungen an Netzwechselrichter Allgemein: hoher Wirkungsgrad, insbesondere im Teillastbereich hohe Zuverlässigkeit Wartungsfreundlichkeit Geräuscharmut EMV Benutzerfreundlichkeit Schnittstellen, Auswertesoftware preiswert

18 Eingangsseitige Anforderungen an Netzwechselrichter Eingangsseitig: Gute Anpassung an Solargenerator bei variabler Solargeneratorspannung; Eingangsspannnung 48 V für Leistungen oberhalb von eingen 100 W Maximum Power Point Tracking oder Konstantspannungsregelung Geringer Spannungsripple auf der Solargeneratorspannung Überspannungsfestigkeit bei Leerlauf und tiefen Temperaturen Überlastfähigkeit Begrenzung der Eingangsleistung bei Übertemperatur Niedrige und stabile Ein- und Ausschaltschwellen Schutz gegen transiente Überspannungen

19 11.19 Ausgangsseitige Anforderungen an Netzwechselrichter Ausgangsseitig: Möglichst sinusförmiger Ausgangsstrom (Stromquelle) Geringer Oberschwingungsgehalt im Strom (VDE 0838, EN 60555) Strom in Phase zur Spannung, Leistungsfaktor=1 Schnelle Abschaltung bei Netzfehlern Schutz gegen transiente Überspannungen Einhaltung aller relevanten Normen

20 Funktionsprinzip eines pulsweitenmodulierten Wechselrichters Regelung des Laststroms i Ist (Regelgröße) auf einen der sinusförmigen Netzspannung u Netz proportionalen Sollstrom i Soll (Führungsgröße) durch Pulsweitenmodulation der Ein- und Ausschaltzeiten der Brückenhalbleiter Durch R-L und L-C Filterung wird der pulsierende Brückenstrom auf die sinusförmige Grundwelle geglättet.

21 Symmetrische Taktung S 2,3 i Soll Sollwert des Netzstroms u Taktspannung (Abtastung) S 1,4 Steuersignal für die Transistoren 1 und 4 ein: u < R i Soll, aus: u > R i Soll S 2,3 Steuersignal für die Transistoren 2 und 3 aus: u < R i Soll, ein: u > R i Soll u Br Ausgangsspannung der Transistorbrücke u Netz Netzspannung i Ist Momentanwert des Drosselstroms - weniger Ripple bei höherer Taktfrequenz

22 Schaltungskonzepte von Netzwechselrichtern 11.22

23 Thyristorwechselrichter,, einphasig wenige Komponenten + kostengünstig, zuverlässig + Wirkungsgrad maximal 94% - 97% - eingeschränkter Spannungsbereich - nicht potentialfrei - Stromoberschwingungen - kleiner Wirkungsgrad bei Teillast

24 Direkteinspeisender trafoloser Wechselrichter wenige Komponenten + kostengünstig, zuverlässig + Wirkungsgrad 95% - 97% Solargeneratorspannung > 360 V Solargenerator nicht potentialfrei EMV abhängig von Taktungsart

25 Trafoloser Wechselrichter mit Hochsetzsteller großer Spannungsbereich + zuverlässig Wirkungsgrad ca. 94% - 95% -Solargenerator nicht potentialfrei - komplexere Regelung - zusätzliche Bauelemente

26 Wechselrichter mit 50 Hz Trafo Solargenerator potentialfrei + großer Spannungsbereich + EMV Transformatorverluste Gewicht Wirkungsgrad ca. 91% - 94%

27 Wechselrichter mit HF-Transformator Solargenerator potentialfrei + großer Spannungsbereich +geringes Gewicht -Verluste im HF-Trafo - aufwendiges Netzfilter -Wirkungsgrad ca. 92% - 94%

28 Kommerzielle Netzwechselrichter 11.28

29 Wechselrichter-Wirkungsgrade Wirkungsgrade Durch die wechselnden solaren Bestrahlungsstärken wird der Wechselrichter über lange Zeiten nur in Teillast betrieben. Deshalb müssen auch bei niedrigen Leistungen hohe Wirkungsgrade erreicht werden. Insbesondere sollte der Eigenverbrauch minimal und der Wechselrichter nicht überdimensioniert sein!

30 32740 Module 3,965 MW eingespeist ins 20 kv-netz, im April 2003 bei Regensburg in Betrieb genommen, decken den Strombedarf von 4600 Personen. Solarpark Hemau 4 MW PV-Anlage 11.30

31 Solarpark Mühlhausen M 6,3 MW PV-Anlage Standort: Lkr. Neumarkt/Opf. Region: Bayern Inbetriebnahme: Dezember 2004 Installierte Leistung: kwp Modultyp: Sharp Anzahl der Module: ca Ertragsprognose: ca kwh p.a. Realisierung: PowerLight Corp. Betreiber: Bavaria Solar GmbH & Co. KG unterhält das derzeit weltgrößte Solarstrom- Kraftwerk

32 Solarpark Pocking Technische Daten: Inbetriebnahme: April 2006 Gesamtfläche:32 ha installierte Leistung:10 MWp erwartete Stromproduktion pro Jahr: Versorgung von ca Haushalten Anzahl der Module: Stück, mono- u. polykristalliner Typ, 75km Gesamtlänge Gestelltechnik:16,5 km Länge (vierreihig mit stehenden Modulen), statische Aluminiumkonstruktion Wechselrichter: 6 Blockeinheiten a kva mit je 4 400kVA Wechselrichtern Transformatoren: 6 1,6 MVA V Fundamente:8.112 Erdschrauben