Michael Springmann springmann-web.de

Transkript

1 Contents Solarmodul Polykristallin Monokristallin Dünnfilm... 2 Klassische Bauform oder biegsames (flexibles) Modul... 3 Modulsystemspannungen und Solarregler... 4 Reihenschaltung oder Parallelschaltung?... 4 Fazit... 6

2 Liest man in einschlägigen Foren der Reisemobilwelt, so erhält man zum Teil sehr differente Aussagen zu Vor- und Nachteilen von Solarmodul-Techniken, Montagearten usw.. Hier will ich die einzelnen Aspekte mal beleuchten und meinen Senf dazugeben. Solarmodul Polykristallin Monokristallin Dünnfilm Im allgemeinen werden im Freizeitbereich und bei Inselanlagen Solarmodule auf Basis kristallinen Siliziums eingesetzt. Richtig ist, das monokristalline Module einen etwas höheren Systemwirkungsgrad (14-20%) besitzen als Polykristalline (12-16%). Hinsichtlich des Schwachlicht- /Diffuslicht-Verhaltens nehmen sich beide nichts, bei Diffuslicht sollen die Monikristallinen leichte Vorteile haben. Nachteilig bei beiden Varianten sind ihr starkes Temperaturverhalten. Dünnfilmmodule (amorphes Silizium) haben prinzipbedingt einen etwas niedrigeren Systemwirkungsgrad (6-10%) und werden weist bei Kleingeräten eingesetzt oder in Sonderanwendungen, wo es auf ihre hohe Variabilität hinsichtlich der Oberflächenkontur ankommt. Die Dünnschichttechnik hat den Vorteil, das die Temperaturabhängigkeit etwas niedriger ist. Aufgrund ihres niedrigen Systemwirkungsgrades aber weniger interessant für unsere Anwendung. Ein moderne Form der Dünnschichttechnik sind die sogenannten CIS- /CIGS-Module, die einen besonderen, Aufbau (Mikrostrukturen) haben und dadurch die Systemwirkungsgrade auf 13-15% steigen. Bedingt durch ihre komplexe Mikrostruktur zählen sie derzeit aber auch zu den teuersten. Aufgrund des Aufbaus zeigt die CIGS-Technik vor allem aber bei schlechteren Beleuchtungsverhältnissen (geringeren Strahlungswerten, Diffuslicht und vor allem aber Einfallwinkel der Strahlung) erheblich bessere Werte wie klassische kristalline Modultechnik. Allerdings habe ich bei den Dünnfilm-Modulen auf Basis der CIGS-Technik bedenken, dass diese Bauart eventuell mit den Vibrationen beim Fahrzeugeinsatz nicht zurechtkommt, denn Dünnschicht bedeutet wirklich dünn, so um die 3 µm aktive Schichtdicke, dazu kombiniert mit einer komplexen Mikrostruktur. Hierzu gibt es allerdings wenig fundierte Praxis-Aussagen, da CIGS-Module derzeit vornehmlich nur für stationären Betrieb gebaut werden, mit Systemspannungen, die selten für den mobilen Einsatz geeignet sind (meist V U oc ). Dafür preislich sehr interessant (Hersteller Q.Cells oder SolarFrontier), weniger interessant jedoch die völlig überteuerten 12V-Module, die Büttner Electronic vertreibt. Mehr dazu siehe hier. Ein nicht unwichtiger Aspekt bei kristallinen Modulen, gerade für die Effizienz bei Schräglichteinfall (wohl die übliche Betriebsbedingung bei flach auf dem WoMo-Dach montierte klassische Rahmen- Modulen) ist die Qualität und Beschichtung der über den Zellen liegenden Glasplatte (hat also erstmal nichts mit der Solarzelle zu tun). Ist diese nur schlecht beschichtet, wird relativ viel Licht reflektiert und gar nicht zu den Zellen hin abgelenkt. Hierzu sind allerdings, außer bei Marken - Solar Modulen bekannter Hersteller, so gut wie keine Informationen zu bekommen (gilt eben meist für die China-Massenware). Welche nehme ich denn? Hier einfach sich an den Abmessungen orientieren und sich für eine Sorte (Mono/Poly) entscheiden. Auch sollten man am besten bei einem Hersteller sortenrein einkaufen, ansonsten sind penibel die Systemspannungen (U mpp und U oc ) prüfen und am besten auf V genau einzuhalten, sofern man die Module parallel schalten möchte, bei ausschließlicher Reihenschaltung sind die Spannungswerte egal, dort müssen dann die Ströme I mpp und I k zusammen passen, natürlich auch generell das Temperaturverhalten. 2/6

3 Die Abmessungen von poly- oder mono- kristallinen Modulen unterscheiden sich meistens, entgegen dem (theoretischen) Unterschied beim Systemwirkungsgrad, bei gleicher Baugröße (W p ) fast nicht, ein monokristallines Modul bringt selten wirklich Flächenvorteile. Eher relevant die Längen-/Breiten-Verhältnisse, die je nach Hersteller variieren und ggf. in der Platzierung dann Vorteile haben (Randbeschattung). Klassische Bauform oder biegsames (flexibles) Modul Flexible Solarmodule sind derart aufgebaut, das auf ein dünnes Trägerblech (Aluminium, Edelstahl oder auch Kunststoff bzw. Glasfaserplatte) die Solarzellen (im allgemeinen monokristalline Zellen) aufgebracht sind. Die empfindlichen Zellen werden dann mit einer Kunststofffolie gegen Umwelteinflüsse geschützt. Die Biegsamkeit ist durch das Trägerblech aber sehr begrenzt, die aufgebrachten Solarzellen sind eigentlich gar nicht (nur ganz bedingt) flexibel, da eine kristalline Siliziumstruktur sehr spröde ist. Anmerkung: Es gibt auch richtig biegsame Module, die sind auf Basis von amorphen Silizium (Dünnschicht) aufgebaut; vergessen wir hier, siehe Systemwirkungsgrad oben. Hier wird oft angeführt, das eine klassische Bauform mit Glasplatte und Alurahmen, leicht erhöht montiert, Vorteile bezüglich der Erwärmung bei Sonneneinstrahlung hat (Hinterlüftung). Das biegsame Modul hingegen wird ja direkt auf das Dach geklebt, aufgrund der erhabenen Kleberschichten (Dekasil o.ä.) besteht sowieso nahezu keine Wärmeableitung zum Fahrzeugdach (nur wenn es aus Blech ist, hätten wir hier keine relevante Wärmeleistung zu erwarten; bei GFK leitet sowieso so gut wie keine Wärme), die Hinterlüftung ist technisch nicht gegeben. Praktische Vergleichsmessungen haben da Temperaturunterschiede im Bereich von 3-5 Kelvin ergeben, das ist praktisch wenig relevant (höchstens wenn man keinen MPPT-Solarregler verwendet). Eher schon hat das vorhanden sein einer beschichteten Glasplatte über den Zellen negativere Effekte beim Diffuslichtverhalten als nur die dünne Folie. Nachteilig ist allemal aber bei die eingeschränkte Langzeitgüte der Biegsamen, sie sind eben nur mit einer dünnen Folie vor Umwelteinflüssen geschützt (Versprödung, Abrasion beim Reinigen). Biegsame Module haben definitiv ihren Vorteil, wenn der Platz auf dem flachen Dach nicht üppig ist, und man so den rundlichen oberen und hinteren Alkovenbereich des Daches nutzen kann (wenn man denn ein solches Mobil fährt). Ein weiterer Vorteil ist natürlich das nicht unerheblich niedrigere Gewicht der biegsamen Modul, ihr Nachteil ist aber der deutlich höhere Preis. Ich sehe den größten Nachteil, insbesondere bei der billigeren China-Ware, bei der Güte der Deckfolie, d.h. ihrem Langzeitverhalten. Bei den preisgünstigeren Modulen wird hier eine PET-Folie verwendet, die zum einen Nachteile bei der Langzeitstabilität hat, zum anderen nicht optimal lichtdurchlässig ist.. Meines Erachtens der wichtigste Punkt, da meist nur unzureichende Datenblätter zur Verfügung stehen; will man hier auch der sicheren Seite liegen, muss man explizit zu den Marine -Modulen mit gesicherter Salzwasserbeständigkeit greifen (nicht die dort weit verbreiteten Dünnschichtmodule verwenden), diese sind dann aber nochmals teurer. Die da verwendeten ETFE-Folien (vergl. PTFE) sind sehr stabil und meist auch dicker, da ETFE eine hervorragende Lichtdurchlässigkeit besitzt. 3/6

4 Interessant sind sie denke ich am ehesten für die WoMo-Eigner mit Zuladungsproblemen, 300Wp wiegen hier etwa 10-12kg, wohingegen klassische Rahmen-Module doch mit deutlich >30kg zu Buche schlagen. Mehr hierzu in einem der folgenden Artikel. Modulsystemspannungen und Solarregler Gleich vorweg, ein geeigneter Solarregler ist eigentlich nur der nach dem MPPT Schaltungsprinzip (aber MPPT ist auch nicht MPPT, hierzu in einem der folgenden Beiträgen mehr). Nur dieser kann, je nach Betriebssituation (Temperatur, Strahlungsleistung, Teilverschattungen), das Maximum aus den Modulen herausholen, dies ist definitiv immer mehr als beim einfachen Regler (oder auch PWM- Regler), unter optimalen Bedingungen können dies bis zu 23% mehr (ausgehend von einem 12V- Modul mit einer U mpp von etwa 17.2V) sein. Ein MPPT-Regler hat auch gerade im Winterbetrieb seine Vorteile, nämlich dann, wenn temperaturbedingt die Spannung des MPP am Solarmodul relativ hoch liegt. Betrachten wir die Solarmodule, es sind für uns sinnvoll nutzbar folgende Module am Markt erhältlich: 12V -Solarmodule mit typischerweise 36 Zellen in einer Verschaltung mit 2*18 Zellen in Reihe. Parallel zu den Zellsträngen dann zwei Überbrückungs- (Bypass-) Dioden (im allgemeinen in der Anschlussdose zu finden), so das bei Beschattung eventuell nur 18 Zellen (die Hälfte) ausfallen, der Strom an den inaktiven Zellsträngen vorbeifließen kann. Die Spannungswerte liegen hier bei U mpp ~18V und U oc ~22V (Arbeitspunkt und Leerlaufspannung) 24V -Solarmodule mit typischerweise 72 Zellen in einer Verschaltung mit 4*18 Zellen in Reihe. Parallel zu den Zellsträngen dann vier Bypassdioden (im allgemeinen in der Anschlussdose zu finden), so das bei Beschattung nur 1/4, 1/2, 3/4 oder alle Zellen ausfallen. Die Spannungswerte liegen hier bei U mpp ~36V und U oc ~44V (Arbeitspunkt und Leerlaufspannung) Solarmodule mit typischerweise 60 Zellen stellen eine Besonderheit dar, sind aber öfters zu bekommen. Sie haben eine Verschaltung mit 3*20 Zellen in Reihe. Zwischen den Zellsträngen dann drei Bypass Dioden (im allgemeinen in der Anschlussdose zu finden), so das bei Beschattung eventuell nur 1/3, 2/3 oder eben alle der Zellen ausfallen. Die Spannungswerte liegen hier bei U mpp ~30V und U oc ~37V (Arbeitspunkt und Leerlaufspannung). Sie sind nur mit einem geeigneten MPPT-Regler an 24V-Akkusystemen betreibbar, oder ansonsten nur mit starken Einschränkungen beim Temperaturbereich. Allerdings in 12V Systemen mit MPPT- Regler ideal einsetzbar. Die Besonderheiten von flexiblen Modulen und ihre Daten siehe in einem der folgenden Arrtikel. Reihenschaltung oder Parallelschaltung? Man hört oft, das Parallel-Schalten (np) wäre ideal, NEIN ist es nicht. Es ist allerdings die einfachste Art der Verschaltung und somit für den Laien sehr praktikabel. Besser ist das in Serie schalten (bei 12V-Modulen) maximal zweier Module gleicher Baugröße und diese dann auf einen MPPT-Regler zu führen. Sind mehr als zwei Module vorhanden (sinnvollerweise dann 4 Stück, dann dürfen auch zwei einen andere Leistungsklasse haben), dann diese jeweils in 2S schalten und auf getrennte MPPT-Regler führen (nicht zu 2S2P mit einem MPPT-Regler). Verwendet man 60/72 zellige Module, sollte man immer nur 1S verwenden, so bleiben die 4/6

5 Systemspannungen im Bereich der Kleinspannungen (recht ungefährlich), zumal die gängigen MPPT-Regler sowieso nur Systemspannungen bis 50/60V verkraften. Es gibt aber auch MPPT- Regler, die bis zu 150V Solarspannung verkraften, diese könnte man dann verwenden um auch 24V- Modulen in Serie schalten zu können, das sollte dann aber eine Elektrofachkraft installieren (Der KFZ-Elektriker beim Womo-Händler gilt hier dann nicht als Fachkraft ). Dies macht allerdings bei Ladung eines 12V-Akku s wenig Sinn, hierzu später mehr. Warum? Hier möchte ich mal eine Beispielkonfiguration aus, der Einfachheit halber, vier gleichen Modulen der 12V-Klasse mit üblichen Leistungen betrachten. Die unterschiedlichen Anordnungen spielen wir mal durch für den Fall, das ein Modul derart teilbeschattet wird, das ein Zellenstrang ausfällt, bei 36 zelligen Modulen bedeutet dies im Allgemeinen das ein halbes Modul keine Leistung bringt. genaue Modulwerte brauchen wir hier nicht, es geht ausschließlich um die Relationen. Verschaltung in 4p auf einen MPPT-Regler Ein Modul wird teilbeschattet (1/2 Modul fällt aus). Es ergibt sich dann ein MPP (Maximum Power Point) dieses Moduls bei etwa 9V (18V/2), die drei anderen liegen bei 18V. Also wird der MPPT- Regler seinen maximalen Leistungspunkt bei 18V finden, ergo fällt das 4te Modul komplett aus, es liefert zu wenig Spannung und somit zwangsweise keinen Strom > Leistungsverlust 25%. Zur Erläuterung: Es ergeben sich zwei mögliche Arbeitspunkte; der eine bei rund 18V, da arbeiten aber nur 3 Solarmodule (3 1 =3), der andere alle vier arbeiten bei 9V (4 0.5 = 2), das ist deutlich weniger. Ein MPPT-Regler mit korrekt implementierten einfachen Algorithmus wird den ersten Fall anwenden (den MP-Punkt dort finden). Verschaltung in 2S2P auf einen MPPT-Regler Ein Modul wird teilbeschattet (1/2 Modul fällt aus). Es ergibt sich dann für den ersten seriellen Strang ein MPP von 9V+18V = 27V, für den zweiten seriellen Strang ergibt sich ein Arbeitspunkt von 36V theoretisch. Der MPPT-Regler wird nun aber einen MPP suchen und ihn bei 27V, der Systemspannung des gestörten ersten Stranges finden. Das Ergebnis, die Leistung fällt um den Faktor 27V/36V, also Zur Erläuterung: Es ergeben sich zwei mögliche Arbeitspunkte; der eine bei rund 27V, da arbeiten (vereinfacht dargestellt) aber nur 2 Solarmodule mit voller Spannung und zwei mit halber Spannung (2X1 + 2X0.5 = 3), der andere, 36V mit nur zwei Modulen (2 1 = 2), das ist nun deutlich weniger. Hier werden jedoch nur MPPT-Regler, die zyklisch einen Full-Scan durchführen, den richtigen Betriebspunkt finden, dazu später mal mehr. Im Ergebnis genauso wie bei 4P, ein Leistungsverlust von 25%. Allerdings würde ich diese Anordnung(im Vergleich zu 4P) dennoch bevorzugen, da durch die serielle Verschaltung die Ströme halbiert sind und somit die Leistungsverluste (Kupferverluste) in den Leitungen vom Solarmodul zum Regler halbiert sind. Zu den Leitungsverlusten wird in einem späteren Beitrag nochmals konkret eingegangen. Verschaltung in 2S-MPPT + 2S-MPPT mit zwei getrennten Reglern Ein Modul wird teilbeschattet (1/2 Modul fällt aus). Es ergibt sich dann für den ersten seriellen Strang ein MPP von 9V+18V = 27V, für den zweiten seriellen Strang ergibt sich ein Arbeitspunkt von 36V. Die MPPT-Regler werden sich nun aber auf den jeweils optimalen MPP einstellen, 27V im ersten Strang, 36V im zweiten Strang. Der erste Strang liefert nur noch 75% seiner Leistung, der 5/6

6 zweite aber weiterhin 100%, in Summe ergibt sich dann (0.75+1)/2 = (87.5%). Also deutlich, nämlich 16.7%, mehr als in den anderen Anordnungen 4p bzw. 2S2P. Der Leistungsverlust entspricht dann immer nur dem Anteil, welches das jeweilige Modul verschattet ist und somit immer dem Maximum der Erreichbaren. Zur Bewertung der Ergebnisse muss ich wohl nicht hinzufügen. Anmerken möchte ich nur noch, wenn genügend Sonne da ist, spielt das weniger ein Rolle, aber bei sowieso wetterbedingt reduziertem Ertrag sind diese Größen durchaus relevant. Fazit Wichtig für uns der gestörte Betrieb mit Teilbeschattung (gilt analog auch für ein defektes Modul), vor allem auch in der Schwachlicht Jahreszeit, denn dann lechzen wir nach den kleinen % - Werten beim Mehrertrag Bei viel Sonne kriegen wir die Batterie ja sowieso (fast) immer voll. 1. Wenn man mit zwei 12V-Modulen arbeiten möchte, diese in 2S verschaltet an einen MPPT- Regler anschalten. 2. Wenn man mit 4 oder mehr 12V-Modulen arbeiten möchte, dann optimalerweise immer nur 2S an einen MPPT-Regler, also mehrere Regler verwenden (es ginge natürlich auch je ein MPPT- Regler je Solarmodul, wäre halt etwas teurer). 3. Serielle Verschaltung von 12V-Modulen ist wegen der geringeren Leistungsverluste der Parallelen vorzuziehen, Ziel sollte jedoch sein, die Systemspannung noch unter 50-60V zu halten, so das man ein Kleinspannungssystem hat (relativ ungefährlich, mehr darf ein KFz- Elektriker auch nicht) 4. Ungerade Anzahlen von Solarmodulen (typ. 3) zwingen zur Parallelschaltung, dies ist nicht zu favorisieren alternativ auf mehrere MPPT-Regler auch hier ausweichen. 5. Mehrere Solarregler haben den Vorteil, das bei Ausfall eines Reglers der Solarertrag nicht gleich ganz auf Null fällt (macht den Urlaub stressfreier). 6/6