Übersicht über die Vorlesung Solarenergie

Transkript

1 Übersicht über die Vorlesung Solarenergie Einleitung 2. Die Sonne als Energiequelle 3. Halbleiterphysikalische Grundlagen 4. Kristalline pn-solarzellen 5. Elektrische Eigenschaften 6. Optimierung von Si-Solarzellen 7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen 8. Third Generation Photovoltaics 9. PV-Systemtechnik 9.1 Kennlinienfelder 9.2 Erweiterung des Ersatzschaltbildes 9.3 Solarmodule 9.4 Photovoltaische Anwendungen 9.4 Spannungsanpassung (fortgesetzt) 9.5 MPP-Tracking 9.6 Speicherung 9.7 Wechselrichter 9.8 PV-Kraftwerke

2 Invertierender Wandler 11.2 T E u2 = U1 T A

3 Eintakt-Sperrwandler 11.3 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.

4 Übersicht über die Vorlesung Solarenergie Einleitung 2. Die Sonne als Energiequelle 3. Halbleiterphysikalische Grundlagen 4. Kristalline pn-solarzellen 5. Elektrische Eigenschaften 6. Optimierung von Si-Solarzellen 7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen 8. Third Generation Photovoltaics 9. PV-Systemtechnik 9.1 Kennlinienfelder 9.2 Erweiterung des Ersatzschaltbildes 9.3 Solarmodule 9.4 Photovoltaische Anwendungen 9.4 Spannungsanpassung (fortgesetzt) 9.5 MPP-Tracking 9.6 Speicherung 9.7 Wechselrichter 9.8 PV-Kraftwerke

5 MPP-Regler (Tracker) 11.5 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

6 MPP-Tracker Teil I 11.6 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: 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. kt e U m kt / e MPP UMPP = UOC m ln(1 + )

7 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.

8 Übersicht über die Vorlesung Solarenergie Einleitung 2. Die Sonne als Energiequelle 3. Halbleiterphysikalische Grundlagen 4. Kristalline pn-solarzellen 5. Elektrische Eigenschaften 6. Optimierung von Si-Solarzellen 7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen 8. Third Generation Photovoltaics 9. PV-Systemtechnik 9.1 Kennlinienfelder 9.2 Erweiterung des Ersatzschaltbildes 9.3 Solarmodule 9.4 Photovoltaische Anwendungen 9.4 Spannungsanpassung (fortgesetzt) 9.5 MPP-Tracking 9.6 Speicherung 9.7 Wechselrichter 9.8 PV-Kraftwerke

9 Akkumulator als Solarenergiespeicher 11.9 Blockingdiode, meist Schottky-Diode (U D =0,4 V), um Vorwärtsverluste klein zu halten, verhindert Entladung des Akkus 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. Batteriespannung steigt mit zunehmendem Ladestrom bzw. Bestrahlungsstärke; es werden bei unterschiedlichen Einstrahlungen gute Arbeitspunkte erreicht auf Spannungswandler und MPP-Tracker kann meist verzichtet werden.

10 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.

11 Übersicht über die Vorlesung Solarenergie Einleitung 2. Die Sonne als Energiequelle 3. Halbleiterphysikalische Grundlagen 4. Kristalline pn-solarzellen 5. Elektrische Eigenschaften 6. Optimierung von Si-Solarzellen 7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen 8. Third Generation Photovoltaics 9. PV-Systemtechnik 9.1 Kennlinienfelder 9.2 Erweiterung des Ersatzschaltbildes 9.3 Solarmodule 9.4 Photovoltaische Anwendungen 9.4 Spannungsanpassung (fortgesetzt) 9.5 MPP-Tracking 9.6 Speicherung 9.7 Wechselrichter 9.8 PV-Kraftwerke

12 Klassifizierung der Wechselrichter Quelle: FZ Jülich

13 Klassifizierung der Ventile Quelle: FZ Jülich

14 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. Rechteckform beinhaltet viele Oberschwingungen; problematisch bei kapazitiven oder induktiven Eingängen des Verbrauchers!

15 Rechteck-Wechselrichter Sechspuls-Brückenschaltung (B6) Zur Vermeidung von Asymmetrien durch ungleiche Belastung der Zweige eines Drehstromnetzes bei Einspeisung größerer Ströme auf nur eine Phase

16 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.

17 Transformatorlose Geräte ohne Hochsetzsteller Das Fehlen des Netztransformators führt zu einer erheblichen Einsparung an Gewicht, Volumen und Kosten, und der Wirkungsgrad liegt um mehrere Prozentpunkte über dem vergleichbarer Transformatorgeräte. Quelle: H. Schmidt, B. Burger, K. Kiefer Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

18 Transformatorlose Wechselrichter mit Hochsetzsteller Ein Nachteil der transformatorlosen Wechselrichtern ist es, dass die Solargeneratorspannung größer sein muss als die Amplitude der Netzspannung, also unter Einbeziehung von Toleranzen größer als ca. 350 V. In vielen marktüblichen Wechselrichtern wird daher zwischen Solargenerator und Wechselrichter noch ein Hochsetzsteller eingefügt, der bei Eingangsspannungen unterhalb 350 V diese auf den erforderlichen Wert der Zwischenkreisspannung (der Spannungen C2) anhebt. (Wirkungsgradverlust ca.2%) Transformatorloser Wechselrichter mit Hochsetzsteller Quelle:H. Schmidt, B. Burger, K. Kiefer Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

19 Kommerzielle Netzwechselrichter 11.19

20 Wechselrichter-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!

21 Vergleich Wechselrichter PV Anlagen, DGS

22 Übersicht über die Vorlesung Solarenergie Einleitung 2. Die Sonne als Energiequelle 3. Halbleiterphysikalische Grundlagen 4. Kristalline pn-solarzellen 5. Elektrische Eigenschaften 6. Optimierung von Si-Solarzellen 7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen 8. Third Generation Photovoltaics 9. PV-Systemtechnik 9.1 Kennlinienfelder 9.2 Erweiterung des Ersatzschaltbildes 9.3 Solarmodule 9.4 Photovoltaische Anwendungen 9.4 Spannungsanpassung (fortgesetzt) 9.5 MPP-Tracking 9.6 Speicherung 9.7 Wechselrichter 9.8 PV-Kraftwerke

23 : Kosten, Inv.-Wirkungsgr. -: empfindlich Abschattung -: Ausfallempfindlichkeit +: bessere Anpassung -: höherer Aufwand Standard für netzgek. Anlagen +: Optimale Anpassung -: Schaltungstechnik nur für Kleinanlagen download.sma-america.com

24 Master-Slave Konzept Verbesserter Teillastwirkungsgrad (Bei kleinen Einstrahlungen arbeitet nur der Master!) Quelle: PV Anlagen, DGS

25 Blockschaltbild eines Strangwechselrichters 11.25

26 Kostenaufteilung PV-Kraftwerk Quelle: FVS

27 11.27

28 eine weitere deutsche Erfolgsgeschichte: SMA Solar Technology AG 11.28

29 11.29

30 11.30 shop.fotovoltaikshop.de

31 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

32 11.32

33 11.33

34 11.34

35 ( )