3. Photovoltaik. Eigenschaften von Solarzellen Von der Solarzelle zum Modul Netzeinspeisung. Prof. Dr. Josef Hofmann. Folie Nr. 1

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1 3. Photovoltaik Eigenschaften von Solarzellen Von der Solarzelle zum Modul Netzeinspeisung Folie Nr. 1

2 Eigenschaften von Solarzellen Abhängigkeiten: Bestrahlungsstärke Temperatur Abschattungen Folie Nr. 2

3 Einfaches Ersatzschaltbild Solarzelle besitzt physikalisch gleichen Aufbau wie eine Diode. Eine Solarzelle verhält sich wie großflächige Diode: Einfaches Ersatzschaltbild Quelle: V. Quaschning, Regenerative Energiesysteme, Hanser-Verlag 2009 Drei Variable: Intensität der Solarstrahlung Temperatur der Zelle beeinflusst Leerlaufspannung Fläche der Zelle (Strom I abhängig von der Fläche der Solarzelle) Gleichung der Strom-Spannungs-Kennlinie: I U I Ph IS exp 1 m UT I s : Sättigungsstrom in Diodensperrichtung (~10-10 A) I Ph : Photostrom U T : Temperaturspannung (bei 25 C: 25,7 mv m: Diodenfaktor U: Zellspannung Folie Nr. 3

4 Strom-Spannungs-Kennlinie (1) Beispiel: Ermittlung der Strom-Spannungs-Kennlinie eines Solarmoduls Schaltbild Aufbau Quelle: C. Vogt, S. Höller, U. Küter, Brennstoffzellen im Unterricht, Hydrogeit-Verlag 2008 Folie Nr. 4

5 Strom-Spannungs-Kennlinie (2) MPP: Maximum Power Point Kurzschlussstrom I K Arbeitspunkte Leerlaufspannung U L Quelle: C. Vogt, S. Höller, U. Küter, Brennstoffzellen im Unterricht, Hydrogeit-Verlag 2008 Folie Nr. 5

6 Leistungskurve P MPP = U MPP I MPP Leerlaufspannung Quelle: C. Vogt, S. Höller, U. Küter, Brennstoffzellen im Unterricht, Hydrogeit-Verlag 2008 Folie Nr. 6

7 I-U und P-U- Kennlinien Quelle: V. Quaschning, Regenerative Energiesysteme, Hanser-Verlag 2009 Folie Nr. 7

8 Wichtige Solarzellenparameter Quelle: V. Quaschning, Regenerative Energiesysteme, Hanser-Verlag 2009 Folie Nr. 8

9 Vergleich Solarzellenparameter Quelle: V. Quaschning, Regenerative Energiesysteme, Hanser-Verlag 2009 Folie Nr. 9

10 Bestrahlungsstärke Quelle: V. Quaschning, Regenerative Energiesysteme, Hanser-Verlag 2009 Folie Nr. 10

11 Temperaturabhängigkeit Quelle: V. Quaschning, Regenerative Energiesysteme, Hanser-Verlag 2009 Folie Nr. 11

12 Temperaturkoeffizienten von Modulen UL : Temperaturkoeffizient der Leerlaufspannung IK : Temperaturkoeffizient des Kurzschlussstroms PMPP : Temperaturkoeffizient bei maximaler Leistung (am MPP) Quelle: V. Quaschning, Regenerative Energiesysteme, Hanser-Verlag 2009 Folie Nr. 12

13 Temperatureinfluss und Ertrag Quelle: Deutsche Gesellschaft für Solarenergie, Photovoltaische Anlagen, DGS Landesverband Berlin Brandenburg e.v., 2008 Folie Nr. 13

14 Von der Solarzelle zum Solarmodul 1 0,5 V 0,5 V 1,5 V 0,5 V Ähnlich wie bei Batterien, werden mehrere Solarzellen hintereinander (in Reihe) geschaltet. So lassen sich praktikable Spannungen erzeugen. U Modul = U zelle I Modul = I Zelle1 = I Zelle2 =... Folie Nr. 14

15 Von der Solarzelle zum Solarmodul 2 Konstruktion einer Modulkennlinie mit 36 Zellen aus den Zellkennlinien Quelle: V. Quaschning, Regenerative Energiesysteme, Hanser-Verlag 2009 Folie Nr. 15

16 Solarmodule und Verschattung 1 Quelle: V. Quaschning, Regenerative Energiesysteme, Hanser-Verlag 2009 Folie Nr. 16

17 Solarmodule und Verschattung 1 Quelle: V. Quaschning, Regenerative Energiesysteme, Hanser-Verlag 2009 Folie Nr. 17

18 Solarmodule und Verschattung 2 Strom-Spannungs- und Leistungs-Spannung-Kennlinien eines Moduls mit 36 Zellen und zwei Bypassdioden über jeweils 18 Zellen bei unterschiedlichen Verschattungen Quelle: V. Quaschning, Regenerative Energiesysteme, Hanser-Verlag 2009 Folie Nr. 18

19 Technische Daten von Solarmodulen Quelle: V. Quaschning, Regenerative Energiesysteme, Hanser-Verlag 2009 Folie Nr. 19

20 Vom Modul zum Solargenerator Parallelschaltung Zusammenschaltung Reihenschaltung Quelle: Deutsche Gesellschaft für Solarenergie, Photovoltaische Anlagen, DGS Landesverband Berlin Brandenburg e.v., 2008 Folie Nr. 20

21 Nutzung von Solarstrom Generatoranschlußkasten Generatoranschlußkasten Solargenerator Solargenerator Stromzähler Hausanschluß Wechselrichter Wechselrichter Batteriespeicher Laderegler Quelle: V. Quaschning, Regenerative Energiesysteme, Hanser-Verlag 2009 Folie Nr. 21

22 Strangdioden und Generatoranschluss Generatoranschlusskasten für Generator 5,04 kw peak Quellen: links: Deutsche Gesellschaft für Solarenergie, Photovoltaische Anlagen, DGS Landesverband Berlin Brandenburg e.v., 2008, rechts: J. Hofmann Folie Nr. 22

23 Beispiel: PV-Anlage 5,04 kw peak (1) Folie Nr. 23

24 Beispiel: PV-Anlage 5,04 kw peak (2) Solargenerator: 1 String (18 Module zu 120 W peak ) 2 Strings parallell (12 Module a 120 W peak ) Folie Nr. 24

25 Beispiel: PV-Anlage 5,04 kw peak (3) Wechselrichter: Fronius 1 x 2200 W peak, 1 x 1600 W peak Einspeisezähler, 1-phasig Folie Nr. 25

26 Beispiel: PV-Anlage 5,04 kw peak (4) Module: Kyocera KC Ausrichtung: Dachneigung: nach Westen Inbetriebnahme: x Modulaustausch: Juni 2002 und Juni 2007 wegen schadhafter Lötverbindungen zwischen Solarzellen (Leistungsabfall) Folie Nr. 26

27 Stromertrag in kwh Beispiel: PV-Anlage 5,04 kw peak (5) Ertragssum m en Dezember November Oktober September August Juli Juni Mai April März Februar Januar Jahr Folie Nr. 27

28 Wechselrichter (Inverter) Warum Wechselrichter? Photovoltaik-Generator liefert Gleichstrom, meist bis ca. 700 V Zur Integration in das öffentliche Stromnetz oder zum Anschluss von Wechselstromgeräten wird jedoch Wechselstrom (230 V, 50 Hz, einphasig bzw.400 V, 50 Hz, dreiphasig) benötigt. Arten von Wechselrichter: Inselwechselrichter Netzwechselrichter Prinzip eines netzgekoppelten Wechselrichters Bis ca. 5 kw peak : einphasig Über 5 kw peak : dreiphasig Quelle: Deutsche Gesellschaft für Solarenergie, Photovoltaische Anlagen, DGS Landesverband Berlin Brandenburg e.v., 2008 Folie Nr. 28

29 Funktionen eines Wechselrichters Umwandlung des vom PV-Generator erzeugten Gleichstromes in einen netzkonformen Wechselstrom Automatische Anpassung des Arbeitspunktes des Wechselrichters an den MPP des PV-Generators (MPP- Regelung) Betriebsdatenerfassung und Signalisierung (z.b. Anzeige, Datenspeicherung, Datenübertragung) DC- und AC-Schutzeinrichtungen (z.b. Verpolungsschutz, Überspannungs- und Überlastschutz, Überwachungs- und Schutzeinrichtungen zur Einhaltung der VDEW-Richtlinien für Eigenerzeugungsanlagen) Folie Nr. 29

30 Netzkoppelung von PV-Anlagen Einsatz netzgeführter Wechselrichter, d.h. nur bei Vorhandensein von Netzstrom mit 50Hz und 230V (400V) arbeitet der Wechselrichter Quelle: Deutsche Gesellschaft für Solarenergie, Photovoltaische Anlagen, DGS Landesverband Berlin Brandenburg e.v., 2008 Folie Nr. 30

31 Wechselrichter mit/ohne Trafo Quelle: Deutsche Gesellschaft für Solarenergie, Photovoltaische Anlagen, DGS Landesverband Berlin Brandenburg e.v., 2008 Folie Nr. 31

32 Wirkungsgrade von Wechselrichtern Wirkungsgrade verschiedener Wechselrichter = P AC / P DC P AC : momentane Ausgangswirkleistung P DC : Eingangswirkleistung Häufigkeit und Energie verschiedener Einstrahlungsklassen bei einer Anlage mit Südausrichtung und 30 Neigung in München Quelle: Deutsche Gesellschaft für Solarenergie, Photovoltaische Anlagen, DGS Landesverband Berlin Brandenburg e.v., 2008 Folie Nr. 32

33 Europäischer Wirkungsgrad Definition: 100% Wirkungsgrad im Nennfall, d.h. an 20% der Tage eines Jahres erreicht der Wechselrichter eine 100%-ige Belastung Vergleich unterschiedlicher Wechselrichter hinsichtlich ihres Wirkungsgrades (gewichtet nach dem europäischen Klima) Bisher aber keine Normung erfolgt Entscheidend für guten Gesamtwirkungsgrad einer Anlage ist eine gute Anpassung, d.h. passende Auswahl des Wechselrichters für den jeweiligen Solargenerator Quelle: Deutsche Gesellschaft für Solarenergie, Photovoltaische Anlagen, DGS Landesverband Berlin Brandenburg e.v., 2008 Folie Nr. 33