lrich E. Stempel FRANZIS DO IT YOURSELF 0 Experimente mit olarenergie rundlagen und Möglichkeiten der Photovoltaik Solarstrom in Gold-Caps kostengünstig speichern Steuern und Regeln mit Solarenergie Mess- und Ladeschaltungen aufbauen
5 Vorwort Der Begriff Solarenergie umfasst ein umfangreiches Thema. Wenn Sie alle Möglichkeiten der Solarenergie betrachten möchten, werden die meisten wissenschaftlichen Bereiche unserer Welt wie z. B. die Biologie, die Physik, die Chemie und auch die Elektronik berührt. Eine der zentralen Anwendungen für unsere Energieversorgung in der Zukunft ist der Bereich der Photovoltaik (Photo = Licht, Voltaik = Strom). In vielen Bereichen des Alltags haben sich inzwischen solare Technologien etabliert, beispielsweise in autonomen Verkehrsleitsystemen im Bereich der Autobahn, bei solarenergiegespeisten Armbanduhren und Messgeräten. Anhand des Buchs und des Lernpakets können neben den solaren Grundprinzipien auch Anwendungen der Solarenergie im Bereich Messen, Steuern und Regeln mit Solarenergie praktisch erforscht werden. Sie können den Umgang mit dieser Technik auf einfache Art erfahren und bei der Verwendung des Solarmoduls und weiterer vorgestellter Komponenten Grundsätzliches erproben. In diesem Buch sind mit geringem Aufwand die ersten Zusammenhänge und die Grundprinzipien sowie die elektronischen Grundschaltungen experimentell aufbaubar. Zugleich können weiterführende eigene solartechnische Projekte für höhere Ansprüche anhand der vorgestellten Beispiele verwirklicht werden. Für jede der hier vorgestellten Anwendungen wird der Bezug zur solaren Alltagsanwendung hergestellt. Ich wünsche Ihnen viel Freude und Erfolg beim Experimentieren mit Solarenergie! Ihr Ulrich E. Stempel Vorbereitungen Haben Sie das Buch ohne das Lernpaket gekauft, können die vorgestellten Experimente mit wenigen, meist preiswerten Teilen aus der Bastelkiste oder extra gekauft durchgeführt werden. Im Anhang finden Sie eine Liste der Teile und Liefernachweise für den Bezug der Komponenten.
6 Vorwort Wenn Sie das Buch mit dem durch den Franzis Verlag zusammengestellten Lernpaket erworben haben, liegen alle wichtigen Teile für Sie bereit und Sie können sofort anfangen. Für die Experimente und Versuche brauchen Sie weder Batterien noch eine zusätzliche Stromversorgung. Damit ist das Lernpaket überall und über Jahrzehnte gebrauchsfähig und kann auch ohne Probleme über längere Zeit verwahrt und dann wieder benutzt werden. Als sinnvolle und hilfreiche Ergänzung kann ein Vielfachmessinstrument (Multimeter) und/oder eine Schnittstelle zum Computer zur Strom- und Spannungsmessung verwendet werden. Damit können zusätzliche Experimente durchgeführt werden und es sind weitere spannende Zusammenhänge erfahrbar. Außerdem ist es nützlich, eine handelsübliche Akkuzelle der Größe AA (Mignon) oder AAA (Micro) für einige Experimente der Ladetechnik zur Verfügung zu haben. Das Buch vermittelt die wichtigsten Grundlagen der Solartechnik. Außerdem werden beispielhafte praktische Anwendungen vorgestellt, mit deren Hilfe es möglich wird, eigene Schaltungen und Erfindungen rund um die PV-Solartechnik zu entwickeln. Sie können Ihr Lernpaket auch um eine Sortimentsbox ergänzen. Darin werden alle Einzelteile griffbereit und übersichtlich aufbewahrt.
7 Inhaltsverzeichnis 1 Hinweise zu den Komponenten... 11 1.1 Das Experimentierbrett...11 1.2 Die Solarmodule...14 1.3 Transistoren...16 1.4 Diode...17 1.5 Leuchtdioden...19 1.6 Piezo-Schallwandler...21 1.7 Drehspulinstrument...21 1.8 Widerstände...23 1.9 Kondensator...26 1.10 Elektrolytkondensatoren (Elkos)...27 1.11 Gold-Caps...28 1.12 Tastschalter...29 1.13 Magnetspule...30 1.14 Scheibenmagnet...32 1.15 Akkuhalter...33 1.16 Experimentierstrippen...33 1.17 Schaltdraht...34 2 Grundlagen... 35 2.1 Die Lichtquelle...35 2.1.1 Lichtspektrum...36 2.1.2 Lichtverluste...39 2.2 Das Solarmodul...40 3 Grundversuche Solarmodul... 49 3.1 Solarmodule, erster Test...49 3.2 Messtechnische Möglichkeiten...51 3.3 Die Polarität der Solarzellen oder des Moduls...51 3.3.1 Der Polaritätsprüfer...53 3.4 Drehspulinstrument zur Spannungs- und zur Leistungsanzeige...54 3.4.1 Messen von Strom (Kurzschlussstrom)...55 3.4.2 Messen der Spannung (Leerlaufspannung)...60 3.4.3 Die Solarkennlinie messen...65 3.5 3.6 Welchen Einfluss hat die Temperatur?...67 Reihen- und Parallelschaltung...71
8 Inhaltsverzeichnis 3.7 Reihenschaltung von Solarmodulen...73 3.8 Parallelschaltung...76 3.9 Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung...79 3.10 Was bewirkt der Schatten auf dem Modul?...79 3.11 Ausrichtung des Moduls zur Lichtquelle...83 3.11.1 Nachführungssteuerung mit Solarmodulen...86 3.11.2 Fernsteuerung mit Sonnenstrahlen...90 3.12 Zusätzlicher Energieertrag durch Spiegeltechnik?...91 4 Thema Energie... 95 4.1 Solarmodule, ohne Verbraucher...95 4.2 Der Strom wird abgenommen und verwendet...98 4.2.1 Mit dem Kondensatorspeicher...100 5 Ladeschaltungen... 105 5.1 Gespeicherte Energie...106 5.1.1 Rückstromsperre mit Sperrdiode...108 5.2 Speicherung der Solarenergie in Gold-Caps...111 5.3 Akkuladung, Ladeverfahren...117 5.3.1 Konstantstromladen...118 5.3.2 Erhöhen des Ladestroms...122 5.3.3 Impulsladung...124 5.3.4 Laderegler...126 5.3.5 Ladeüberwachung und Tankanzeige...129 5.4 Spannungswandler...133 5.4.1 5.4.2 Spannungswandler im Einsatz...134 Gold-Cap und Spannungswandler...135 5.4.3 Akkuzelle und Spannungswandler...139 6 Steuern und regeln mit Solarenergie... 141 6.1 Steuerung mit Licht...141 6.1.1 LED als Solarzelle?...141 6.1.2 Lichtsensor, Helligkeitsmesser...142 6.1.3 Automatisches Nachtlicht...144 6.1.4 Nachtlicht mit dem Gold-Cap...146 6.1.5 Nachtlicht mit Akkuzellen...148 6.1.6 Solarblitzlicht...151 6.1.7 Solar-Power-Blinklicht...152 6.2 Jetzt kommt Bewegung rein...154 6.2.1 Die solare Direktstromversorgung...154 6.2.2 Der hüpfende Magnet...155 6.2.3 Pulsierende Bewegung durch Solarenergie...157 6.2.4 Solarenergie, umgewandelt in Pendelbewegung...159
Inhaltsverzeichnis 9 6.2.5 Solarenergie mit noch mehr Output...163 6.3 Solarer Wasserstoff, Technologie mit Zukunft...165 6.3.1 Wasseraufspaltung...165 6.3.2 Solarer Wasserstoff...169 6.3.3 Gepulster Solarstrom...171 6.3.4 Hochfrequenter Solarstrom...172 6.3.5 Verwendung des solaren Wasserstoffs...174 7 Messtechnische Möglichkeiten mit dem PC... 177 7.1 Messen der Spannung...178 7.2 Messen des Stroms...181 7.3 Die Solarkennlinie messen...183 7.4 Leistungsmessung bei zunehmender Temperatur...184 8 Erforderliche Komponenten... 187 8.1 Bezugsquellen für die Elektronikbauteile...188 9 Anhang: Prüfen von Bauteilen und Problembehebung... 189 9.1 Prüfen von Leuchtdioden...189 9.2 Prüfschaltung für Transistoren...191 9.2.1 Transistortester für den NPN-Typ...192 9.2.2 Transistortester für den PNP-Typ...193 9.2.3 Durchgangsprüfer...194 9.3 Formelsammlung...195 9.3.1 Ohmsches Gesetz...195 9.3.2 9.3.3 Parallelschaltung von Widerständen...196 Serienschaltung von Widerständen...196 9.3.4 Leistungsberechnung...197 9.4 Troubleshooting...197 Stichwortverzeichnis... 199
40 Kapitel 2: Grundlagen ca. 300.000 km/sek. Mit wachsender Entfernung der Lichtquelle wird die Strahlungsdichte geringer (Entfernung Erde/Sonne: 150.000.000 km). Wenn dem nicht so wäre, würde auf der Erde alles verbrennen. Das erste»spektrale Hindernis«für die zur Erde kommenden Lichtstrahlen sind die Erdatmosphäre und die unteren Luftschichten. Von den ca. 1.300 W/m² außerhalb der Erdatmosphäre treffen bei senkrechter Einstrahlung und wolkenlosem, klarem Himmel ca. 1.000 W/m² als Globalstrahlung auf die Erde auf. Bis das Sonnenlicht in unsere Wohnung kommt, werden die Strahlungsanteile weiter reduziert. Je nachdem, aus welchen Materialien die»verglasung«besteht, werden weitere Anteile der Lichtstrahlung ausgefiltert. Normales Fensterglas filtert fast den kompletten UV-Anteil aus dem Lichtspektrum heraus. Zudem gibt es beschichtete Gläser und Mehrfachverglasungen, womit weitere 10 bis 20 % weniger Lichtenergie hinter der Glasscheibe zur Verfügung stehen. Bei den Versuchen können Sie leicht feststellen, dass die Leistungsabgabe des Solarmoduls z. B. am offenen Fenster höher als im Raum oder hinter der Glasscheibe ist. Bezug zum Alltag: Licht, das durch Glasscheiben»strahlt«, verliert an Energie, da bestimmte Anteile aus dem Lichtspektrum herausgefiltert werden. Solarzellen hinter Glas (je nach Glasart) erhalten grundsätzlich weniger Lichtenergie. Die speziellen Gläser, mit denen Solarzellen abgedeckt sind, lassen möglichst viel Strahlungsenergie»Licht«durch. Zudem gibt es bearbeitete Gläser, die dank rauer Oberfläche weniger Licht reflektieren und dadurch den Modulwirkungsgrad erhöhen. 2.2 Das Solarmodul Einzelne Solarzellen (Mono- und Polykristallin) haben in der Regel eine Leerlaufspannung von 0,5 bis 0,6 V pro Zelle. Um eine brauchbare Spannung von z. B. 2,5 V zu erhalten, werden mehrere einzelne Zellen zu einem Modul zusammengeschaltet. Für die Experimente können sowohl kleine Solarmodule, bestehend aus mono- oder polykristallinen Zellen, als auch amorphe Solarmodule verwendet werden. Die erforderlichen und empfohlenen Leistungswerte finden Sie in der Komponentenliste.
2.2 Das Solarmodul 41 Bild 2.5: Solarmodul, bestehend aus 50 einzelnen Solarzellen Anders sieht dies bei den amorphen Modulen aus. Amorphe Solarmodule (wie sie auch dem Lernpaket beigelegt wurden) haben eine gräuliche bis rötlich schimmernde spiegelnde Oberfläche mit quer verlaufenden roten und grauen, punktierten Streifen. Es sieht aus, als ob die Schicht auf der Rückseite aufgedruckt worden wäre. Tatsächlich wurde bei der Herstellung das Silizium direkt auf das Trägermaterial aufgedampft. Als Trägermaterial kommt meist Glas, seltener kommen durchsichtiger Kunststoff oder spezielle Folien in Betracht. Die amorphe Modulart zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus: Der fotoaktive Teil der Zelle besteht aus einem völlig unstrukturierten,»glasartigen«mischmaterial aus Silizium und Wasserstoff. Während der ersten 100 Betriebsstunden tritt eine Verminderung des Wirkungsgrads ein (Degradation, Staebler-Wronski-Effekt). Der Initialwirkungsgrad beträgt heute etwa 7 % bis 11 %, der langfristig stabile 5 % bis 9 %. Der Wirkungsgrad des Moduls im Lernpaket hat einen langfristigen Wirkungsgrad von durchschnittlich 4 bis 6 %. Die Schichtdicke beträgt weniger als 1 µm, daher wird für diese Zellenart auch die Bezeichnung Dünnschichtzelle verwendet. Die Produktionskosten sind allein wegen der im Vergleich zu den anderen beiden Zelltypen weit niedrigeren Materialkosten geringer, der Materialverbrauch beträgt im Vergleich zu kristallinen Zellen lediglich 1/20 bis 1/100.
42 Kapitel 2: Grundlagen Im Modul sind die»einzelnen«zellen intern auf Betriebsspannung verschaltet, d. h., es gibt keine separaten Zellen wie bei den mono- und polykristallinen Solarmodulen. Die einzelnen Zellabschnitte können Sie daran erkennen, dass die gesamte Fläche durch Kontaktstreifen unterteilt ist. Die Zellspannung bei amorphen Modulen liegt bei etwa 0,6 bis 0,7 V. Die Rückseite ist mit einer Schutzschicht versehen. Wäre dieser Schutzlack nicht vorhanden, könnte die Solarbeschichtung z. B. durch Kratzer Schaden nehmen. Die beiden Anschlussdrähte sind auf Lötpunkten angelötet und können zusätzlich durch Klebebänder gesichert werden, damit die Kabel nicht abreißen. Die Energieamortisation für dieses Solarmodul, d. h., der Zeitraum den es benötigt, um die Energie, die für seine Herstellung nötig war, wieder einzuspielen liegt weit unter einem Jahr (4 bis 8 Monate). Damit ist diese Modulart besonders ressourcenschonend. Achtung: Die Schutzschicht auf der Rückseite des Solarmoduls nicht abziehen oder beschädigen! Dadurch würde das Solarmodul zerstört. Bild 2.6: Solarmodul von oben Bild 2.7: Solarmodul von unten
2.2 Das Solarmodul 43 Um das Prinzip darzustellen, wie eine Solarzelle aufgebaut ist und funktioniert, wird nachfolgend der Aufbau von monokristallinen und polykristallinen Solarzellen gezeigt: Bei der kristallinen Verfahrensweise ist das Solarmodul aus mehreren einzelnen Solarzellen aufgebaut. Diese bestehen aus sehr dünnen Halbleiterschichten. Oben befindet sich die N-Schicht, zur besseren Absorption des Lichts dunkelblau beschichtet. Die untere Schicht ist die P-Schicht. Die Schichten werden durch absichtliche Dotierung so verunreinigt, dass eine negative und eine positive Schicht entstehen. Das Licht regt die Elektronen zur Bewegung an und es entsteht eine Spannung zwischen den beiden Schichten. Diese Spannung und den fließenden Strom können wir verwenden. Eine einzige kristalline Siliziumsolarzelle kommt auf ca. 0,5 V pro Zelle. Der Strom ist abhängig von der Zellengröße. Im Bereich der Siliziumzellentechnik werden zunehmend Solarzellen aus immer dünneren Schichten entwickelt, um teures Silizium einzusparen. Um die unterschiedlichen Lichtspektren zu nutzen, werden Zellen aufeinandergepackt (gestapelt). Damit entstehen z. B. Tandemzellen, die aus amorphen und kristallinen Materialien so kombiniert werden, dass sie sich optimal ergänzen. Die fotoaktiven Schichten sind nur einige Mikrometer dick, haben also nur ein hundertstel der Dicke der üblicherweise eingesetzten Wafer (= Siliziumscheiben). Bild 2.8: Prinzipaufbau einer kristallinen Silizium-Solarzelle.
44 Kapitel 2: Grundlagen Die im Moment gebräuchlichsten Solarzellen/Solarmodule und ihre Wirkungsgrade sind: Tabelle 2.2: Solarzellenmaterial und Wirkungsgrade (Stand 2007); Quelle: dgs (Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie e.v.) Solarzellenmaterial: Zellwirkungsgrad Modulwirkungsgrad Hochleistungszellen 19,5 % 17,0 % Monokristallines Silizium 18,0 % 14,2 % Polykristallines Silizium 16,0 % 14,0 % amorphes Silizium 7,5 % 7,0 % CIS, CIGS 14,0 % 10,0 % Cadmiumtellurid 10,0 % 9,0 % Bild 2.9: Solarzelle polykristallin Bild 2.10: Solarzelle monokristallin
2.2 Das Solarmodul 45 Bild 2.11: Solarmodul amorph Beispielhaft sind einige neue Entwicklungen herausgegriffen: CIGS (auch CIGSSe oder CIS) steht für Cu(In,Ga)(S,Se)2, ist eine Dünnschichttechnologie für Solarzellen und steht als Abkürzung für die verwendeten Elemente Kupfer, Indium, Gallium, Schwefel und Selen (engl. copper, indium, gallium, sulfur, and selenium). In der Anwendung werden verschiedene Kombinationen dieser Elemente verwendet: Die wichtigsten Beispiele sind Cu(In,Ga)Se2 (Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid) oder CuInS2 (Kupfer-Indium-Disulfid). CIS-Zellen sind zehnmal dünner als polykristalline Zellen. Ihre fotoaktive Schicht wird direkt und großflächig auf normales Fensterglas aufgedampft. Wie die rot-braunen Zellen aus amorphem Silizium man findet sie in Taschenrechnern und Uhren werden die CIS-Zellen in dünnen, Material sparenden Schichten hergestellt. Sie übertreffen jedoch deren Wirkungsgrad von durchschnittlich 6 % deutlich: Im Labor des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung (ZSW) der Universität Stuttgart erreichte ein quadratisches CIS-Modul mit einer Seitenlänge von 30 cm knapp 13 %. Cadmium-Tellurid (CdTe) ist eines von mehreren Halbleitermaterialien, auf dessen Basis Dünnschicht-Photovoltaik-Module zur Solarstromerzeugung produziert werden. Durch die Kombination von Tellur und Kadmium wird die Verbindung Cadmium-Tellurid (CdTe) hergestellt. Diese Verbindung mit Halbleitereigenschaften ist eine stabile Verbindung der beiden Elemente. Aufgrund dieser Eigenschaften von CdTe, die sich wesentlich von denen elementaren Cadmiums unterscheiden, ist das Material zur Umwandlung von Solarenergie in Elektrizität geeignet.
46 Kapitel 2: Grundlagen Es ist aufgrund dieser völlig andersartigen Eigenschaften auch in seiner physiologischen Wirkung auf Organismen in keiner Weise mit elementarem Cadmium vergleichbar, wie es etwa in Ni-Cd-Batterien vorliegt. CdTe kann Sonnenlicht gut absorbieren und auch unter widrigen Wetterbedingungen, etwa bei Bewölkung oder schwachem diffusen Licht sowie unter hohen Temperaturen, gut Elektrizität produzieren. Solarzellen und Solarmodule werden für die unterschiedlichsten Arten von Stromversorgungen genutzt: Stationäre Solargeneratoren speisen den aus Sonnenlicht umgewandelten Strom in das öffentliche Stromnetz ein. Durch das Energieeinspeisegesetz (EEG) ist die Vergütung festgelegt und garantiert. Somit lässt sich mit Sonnenenergie auch Geld verdienen. Insel-PV-Anlagen zur Stromversorgung in Bereichen ohne Netzanschluss werden, z. B. außerhalb von Siedlungen, eingesetzt. Mobile Solaranlagen sind ortsunabhängige Stromlieferanten, die unterwegs und an jedem geeigneten Ort Strom zur Verfügung stellen können. Die Leistungsangabe von Solarmodulen wird in Watt-Peak angegeben. Peak bedeutet die Spitzenleistung des Solarmoduls unter vorgeschriebenen Bedingungen wie 1.000 W/m² Einstrahlung und 25 C Zellentemperatur. Der technische Aufbau und die Funktion einer Solarzelle (des Solarmoduls) unterscheiden sich grundsätzlich vom Aufbau und der Funktion der thermischen Sonnenkollektoren. Sonnenkollektoren fangen die Sonnenstrahlung zwar auch auf und absorbieren sie, aber hier wird die Wärme über einen Wärmeträger (Wasser, Öl oder Luft) transportiert (und nicht direkt in Strom umgewandelt) und kann z. B. zur Warmwasserversorgung und Heizungsunterstützung im Wohnbereich oder zum Antrieb von Turbinen verwendet werden.
2.2 Das Solarmodul 47 Bild 2.12: Prinzip Sonnenkollektor Mit Sonnenkollektoren werden bereits viele Gebäude mit heißem Brauchwasser versorgt. In den Übergangszeiten kann über 60 % der Energie für die Warmwasserbereitung und zwischen 30 und 50 % der erforderlichen Heizenergie durch solare Heizungsunterstützung eingespart werden.
3.5 Welchen Einfluss hat die Temperatur? 67 Im Alltag dient diese Anwendung dem Ermitteln der Leistungsdaten von Solarzelle oder Solarmodul als Grundlage für die Berechnung der Leistungsfähigkeit einer kompletten PV-Anlage oder der automatischen Anpassung des Wechselrichters an den MPP mit dem Maximumpowertracker. 3.5 Welchen Einfluss hat die Temperatur? Versuchsaufbau: Solarmodul, Steckbrett, Drehspulinstrument, schwarze Folie oder Pappe Für die folgenden Experimente benötigen Sie eine helle Lichtquelle (oder vollen direkten Sonnenschein) für das Solarmodul. In diesem Versuch geht es um den Einfluss der Umgebungstemperatur auf die Leistungsabgabe des Solarmoduls. Das Solarmodul sollte direkt zur Sonne ausgerichtet sein, eine weiße helle LED kann als Leistungsanzeige verwendet werden. Schwarzes Papier oder Pappe, die vorübergehend auf das Solarmodul gelegt werden, wärmen dieses stärker auf. Bild 3.23: Schaltung zur Ermittlung des Einflusses der erhöhten Temperatur auf die Leistung des Solarmoduls Wenn Sie dieses Experiment an einem warmen, sonnigen Sommertag durchführen, brauchen Sie natürlich keine schwarze Pappe. Ansonsten verstärkt diese den Aufwärmungseffekt. Eine schwarze Oberfläche nimmt die Wärme schneller auf.
68 Kapitel 3: Grundversuche Solarmodul Bauen Sie die Versuchsanordnung in direkter Sonne auf und sehen Sie nach der Leistungsabgabe der eingesteckten hellen weißen LED. Fühlen Sie mit der Hand die Oberflächentemperatur des Solarmoduls. Wenn kein Sonnenlicht zur Verfügung steht, kann dieser Versuch auch unter der Schreibtischlampe durchgeführt werden. Am besten eignen sich für diesen Versuch Leuchten, die mit Glühlampen bestückt sind. Variante mit schwarzer Pappe oder Folie: Testen Sie die Versuchsanordnung zuerst unter der Lichtquelle in kaltem Modulzustand. Dann legen Sie die schwarze Pappe oder Folie auf das Solarmodul, warten 15 bis 30 Minuten, nehmen die Abdeckung wieder weg und fühlen, wie heiß die Oberfläche des Solarmoduls ist. Sehen Sie sich nun die Leistungsabgabe des Solarmoduls an. Gehen Sie vorsichtig mit der Hitze um. Die dunkelrote oder blaue Oberflächenbeschichtung des Solarmoduls absorbiert möglichst viel Licht und reflektiert möglichst wenig. Der Nachteil ist, dass sich die Oberfläche stark aufwärmt. Bei direktem Sonnenschein ist eine Erwärmung der Moduloberseite auf über 60 C keine Seltenheit. Durch das Experiment können Sie erkennen: Die vom Solarmodul abgegebene Leistung wird bei zunehmender Erwärmung des Solarmoduls geringer. Legen Sie das Modul eine halbe Stunde in den Kühlschrank und wiederholen Sie anschließend das Experiment. Auch hier können Sie die ermittelten Werte notieren und anhand einer Excel- Tabelle am Computer verarbeiten.
3.5 Welchen Einfluss hat die Temperatur? 69 Bild 3.24: Einfaches Oberflächenthermometer zur Ermittlung der Temperatur des Solarmoduls Bei einer konstanten Einstrahlung nimmt die Spannung des Solarmoduls mit zunehmender Temperatur um ca. 3 mv pro Grad Celsius und pro Zelle ab. Bei einer Temperaturerhöhung von 60 C sind dies etwa 1,6 V weniger, gemessen am Modul aus dem Lernpaket. Daher wird die Leistung einer Solarzelle oder eines Solarmoduls bei einer festgelegten Temperatur von 25 C angegeben. Solarmodule sollten im Betrieb möglichst kühl bleiben. Das kann z. B. dadurch erreicht werden, dass eine ausreichende Hinterlüftung den Solargenerator auf natürliche Weise kühlt (siehe auch Kapitel 7»Messtechnische Möglichkeiten mit dem PC«). Die Solarerträge (kw/h) aus PV- Anlagen sind an kühlen klaren Wintertagen (abgesehen davon, dass die Sonnenscheindauer viel kürzer ist) oft am besten.
70 Kapitel 3: Grundversuche Solarmodul Bild 3.25: Messaufbau Leistungsmessung auf dem Steckbrett Bild 3.26: Diagramm einer vom Hersteller vermessenen kristallinen Zelle; der Einfluss der Temperatur auf die Spannung und damit auf die Leistung der Solarzelle Die Leistungsabgabe des Moduls geht mit steigender Erwärmung zurück. Das Produkt aus Strom und Spannung, die Leistung, reduziert sich somit bei zunehmender Erwärmung.
3.6 Reihen- und Parallelschaltung 71 Zusatzversuch: Mit dem Multimeter konnten Sie feststellen, dass die Leerlaufspannung bei steigender Temperatur sinkt und der Kurzschlussstrom geringfügig steigt. Bei konstanter Einstrahlung nimmt die Leistung einer Solarzelle mit zunehmender Temperatur ab. Nun geht es um das Messen der Spannung bei kalter und bei heißer Zellenoberfläche. Die Spannung wird der Einfachheit halber an der senkrechten Achse (Y-Achse) abgetragen. Bild 3.27: Beispiel Temperaturkurve bei voller Sonne; die Temperatur von 0 C wurde im Versuch mit dem Kühlfach manipuliert, die Temperaturen wurden an der Unterseite des Moduls gemessen. Vor allem in warmen Klimazonen kann sich die Leistung des Moduls oder die Ladespannung durch die Temperaturerhöhung so weit reduzieren, dass z. B. die Akkus nicht mehr ausreichend geladen werden. 3.6 Reihen- und Parallelschaltung Um auf eine höhere Spannung zu kommen, bedarf es mehrerer Einzelzellen (Solarzellen) in Reihenschaltung oder mehrerer Module in Reihenschaltung. Dies ist ähnlich wie Batteriezellen in tragbaren Elektronikgeräten. Dort werden oft zwei oder mehr Batteriezellen als Monozellen in Reihenschaltung verwendet.
72 Kapitel 3: Grundversuche Solarmodul Wenn durch Solarzellen und Solarmodule höhere Ströme benötigt werden, wie z. B. bei direkt betrieben Motoren oder Ladeschaltungen, können sie parallel zusammengeschaltet werden. Bild 3.28: Solarmodul aus kristallinen Zellen mit Verbindungen der einzelnen Solarzellen; Prinzip der Reihenschaltung Die Reihenschaltung von Solarzellen wird bei Siliziumzellen dadurch erreicht, dass die Unterseite (Rückseite) der ersten Solarzelle (Pluspol) mit der Oberseite der nächsten Solarzelle (Minuspol) durch spezielle Flachverbinder elektrisch verbunden wird. Würden zwei Pluspole oder zwei Minuspole in der Reihenschaltung miteinander verbunden, fände kein Stromfluss statt. Bild 3.29: Prinzipaufbau und Reihenschaltung einzelner Solarzellen durch Flachverbinder Einzelne Solarzellen werden zu einem Solarmodul zusammengeschaltet. Das kann entweder durch Reihen- oder Parallelschaltung geschehen. Die Parallelschaltung erhöht die Stromstärke bei gleichbleibender Spannung der Einzelzelle. Bei der Reihenschaltung ist es umgekehrt: Hier wird durch die Zusammenschaltung die Spannung erhöht, die Stromstärke bleibt etwa gleich. Die Reihenschaltung ist bei Solarmodulen üblich. Einzelne Solarmodule werden miteinander zu einer Photovoltaik-Anlage verbunden. Durch Reihen- und Parallelschaltung mehrerer Module können Anlagen unterschiedlichster Leistung errichtet werden.
3.7 Reihenschaltung von Solarmodulen 73 Bild 3.30: Prinzip Reihen- und Parallelschaltung von Modulen Wie das praktisch funktioniert, zeigen die folgenden Experimente. 3.7 Reihenschaltung von Solarmodulen Einzelne Solarmodule lassen sich in Reihe oder auch hintereinander zusammenschalten, dabei gilt aber die Beachtung grundsätzlicher Regeln. Die Generatorspannung einer PV-Anlage ergibt sich aus der Reihenschaltung einzelner Solarmodule zu einem Strang (engl. String). Dazu müssen abwechselnd die Minus- und Plusanschlüsse der Module miteinander verbunden werden. Die Anschlüsse am Anfang und Ende des Strangs führen dann die Strangspannung. Um Leistungsverluste zu vermeiden, sollten sowohl die Solarmodule als auch die Stränge elektrisch gleiche Werte haben.
74 Kapitel 3: Grundversuche Solarmodul Bei vorauszusehenden Verschattungen sollte man auf eine Reihenschaltung mit vielen Modulen verzichten, da die Leistungsverluste im Strang zu groß werden. Hier ist das Parallelschalten von Solarmodulen die bessere Alternative. Sind die Flächen unverschattet, bietet die Reihenschaltung mit vielen Modulen zu einem Strang die preiswerteste Lösung für netzgekoppelte PV-Anlagen. Wichtig dabei ist, dass immer der Plus- mit dem Minuspol des nächsten Elements verbunden wird. Nehmen Sie zwei einzelne Solarmodule und verbinden Sie sie entsprechend Abb. 1.31. Messen Sie nun den Kurzschlussstrom und die Leerlaufspannung. Bild 3.31: Verschaltung und Messprinzip zweier Solarmodule in Reihenschaltung; a) Leerlaufspannung, b) Kurzschlussstrom, c) und d) der praktische Aufbau
3.7 Reihenschaltung von Solarmodulen 75 Was verändert sich durch die Reihenschaltung? Die Spannungen addieren sich, wenn die Solarzellen/Solarmodule in Reihe miteinander verbunden werden. Der Kurzschlussstrom entspricht dem einer einzigen Solarzelle/eines Solarmoduls und zwar der/des schwächsten (dem schwächsten Glied in der Kette). Wird eine Solarzelle/ein Solarmodul beschattet, sinkt die Leistung des kompletten Solarzellenstrangs um das Maß der Beschattung. Bei Teilbeschattung einer Zelle/eines Moduls speisen die beleuchteten Solarzellen ihren Strom in die abgeschattete Solarzelle, diese erwärmt sich und kann im Extremfall zerstört werden. Probleme der Teilbeschattung gibt es vor allem bei Modulen mit kristallinen Zellen. Bei amorphen Modulen, wie Sie vermutlich welche vor sich haben, ist dieses Problem eher unbedeutend. In Solarmodulen, die für große PV-Anlagen verwendet werden, werden einzelne kristalline Solarzellen ebenfalls in Reihe zusammengeschaltet. Damit die Zellen bei einer Teilbeschattung des Solarmoduls nicht beschädigt werden, werden sog. Bypassdioden abschnittweise in die Solarzellenstränge eingefügt. Diese Dioden führen den Strom an der beschatteten Solarzelle vorbei. Bild 3.32: Verschaltungsprinzip der Bypassdioden im Solarzellenstrang
76 Kapitel 3: Grundversuche Solarmodul Solarmodule bestehen immer aus mehreren, in Reihe zusammengeschalteten Solarzellen. Bei 12-V-Solarmodulen sind dies z. B. 33 bis 36 Zellen in Reihe. Bild 3.33: 12-V-Solarmodul 3.8 Parallelschaltung Einzelne Solarzellen oder auch Solarmodule lassen sich natürlich auch elektrisch parallel verschalten. Hierbei werden jeweils alle Minuspol- und alle Pluspol- Anschlüsse der Solarzellen untereinander verbunden. Der Generatorstrom einer PV-Anlage ergibt sich aus der Anzahl parallel verschalteter Module oder Stränge. Dies wird erreicht, indem alle Minus- und Plusanschlüsse der Module oder Stränge miteinander verbunden werden. Der Generatorstrom ist dann die Summe der einzelnen Modul- oder Strangströme. Die Parallelschaltung kommt bei verschatteten Flächen netzgekoppelter PV- Anlagen und in Inselanlagen (netzautark) vorwiegend zum Einsatz, denn bei Verschattung sind hier die Leistungsverluste wesentlich geringer. Messen Sie nun den Kurzschlussstrom und die Leerlaufspannung entsprechend der Messschaltung.
3.8 Parallelschaltung 77 Bild 3.34: Verschaltung und Messprinzip zweier Solarmodule in Parallelschaltung; a) Leerlaufspannung, b) Kurzschlussstrom. Für den Shunt wird der Widerstand mit 10 Ω und ½ Watt Belastbarkeit oder die Magnetspule verwendet, c) praktische Verdrahtung der Solarmodule Was verändert sich dadurch? Die Spannung von parallel geschalteten Solarzellen entspricht der einer einzigen Zelle.
78 Kapitel 3: Grundversuche Solarmodul Der Kurzschlussstrom addiert sich um die Beträge des Stroms der einzelnen Zellen. Bei gleich starken Solarzellen addiert sich der Kurzschlussstrom um die Anzahl der Zellen. Es ist möglich, Zellen mit unterschiedlicher Leistung (Kurzschlussstrom) zusammenzuschalten. Bei Teilbeschattung einer Zelle speisen die beleuchteten Solarzellen ihren addierten Strom in die abgeschattete Zelle, diese erwärmt sich stark und kann im Extremfall zerstört werden. Bild 3.35: Parallelschaltung von Solarzellen Parallelschaltung von Solarzellen ist dann sinnvoll, wenn zwar eine geringe Spannung benötigt wird, dafür aber höhere Ströme gewünscht werden. Um bei niedrigen Spannungen höhere Ströme zu erhalten, werden zwei oder mehrere Module parallel zusammengeschaltet. Mit zwei gleichen, parallel geschalteten Solarmodulen kann z. B. der Ladestrom verdoppelt werden. Bild 3.36: Prinzip Parallelschaltung von zwei Modulen in einer Insel-PV-Anlage
3.9 Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung 79 3.9 Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung Solargeneratoren können aus reinen Reihen- oder Parallelschaltungen und Kombinationen aus beiden Schaltungsarten bestehen. Spannungs- und Stromhöhe des Generators sind nicht beliebig wählbar und richten sich nach Nutzungszweck und Belastbarkeit der Komponenten. Dies muss bei der Anlagenplanung berücksichtigt werden. 3.10 Was bewirkt der Schatten auf dem Modul? Versuchsaufbau: Solarmodule, Steckbrett, Drehspulinstrument, LEDs mit Vorwiderstand Für die folgenden Experimente benötigen Sie eine helle Lichtquelle (oder vollen direkten Sonnenschein) für das Solarmodul. Experimentierreihe: Reihenschaltung der Module, ein Modul beschattet Parallelschaltung der Module, ein Modul beschattet
80 Kapitel 3: Grundversuche Solarmodul Bild 3.37: Was bewirkt der Schatten auf dem Modul, unterschiedliche Arten der Teilbeschattung Diese und die folgenden Experimente in diesem Kapitel können mit dem Drehspulinstrument, den LEDs und einem Multimeter durchgeführt werden. Sie können dazu die rote, die grüne oder auch die Blink-LED verwenden. Vor allem die Blink-LED eignet sich dafür gut. Zur Erinnerung: Der längere LED- Anschluss ist der Pluspol. Bild 3.38: Solarmodul alternativ mit Drehspulinstrument und den LEDs mit dem Vorwiderstand
3.10 Was bewirkt der Schatten auf dem Modul? 81 Bild 3.39: Versuchsaufbau auf dem Steckbrett Führen Sie die Experimente draußen bei hellem Sonnenschein durch, dann ist das Drehspulinstrument als Verbrauchsanzeige besser zu erkennen. Das Leuchten der LED ist im hellen Umgebungslicht kaum zu sehen. Doch ist es auch möglich, die LED mit einem Stück Karton vor dem Sonnenlicht abzuschirmen. Jetzt können Sie weitere Experimente dieser Art machen: Erzeugen Sie einen leichten Schatten durch eine zusätzliche Glasscheibe oder eine matte Folie, die zwischen Lichtquelle und Solarmodul gehalten wird. Erzeugen Sie einen harten Schatten durch ein Stück Pappe oder Holz, das Sie direkt über das Solarmodul halten. Beschatten Sie einzelne Bereiche des Solarmoduls, indem Sie ein Stück Pappe direkt auf einen Teilbereich des Solarmoduls legen.
82 Kapitel 3: Grundversuche Solarmodul Bild 3.40: Schatten auf den Solarmodulen einer Dachanlage durch bauliche Umstände Die Beschattungsversuche können Sie auch mit einer an dem Solarmodul angeschlossenen LED durchführen. Was passiert mit der roten, der grünen und der Blink-LED bei leichtem Schatten, bei hartem Schatten und beim Abdecken von einzelnen Bereichen? Bei großen PV-Anlagen, die mit kristallinen Solarmodulen ausgestattet sind, ist das Beschattungsthema immer wieder brisant. Damit bei einer Teilbeschattung, z. B. durch ein Laubblatt oder Vogelkot, nicht der ganze Solargenerator ausfällt, werden Schottky-Dioden als Bypass zur Umleitung des Stroms um die beschattete Solarzelle verwendet. Bei fehlerhaften Bypassdioden kann es im Extremfall zu einem Hotspot kommen, bei dem Solarzellen zerstört werden (siehe Abb. 3.42). Bild 3.41: Verschaltungsprinzip und Stromumleitung durch eine Schottky-Diode, wenn einzelne Zellen beschattet werden
3.11 Ausrichtung des Moduls zur Lichtquelle 83 Funktioniert die Stromumleitung bei einer Teilbeschattung des Solarmoduls nicht oder nur mangelhaft, kann sich die beschattete Zelle dermaßen erhitzen, dass Teile der Solarzelle unter Umständen sogar zerstört werden. Bild 3.42: Zerstörtes Solarmodul durch einen Hotspot (am Flachverbinder) 3.11 Ausrichtung des Moduls zur Lichtquelle Versuchsaufbau: Solarmodul, Steckbrett, Widerstand 10 Ω, Widerstand 100 Ω, LED, Drehspulinstrument. Für die folgenden Experimente benötigen Sie eine helle Lichtquelle (oder vollen direkten Sonnenschein) für das Solarmodul.
Ulrich E. Stempel FRANZIS DO IT YOURSELF 50 Experimente mit Solarenergie In diesem Buch lernen Sie anhand vieler spannender Experimente die Grundlagen und Möglichkeiten der Photovoltaik kennen. Wie z. B. steigert man den Solarertrag, was bedeuten Temperaturverhalten und Abschattung in der Praxis, was ist bei einer Reihen- und Parallelschaltung zu beachten, oder wie wird eine Nachführungssteuerung konstruiert? Alle diese Fragen beantwortet dieses Buch. Entsprechend der ausführlichen Beschreibung, die Sie in diesem Buch finden, führen Sie praktische Messungen mit einem Drehspulinstrument, einem Multimeter oder in Verbindung mit dem PC durch. So können Sie Langzeitmessungen vornehmen und die Messungen aufzeichnen und grafisch auswerten. Alle Experimente können ohne Lötkolben und ohne zusätzliche Stromversorgung (wie Batterien und Stromnetz) umgesetzt werden. Bauen Sie elektronische Schaltungen in Verbindung mit Photovoltaik auf, z. B. Ladegeräte, Polaritätsprüfer, Spannungswandler, Lichtsensoren, Helligkeitsmesser, ein automatisches Nachtlicht oder eine Nachführungssteuerung mit Solarmodulen, oder bauen Sie Schaltungen zur Speicherung der Solarenergie in Gold-Caps. Aus dem Inhalt Nachführungssteuerung mit Solarmodulen Fernsteuerung mit Sonnenstrahlen Zusätzlicher Energieertrag durch Spiegeltechnik Ladeschaltungen wie Konstantstromladen und Impulsladung Speicherung der Solarenergie in Gold-Caps und Akkuzellen Ladeüberwachung und Tankanzeige, Laderegler DC/DC-Spannungswandler in Verbindung mit Solarenergie und Gold-Caps Steuern und Regeln mit Solarenergie Lichtsensor, Helligkeitsmesser Automatisches Nachtlicht mit dem Gold-Cap und Akkuzellen Solarblitzlicht, Solar-Power-Blinklicht Pulsierende Bewegung durch Solarenergie, Solarenergie und die Pendelbewegung Solarer Wasserstoff, Wasseraufspaltung Solarertrag, Spannung, Temperatur usw. mit dem PC aufzeichnen und weiterbearbeiten ISBN 978-3-645-65005-2 19,95 EUR [D] Besuchen Sie uns im Internet: www.franzis.de