Übersicht über die Vorlesung Solarenergie 10.1 Vorläufige Terminplanung Vorlesung Solarenergie WS 2007/2008 Stand: 10.01.2008 Vorlesung Termin Thema Dozent Nr. 1 Di. 23.10.07 Einleitung/Wirtschaftliche Aspekte Lemmer 2 Fr. 26.10.07 Energiequelle Sonne Lemmer - Di. 06.11.07 Inauguration Karlsruhe School of Optics & Photonics Lemmer 3 Fr. 9.11.07 Halbleiterphysikalische Grundlagen Lemmer 4 Di. 13.11.07 Kristalline Silizium-Solarzellen Lemmer 5 Fr. 16.11.07 Elektrische Eigenschaften Lemmer 6 Di. 20.11.07 Optimierung kristalliner Solarzellen Lemmer 7 Fr. 23.11.07 Optimierung kristallinger Solarzellen Lemmer -keine Vorlesung in KW 48!! 8 Di. 04.12.07 Anorganische Dünnschichtzellen I Lemmer 9 Di. 11.12.07 Anorganische Dünnschichtzellen II Lemmer 10 Di. 18.12.07 Third Generation Photovoltaics Lemmer - - Weihnachtsferien Lemmer 11 Di. 08.01.08 Third Generation Photovoltaics/R2R Lemmer 12 Fr. 11.01.08 Systemtechnik I Lemmer 13 Di. 15.01.08 Systemtechnik II/Solarthermische Lemmer Kraftwerke 13 Di. 22.01.08 Vorlesung Lemmer 14 Di. 29.01.08 Vorlesung Lemmer 15 Fr. 01.02.08 Vorlesung Lemmer 16 Di. 05.02. 08 Energieszenarien Lemmer 17 Di. 12.02.08 Exkursion Lemmer
Industrie- und Laborwirkungsgrade diverser PV Technologien 10.2 Industrie: Labor beste Werte Quellen: Photon 02/2006 und Progress in Photovoltaics 14/2006
Erinnerung: I-U-Kennlinie im vereinfachten Ersatzschaltbild 10.3 eu mkt mut I = I I ( e 1) = I I ( e 1); (Idealitätsfaktor m) L s L s I = A J = const. E; (Bestrahlungsstärke E, Fläche A) L L ed n ed p D n Is = AJs; Js = + + L L L n L n U 2 2 n p0 p n0 Dn n i p i n p n A p D
Bestrahlungsstärkenabhängigkeit 10.4 (Kurzschluss)Photostromdichten sind proportional zur Bestrahlungsstärke Leerlaufspannung variiert nur wenig (logarithmisch) mit der Bestrahlungsstärke
Kurzschluss- und Leerlaufbetrieb 10.5 Kennlinien einer infiniten Solarzelle Solarzelle als Generator U OC ;V OC : Leerlaufspannung (open circuit voltage) I sc J sc : Kurzschlussstrom (short circuit current) mkt Kurzschluss: I = I ( e 1) I : U = 0 I = I = const. E kt I L Leerlauf: I = 0 UOC = mln + 1 e Is eu s L sc L
Temperaturabhängigkeit der Solarzellenkennlinie 10.6 kt = + SC UOC m ln(1 ) e IS W G IS exp( ) mkt I Leerlaufspannung U OC über den Sperrsättigungsstrom I S, stark abhängig von der Temperatur, weniger der Kurzschlussstrom I SC MPP-Leistung fällt mit steigender Temperatur!
Leistungskurve einer Solarzelle 10.7 U MPP =0,75...0,9 U OC I MPP =0,85...0,95 I SC SC Maximum Power Point (MPP): Erforderlicher Widerstand: OC U U MPP OC R = I MPP I SC Spezifikation der Nennleistung W p (Watt peak) eines Solarmoduls bei Standard- Testbedingungen: T=25 C, AM=1,5, E=1000 W/m 2
Erinnerung: I-U-Kennlinie im erweiterten Ersatzschaltbild 10.8 Eindiodenmodell: U+ RsI mu U + R T si I = IL Is e 1 Rp Serienwiderstand RS (Bahnwiderstand, Kontakte,..) Parallelwiderstand RP (Leckströme)
Erinnerung: I-U-Kennlinie im erweiterten Ersatzschaltbild 10.9 Zweidiodenmodell: U+ R I U+ R I mu m U U + s L s,1 s,2 Rp s s = 1 T 1 2 T 1 I I I e I e R I Eine Diode dominiert durch Band-Band-Rekombination, die zweite Diode berücksichtigt die Störstellenrekombination.
Erinnerung: I-U-Kennlinie im erweiterten Ersatzschaltbild 10.10 Zweidiodenmodell: U+ R I U+ R I mu m U U + s L s,1 s,2 Rp s s = 1 T 1 2 T 1 I I I e I e R I Eine Diode dominiert durch Band-Band-Rekombination, die zweite Diode berücksichtigt die Störstellenrekombination. Quelle: Quaschning
Zweidiodenmodell mit Erweiterungsterm 10.11 Zweite Stromquelle zur Berücksichtigung des Lawinendurchbruchs bei großen Rückwärtsspannungen: U+ R I U+ R I n mu m U U + R + si U IRS L s,1 s,2 ( S) Rp UBr s s = 1 T 1 2 T 1 + + 1 I I I e I e b U IR
Lawineneffelt bei pn-dioden 10.12 Durchbruch bei hohen Rückwärtsspannungen durch Lawinen- und Zenereffekt Quelle: wwwex.physik.uni-ulm.de/lehre/physikalischeelektronik/phys_elektr/node91.html
Lawinendurchbruch bei Solarzellen 10.13
Anwendungen photovoltaischer Energieversorgungen 10.14 Netzfern: Kein Zugang zum öffentlichen Netz Netzfrei: Netz in der Nähe verfügbar, Verwendung aber nicht sinnvoll Netzgekoppelt: Solarenergie über Wechselrichter ins Netz eingespeist
10.15 Quelle: W. Hoffmann (ex. Schottsolar)
Reihenschaltung von Solarzellen 10.16 Addition der zu einem Stromwert gehörenden Spannungswerte Standardmodul zur Aufladung von 12V-Batteriesystemen besteht aus 36 Zellen besitzt eine MPP-Spannung von ca. 17 V Liefert eine Nennleistung von ca. 45 60 W
Konstruktion einer Modulkennlinie mit 36 Zellen 10.17 I = I = I =... = I U= 1 2 n n i= 1 U i I I c exp(c U) SC 1 2
Teilabschattung eines Solarmoduls bei Serienschaltung 10.18 Konstruktion der Modulkennlinie bei 35 voll bestrahlten und einer 75 % teilabgeschatteten Zelle: P 1 = 20,3 W P 2 = 6,3 W
Hot Spots 10.19 Abschattung einer Zelle ist gleichbedeutend mit einer Abschattung aller in Serie geschalteter Zellen drastische Leistungseinbuße Die abgeschattete Zelle wird hoch belastet besonders bei Kurzschluss des Moduls Höchste Verlustleistung in der abgeschatteten Zelle bei Verlauf von deren Kennlinie durch den MPP der übrigen Zellen etwa 20 W bei insgesamt 20 Zellen für eine 10 20% Abschattung einer Einzelzelle (10 x 10 cm 2 polykristallines Silizium) Bei sehr vielen in Reihe geschalteten Zellen durch Teilabschattung einer Zelle u.u. Zerstörung der Solarzelle oder ihrer Einbettung Möglichst keine Verschaltung von Modulen unterschiedlicher Technologie (Mismatch), da der schlechteste Modul die Qualität der Anordnung bestimmt
10.20 Verhinderung lokaler Überhitzungen bei Serienschaltung Bypass-Dioden in Flussrichtung zum Solarstrom bewirken Abschattungstoleranz. Bei großflächigen Solarzellen, die eine höhere Verlustleistung ertragen, genügen wenige Bypass-Dioden beim Standardmodul mit 36 Zellen 2 Stück. Bei Teilabschattung mit Bypass-Diode geringere Reduktion von Spannung und Leistung an der Last. Optimale Abschattungstoleranz bei einer Bypassdiode pro Solarzelle
Wirkung von Bypassdioden bei Teilabschattung 10.21 75 %ige Abschattung einer Zelle (Simulation)
Wirkung einer Bypassdiode bei Teilabschattung 10.22 36 Zellen, 2 Bypassdioden
Parallelschaltung von Solarzellen 10.23 Addition von Strömen eines Spannungswerts
Teilabschattung eines Solarmoduls bei Parallelschaltung 10.24 einzelnes nicht abgeschattetes Modul (Erzeuger) b) Abschattung eines Moduls (Verbraucher) von 2 parallel geschalteten Modulen: Rückstrom durch den abgeschatteten Modul (Verbraucher) maximal bei Leerlauf Spannungen gleich, Ströme entgegengesetzt Spiegelung der Kennlinie des abgeschatteten Moduls an der Abzisse zur Bestimmung des Arbeitspunkts Maximal der halbe Kurzschlussstrom in das abgeschattete Modul bei vollständiger Abschattung eines Moduls unproblematisch, da Durchlassstrom c): Bei der Parallelschaltung von immer mehr nicht abgeschatteten Modulen (Erzeugern) wird die Strom-Spannungskennlinie im abfallenden Teil immer steiler - Spannungsquelle
Strangdioden 10.25 Entkopplung parallel geschalteter Module durch Strangdioden keine verlustbehafteten Rückströme
Zusammenschalten von Solarzellen 10.26 Über die Anzahl in Serie geschalteter Zellen wird die Leerlaufspannung des Moduls bestimmt, durch die Anzahl parallel geschalteter Zellstränge der Kurzschlussstrom des Moduls.
Solarzelle - Solarmodul - Solargenerator 10.27 Solarzelle Solarzelle Fläche: Fläche: Spannung: Spannung: Strom: Strom: Leistung: Leistung: 100 100 cm² cm² 0,5 0,5 Volt Volt 3,0 3,0 Ampere Ampere 1,5 1,5 Watt Watt Typische Werte für Standardtestbedingungen: Einstrahlung 0,01 m² G = 1000 W/m² Zellentemperatur T= 25 C Air Mass AM = 1,5 Solarmodul Solarmodul 36 36 Solarzellen Solarzellen Spannung: Spannung: 18 18 Volt Volt (36 (36 * * 0,5 0,5 V) V) Strom: Strom: 3 3 Ampere Ampere Leistung: Leistung: 54 54 Watt Watt (36 (36 * * 1,5 1,5 W) W) 0,36 m² Solargenerator Solargenerator 18 18 Solarmodule Solarmodule Spannung: Spannung: 108 108 Volt Volt (6 (6 * * 18 18 V) V) Strom: Strom: 9 9 Ampere Ampere (3 (3 * * 3 3 A) A) Leistung: Leistung: 972 972 Watt Watt (18 (18 * * 54 54 W) W) 6,48 m²
Technische Daten ausgewählter Solarmodule 10.28 Quelle: Quaschning
Konfektionierung eines Solarmoduls 10.29 Modul besteht aus elektrisch verbundenen Solarzellen Frontscheibe und Rückseitenabdeckung muss hohen Windlasten und Hagelkörnern widerstehen Einbettungsmaterial und Randversieglung keine Feuchtigkeit darf im Temperaturbereich von 40 C bis +80 C über mindestens 20 Jahre zu den Zellen vordringen Rahmen aus Kunststoff oder Metall elektrischen Anschlusskabeln
Prinzipieller Aufbau von Photovoltaik-Systemen zur Versorgung netzfreier und netzferner Verbraucher Gleichspannungsversorgung DC 10.30 Laderegler zwischen Solarmodul und Akkumulator mit Über- und unterspannungsüberwachung zur Begrenzung gegen Überladung und Tiefentladung. Entladeschutzdiode gegen nächtliche Entladung des Akku über den Solarmodul sowie Lastabwurfschaltung Energiespeicher speichert die Solarenergie: NiCd-, Ni-MH-, Pb-, Li- Ionen-Akkus und Doppelschichtkondensatoren Solargenerator: Zusammenfassung von Solarzellen zu Solarmodulen mit gerätespezifischer Ausgangsspannung oder Standardmodulen Spannungsaufbereitung: Wandlung der Akkuspannung in eine passende DC-Spannung bzw. AC-Spannung mittels DC-DC- Umrichter bzw. DC-AC-Wechselrichter Wechselspannungsversorgung AC
Photovoltaik als Baustein einer autarken Stromversorgung 10.31 Hybridsystem aus Solargenerator und Motorgenerator und Windkraftanlage Bei Verbrauchern größerer Leistung müßte wegen der starken Variation der Solarstrahlung der Solargenerator relativ groß ausgelegt werden. Hybridsystem wie z.b. die Kombination aus Solargenerator und Dieselgenerator gewährleistet Versorgungssicherheit ähnlich der des öffentlichen Netzes.
Netzgekoppelte Photovoltaik-Anlagen 10.32 Solarenergieeinspeisung ins Hausnetz und ins öffentliche Netz bei Vergütung des Solarstroms einer kleinen dezentralen Anlage unterhalb des EVU-Preises Solarenergieeinspeisung ins öffentliche Netz, Strombezug vom EVU bei Vergütung des Solarstroms oberhalb des EVU-Preises Solarstrom immer ins öffentliche Netz!
Solarmodul mit Widerstandslast 10.33 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.
Solarmodul unter Konstantspannungslast 10.34 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.
Tiefsetzsteller 10.35 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 ) = 20 200 khz
Hochsetzsteller 10.36 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