U - Hems-Renewables
Werbung
Übersicht über die Vorlesung Solarenergie Termin Di. 19.10. Dozent Lemmer/Heering Fr. 29.10. Di. 2.11. Thema Wirtschaftliche Aspekte/Energiequelle Sonne Halbleiterphysikalische Grundlagen photovoltaischer Materialien Kristalline pn-Solarzellen Elektrische Eigenschaften Di. 9.11. Fr. 12.11. Optimierung kristalliner Solarzellen Technologie kristalliner Solarzellen Lemmer Lemmer Di. 16.11. Lemmer Di. 23.11. Di. 30.11. Di. 7.12. Fr. 10.12. Di. 14.12. Di. 11.1. Di. 18.1. Di. 25.1. Di. 1.2. Fr. 4.2. Anorganische Dünnschichtsolarzellen Organische Dünnschichtsolarzellen Photovoltaische Systeme I Photovoltaische Systeme I Solarkollektoren Passive Sonnenenergienutzung Solarthermische Kraftwerke Energiespeicher/Solarchemie Kostenrechnungen zu Solaranlagen Energieszenarien Third Generation Photovoltaics Di. 15.2. Exkursion Heering/Lemmer Di. 26.10. Lemmer Heering Heering Lemmer Heering Heering Heering Heering Lemmer Heering Heering Lemmer Lemmer Solarmodul mit Widerstandslast 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 Wirkungsgrad vom DC-DC-Wandler > 90% Ohne Verluste im Wandler: P1 U1 I1 U 2 I 2 P2 Leistungsausbeute vom Solargenerator erheblich verbessert durch Gleichspannungswandler zwischen Modul und Verbraucher. Der Umrichter wird geregelt auf konstante Spannung U1 am Generator. Tiefsetzsteller C1 speichert Solarenergie bei geöffnetem Schalter S (FET oder Bipolartransistor). Nicht lückender Drosselstrom C2 glättet die Ausgangsspannung. di u L L 2 dt u D u L U1 u L u 2 u D u L u L mit u L 0 für 0 t TE mit u L 0 für TE t TE TA TE Tastverhältnis u 2 U1 mit TE TA i2 i1 / Anpassung an eine Last R, die stets eine geringere Spannung u2 benötigt als die Spannung U1, die am Solargenerator anliegt Schaltfrequenz f = 1/(TE + TA) = 20 –200 kHz Hochsetzsteller Diode D verhindert ein Entladen von C2 bei geschlossenem Schalter S. u L U1 mit u L 0 für 0 t TE u 2 U1 u L mit u L 0 für TE t TE TA TE TA u 2 U1 TA Anpassung an eine Last R, die stets eine höhere Spannung u2 benötigt als die Spannung U1, die am Solargenerator anliegt Invertierender Wandler TE u 2 U1 TA Eintakt-Sperrwandler Funktionsweise wie beim invertierenden Wandler TE 1 u 2 U1 TA ü 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. MPP-Tracker –Teil I 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 UMPP des jeweiligen MPP der Solarmodulkennlinie. 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: U MPP U MPP kT U OC m ln(1 ) e m kT / e Misst man die Leerlaufspannung UOC dieser Referenzzelle, die nahe dem Solargenerator positioniert wird, kann man damit die MPP-Spannung berechnen und auf diese Größe dann regeln. MPP-Tracker –Teil II 3. 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. Akkumulator als Solarenergiespeicher Blockingdiode, meist Shottky-Diode (UD=0,55V), um Vorwärtsverluste klein zu halten, verhindert Entladung des Akku 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. 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 S1 beim Laden, wenn S1,wie üblich, als Power-MOSFET ausgeführt ist. Wechselrichtertechnologien Inselwechselrichter: Gespeist aus einer Photovoltaikanlage zur dezentralen Versorgung von handelsüblichen Geräten mit Wechselstrom, insbesondere bei autonomen, nicht ans öffentliche Netz angeschlossenen Anlagen. Netzgekoppelte Wechselrichter: Zur Einspeisung der Photovoltaikanlagenenergie ins öffentliche Netz. Erfordert passende sinusförmige, mit dem Netz synchronisierte Ausgangsspannungen! Ausführungsformen: Zur Wandlung von Gleich- in Wechselstrom werden als schaltbare Ventile MOSFET, Bipolar-Transistoren, IGBT, Thyristoren inkl. GTO oder Triac genutzt. Kommutierung der Stromzweige entweder selbstgeführt, bei Inselnetzen, oder netzgeführt, bei Netzeinspeisung Unterschiedliche Ausgangsspannungsformen beim Rechteck-Wechselrichter, Treppen-Wechselrichter und Sinuswechselrichter (pulsweitengesteuert): Rechteck-Wechselrichter Zweipuls-Brückenschaltung (B2) Durch Trafo Spannungsanpassung und galvanische Trennung! Schalter 1 und 3 und dann 2 und 4 werden Rechteckform beinhaltet viele Oberschwingungen; problematisch bei kapazitiven oder induktiven Einabwechselnd geschlossen und geöffnet. gängen des Verbrauchers! Sechspuls-Brückenschaltung (B6) Zur Vermeidung von Asymmetrien durch ungleiche Belastung der Zweige eines Drehstromnetzes bei Einspeisung größerer Ströme auf nur eine Phase Allgemeine Anforderungen an Netzwechselrichter Allgemein: • hoher Wirkungsgrad, insbesondere im Teillastbereich • hohe Zuverlässigkeit • Wartungsfreundlichkeit • Geräuscharmut • EMV • Benutzerfreundlichkeit • Schnittstellen, Auswertesoftware • preiswert Eingangsseitige Anforderungen an Netzwechselrichter Eingangsseitig: • Gute Anpassung an Solargenerator bei variabler Solargeneratorspannung • Maximum Power Point Tracking oder Konstantspannungsregelung • Geringer Spannungsripple auf der Solargeneratorspannung • Überspannungsfestigkeit bei Leerlauf und tiefen Temperaturen • Überlastfähigkeit • Begrenzung der Eingangsleistung bei Übertemperatur • Niedrige und stabile Ein- und Ausschaltschwellen • Schutz gegen transiente Überspannungen Ausgangsseitige Anforderungen an Netzwechselrichter Ausgangsseitig: • Möglichst sinusförmiger Ausgangsstrom (Stromquelle) • Geringer Oberschwingungsgehalt im Strom (VDE 0838, EN 60555) • Strom in Phase zur Spannung, Leistungsfaktor=1 • Schnelle Abschaltung bei Netzfehlern • Schutz gegen transiente Überspannungen • Einhaltung aller relevanten Normen Funktionsprinzip eines pulsweitenmodulierten Wechselrichters Regelung des Laststroms iIst (Regelgröße) auf einen einer sinusförmigen Netzspannung uNetz proportionalen Sollstrom iSoll (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. Symmetrische Taktung iSoll Sollwert des Netzstroms uTaktspannung (Abtastung) S1,4 Steuersignal für die Transistoren 1 und 4 ein: u< R iSoll, aus: u> R iSoll S2,3 Steuersignal für die Transistoren 2 und 3 aus: u< R iSoll, ein: u> R iSoll uBr Ausgangsspannung der Transistorbrücke uNetz Netzspannung iIst Momentanwert des Drosselstroms weniger Ripple bei höherer Taktfrequenz Schaltungskonzepte von Netzwechselrichtern Thyristorwechselrichter, einphasig + wenige Komponenten - eingeschränkter Spannungsbereich + kostengünstig, zuverlässig - nicht potentialfrei + Wirkungsgrad maximal 94% - 97% - Stromoberschwingungen - kleiner Wirkungsgrad bei Teillast Direkteinspeisender trafoloser Wechselrichter + wenige Komponenten Solargeneratorspannung > 360 V + kostengünstig, zuverlässig Solargenerator nicht potentialfrei + Wirkungsgrad 95% - 97% EMV abhängig von Taktungsart Trafoloser Wechselrichter mit Hochsetzsteller + großer Spannungsbereich -Solargenerator nicht potentialfrei + zuverlässig - komplexere Regelung Wirkungsgrad ca. 94% - 95% - zusätzliche Bauelemente Wechselrichter mit 50 Hz Trafo + Solargenerator potentialfrei Transformatorverluste + großer Spannungsbereich Gewicht + EMV Wirkungsgrad ca. 91% - 94% Wechselrichter mit HF-Transformator + Solargenerator potentialfrei -Verluste im HF-Trafo + großer Spannungsbereich - aufwendiges Netzfilter +geringes Gewicht -Wirkungsgrad ca. 92% - 94% Kommerzielle Netzwechselrichter 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! Solarpark Hemau –4 MW PV-Anlage 32740 Module –3,965 MW –eingespeist ins 20 kV-Netz, im April 2003 bei Regensburg in Betrieb genommen, decken den Strombedarf von 4600 Personen.
