Projektbericht P5
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Projektbericht P5 Neuaufbau Laborversuch Solarzellen Version 20130109 Studiengang: EIT 2010, E5a Auftraggeber: Martin Wiederkehr Team: Andrea Nietlisbach Lukas von Arx Fachdozenten: Martin Wiederkehr Peter Ganzmann Anita Gertiser Abstract th The aim of this project is to modify the solar panel experiment of the power-electronics laboratory in the 5 semester so that it is state of the art. The artificial illumination which replaces the sunlight should no longer heat up the small solar panels which 2 are being measured. The radiation flux per unit area must be in a range of about 70-100W/m to generate representative results. Additionally, a device to measure current and voltage of a solar panel easily had to be installed, which covers a temperature range of 20°-100°C. To do this, an il lumination source had to be found which would heat the cells to a temperature of about 80°C. Furthermore, the experiment with the large solar panel had to be improved in a multiple ways: firstly, the illumination of the original solar panel had to be replaced by a more stable construction; secondly, a homogeneous illumination (within ±10%) of the module had to be devised; thirdly, the switch for the variable resistance required for the measurement of voltage and current of the small panels had to be improved, so as to avoid contact bouncing. The simulation of the photovoltaic panel has been adapted to be used by free software, in which the students are already instructed. Additionally, the calculation of the electrical parts, which are necessary for a representative simulation, had to be explained in an easier way. The aim of all these improvements was to enable the student to calculate and simulate the whole experiment within the provided time span of about half a day. One of the main challenges was to create new methods and simpler instructions which are nevertheless detailed enough to transfer knowledge about solar panels, measurement techniques and simulation methods to the student. This was done by changing and adapting the current experiment guide. A few new tasks were added and the rest was adapted to the new version of the experiment. The temperature measurement is realised by a probe and an electronic device which are implemented directly in the solar panel box. To measure the temperature, there are now connectors for an oscilloscope, with which the voltage can be recorded; the temperature can be calculated by simple multiplication of the recorded voltage by a constant factor. The illumination of the small solar panels is now realised by a LED-blinder. The switch of the large solar panel was replaced by an electrical one to reduce electrical losses as well as the abrasion of the switching contact. Moreover, the oscilloscope was replaced by a different model, which is able to store enough data points to show the whole voltage/current-curve. The illumination of solar module now has an improved, stabilised frame, which can be connected to the mains by only one cable. The last part of the experiment – the simulation and the calculation of the panel – has been written in a more instructive and guided form. The simulation software was changed to LT-Spice and the user manual was adapted to that. The result of this project is a handy, interesting experiment, which is state of art, easily understandable with less basic knowledge, better guided as well as more informative. Overall, the improved experiment provides an easier and satisfactory way to explore the basics and central points of photovoltaics. Inhalt 1 2 Einleitung .............................................................................................................................................. 2 Konzept ................................................................................................................................................. 3 2.1 Ziel des Versuchs......................................................................................................................... 3 2.2 Einführende Theorie..................................................................................................................... 3 2.3 Versuchsaufbau und Komponenten ............................................................................................. 4 2.4 Verwendete Messgeräte und Versuchskomponenten ................................................................. 4 2.5 Anleitung zum PSpice Modell ...................................................................................................... 4 3 Solarzellenmodul .................................................................................................................................. 5 3.1 Beleuchtung ................................................................................................................................. 5 3.2 Allgemeine Handhabung der Aufgabe ......................................................................................... 8 3.3 Dynamische Kennlinienaufnahme ............................................................................................... 9 3.4 Maximum Power Point ............................................................................................................... 15 4 Einzel-Solarzellen ............................................................................................................................... 18 4.1 Temperaturabhängigkeit ............................................................................................................ 18 4.2 Beleuchtung ............................................................................................................................... 23 5 Simulation ........................................................................................................................................... 29 6 Versuchsanleitung .............................................................................................................................. 36 6.1 Bestimmung der Elemente der Ersatzschaltung ........................................................................ 36 6.2 Spektrale Empfindlichkeit ........................................................................................................... 39 6.3 Jahresnutzungsdauer berechnen .............................................................................................. 41 7 Testphase ........................................................................................................................................... 43 8 Kostenrechnung .................................................................................................................................. 44 9 Schlusswort und Danksagung ............................................................................................................ 45 10 Quellen- und Literaturverzeichnis ....................................................................................................... 46 11 Ehrlichkeitserklärung .......................................................................................................................... 47 A Anhang................................................................................................................................................ 48 A.1 - Projektauftrag ........................................................................................................................... 49 A.2 - Pflichtenheft ............................................................................................................................. 51 A.3 - Plakat ....................................................................................................................................... 52 A.4 - CD mit Simulation/Software/Datenblätter ................................................................................ 53 A.5 - neue Versuchsanleitung .......................................................................................................... 54 Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 1 1 Einleitung Damit die Studierenden an der Fachhochschule Nordwestschweiz einen praktischen Bezug zu den gelernten Theorien erhalten, werden Labor-Module durchgeführt, in denen sie Erfahrungen in der Anwendung von verschiedenen Messmethoden sammeln und die Ergebnisse beobachten, interpretieren und diskutieren lernen. Es stehen Versuche zu unterschiedlichen Themen wie Motoren, Transformatoren bis hin zum Wasserkraftwerk zur Verfügung. Darunter befindet sich auch ein Solarzellenversuch. Dieser soll den Studierenden die Wirkungsweise sowie verschiedene Messmethoden für die Untersuchung und Charakterisierung der Solarzelle näher bringen. Da die Solarzellen für den Einsatz mit Sonnenlicht ausgelegt sind, müssen beim Laborversuch einige Einschränkungen in Kauf genommen werden. Neben diesen eingeschränkten Laborbedingungen können unzweckmässige oder veraltete Bestandteile wie z.B. die verwendeten Beleuchtungskörper oder die mangelhaft geeigneten Messgeräte noch zusätzlich verfälschte Resultate verursachen. Der gesamte Versuchsaufbau weist sehr viele Mängel auf, die im Verlauf des Projekts 5 behoben werden sollen. Die globalen Kriterien und Anforderungen an das Redesign des Versuches gestalteten sich wie folgt: Durch eine Optimierung des bestehenden Laborversuches sollen die Studierenden einen aussagekräftigeren Einblick in die Thematik von Solarzellen erhalten. Diese Optimierung teilt sich in folgende Hauptbereiche auf: eine verständliche Versuchs- und Simulationsanleitung, einen funktionierenden Versuchsaufbau und Gerätepark sowie bessere Beleuchtungssysteme. Nach den Verbesserungen handelt es sich bei dem Laborversuch immer noch lediglich um eine Approximation realistischer Begebenheiten. Es werden also im Vergleich zum Einsatz der Solarzellen in der Praxis immer noch Abweichungen auftreten. Diese sollen von den Studenten als solche erkannt und richtig interpretiert werden können. Der Versuchsablauf besteht wiederum aus drei Teilbereichen: Messungen am Solarmodul, Messungen an Einzelzellen und die Simulation. All diese Positionen entsprechen nicht mehr dem aktuellen technischen Stand oder weisen grundlegende Fehlfunktionen aufgrund mangelnden oder unzweckmässigen Inventars an Messgeräten auf. Eines der bedeutendsten Muss-Ziele stellte die Beleuchtung der Einzelzellen dar. Der bislang verwendete Strahler hat zwar hohe Beleuchtungsstärken von ca. 500 Watt/m2, emittiert jedoch zu viel Wärme. Die Zellen erwärmen sich zu schnell und stark, wodurch sich die Messung verzerrt und keine repräsentative Kennlinie mehr liefert. Es soll eine Beleuchtung entwickelt werden, welche die Zellen homogen ausleuchtet, nur so viel Wärme abgibt, dass in der, für eine Messung notwendigen Zeit, weniger als 10% Temperaturänderung resultieren, aber trotzdem realistische Beleuchtungsstärken liefert. Weiter bestand für die Simulation der Solarzelle bis anhin eine Anleitung für ein Simulationsprogramm, welches den Studenten in der Handhabung des Tools unterstützen soll. Dieses ist jedoch an der Schule nicht mehr aktuell und ausserdem kompliziert in der Bedienung. Die Anleitung soll für das Programm LT-Spice, welches an der Fachhochschule Verwendung findet, als Freeware zugänglich und einfach zu handhaben ist, umgeschrieben werden. Noch viele weitere Mängel wie die unangepassten Messgeräte, der umständliche Versuchsaufbau und die unzureichenden Grundlagen und Aufgabenstellungen sind im Pflichtenheft aufgeführt und sollen im Projekt 5 mit Hilfe der Aneignung von neuem wissenschaftlichem Knowhow überarbeitet werden. Um einen Einblick in die zu verbessernden und zu ergänzenden Bereiche des Versuches zu erhalten, wurde der komplette Versuch einmal von A bis Z durchgearbeitet. Auf diese Weise war es möglich, alle Schwierigkeiten und Mängel direkt zu erfassen. Aufgrund der so erworbenen Erkenntnisse und nach Absprache mit dem Auftraggeber wurde der Versuch weitreichend angepasst und revidiert. Die grosse Vielfalt an Mängeln erforderten ein breites Wissen und Verständnis für die unterschiedlichen Bereiche. So drehte sich das erforderliche Knowhow für das Projekt nicht nur um die Theorie zur Solarzelle, sondern erstreckte sich von Beleuchtungstechnik, Analogtechnik, Kennnisse von Simulationstools und Messgeräten bis hin zu didaktischer Dokumentation. Schlussendlich resultiert eine komplett revidierte, den aktuellen Technologien angepasste Versuchsanleitung mit erweiterten Theorieteilen, abgeänderten und neuen Aufgabestellungen, Simulationsanleitung, neuen Messgeräten, stabilerem und übersichtlicherem Messaufbau für einen spannenden und einfach handhabbaren Versuch. Der Bericht gilt als Nachschlagewerk für eine Weiterbearbeitung des Laborversuches oder kann auch für Studierende, die den Versuch in Zukunft behandeln, von Nutzen sein. So enthält er zu jedem Kapitel Informationen zum vorherigen Zustand, das Konzept, die Ausführungsmethoden sowie die Rechtfertigung für die gewählten Lösungen. Die Dokumentation ist nach den einzelnen Positionen des Versuchsablaufs gegliedert und enthält nach jedem Kapitel ein Fazit, welches die Situation vorher und nachher noch einmal kurz zusammenfasst und dazu Stellung nimmt. Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 2 2 Konzept Der bestehende Solarzellen-Versuch des Energie- und Antriebssystemlabors soll dem Studenten einerseits die praktische Anwendung der Solarzellen, andererseits auch Knackpunkte und kritische Stellen eines Solarpanels und dessen Aufbau aufzeigen. Dazu ist der Versuch in mehrere Teile gegliedert: Abbildung 1: Die vier Hauptbereiche des Laborversuches "Solarzelle" 2.1 Ziel des Versuchs Die Ziele sind wie folgt definiert: Die Studentin / der Student gewinnt einen vertieften Einblick in die Eigenschaften von Solarzellen und Photovoltaik. Einfache Messmethoden werden klar. Die Anwendung des Simulationsprogramms PSpice oder SimPower Systems wird geübt. Dadurch, dass die Ziele sehr allgemein gehalten sind, werden sie soweit belassen, da sich die grundlegenden Anforderungen an den Studenten nicht variieren ‒ lediglich der Umgang mit dem Versuch, die Inhalte und die Handhabung soll in diesem Projekt verbessert werden. 2.2 Einführende Theorie In dieser wird sowohl in den Aufbau und die Funktionsweise der Solarzelle eingeführt, als auch bereits auf erste Stolperfallen und Eigenschaften hingewiesen. Lichtspektrum: Beim Lichtspektrum wird zu wenig auf die verschiedenen Typen von Pyranometern (Beleuchtungsstärke-Messgeräte) eingegangen, zumal im Versuch zwei unterschiedliche zur Verfügung stehen. Dem soll durch einen erweiterten Theorieteil abgeholfen werden, in welchem sowohl die spektralen Eigenschaften des Auges, von Sonnenlicht und auch der Solarzelle thematisiert werden. Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 3 Jahresnutzungsdauer: Bislang wurde die Berechnung der Jahresnutzungsdauer lediglich in der Aufgabenstellung verlangt, allerdings im Versuch nie theoretisch eingeführt. Aus diesem Grund soll dies thematisiert werden und so auch das Wissen, welches unter Umständen bereits im 3. Semester angeeignet wurde, aufgefrischt werden. Ersatzelemente bestimmen: Am Ende des Versuches soll die Solarzelle simuliert werden. Dazu ist es von Nöten, die Ersatzelemente vorgängig zu bestimmen, so dass ein realistisches Modell erstellt werden kann. Bis anhin wurde allerdings die Berechnung dieser im Versuch nirgends aufgeführt, lediglich welche Elemente vorhanden sind. Dazu wird der Theorieteil mit einer Anleitung zur einfachen Berechnung der Ersatzschaltung ergänzt. 2.3 Versuchsaufbau und Komponenten Versuchsaufbau Modul: Das Modul und vor allem dessen Beleuchtungseinheit sind etwas marode und wackelig. Aus diesem Grund gilt es diese zu überarbeiten und einerseits massiver, andererseits auch zeitgenössischer aufzubauen. Dabei soll beachtet werden, dass die Bestrahlungsstärke nicht zu gering ausfällt und die Handhabung für den Studenten möglichst einfach wird. Versuchsaufbau Einzelzellen: Ein Teil des Versuches wird an den Einzelzellen vorgenommen. Um diese homogen und genügend stark auszuleuchten, wird bis anhin ein 1000W-Halogenstrahler verwendet. Dieser ist einerseits nicht mehr zeitgenössisch, andererseits erwärmt er die Zellen in einem nicht tolerierbaren Bereich, was zu einer Verzerrung der Kennlinie führt. Weiter soll und kann - je nach Bedarf - der Aufbau und die Anordnung der Zellen neu designt werden, um dem Studenten die Messung so einfach und übersichtlich wie möglich zu machen. Versuche: Die Versuche resp. deren Anleitungen sollen allgemein so angepasst werden, dass sie sowohl auf den neuen Aufbau als auch zu den neuen Versuchsteilen passen. Dabei wird darauf geachtet, dass der Student gut angeleitet wird, sodass der Versuch die Thematik Solarzelle spannend vermittelt und erste Erfahrungswerte in dem Gebiet schafft. Weiter wird darauf geachtet, dass bei komplizierteren Teilen der Student etwas stärker geführt wird, da die Laborzeit sehr begrenzt ist und sonst oftmals Teile, welche anspruchsvoll sind, gekürzt werden ‒ dies soll auf diese Weise verhindert werden. 2.4 Verwendete Messgeräte und Versuchskomponenten Die Messgeräte im Versuch sollen so angepasst und erweitert werden, dass Effekte und Eigenschaften der Solarzelle einfach aufgezeigt und bildlich dargestellt werden können. 2.5 Anleitung zum PSpice Modell Dem Versuch war bis anhin eine Anleitung zur Simulation mittels PSpice angefügt. Allerdings weist diese Software ein umständliches Lizenzierungsverfahren auf und ist schwierig zu bedienen. Daher wird diese mittlerweile auch von der Schule nicht mehr verwendet. Aus diesem Grund soll diese Anleitung durch eine, auf LTSpice ‒ bei welchem es sich um eine Freeware handelt, welche bereits in Analogtechnik 1 & 2 eingeführt und verwendet wird ‒ zugeschnittene ersetzt werden. Sie soll so geschrieben sein, dass der Student mit geringem Vorwissen die Simulation in nützlicher Zeit durchführen kann. Bei jedem Berichtsteil wird nochmals detaillierter und spezifischer auf das entsprechende Konzept eingegangen. Dabei werden Kriterien, Änderungsmöglichkeiten und Ideen beschrieben, welche auf dem Lösungsweg in Betracht gezogen wurden. Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 4 3 Solarzellenmodul In diesem Kapitel werden die Optimierungen am grossen Solarpanel thematisiert. Nachfolgend wird beschrieben, wie die Mängel des Versuchsaufbaus, der Beleuchtung und der Messeinrichtungen behoben wurden. 3.1 Beleuchtung Bisheriger Zustand/Mängel: Für die Aufnahme der Kennlinie mit dem Solarzellenmodul ist es von Nöten, dieses homogen auszuleuchten. Dabei wurde bislang ein Gestell verwendet, welches aufgrund des Alters in einem sehr maroden Zustand war und zudem keine gute Justierung der Leuchten – und somit keine sehr homogene Ausleuchtung ‒ zuliess. Ein weiterer kritischer Punkt war, dass die Handhabung für Studierende auf den ersten Blick etwas kompliziert war – zumal es sich hierbei lediglich um die Schaltung von mehreren Halogenstrahlern handelte. So waren beispielsweise das Übergangsstück zum Variac, die Verkablung der Leuchten, etc. nicht sehr übersichtlich. Abbildung 2: Beleuchtung grosses Panel, bisheriger Aufbau Konzept: Für die Erneuerung der Beleuchtung soll sowohl eine Alternative der Strahler als auch der Befestigung entwickelt werden. Dabei muss allerdings beachtet werden, dass wie im Pflichtenheft vereinbart die Bestrahlungsstärke um maximal ±10% über die gesamte Modulfläche variiert. Weiter soll auch die Bestrahlungsstärke entsprechend hoch sein, sodass das Panel nicht im Schwachlastbetrieb betrieben wird, da es sich dabei um keine normale, repräsentative Betriebsart handelt. Ein weiterer Punkt ist die einfache Handhabung der Beleuchtungseinheit. Für eine maximale Benutzerfreundlichkeit soll der Versuchsteilnehmer lediglich ein Anschlusskabel verwenden müssen. Ausführung: Leuchtmittel: In einer ersten Phase wurde ausprobiert, ob die Beleuchtung durch eine zeitgenössischere ersetzt werden könnte. Aus diesem Grund wurde das Panel mittels eines 50W-LED-Strahlers beleuchtet, hierbei war jedoch bereits in einem Abstand von 1m lediglich 10-12W/m2 Beleuchtungsstärke vorhanden, bei 9W/m2 Hintergrundbeleuchtung ohne Strahler – was einen Normalbetrieb des Panels ausschliesst. Aus diesem Grund wurde entschieden, dass die bisherige Beleuchtung beibehalten werden soll. Weiter ist dies längerfristig gesehen die günstigste Variante, da sie sowohl einfach als auch robust ist. Bei den Messungen wurde festgestellt, dass sich in der Mitte des Panels eine schwächer ausgeleuchtete Zone befindet. Um dem entgegenzuwirken wurde zu den bereits bestehenden 8 150W-Strahlern, eine weitere Reihe (4 Stk.), mittig zum Photovoltaikpanel montiert. Jedoch wurde durch die Überlappung der einzelnen Beleuchtungsbereiche, in der Mitte des Panels eine zu hohe Bestrahlungsstärke erzeugt ‒ aus diesem Grund wurde die Erweiterung von vier auf drei Strahler reduziert. Als zusätzlicher Effekt wurde bei der Probe-Justierung bemerkt, dass Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 5 aufgrund des reflektierenden und hellen Bodens ein Teil der Lichtstärke (vor allem der unteren Strahler) unkontrolliert reflektiert wird und so eine unkontrollierbare Ausleuchtung erzeugt. Allerdings kann dies mittels eines schwarzen Tuchs, welches künftig dem Versuch beigelegt wird, behoben werden. Aufbau: Grundsätzlich wurde eruiert, ob mit dem bereits bestehenden Aufbau eine homogene Ausleuchtung möglich sei. Dazu wurde gemäss Datenblatt der Strahler ein theoretischer Beleuchtungsaufbau berechnet. Bei der Messung mit Justierung der Strahler gemäss Berechnung wurde jedoch festgestellt, dass sich sowohl durch das Alter der Strahler als auch durch die ungenauen Angaben der Datenblättern eine Berechnung verunmöglicht. Somit bleibt für die Bewerkstelligung der homogenen Ausleuchtung lediglich eine Testreihe verschiedenster Einstellungen, bei welcher die grösstmögliche Bestrahlungsstärke ermittelt wird. Die Befestigungsmöglichkeit, welche sehr wackelig und ausgesprochen sperrig war, galt es zudem zu überarbeiten. Hierbei kam eine weitere Anforderung hinzu, nämlich dass sie auf eine Europa-Palette passen müsse, damit der Versuch nach Ende des Labor-Semesters abtransportiert und platzsparend gelagert werden kann. Zudem soll die Stabilität über die ganze Höhe verbessert werden und somit grössere Bewegungen der Strahler in senkrechter Richtung zum Panel verhindert werden. Solche Schwankungen können zu einer inhomogenen Bestrahlung und ‒ da sich die Quelle verhältnismässig nahe am Panel befindet ‒ zu grösseren, punktuellen Abweichungen der Bestrahlungsstärke führen. So kamen wir vom ursprünglichen aufgehängten System zu einem Selbststehenden – welches zudem fix verkabelt ist und lediglich eine Kaltgerätebuchse zur Spannungsversorgung als Anschlussmöglichkeit hat. Dies gewährt maximalen Komfort resp. Benutzerfreundlichkeit. Aus Belastungssicht ist dies zudem erträglich, da bei den 11 Strahlern mit je 150W eine totale Leistung von 1650W und somit ein Strom von 7.14A resultiert, was unterhalb des maximalen Stromes von 10A liegt, welcher für Standard-Installationen gilt. Beim Aufbau wurde darauf geachtet, dass die mittlere Reihe Strahler genau mittig zum Panel ist und die beiden äusseren Reihen jeweils symmetrisch zur Mitte sind. In der Vertikalen wurden die Strahler symmetrisch über die ganze Panelhöhe verteilt. Zur Stabilisierung des Aufbaus wurden zudem Querverstrebungen zwischen den vertikalen Trägern und den Standfüssen angefertigt, welche eine maximale Stabilität gewährleisten. So kam schlussendlich der neue Aufbau wie folgt zustande: Abbildung 3: Beleuchtungsmodul nach Umbau Aus der obigen Ansicht ist gut ersichtlich, wie einerseits wert auf Übersichtlichkeit (Verkabelung, Stromverteilung, etc.) gelegt wurde, andererseits aber auch auf Benutzerfreundlichkeit (neu nur noch 1 Stromanschluss mittels Kaltgerätestecker an Kabelbox) und Stabilität (Querverstrebungen) geachtet wurde. Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 6 Mittels der beschriebenen Beleuchtungsanordnung wurde die Beleuchtungsstärkemessung mit dem Hänni EEL-B48 Messgerät an gleichmässig über das ganze Panel verteilten Punkten gemäss nachfolgender Anordnung durchgeführt. Dies führte zu folgenden Beleuchtungsstärken: Messpunkt 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Beleuchtungsstärke [W/m2] 60 60 61 60 65 65 67 69 70 71 70 69 67 68 63 62 Tabelle 1: Messung Abbildung 4: Beleuchtungsstärke-Messpunkte Der Mittelwert über sämtliche Messpunkte kommt somit auf E=65.44W/m2 zu liegen mit Emin=60W/m2 und Emax=71W/m2. Die gemäss Pflichtenheft gesetzten maximalen Abweichungen von ±10%, was im obigen Fall ±6.5W/m2 bedeutet, konnten somit eingehalten werden. Fazit: Die Überholung des Beleuchtungsmodules erforderte zuerst eine gründliche Abklärung, ob mittels des bereits vorhandenen Konstrukts überhaupt eine homogenen Ausleuchtung möglich sei ‒ da ansonsten ein grundlegend neuer Aufbau diskutiert hätte werden müssen. Da sich jedoch die bisherige Variante als für den Versuch sinnvoll zeigte, konnte darauf aufgebaut resp. diese ausgebaut werden. Die Arbeiten lagen vor allem im mechanischen und elektrischen Bereich, da die Gestänge, Verbindungen und Verkabelung angepasst werden mussten. Alles in allem resultiert ein ‒ im Vergleich zu vorher ‒ sehr stabiles Beleuchtungsmodul, welches für den Einsatz im Versuch (1-2 Einsätze pro Woche während eines halben Jahres) sowohl kostengünstig als auch unterhaltsarm ist. Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 7 3.2 Allgemeine Handhabung der Aufgabe Um dem Studenten die Handhabung noch weiter zu erleichtern wurde die Stromversorgung des Beleuchtungsmoduls wie folgt abgeändert, resp. mit folgenden Erweiterungen versehen: 1. Einschaltverzögerung: Da der Variac gleichzeitig einen Trenntransformator darstellt, kann aufgrund des Inrushs sowie des Einschaltzeitpunktes der Einschaltstrom sehr hoch werden, sodass das Schütz anspricht. Dies führt vielmals bei den Studenten zur Verunsicherung. Um dem Abzuhelfen, liess man eine Einschaltverzögerung anfertigen, welche den Einschaltstrom reduziert. 2. Adapter Laborbuchsen – Typ 13: Um die Handhabung und somit auch den Anschluss des Beleuchtungsmoduls weiter zu vereinfachen resp. mittels Standard Typ13-Kaltgerätekupplung-Kabel zu ermöglichen, wurde die in der nebenstehenden Abbildung gezeigte Adapterbox in Auftrag gegeben. Leider war der Einbau einer Typ13-Buchse direkt in den Variac nicht möglich, aufgrund der spärlichen Platzverhältnisse. Sicherheitstechnisch relevant war zudem die zusätzliche Anbringung einer Erdungsbuchse, so dass die Beleuchtungseinheit mit dem Netz-Schutzleiter verbunden ist – was bisher nicht der Fall war. Abbildung 5: Stromversorgung Beleuchtungseinheit Fazit: Beide genannten Elemente erleichtern den Umgang mit dem Beleuchtungsmodul. Die Einschaltverzögerung reduziert vor allem die Unsicherheit, welche sich bei Studenten breit macht, wenn beim Einschalten des Variacs das Schütz anspricht. Zudem konnten die 230V-Y-Stücke sowie die Verkabelung übersichtlicher und sicherer gestaltet werden. Das Globalziel, den Versuch mit einfachen Mitteln angenehmer (einfache Handhabung bei hoher Sicherheit) in dessen Umgang zu gestalten ist hiermit sicher erreicht worden. Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 8 3.3 Dynamische Kennlinienaufnahme Bisheriger Zustand/Mängel: Zum Laborversuch gehört bei den Einzelzellen eine einfache Schalt-Apparatur, mit welcher die StromSpannungs-Kennlinie der Photovoltaikzellen durch einen Kondensator dynamisch erfasst werden kann. Vor Projekt 5 war dieser Kondensator in der 0-Position des Tasters kurzgeschlossen (über den Öffnerkontakt) und mittels Knopfdruck konnte er als transient variable „Last“ an das Panel umgeschaltet werden (über den Schliesserkontakt). Der Aufbau des Tasters sieht folgendermassen aus: Abbildung 6: Aufbau der Schaltbox für die dynamische Kennlinienaufnahme Grundsätzlich wirkt der Kondensator DC-mässig ungeladen als Kurzschluss, geladen jedoch wie ein Unterbruch. Dadurch dass sich der Kondensator, sobald er an das Panel geschaltet wird, nicht unendlich schnell auflädt, kann die Kennlinie des Solarmoduls zwischen den Betriebspunkten „Kurzschluss“ und „Unterbruch“ dynamisch aufgenommen werden. Dies entspricht einer Belastung von 0 bis . Da sich der Kondensator kontinuierlich auflädt, fährt er somit das komplette Widerstandsspektrum ab. In der untenstehenden Abbildung ist der Aufbau der ursprünglichen Schaltung ersichtlich: Abbildung 7: Ursprüngliches Schaltschema Im Schaltschema ist ersichtlich, dass sich beim Betätigen des Tasters S2 der zugeschaltete Kondensator C1 lädt und beim Loslassen sich derselbige wieder entlädt. Nun wurde mit einer Stromzange der Strom, welcher das Photovoltaikpanel liefert, gemessen und auf dem Oszilloskop auf der y-Achse dargestellt. Die Spannung des Panels wird auf der x-Achse angezeigt. Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 9 Dies lieferte folgendes Bild: Abbildung 8: Ausschnitt des Oszilloskops, Unterbrüche in der Kennlinie ersichtlich Aus der obigen Abbildung ist ersichtlich, dass die Kennlinie einige Unterbrüche aufweist. Durch undendliches Nachleuchten am Oszilloskop und mehrmaligem Drücken des Tasters konnten die Unterbrüche überschrieben und schlussendlich eine durchgehende Kennlinie aufgenommen werden: Abbildung 9: Ausschnitt des Oszilloskops, keine Unterbrüche mehr ersichtlich Konzept: Da die Schaltung einen mechanischen Taster für das Laden und Entladen des Kondensators beinhaltet, ging man davon aus, dass die Unterbrüche durch Prellvorgänge verursacht werden. Denn bei mechanischen Schaltern tritt das Problem auf, dass bei deren Betätigung der Schaltkontakt prellt. Das bedeutet, dass sich der Kontakt nach dem Schliessen mehrmals öffnet und wieder schliesst. Dabei treten kurze Impulse – sogenannte Glitches auf. Die Dauer eines Prellvorgangs liegt üblicherweise im Mikrosekundenbereich. Mechanische oder elektronische Schalter und Taster, können hardware- wie auch softwaremässig entprellt werden. Nachdem eine Schaltung für die Entprellung des Tasters (die Entstehung und Funktion der Schaltung wird im folgenden Kapitel erklärt) entworfen und getestet worden war, wurde jedoch festgestellt, dass die Kennlinie immer noch Unterbrüche aufwies. Der Taster selbst zeigte aber in der in der y-t Darstellung des Oszilloskops und Messung am Gate eindeutig kein Prellen mehr. Das Problem entlarvte sich als Auswirkung der zu geringen Sampling Rate des Oszilloskops (TDS 200er Serie) und nicht als Folge des Prellens vom Taster. Da mechanische Schalter aber immer leicht prellen und dies besonders beim Schalten von DC-Strömen eine Beschädigung der Schaltkontakte durch Lichtbögen verursachen kann, ist eine Entprellung des Tasters trotzdem erwünscht. Für die betreffende Anwendung war also eine hardwaremässige Entprellung sinnvoll. Hier boten sich verschiedene Möglichkeiten an: Methode 1: Methode 2: Glättung mittels Kondensator Schalten über einen separaten Steuerkreis. Beispielsweise mit einem MOSFET, welcher prellfrei durchschaltet. Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 10 Bei der 1. Methode muss jedoch berücksichtigt werden, dass der Glättungskondensator einen Einfluss auf die Kennlinie hat. Ebenso würde immer noch der Laststrom über die Schaltkontakte geführt, wodurch das Problem, dass der Schalter auf Dauer beschädigt würde, nicht gelöst wäre. Somit wurde die etwas aufwendigere aber sichere Methode 2 mit dem Halbleiter gewählt. Das folgende Kapitel beschreibt die neue, erweiterte Schaltung und die neu benötigten Messmethoden. Ausführung: Die U-I-Kennlinie der Solarzellen muss bei veränderlichem Widerstand dynamisch darstellbar sein ohne zu prellen. Dies wird mit einem Kondensator realisiert, welcher seinen Widerstand dynamisch ändert wenn er geladen wird. Dazu wurde eine Schaltung entworfen, welche den Kondensator bei Betätigung des Tasters lädt und beim Loslassen des Tasters wieder entlädt. Hierbei soll der mechanische Schalter nur noch den Steuerstrom schalten, wobei der Laststrom prellfrei über einen Halbleiterschalter geschaltet wird. In der folgenden Abbildung ist ersichtlich wie die erste entprellte Schaltung realisiert wurde: Abbildung 10: Erster Entwurf der neuen prellfreien Schaltung Beschrieb der Schaltung: An den Klemmen und liegt die Spannung des Photovoltaikpanels an. An den Klemmen + und - wird eine zweite Gleichspannung angelegt, welche für die unabhängige Ansteuerung des Halbleiterschalters zuständig ist und dafür sorgt, dass über den Taster nur eine kleine Spannung geschaltet wird. Beim Halbleiter nMosFet wurde der Typ IRFB3004 gewählt, da dieser einen sehr geringen Innenwiderstand von 1.4 Ω aufweist und dadurch nur einen geringen Spannungsabfall erzeugt. Der nMosFet schaltet ab einer Steuerspannung von mindestens 2 bis 4V durch. Diese und weitere Daten können im Datenblatt IRFB3004 im Anhang einen kurzen Moment lang gedrückt (entsprechend der eingesehen werden. Hält man nun den Taster wird Ladezeit des Kondensators ), wird der nMos-Schalter leitend und der zugeschaltete Kondensator erfüllt die Glättungsfunktion des Schliesserkontaktes von . Nachdem der Taster wieder losgegeladen. über dem Widerstand entladen mit einem von ∗ . lassen wird, kann sich der Kondensator von 2 s bis 20 s. Bei den eingebauten ′ von 100 F bis 1 F ergibt sich ein Die Schaltung wurde gemäss obigem Schema in Betrieb genommen und getestet. Obwohl mit dieser Schaltung der Taster nicht mehr prellen sollte, waren in der x-y-Darstellung immer noch die gleichen Unterbrüche wie mit der einfachen, prellenden Schaltung sichtbar. Daraufhin wurde der Verlauf am Gate Anschluss beim Drücken des Tasters in y-t Darstellung aufgenommen. Dieser zeigte kein Prellen mehr, sondern lediglich ein minimes Einschwingen. Es musste also ein anderer Grund für die Unterbrüche in der Kennlinie geben. Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 11 Als weitere mögliche Ursache für die Unterbrüche in der dynamischen x-y-Darstellung wurden die Abtastrate untersucht. In der Bedienungsanleitung des verwendete Oszilloskops Tektronix TDS 220 war die Sampling Rate (Abtastrate) mit einem Megasample pro Sekunde aufgeführt. Nun wurde die Schaltung an einem neueren Modell TDS3014 getestet, welches eine Sampling Rate von 1.25 GSa/s aufweist. Mit diesem Oszilloskop erhielten wir eine durchgehende Kennlinie des Stromes in Funktion der Spannung. Aus dieser ersten, entprellten Schaltung ergab sich Optimierungsbedarf an die Messgeräte, wie auch an die Schaltung selber. Folgende Positionen mussten noch verbessert werden: - Die bis anhin verwendete Stromzange hat massive Störungen. Um die Strommessung zu verbessern soll eine bessere Stromzange verwendet oder ein Shunt in Schaltung eingebaut werden. Die Unterbrüche in der x-y-Darstellung sind immer noch vorhanden. Es wird eine höhere Sampling Rate als 1MSa/s benötigt um dem Abhilfe zu schaffen (Beispielsweise ein Tektronix TDS 3014 verwenden). In dieser Schaltung ist eine externe Speisung durch eine DC-Spannungsquelle erforderlich. Dies erhöht den Aufwand an Geräten und der Verschaltung. Obwohl die Unterbrüche nicht am Prellen des Schalters sondern an der zu niedrigen Sampling Rate des Oszilloskopes lagen, sollte die Entprellung über den nMos Halbleiterschalter beibehalten werden, da wie bereits erwähnt auch minime Prellvorgänge eine Beschädigungen der Schaltkontakte hervorrufen könnte. Aufgrund dieser Erkenntnisse wurde eine zweite Schaltung entworfen, welche in der folgenden Abbildung dargestellt ist: Abbildung 11: Entwurf für eine enprellte Schaltung ohne externe Gate-Speisung Der Hauptvorteil der neuen Schaltung ist der folgende: Die Speisung des nMos ist nun nicht mehr extern durch eine Batterie oder ein Netzgerät realisiert, sondern wird direkt vom PV-Panel entnommen. Es musste darauf geachtet werden, dass die erforderliche Gate Spannung anliegt, damit der Halbleiter schalten kann. Jedoch soll aber nicht zu viel des Laststromes für die Ansteuerung des Halbleiters angezapft werden, da sonst die Kennlinie verfälscht werden könnte. Durch einen hochohmigen Widerstand R3 wird dafür gesorgt, dass nur ein kleiner Strom in die Steuerung fliesst und somit die Beeinflussung der Kennlinie vernachlässigbar ist. Der Kondensator C2 lädt sich auf, sobald das PV-Panel angeschlossen wird. Nach ≈ 1s ist der Kondensator C2 geladen und dessen Spannung liegt am Kontakt 3 des Tasters S2 an. Beim Einschalten Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 12 von S2 besteht für einen kurzen Moment lang ein Kurzschluss am PV-Panel da das aktive C1 für t = 0 ein Kurzschluss darstellt. C2 sorgt nun dafür, dass die Spannung am Taster S2 in diesem Moment nicht zusammenbricht. Durch die Z-Diode wird die Steuer-Spannung zudem noch auf 15 V begrenzt. In dieser Schaltung ist das Gate nur solange angesteuert, wie der Taster gedrückt gehalten wird und eine Spannung von mindestens ca. 2 bis 4 Volt anliegt. Ein einmaliges Drücken der Taste reicht jedoch völlig aus, um die U-I-Kennlinie des Kondensators C1 voll aufzunehmen. Der Rest der Schaltung funktioniert gleich wie in der vorherigen Schaltung beschrieben. Damit die gewünschte Kennlinie als durchgehende Kurve am Oszilloskop gezeigt werden kann, sind neue Messgeräte erforderlich. Denn das bestehende Oszilloskop weist wie im Konzept erwähnt eine zu geringe Sampling Rate auf, wodurch die Kurve mit Unterbrüchen geplottet wird. Dem konnte Abhilfe geschaffen werden, indem ein leistungsfähigeres Gerät eingesetzt wurde. Mit einem Oszilloskop der 3000er Serie konnte dieses Problem gelöst und die Kurve in einem Stück aufgezeichnet werden. Auf den Einbau eines Shunts für die Strommessung konnte verzichtet werden. Es musste lediglich die Stromzange ausgetauscht werden, da die vorherige durch einen Defekt viel zu starkes Rauschen aufwies. Die daraus resultierenden Ergebnisse sind in folgenden Abbildungen aufgezeigt: Abbildung 12: Auszug des Oszilloskopes TDS 30014, Verläufe von Laststrom und -Spannung In der Abbildung ist der y-t-Verlauf dargestellt. Die grüne Kurve stellt den Eingangsstrom (Strom des Photovoltaikpanels) und die gelbe Kurve dessen Spannung dar. Es ist gut ersichtlich, wie bei der Betätigung des Tasters (markiert durch den Trigger) die Spannung über dem Panel zusammenbricht und dann aufgrund der grösser werdenden Impedanz des Kondensators wieder ansteigt. Der Strom ist vor der Betätigung des Tasters auf null, und erreicht einen Peak zum Zeitpunkt, in welchem der Taster betätigt wird. Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 13 In der x-y-Darstellung sieht der Verlauf von Strom in Funktion der Spannung folgendermassen aus: Abbildung 13: U-I-Kennlinie in der x-y-Dartellung am TDS3014, ohne Unterbrüche Mit dem Modell TDS 3014 konnte die I-U-Kennlinie ohne Unterbrüche aufgezeichnet werden. Hierbei ist gut ersichtlich wie der Strom in Funktion der Spannung verläuft und somit die typische U-I-Kennlinie einer Photovoltaikzelle entsteht. Diese Kurve soll dem Studenten gezeigt werden, damit diese beispielsweise mit der von Hand aufgenommenen Kennlinie verglichen werden kann. Versuchsanleitung: Der Student soll selber die Chance haben, zu überlegen mit welchen Hilfsmitteln die Kennlinie auf dem Oszilloskop dargestellt werden könnte. Daher wird in der Aufgabenstellung auf einen genaueren Beschrieb der erstellten Schaltung und deren Funktionsweise verzichtet. Die Aufgabenstellung wurde 1:1 beibehalten: Originalaufgabenstellung in der Versuchsanleitung: Dynamische Kennlinienmessung a.) Wie ist es möglich, die gesamte Kennlinie auf dem Oszilloskop darzustellen? Überlegen Sie welches zusätzliche Element dafür notwendig ist. b.) Vergleichen Sie das aufgenommene Bild mit der gemessenen Kurve aus 4.1 a.) Fazit: Für die Optimierung der dynamischen Aufnahme der U-I-Kennlinie wurde anfangs fälschlicherweise angenommen, dass die Unterbrüche in der x-y-Darstellung daher rührten, dass der mechanische Taster prellte. Wie sich dann aber herausstellte, war die Ursache dafür ein für diese Anwendung ungeeignetes Oszilloskop, welches eine zu geringe Samplingrate aufwies. Somit ist für diese Teilaufgabe des Solarzellenversuchs ein Oszilloskop TDS ab mindestens der 3000er Serie bereitzustellen. Um eine Beschädigung des Tasters auf Dauer zu vermeiden, wurde dieser aber trotzdem mittels einer nMos-Schaltung entprellt. Die neue optimierte Schaltung, konnte in der ursprünglichen Box untergebracht werden. Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 14 3.4 Maximum Power Point Bisheriger Zustand/Mängel: In der bisherigen Versuchsanleitung wird im Theorieteil nur sehr knapp auf den MPP eingegangen. In der Aufgabenstellung sollte bis anhin der MPP des grossen Panels bei verschiedenen Beleuchtungsstärken eruiert werden. Der Studierende wird jedoch zu wenig auf die Verschiebung des MPPs mit sinkender Beleuchtungsstärke sensibilisiert um aus dem Ergebnis aussagekräftige Schlüsse ziehen zu können. Konzept: Aus diesem Grund soll die Versuchsanleitung erweitert werden, sowohl im Theorieteil als auch in der Aufgabenstellung. Ausführung: Der Theorieteil in der Versuchsanleitung wurde so erweitert, dass die Verschiebung des MPPs bei sinkender Beleuchtungsstärke sowie auch die Zusammenhänge zwischen Arbeitspunkt, MPP und Belastung zur Sprache kommen. Die Aufgabenstellung wurde so modifiziert, dass der Studierende den Einfluss unterschiedlicher Bestrahlungsstärken (Dimmung) auf den Maximum Power Point kennenlernt. Er soll darauf sensibilisiert werden, dass sich der MPP verschiebt und somit die Last geregelt werden muss. Allerdings soll er sich mit der erweiterten Theorie als Grundlage selber Gedanken machen und allenfalls vom Dozenten in die richtige Richtung geführt werden. Als Beispiel für eine mögliche Ausführung durch die Studierenden sind in folgenden Grafiken die von Hand aufgenommenen Messdaten als U-I-Kennlinie und die aus dem Produkt von Strom und Spannung entstehende Leistungskurve dargestellt. Der MPP liegt somit an jenem Punkt resp. bei jener Spannung, bei welcher die Leistung am grössten ist. Die Beleuchtungsstärken wurden mit Absicht sehr unterschiedlich gewählt (87W/m2 und 35W/m2), damit die Verschiebung des MPPs deutlich erkennbar wird: Abbildung 14: U-I-Kennlinien und Leistungskurven bei zwei verschiedenen Bestrahlungsstärken Aus den obigen Abbildungen ist die Verschiebung des MPPs deutlich ersichtlich. Bei einer Bestrahlungsstärke von 87Watt/m2 liegt der MPP bei etwa 15V und bei 35W/m2 deutlich weiter links. Das bedeutet, die Last muss verringert werden, damit auch die Spannung an der Last geringer wird und damit auch der Arbeitspunkt nach links verschoben wird. Auch der Leistungswert des MPP ist abhängig von der Bestrahlungsstärke. Je stärker die Bestrahlung desto grösser die Leistung im MPP was folgende Werte bestätigen: MPP35W / m 2 1.93W MPP87W / m 2 6.04W Hinweis: Beim Plot der Leistungskurve muss berücksichtigt werden, dass während der Messung im Labor nicht genügend Messdaten aufgenommen wurden und somit der tatsächlich vorkommende Maximalwert vom oben berechneten MPP marginal abweicht. Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 15 Versuchsanleitung: In der Versuchsanleitung wurde der Theorieteil zum MPP ergänzt. Dementsprechend wurde auch die Aufgabenstellung angepasst. Nachfolgend sind der neue Theorieteil und die ergänzte Aufgabenstellung aufgeführt. Dies kann auch im Anhang unter „Versuchsanleitung“ im Kontext zu den anderen Theorieteilen und Aufgabenstellungen eingesehen werden. Einführende Theorie: Definition MPP Der Maximum Power Point (MPP) einer Solarzelle ist derjenige Arbeitspunkt, bei welchem das Produkt aus Strom und Spannung am grössten wird und die Anlage somit die grösste Leistung erbringen kann. Definition Arbeitspunkt Der Arbeitspunkt kann sich je nach Belastung auf der gesamten U-I-Kennlinie einstellen. So liegt beispielsweise bei Leerlauf (keine Last) der Arbeitspunkt ganz rechts auf den Kennlinien und bei Kurzschluss ganz links auf den Kennlinien im folgenden Bild. Der Arbeitspunkt soll im Idealfall so gewählt werden, dass er gerade dem MPP entspricht. Somit wird ein maximaler Leistungsertrag ermöglicht. U/I-Charakteristik: In der folgenden Abbildung sind die U-I-Kennlinien für verschieden Bestrahlungsstärken abgebildet. Abbildung 15: U-I-Kennlinien bei verschiedenen Bestrahlungsstärken Wie in der obigen Abbildung gut ersichtlich ist, verschiebt sich der Maximum Power Point mit abnehmender Bestrahlungsstärke immer weiter nach links (gekennzeichnet durch die rote Linie). Damit die Anlage den maximalen Leistungsertrag erbringt, muss die Belastung des Panels so ausgelegt werden, dass der Arbeitspunkt der Anlage möglichst dem MPP entspricht. Da sich aber nun der MPP bei unterschiedlichen Bestrahlungsstärken verschiebt, stimmt der MPP nicht mehr mit dem Arbeitspunkt überein. Daher muss auch die Last demensprechend angepasst werden. MPP Tracker: Da in der Praxis die Bestrahlungsstärke ständig variiert (z.B durch Wolken am Himmel) braucht es eine Regelung, damit die Anlage Ihren Arbeitspunkt immer möglichst im MPP hat. Dazu wird ein sogenannter MPPTracker eingesetzt. Dieser reguliert die Spannung um einen kleinen Betrag so, dass sich das Produkt aus Strom und Spannung entsprechend vergrössert oder verkleinert. Wird also die Leistung grösser, übernimmt der Tracker die neue Spannung, ansonsten wird die Spannung auf den ursprünglichen Wert zurückgesetzt. Dieses Verfahren wird laufend praktiziert, damit optimal auf Schwankungen der Beleuchtungsstärke reagiert werden kann. Solche Tracker sollten vorzugsweise in allen Modulen der gesamten Anlage eingebaut sein, damit auch im Falle einer Beschattung der Arbeitspunkt im Bereich des MPP gehalten werden kann. Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 16 Aufgabenstellung: Messung am Modul - Kennlinie Modul a.) Messen Sie die gesamte U-I-Kennlinie des Solarmoduls für mindestens zwei verschiedenen Bestrahlungsstärken. b.) Wo liegen jeweils die MPP und wie sind diese zu finden? Wo liegen die Unterschiede bei verschiedenen Bestrahlungsstärken und welche Probleme bringt dies mit sich? Überlegen Sie sich die Auswirkungen auf die Last einer Solaranlage in der Praxis. c.) Was für einen Wirkungsgrad hat das Solarmodul im maximalen Arbeitspunkt? Stimmt der Wirkungsgrad mit der Theorie überein? Falls nein: warum nicht? Was haben die Halogenscheinwerfer für einen Wirkungsgrad und welche Solarleistung ist damit zu erwarten? d.) Bestimmen Sie die Bestrahlungsstärke mit beiden Pyranometern im Vergleich. Kommentar? Fazit: Nun steht dem Studierenden eine theoretische Basis zum Maximum Power Point in Form eines neu verfassten Theorieteils in der Versuchsanleitung zur Verfügung. Diese sollte durch vorgängiges Studieren der Anleitung und den Bezug zu den notwendigen Messungen klarer gestalten. So soll der Studierende beispielsweise darauf sensibilisiert werden, dass sich der MPP verschiebt und daher die Last entsprechend geregelt werden muss. Die Aufgabe sollte nun grösstenteils selbständig ausgeführt werden können, eventuell mit einem unterstützenden Input durch den Dozenten. Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 17 4 Einzel-Solarzellen Nachfolgend werden die einzelnen Komponenten zum Versuchsteil Einzelsolarzellen beschrieben. Es wird jeweils kurz auf die Mängel eingegangen und danach erläutert, wie diese behoben wurden. 4.1 Temperaturabhängigkeit Bisheriger Zustand/Mängel: Die Temperaturabhängigkeit ist ein wesentlicher Effekt der Solarzelle, welcher oftmals ausser acht gelassen wird. Deshalb wurde bereits im bestehenden Versuch der Student darauf hingewiesen. Da jedoch die Messung etwas umständlich war und die Rechnung „lediglich“ den Temperaturkoeffizienten der Solarzelle liefert, wurde dieser oftmals ganz weggelassen. Aus diesem Grund soll dieser Versuchsteil überarbeitet und benutzerfreundlicher gestaltet werden. Weiter soll der Studierende möglichst einfach auf den wohlbekannten Koeffizienten der Leistungseinbusse in Abhängigkeit der Temperatur von 2%/5°C gebracht werden. Konzept: Um den Versuch einerseits so einfach wie möglich zu gestalten, andererseits es hierbei primär um die Temperatur und die Zellenspannung geht, soll nebst der Temperaturmessung auch die Erhitzung der Zellen möglichst einfach gestaltet werden. Dies stellt Anforderungen an folgende Bereiche: Leuchtmittel, Temperatur-/Spannungsmessung. Da der Effekt bei jeder Zelle derselbe ist, wurde beschlossen, dass die Temperaturabhängigkeit lediglich an einer Solarzelle resp. an einem Solarzellenpaar durchgeführt werden soll. Dies erhöht bereits die Übersichtlichkeit und die Handhabung. Der zu untersuchende Temperaturbereich soll dabei bei 20° - 80° liegen. In der Realität liegt je nach Montagestandort und Kühlungsmöglichkeiten die Betriebstemperatur der Solarzellen bei maximal ca. 60°C. Der Bereich wurde so gewählt, da nebst dem Betriebsfall auch der Extremfall (bsp. Anwendung in der Wüste) und dessen Auswirkung simuliert werden kann. Weiter soll sowohl Temperatur als auch Spannung – da diese erwartungsgemäss gegenläufig sind – auf einem K.O. dargestellt werden, um die Verhältnisse besser zu verdeutlichen. Ausführung: Leuchtmittel: Da bei diesem Versuch die Aufheizung der Zellen eine zentrale Rolle spielt, wurde nach einem Leuchtmittel gesucht, welches primär Strahlung im Infrarotbereich (Wärmestrahlung) emittiert. Dies führte uns auf handelsübliche Wärmelampen. Das aktuell verwendete Modell erzeugt Strahlung gemäss nebenstehender Grafik. Damit ein Zellenpaar jeweils homogen ausgeleuchtet werden kann, wurde nebst einer weiteren Lampe eine Zwillingshalterung Abbildung 16: Spektrum der Wärmelampen beschafft. Diese wurde so designt, dass sie universell ist. Da die Wärmelampen unterschiedliche Ausmasse haben, kam man schnell auf zwei unabhängige Halterungen, welche individuell ausgerichtet und somit optimal über jeweils eine Solarzelle ausgerichtet werden können. Abbildung 17: Zwillingshalterung für die Leuchtmittel Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 18 Mit den so angeordneten Leuchtmittel wurden folgende Temperaturen – direkt auf der Zellenoberfläche mittels des herkömmlichen Therma1-Messgerätes gemessen – erreicht: Distanz Lampe-Zelle [cm] 40 30 20 Temperatur °C 37.7 55.3 89.9 Tabelle 2: Temperaturen beheizte Zelle Da die Lampe die Solarzelle nicht infinit schnell aufheizt, gilt es im Versuch nun, die Temperatur während der Zeitdauer, bis die maximale Zellentemperatur erreicht ist, transient aufzunehmen. Dies führt uns zum nächsten Punkt: Der Temperaturmessung. Temperaturmessung: Bislang wurde ein Standard-Temperaturmessgerät verwendet, welches die Temperatur digital über ein Display ausgibt. Um die Messung einfacher zu gestalten, wurde nach einer Möglichkeit gesucht, mit welcher die Temperatur transient – am Besten direkt auf dem K.O. – dargestellt werden kann. Weiters muss für die Messung der abgedeckte Temperaturbereich der Messeinheit bei 10-100°C liegen – dieser Bereich wurde so gewählt, da mittels der oben genannten Leuchtmittel-Temperaturen in diesem Bereich erzeugt werden können. Bei Temperaturmesssonden handelt es sich um Thermoelemente, welche eine temperaturabhängige Spannung erzeugen. In unserem Fall wird ein Typ K-Thermoelement verwendet, welches eine Spannung von -6.458mV bei -270°C und 54.886mV bei 1372°C erzeugt. Allerdings ist dies nicht linear, weshalb eine Schaltung zur Linearisierung und Signalverstärkung notwendig wird. Abbildung 18: Elektronik zur Linearisierung/Verstärkung Bei der oben abgebildeten Schaltung handelt es sich um eine im Regelungstechniklabor bereits vorhandene Temperaturmesseinheit, auf welche zurückgegriffen werden konnte. Diese linearisiert und verstärkt die Thermospannung und gibt am Ausgang eine temperaturabhängige Spannung aus, welche direkt auf dem K.O. dargestellt werden kann. Die gesamte Dokumentation der Schaltung ist aus Übersichtlichkeitsgründen auf der CD im Anhang enthalten. Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 19 Für die Umrechnung der Temperaturspannung in eine Temperatur war zuerst allerdings eine Vergleichsmessung notwendig. Diese wurde mit der Temperaturmessung mittels der oben genannten Elektronik und dem bereits zum Versuch gehörenden Therma1-Temperaturmessgerät durchgeführt. Dazu wurde in einem Behälter Wasser mit unterschiedlicher Temperatur eingefüllt um dieselbe Temperatur an beiden Messsonden zu erzeugen. Würde man die Messung beispielsweise in der Luft machen und diese mittels Heissluftföhn erwärmen, könnte keine identische Temperatur an den beiden Sonden erzeugt werden. Wasser wurde aus Einfachheitsgründen gewählt, obschon Öl eine homogenere Wirkung erzielt hätte. Da es bei dieser Messung jedoch nicht auf eine sonderliche Genauigkeit ankam und das Wasser vor jeder Messung umgerührt wurde, reichte das von uns verwendete Medium aus. Dies führte zu folgendem Ergebnis: Abbildung 19: Temperatur-Vergleichsmessung Auf dem obigen Bild ist auf der Abszisse die gemessene Spannung der Temperaturmessung, auf der Ordinate die mit dem Thermometer gemessene Temperatur. Wie gut ersichtlich ist, funktioniert die Elektronik, welche das Thermoelement linearisiert, ausgezeichnet. So konnte mit einem Fit an die Kurve die Steigung sowie der Offset eruiert werden, was uns auf folgende Umrechnung zwischen gemessener Temperaturspannung und Temperatur bringt: T U mess 10 V 3C [C ] Erwärmt man nun eine Solarzelle und misst dabei die linearisierte Temperaturspannung, so ergibt sich folgendes, transientes Bild: Abbildung 20: Temperaturabhängige Spannung Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 20 Wie aus dem obigen Bild gut ersichtlich ist, nimmt einerseits die Temperatur linear zu, andererseits dauert es bis zur Endtemperatur (hier ist lediglich der Verlauf bis ca. 65°C aufgenommen) ca. 6 Minuten und stellt somit einen, für den Versuch erträglichen Zeitraum dar. Für den Versuch wurde somit ein K.O. notwendig, welches über eine genügend grosse Time-Domain im Bereich von 20-50sec/Div verfügt. Das im Labor bereits vorhandene Tektronix TDS 2014B weist Werte von 5, 10, 25 und 50sec/Div auf womit ein solches verwendet werden kann. Um die Spannungsmessung so einfach wie möglich zu gestalten, wurde die komplette Elektronik in die Solarzelleneinheit eingebaut und lediglich Anschlüsse für die Speisung sowie die Messspannung via BNCBuchse herausgeführt. Die Platzierung der Messsonde wurde weiter auf den Solarzellen direkt gewählt, da einerseits die Temperatur des Kunststoffuntergrundes gemäss Vergleichsmessung ca. 5°C unterhalb derer der Glasoberfläche der Solarzelle liegt. Andererseits schattet die Messsonde, sofern sie auf dem Lot der Solarzellen platziert wird, kaum ab, sodass weitere Effekte vermieden werden können. Nimmt man nun die Spannung über der Zelle sowie die Temperatur-Messspannung gleichzeitig auf, so ergibt sich folgendes Bild: Abbildung 21: Temperatur-/Diffusionsspannungskennlinie Auf dem obigen Bild sind Temperaturspannung (gelb, 1V/Div) und Diodenspannung (50mV/Div) transient abgebildet. Bei der Diodenspannung ist jedoch zu beachten, dass der Offset von ca. 0.7V mittels Referenzverschiebung korrigiert werden kann, da die Spannungsschwankung in einem sehr kleinen Bereich erfolgt. Der Versuchsteilnehmer wird jedoch in der untenstehenden Versuchsanleitung darauf hingewiesen. Hierbei wird gut ersichtlich, dass mit zunehmender Temperatur die Diffusionsspannung über der Diode abnimmt. Dies aufgrund der grösseren Brown’schen Bewegung der Atome, welche aufgrund der erhöhten Temperatur hervorgerufen wird. Somit kann somit schlussgefolgert werden, dass die Solarzellen bei zunehmender Temperatur weniger Leistung abgeben, da deren Spannung kleiner wird. Das obige Bild ist somit dasjenige, welches dem Studenten bildlich zeigen soll, wie die Temperatur einen Einfluss auf die Leistung hat. Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 21 Versuchsanleitung In der Versuchsanleitung wurde die Wegleitung folgendermassen angepasst: Beleuchten Sie ein Zellenpaar (nicht das mit der Temperaturmessung bestückte) mittels Infrarot-Lampe und messen Sie dessen Leerlaufspannung. Erwärmen Sie anschliessend das Zellenpaar, bei welchem sich die Temperaturmessung befindet, und nehmen Sie dabei mittels K.O. sowohl die Leerlaufspannung als auch die Temperatur-Messspannung transient während der Erwärmung der Zellen auf (genügend grosse Time-Domain wählen). Bei der Temperaturmessung können Sie die an der BNC-Buchse anliegende Messspannung wie folgt in eine Temperatur umrechnen: T U mess 10 V 3C [C ] Beachten Sie bei der Messung der Diodenspannung, dass sich diese lediglich im Bereich von ca. 20-40mV verändert. Stellen Sie den Messbereich entsprechend ein – bedenken Sie auch ein allfälliges Offset. Vergleichen Sie die beiden aufgenommenen Graphen und erklären Sie die Abhängigkeit der Spannung von der Temperatur. Bestimmen Sie weiter eine allgemeine Handformel für die Abhängigkeit der Spannung und somit der Leistung von der Temperatur. Vergleichen Sie diese mit Literatur-Werten. Wir sind uns bewusst, dass diese Anleitung sehr detailliert ist, jedoch handelt es sich hierbei um einen wichtigen Effekt, bei welchem sich der Student primär um das Resultat, dafür um so weniger um die Messung und deren Methoden kümmern muss. Fazit: Bei der Suche nach einer Temperaturmessung konnten wir glücklicherweise auf ein fertiges Modul zurückgreifen, welches bereits mehrfach getestet wurde im Einsatz ist. So konnte eine stabile Messvorrichtung realisiert werden, welche ‒ da es sich um eine Schaltung der FHNW handelt ‒ ausserdem kostengünstig und bei allfälligem Ausfall bereits bekannt ist. Die so realisierte Temperaturmessung ist dank der im Modul integrierten Messeinheit sehr einfach zu bedienen was wiederum dem Bedienkomfort zugute kommt und so den Schwerpunkt bei diesem Versuchsteil nicht auf die Messmethode sondern auf die Resultate und deren Interpretation setzt. Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 22 4.2 Beleuchtung Bisheriger Zustand/Mängel: Für den Abschattungsversuch, bei welchem gezeigt werden soll, wie sich Zellen-Strings bei Abdunkelung einer oder mehrere Zellen verhalten, ist es von Nöten, die sechs Solarzellenpaare homogen auszuleuchten. Dazu wurde bislang eine herkömmliche 1000W-Halogenlampe verwendet, welche allerdings mit einem Wirkungsgrad von 5-10% mehr einer Heizung entspricht, welche auch noch leuchtet. Der damit erreichte Lichtstrom von ca. 22000lm und einer Bestrahlungsstärke von ca. 500W/m2 erlaubte jedoch einen Betrieb der Solarzellen in einem Bereich, welcher der Realität entspricht. So rechnet1 man in Mitteleuropa (jeweils zur Mittagszeit) im Sommer mit 700W/m2 und im Winter mit 247W/m2. Da die bisher verwendete Lampe jedoch die Solarzellen stark erhitzt, wird bei der Kennlinienaufnahme die Temperaturabhängigkeit mit aufgenommen und erzeugt so ein verzerrtes und verfälschtes Bild. So hat bei Beginn der Messung die Zelle Raumtemperatur gegen Ende jedoch bis zu 70-80°C hat und somit die Leistung resp. die Diodenspannung geringer wird. Dem soll mittels einer zeitgenössischeren Beleuchtung abgeholfen werden. Die Richtlinien gemäss Pflichtenheft sind dabei, dass sich die Zellen maximal 10° innert 15min erwärmen dürfen, ansonsten müssten sie gekühlt werden. Abbildung 22: Bisheriger Halogen-Strahler Konzept: Da eine Kühlung sehr aufwendig wäre und zudem die Fortschritte punkto Lichtleistung und Lichtstrom bei Kaltlichtlampen (LED, FL-Röhren) in den letzten Jahren gross waren, entschieden man sich bereits sehr früh dazu, sich primär in diese Richtung zu bewegen und die Kühlung der Zellen bei bestehender Lampe als Notlösung zu sehen. So kamen folgende Varianten in Frage: Fluoreszenz-Röhren oder LED. Grundsätzlich stellte sich die Frage, ob sich das Spektrum der neuen Beleuchtung überhaupt mit dem, der Solarzellen überdeckt. Ohne eine Überschneidung der Spektren kann keine Energie auf die Solarzellen übertragen werden, da die transportierte Energie (in Form von emittierter Strahlung) gemäss dem Planckschen Wirkungsquantum mit der Wellenlänge verknüpft ist. Stimmt die Energie nicht mit dem Bandabstand des Empfängers – in unserem Falle der Solarzellen – überein, so kann sie nicht aufgenommen werden und geht in Wärmeenergie über. E h E: Energie h: Plancksches Wirkungsquantum c c: Lichtgeschwindigkeit λ: Wellenlänge Da zu den von uns verwendeten Zellen jedoch keine technischen Daten und somit kein Spektrum verfügbar ist, wurde ein Versuch resp. eine Versuchsreihe unumgänglich. Dabei sollten unterschiedlichste Leuchtmittel und Methoden getestet werden. 1 Quelle: www.wikipedia.de/Sonnenstrahlung; 05.12.2012 Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 23 Fluoreszenzröhren (FL): Fluoreszenzröhren erzeugen die Lichtstrahlung durch Beschleunigung von Elektronen, welche (bei Quecksilbergas) Licht im ultravioletten Bereich liegt. Erst anschliessend wird durch die Beschichtung der Röhre das UV-Licht in das sichtbares Spektrum übertragen. Aus diesem Grund weisen sie kein kontinuierliches sondern ein mehr oder minder diskretes Spektrum auf – wie die Solarzelle auch. Einerseits das unbekannte Spektrum als auch die nirgends spezifizierte Bestrahlungsstärke machten somit einen Versuch unumgänglich. Dabei wurden sechs FL-Röhren vom Typ Philips TLD18/840 verwendet, welche gleichmässig verteilt über den Zellen angeordnet wurden. Die Bestrahlungsstärkemessung ergab folgende Werte: Abstand zur FLRöhren-Oberfläche [cm] 3 10 20 Bestrahlungsstärke [W/m2] 73 51 30 Tabelle 3: gemessene Bestrahlungstärken Wie aus der obigen Tabelle hervorgeht, sinkt aufgrund der homogenen Abstrahlung der FL-Röhren die Beleuchtungsstärke mit zunehmendem Abstand rasant ab. Somit kann die Lichtleistung zu wenig gezielt auf die Zellen übertragen werden. Aus diesem Grund wurde die Variante der FL-Röhren verworfen. LED: Bei der LED ist das Spektrum eine Stufe extremer als bei der FL-Röhre. Hier handelt es sich um ein wirklich diskretes Spektum. Da oftmals Angaben zu den Spektren fehlen, ist auch hier ein Versuch unumgänglich. Ein weiterer Knackpunkt stellt bei der LED der Abstrahlungswinkel dar. So zeigt sie in der Urform eine Lambertstrahler-Charakteristik bei welcher die Bestrahlungsstärke mit dem Cosinus des Zwischenwinkels zum Lot abnimmt, wie in nebenstehendem Bild2 dargestellt. Abbildung 23: Lambert-Charakteristik Da auch hierzu bei vielen Strahlern die Angaben fehlen, entschieden wir uns zum Test folgender Produkte: 50W-LED Strahler YIKE YK-CT-003: Der verwendete LED Strahler verfügt über ein Cluster von 5 x 10 1W-LEDs im Zentrum des Reflektors. Für die homogene Verteilung befindet sich dahinter ein gleichmässiger Reflektor. Abbildung 24: YIKE 50W-LED Strahler 2 Quelle: Skript Physik 1, Rolf Lamprecht, FHNW Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 24 Bei mittiger Ausrichtung des Strahlers über sämtlichen Zellen, mit einem Abstand von 20cm zur Zellenoberfläche, ergaben sich folgende Werte: Messpunkt 1 2 3 4 5 6 7 8 Bestrahlungsstärke [W/m2] 28 33 29 31 57 53 66 67 Tabelle 4: Bestrahlungsstärken Einzelzelle Abbildung 25: Messpunktanordnung Wie aus der obigen Tabelle zu entnehmen ist, ist die Bestrahlungsstärke zwar bei gleichem Abstand zum Zentrum zum Beispiel am Rand der Zellen (Messpunkte 1, 2, 3, 4) immer etwa gleich gross, jedoch ist aufgrund der Verteilung der LEDs im Strahler selber die Bestrahlungsstärke im Zentrum viel grösser. Um dem abzuhelfen wurde versucht, mittels Diffusor, welcher mittig auf über der Lichtquelle angebracht wurde, die verhältnismässig hohe Bestrahlungsstärke in der Mitte im Vergleich zum Rand zu reduzieren. Dabei konnte mittig (Messpunkt 8) diese auf 54W/m2 reduziert werden. Allerdings ist dabei zu beachten, dass allgemein die Bestrahlungsstärke sehr niedrig ist. Deshalb würden die Zellen bereits bei einem Strahlerabstand von 20cm in Schwachlast betrieben – was für den Versuch kein tolerierbarer Zustand ist. Aus diesem Grund wurde nach einem leistungsfähigeren Strahler gesucht. Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 25 80W LED-Strahler Telcoled: Der Strahler, welcher als weitere mögliche Variante getestet wurde, war das 80WModell der Firma Telcoled, welcher – analog zum YIKE-Strahler – ein zentrales Cluster von 8 x 10 1W-Led als Lichtquelle hat. Weiters hat er einen Abstrahlwinkel von 120° und eine Farbtemperatur von 6000-6300 Kelvin. Abbildung 26: Telcoled 80W-LED Strahler Damit ergaben sich mit derselben Messanordnung wie bereits beschrieben folgende Werte: Messpunkt 1 2 3 4 5 6 7 8 Bestrahlungsstärke [W/m2] Abstand zur Zelle: 20cm 55 61 65 71 137 131 141 135 Bestrahlungsstärke [W/m2] Abstand zur Zelle: 30cm 45 49 45 48 78 76 83 75 Tabelle 5: Bestrahlungsstärken bei 20cm und 30cm Abstand Wie bereits beim YIKE-Strahler ist auch hier wiederum aus der obigen Tabelle ersichtlich, dass aufgrund der Anordnung der LEDs im Strahler eine punktförmige Lichtquelle resultiert, welche den Fokus im Zentrum hat. Wiederum wurde versucht, mittels Zentral aufgeklebtem Diffusor (gemäss nebenstehendem Bild) die Bestrahlungsstärke im mittleren Bereich zu reduzieren. Bei 30cm Abstand konnte so der höchste Wert auf 70W/m2 (Messpunkt 7) reduziert werden. Dabei sanken allerdings auch die übrigen Werte im Durchschnitt um 2-3W/m2. Abbildung 27: Telcoled 80W-LED Strahler mit Diffusor vor LED-Cluster Wie bei beiden oben diskutierten Strahlern festgestellt, eignet sich eine LED-Lichtquelle mit zentralen LEDs nicht für diese Anwendung, da für eine genügend grosse Lichtleistung zu nahe an die Zellen herangefahren werden muss und somit die Reflektorwirkung abnimmt und die Fokussierung zunimmt. Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 26 Die Energie, welche von LEDs in diesem Ausmass ausgeht respektive in Wärme umgewandelt und abgeführt werden muss, zeigt sich besonders beim Telcoled-Strahler. So verfügt dieser auf der kompletten Rückwand über Kühlrippen. Da die Wärmeabführung bei den hochleistungs LEDs nach wie vor ein Problem darstellt, wurde weiter versucht, auf einen baufertigen Strahler zurückgreifen zu können und somit auf die Entwicklung eines eigenen Leuchtmittels verzichtet. Abbildung 28: Massive Kühlrippen des 80W LED-Strahlers 48W Multi-LED-Strahler Telcoled: Als weitere Beleuchtungsmöglichkeit, welche getestet wurde, stand ein Multi-LEDStrahler zur Verfügung. Dieser hat im Gegensatz zu den vorherigen nicht ein mittiges LED-Cluster sondern die 48 x 1W-LEDs über die gesamte Abstrahlfläche verteilt. Auf dem Bild rechts ist gut erkennbar, wie die einzelnen LEDs über die komplette Fläche verteilt sind. Abbildung 29: 48W-LED Strahler Aufgrund der Ausmasse des Strahlers mit 18x18cm wurde diesmal die Messung nicht über sämtliche Zellen verteilt, sondern – da der Zellenaufbau geändert wird – über einer Schablone mit den Ausmassen von 6 Zellen. Dabei wurden Werte von 148W/m2 in der Mitte und 102W/m2 am Rande der Schablone gemessen. Dies bei einem Abstand von 20cm zwischen Zelle und Strahler. Gemäss Absprache mit dem Auftraggeber ist diese Beleuchtungsstärke ausreichend für den Versuch. Da allerdings die gesamte Fläche ausgeleuchtet werden soll, wurde beschlossen, mit total zwei der obigen Strahler zu arbeiten, welcher jeder 6 Zellen beleuchtet. Abbildung 30: Messung mit Zellen-Schablonen Da für die Bestrahlung der Zellen nebst der Lichtstärke ebenfalls das Spektrum massgebend ist, wurde auch dieses untersucht. Gemäss Datenblatt des Herstellers sieht dies wie folgt aus: Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 27 Abbildung 31: Spektrum 48W LED Strahler Wie aus dem Spektrum gut ersichtlich, emittiert der Strahler einen grossteil der Strahlung im Rot-Bereich, in welchem auch die Solarzelle ihren besten Wirkungsgrad besitzt. Aus diesem Grund ist dieser Strahler – nebst der homogenen Bestrahlungsstärke – auch vom Spektrum her geeignet um den Versuch unter Bedingungen durchzuführen, welche nicht im Grenzbereich liegen. Für die Montage wurde dafür eigens folgende Halterung gebaut, mit welcher die Strahler über den Solarzellen montiert werden können: Abbildung 32: Halterung für 2 x 48W LED Strahler Bei der Anfertigung der Haltung wurde darauf geachtet, dass genügend Platz für die Box mit den Solarzellen gelassen wird. Dabei wurden folgende Abmessungen gewählt: 900 x 500 x 400 (lxbxh in mm). Ebenfalls wurde die Halterung so gebaut, dass sie bei einem allfälligen Umbau sowie einem Austausch der Strahler einfach angepasst werden kann. Aus diesem Grund wurde sie aus Standard ITEM-Laborprofilen gefertigt. Ein weiterer Vorteil dieses Aufbaus ist, dass die Strahler direkt mit Standard-Winkeln montiert werden konnten und so auch optimal auf die zu bestrahlende Fläche angepasst werden können. Fazit: Die Evaluation einer geeigneten Lampe zeigte sich als schwieriger als zuerst angenommen, da die meisten handelsüblichen Leuchten nicht für Nahfeld-Anwendungen ausgelegt. So schauten wir primär für eine hohe Leistung und somit eine entsprechende Bestrahlungsstärke. Mit dem 48Watt-Strahler von TELCONA wurde aus unserer Sicht ein Gerät gefunden, welches einerseits einfach in der Handhabung und andererseits nicht teuer (CHF154.--/Stk.) ist, sodass – speziell bei der Entwicklungsgeschwindigkeit in diesem Sektor – die Lampe durch eine solche mit einer höheren Leistung ausgetauscht und anderweitig verwendet werden kann (Aussenstrahler, etc.). Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 28 5 Simulation Im Kapitel Simulation wird das Verfahren zur Erstellung einer neuen, zweckerfüllenden Simulationsanleitung genauer beschrieben. Das Endprodukt – die Simulationsanleitung – wird am Ende dieses Kapitels vollständig aufgeführt. Bisheriger Zustand/Mängel: In der bestehenden Versuchsanleitung dreht sich eine Aufgabe um die Simulation der Solarzellen, was durch eine Ersatzschaltung ermöglicht werden soll. Für die Realisierung werden Tools wie LT-Spice und SimPowerSystems vorgeschlagen. Jedoch existiert für diese Tools noch keine Anleitung für den Aufbau und die Simulation der Ersatzschaltung. Die bereits vorhandene Simulationsanleitung ist für das Programm PSpice ausgelegt. Da dieses jedoch kompliziert zu installieren und im Gegensatz zu LT-Spice keine Freeware ist, wird es an der Schule weniger verwendet und eignet sich für diese Anwendung schlecht. In Analogtechnik1 und 2, Grundlagenlabor und weiteren Modulen wird bereits mit LT-Spice gearbeitet. Konzept: Aufgrund dieser Erkenntnisse wurde für die weitere Durchführung des Versuches als Standartsimulationsprogramm LT-Spice (Logo ist nebenstehend ersichtlich) ausgewählt. Es soll nun nebst der bestehenden, ausführlichen LTSpice Bedienungsanleitung von Prof. Peter Ganzmann, welche auf dem AD in den entsprechenden Unterrichtsordnern und im Versuchsordner mit dem Namen: LTSpiceǀV_Script.pdf frei zugänglich ist, eine spezifische Anleitung für die Simulation der Solarzellen erstellt werden. Diese soll die Studierenden durch die Anwendungen und Einstellungen in LTSpice führen und sie bei Aufbau und Interpretation der Simulation unterstützen. Abbildung 33: LT-Spice Logo Ausführung: Es wurde eine neue Anleitung für die Simulation in LT-Spice erstellt. Diese ist einerseits in Themen (passend zu den Aufgabenstellungen) gegliedert, andererseits so aufgebaut, dass der Studierende sich Schritt für Schritt durch die Anleitung durcharbeiten kann. Die Anweisungen sollen dem Studierenden ein selbstständiges Erstellen des Ersatzschemas, die Variierung des Lastwiderstandes und die korrekte Simulation ermöglichen. Die Anweisungen für das Vorgehen sind ausführlich beschrieben, da es bei dieser Übung vor allem darum geht, zu simulieren, auszuprobieren und Erkenntnisse zu sammeln. Die Einarbeitung in das Programm hingegen gehört nicht zu diesem Versuch. Die Anleitung ist jedoch so ausgelegt, dass Personen, welchen das Programm unbekannt ist, die Simulationen trotzdem durchführen können. Ausserdem wurde am Schluss der Anleitung auf weitere Literatur verwiesen. So ist beispielsweise die Theorie vom eet1 Skript erwähnt, um genaueres über die Beschattung von Zellen zu erfahren. Aus diesem Grund wurde es auch nicht als notwendig empfunden, über dieses Thema einen zusätzlichen Theorieteil in die Versuchsanleitung aufzunehmen. Die Themen in der Simulationsanleitung sind weiter so gewählt, dass sie mit der Aufgabenstellung korrelieren und zu jeder Teilaufgabe eine passende Ausführung vorhanden ist. Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 29 Versuchsanleitung: Neu wird die Simulationsaufgabe erst nach der Aufgabe zur Bestimmung der Elemente der Ersatzschaltung aufgeführt, damit die berechneten Werte in der Simulation eingesetzt werden können. Weiter wurde eine neue Aufgabe hinzugefügt, in welcher der Studierende den Einfluss der Zellentemperatur auf die U-IKennlinie untersuchen und kommentieren soll. Nachfolgend wird die bearbeitete Aufgabenstellung für die Versuchsanleitung aufgeführt Simulation und Messung Serieschaltung, Beschattung Erstellen Sie mit LT-SpiceIV und Hilfe der Anleitung die Ersatzschaltung der Solarzelle wie in der Versuchsanleitung beschrieben. Verwenden Sie für die Parameter der Ersatzelemente die selbst berechneten Werte oder die Beispielwerte aus dem Theorieteil. a.) Vergleichen Sie die Simulation mit den gemessenen Kennlinien. b.) Zeigen Sie in einer weiteren Simulation wie sich die U-I-Kennlinie bei unterschiedlichen Temperaturen verschiebt und beschreiben Sie Ihre Erkenntnisse. c.) Schalten Sie die 6 Zellen in Serie und vergleichen Sie auch diese Ergebnisse mit den Resultaten der Simulation. d.) Simulieren Sie die Beschattung einer Zelle. Vermindern Sie dazu die entsprechende Stromquelle auf 1% des Nennstromes - Was geschieht mit der Ausgangsspannung? - Wie sieht die Spannung über der „abgedunkelten“ Zelle aus? - Wie kann man diesen Effekt verhindern? Probieren Sie die vorgeschlagene Lösung aus. - Vergleichen Sie die simulierten Werte mit der Praxis. Fazit: Die bestehende Simulationsanleitung, welche für P-Spice ausgelegt war, wurde verworfen, da die Fachhochschule keinen Gebrauch von diesem Programm mehr macht. Nun steht den Studierenden eine neu verfasste Simulationsanleitung für das gängige Simulationstool LT-Spice zur Verfügung, mit welchem ermöglicht werden soll, die Messungen ohne grossen Einarbeitungsaufwand in das Tool zu simulieren und zu vergleichen. Die Simulationsanleitung ist nachfolgend aufgeführt. Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 30 Simulationsanleitung: Die nachfolgende Simulationsanleitung soll den Anwender durch die Simulationsaufgaben des Laborversuches eaL1_Solarzellen führen. Ergänzende Anweisungen sind in der Bedienungsanleitung LTSpiceǀV_Script.pdf von Prof. Peter Ganzmann auf dem AD im Versuchsordner nachzuschlagen. Eröffnende Schritte: Starten Sie das Programm LT-Spice und eröffnen Sie ein neues Projekt mit „File/new Schematic“. Als Nächstes muss die Bibliothek für Dioden geladen werden. Diese steht ebenfalls im Versuchsordner unter LTSpice/ORCAD.ORI/DIODE.LIB zur Verfügung. Für die Verknüpfung der Bibliothek mit dem Projekt, wählen Sie in der Symbolleiste „.op“ aus. Geben Sie nun den Pfad an, wo Sie Ihre Bibliotheken abgespeichert haben, so wie in unten stehendem Beispiel: .lib"C:\Users\MaxMuster \Documents\FH\LT_Spice\libraries\ORCAD.ORI\DIODE.LIB" Aufbau der Ersatzschaltung: Ziehen Sie nun die Elemente der Ersatzschaltung (Widerstände, Stromquelle und Dioden) in Ihr Schema und verbinden Sie diese miteinander. Elemente, welche nicht direkt in der Symbolleiste zu finden sind, können unter dem Symbol „Components“ geholt werden. Das Schema sollte nun etwa folgendermassen aussehen: Abbildung 34: Ersatzschaltung in LT-Spice realisiert Im obigen Schema wurden zwei Dioden vom Typ D1N4002 gewählt, da diese der Solarzelle am ähnlichsten sind. Es wurden zwei in Serie geschaltet, da im Versuchsaufbau eine „Zelle“ aus zwei Einzelelementen aufgebaut ist. Der Diodentyp kann angepasst werden, indem man diese mit einem Rechtsklick anwählt und dann im erscheinenden Menü auf „Pick New Diode“ klickt. Wenn die entsprechende Library richtig geladen wurde stehen viele gängige Modelle zur Auswahl. Wie ebenfalls im Schema ersichtlich ist, wurden für R1 und R2 die berechneten Werte eingesetzt und der Lastwiderstand R3 als Variable definiert. Falls Sie die Aufgabe für die Bestimmung der Ersatzelemente nicht lösen konnten, können Sie die oben angezeigt Werte verwenden. Um R3 variieren zu können, wurde statt einem Wert für den Lastwiderstand ein symbolischer Parameter eingegeben (der Einfachheit halber heisst dieser R3) und in geschweifte Klammern gesetzt. Um den Parameter zu variieren, holen Sie aus der Symbolleiste einen Befehl über das Icon „.op“ und geben Sie die Parameter nach folgendem Beispiel ein: Abbildung 35: Befehle um R3 zu variieren Mit dem Befehl .param wird dem variablen Widerstand R3 ein Initialisierungswert zugewiesen. Anschliessend kann mittels dem Befehl .STEP der Parameter durchgesweept (laufend variiert) werden. Im obigen Beispiel wird die Last von 0.1Ω bis 20Ω in Schritten von 0.1 variiert. Dieses Inkrement sollte mit Vorsicht gewählt werden. Wird es kleiner als 0.1 gesetzt wird der Rechenaufwand erheblich gesteigert, was zu langen Wartezeiten führen kann. Nun muss nur noch ein letzter Befehl .op zuunterst eingefügt werden und das Schema ist bereit für die Simulation. Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 31 Simulation: Die Simulation wird durch das Symbol „run“ gestartet. Je nach Voreinstellungen des Programmes ist die Darstellung der Simulation noch nicht optimal. Um die U-I-Kennlinie zu zeigen müssen zuerst die Achsen richtig gewählt werden. Für die y-Achse soll der Laststrom von 0 bis 1.5A eingestellt werden. Die x-Achse muss als Spannung über der Last definiert werden. Dazu klicken Sie einmal auf die x-Achse und machen die entsprechenden Eingaben im folgenden Menü: Abbildung 36: Menü-Ausschnitt für die Anpassung der horizontalen Achse In das Feld Quantity Plotted schreiben Sie V() da es sich um eine Spannung handelt und in der Klammer der Name der Spannung. Für eine einfachere Handhabung wurde im Schema selber dem Knotenpunkt über der Last ein Label zugewiesen mit dem Namen v3. Dies können Sie realisieren, indem Sie das Symbol Label Net an die gewünschte Stelle in Ihrem Schema setzen. In der obigen Menüabbildung wurde die Spannung von 0 bis 2 V in Schritten von 200mV geplottet. Nach diesen Einstellungen sollte die Simulation wie folgt aussehen: Abbildung 37: U-I-Kennlinie von zwei Einzelzellen In der obigen Abbildung sehen Sie die U-I-Kennlinie eines Zellenpaares. Vergleichen Sie diese Kennlinie mit Ihrer, von Hand im Labor an einer Zelle aufgenom-menen Kurve. Sie werden feststellen, dass bei Ihren Messungen eine viel geringere Leerlaufspannung resultierte als die oben ersichtlichen 2Volt. Das kommt daher, dass das für die Simulation gewählte Diodenmodell nicht mit der Realität für die Solarzelle übereinstimmt. Eine reale Einzelzelle aus dem Labor liefert ungefähr 500mV Leerlaufspannung. Da wir für eine Zelle jeweils zwei Einzelzellen zusammengeschaltet haben, sollten ungefähr 1 Volt Leerlaufspannung resultieren. Die Simulation soll nun so angepasst werden, dass diese Werte besser übereinstimmen. Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 32 Anpassungen: Wie erwähnt stimmt die Ersatzschaltung mit dem gewählten Diodentyp nicht mit der realen Solarzelle überein. Diesem Problem kann Abhilfe geschaffen werden, indem der Diodenparameter N entsprechend angepasst wird. Realisieren Sie diese Anpassung mit dem Befehl: .STEP D D1N4002(N) 1 1.99 0.01. Dadurch wird der Parameter N von 1 bis 1.99 durchgesweept (Standardmässig hat die Diode 1N4002 ein N von 1.99). Nun könnten Sie einen Punkt aus Ihrer Messreihe wählen und vergleichen, wo die simulierte Kurve der Lastspannung (unter den gleichen Bedingungen wie im Labor) in Funktion des Parameters N den gewählten Punkt aus der Messreihe schneidet. Den Wert des Diodenparameters N können Sie nun fix setzen um so das Modell möglichst nahe an die reale Zelle im Labor heran zu bringen. Da jedoch die Informationen über die Bedingungen im Labor (Widerstände, Temperatur, usw.) oftmals unzureichend sind, wird an dieser Stelle empfohlen, den Parameter N durch Probieren anzunähern. Temperaturabhängigkeit: Damit Sie die Temperaturabhängigkeit und somit die Verschiebung der U-I-Kennlinie sehen können, wird eine weitere Simulation durchgeführt. Dafür werden für verschiedene Temperaturen einzelne Messkurven berechnet und geplottet. Fügen Sie den Befehl: .STEP TEMP x x x im Schema ein. Die drei Platzhalter x stehen für Starttemperatur, Endtemperatur und Schrittweite in °C. Es wird für jede Temperatur eine einzelne Kennlinie gezeichnet. Wählen Sie deshalb die Schrittweite mit Vorsicht, da die Rechenzeit umso höher wird, je mehr Kurven berechnet werden müssen. Wählen Sie auch für die Temperaturen sinnvolle Werte, welche in praktischen Anwendungen auftreten können. Im untenstehenden Bild sehen Sie, wie die Leerlaufspannung mit zunehmender Temperatur sinkt. Die Kurven wurden mit .STEP TEMP 20 70 10 von 20°C bis 70°C in Schritten von 10°C erzeugt: Abbildung 38: U-I-Kennlinien bei verschiedenen Temperaturen Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 33 Simulation mit mehreren Zellen: Mit Ihrem erstellten Schema für eine Zelle steht es Ihnen frei verschiedene Verschaltungen auszuprobieren. Beachten Sie dabei, dass die Ersatzschaltung für die Zelle als ganzes bestehen bleiben muss und für alle Zellen gleich aussehen sollte. Als Beispiel für eine Schaltung mit mehreren Zellen sehen Sie in untenstehender Abbildung alle 6 Zellen in Serie aufgebaut: Abbildung 39: Beispiel einer seriellen Zusammenschaltung aller 6 Zellenpaare Simulieren Sie auch diese Schaltungen und vergleichen Sie, sofern Sie den entsprechenden Aufbau auch im Labor vorgenommen und ausgemessen haben, das Ergebnis mit Ihren Messdaten. Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 34 Beschattung: Bei Solaranlagen tritt häufig das Problem auf, dass ein oder mehrere Panels beschattet werden. Dies hat enorme Auswirkungen auf den Wirkungsgrad der gesamten Anlage. Diese Auswirkungen können in LTSpice ganz einfach untersucht werden. Um eine Beschattung zu simulieren, setzen Sie bei der entsprechenden Zelle die Stromquelle in der Ersatzschaltung auf einen kleineren Wert. Je mehr Sie den Strom verringern desto stärker wäre die Beschattung der Zelle. Testen Sie die Auswirkungen bei verschiedenen Zusammenschaltungen bei Serie, parallel und gemischten Schaltungen aus und notieren Sie Ihre Erkenntnisse. Untenstehende Abbildung zeigt ein Beispiel für die parallele Zusammenschaltung von 6 Zellen, wobei jede Zelle aus einer Serienschaltung zweier Einzelzellen besteht: Abbildung 40: Beispiel einer parallelen Zusammenschaltung aller 6 Zellenpaare Verweise: Für weitere Fragen zum Umgang mit LT-Spice, konsultieren Sie die ausführliche Bedienungsanleitung von Prof. Peter Ganzmann. Für Fragen zum Thema Beschattung und deren Auswirkungen, konsultieren Sie die Theorie im Skript eet1 von Prof. Martin Wiederkehr. Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 35 6 Versuchsanleitung In diesem Kapitel werden lediglich diejenigen Teile der Versuchsanleitung aufgeführt, wo grössere Änderungen bezüglich Theorieteil und/oder Aufgabenstellung hinzugekommen sind. Es wird erläutert, weshalb und wie die Versuchsanleitung zu den entsprechenden Themen angepasst wurde. Die neue Versuchsanleitung als Ganzes ist im Anhang aufgeführt. 6.1 Bestimmung der Elemente der Ersatzschaltung Bisheriger Zustand/Mängel: In der alten Versuchsanleitung waren zur Ersatzschaltung einer Solarzelle sowohl ein Theorieeinschub, wie auch eine Aufgabe vorhanden. In der Aufgabenstellung sollten die Studierenden die Elemente der Ersatzschaltung bestimmen. Doch für eine Ausführung im nützlichen Zeitrahmen waren Theorie und Aufgabenstellung eher knapp gehalten. Ohne zusätzliche Literatur hinzuzuziehen war es den Studierenden nicht möglich die Aufgabe zu lösen. Aufgrund des zu hohen zeitlichen Aufwandes wurde diese von den meisten Studenten ausgelassen. Konzept: Wir überlegten uns, ob diese Aufgabe für den Versuch zu zeitaufwendig sei und deshalb ganz gestrichen werden sollte, oder ob durch eine Ergänzung des Theorieteils und eine ausführlichere Aufgabenstellung der Student so geführt werden kann, dass die Aufgabe selbständig und mit zumutbarem Zeitaufwand lösbar ist. Nachdem wir uns mit dem Thema weiter auseinander gesetzt und die Formeln für die Bestimmung der Ersatzelemente hergeleitet hatten, entschieden wir uns die Aufgabe im Versuch beizubehalten. Ausführung: Die Einarbeitung in die Theorie erfolgte durch die Fachliteratur Photovoltaik3. Mit Hilfe von weiteren Inputs bezüglich Kurzschluss- und Leerlaufbetrachtungen durch den Fachdozenten konnte die Aufgabe in der Versuchsanleitung mit besserer Führung neu gestellt werden. Auch der Theorieteil, welcher den Studierenden in der Versuchsanleitung ersichtlich ist, wurde so erweitert, dass sie für das selbständige Lösen der Aufgaben ausreicht. Ein Teil der Erkenntnisse, welche aus der Studie hervor gingen, sind in der Versuchsanleitung in der Theorie wie auch in der Aufgabenstellung (welche nachfolgend aufgeführt sind) enthalten. Jedoch nur soweit, wie der Student angeführt werden muss, um die Ersatzelemente selbständig bestimmen zu können. Er soll die Entstehung der Formeln für die Kurzschluss- und Leerlaufbetrachtung aus der Theorie nachvollziehen und daraus die Umstellung nach den Ersatzelementen durchführen können. Ein möglicher Lösungsweg könnte wie folgt aussehen: Kurzschlussfall, umgestellt nach Rs: 1 → ln 1 Leerlauffall umgestellt nach ULL: 1 → ln 1 Umgestellt nach RP: 1 Mit diesen Formeln können die Ersatzelemente bestimmt werden und für weitere Aufgaben (Simulation der Einzelzellen) eingesetzt werden. 3 Heinrich Häberlin, Photovoltaik – Strom aus Sonnenlicht für Verbundnetz und Inselanlagen Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 36 Versuchsanleitung: Zum Thema Bestimmung der Ersatzelemente wurde einerseits der Theorieteil so erweitert, dass die Studierenden mit entsprechender Vorbereitung in der Lage sind, die Formel für die Berechnung der Ersatzelemente selbständig herzuleiten. Auch die Aufgabenstellung wurde dementsprechend angepasst: Theorieteil Die Ersatzschaltung einer Solarzelle: U I Iph Id IS e n T k IT Rs Spannung der Solarzelle Strom der Solarzelle durch Photonen erzeugter Strom (Kurzschlussstrom an der Solarzelle) Dioden-Dunkelstrom Sperrsättigungsstrom in Sperrrichtung Elementarladung 1,60210-19 As Diodenqualitätsfaktor (von 1 bis 2) Zellentemperatur Boltzmannkonstante 1,380610-23 J/K Thermische Diodenspannung = nkT/e Iph I Ip Id RP U Abbildung 41: Ersatzschaltung der Solarzelle Unter Vernachlässigung der Widerstände RS und RP sieht die Gleichung für den Laststrom folgendermassen aus: 1 1 Werden nun die Ersatzelemente RS und RP mitberücksichtigt, entsteht die erweiterte Gleichung: Ui IP RP Rs 1 Spannung an der Diode = U + RsI Parallelstrom Parallel-Widerstand Serie-Widerstand Um die Elemente Rs und RP bestimmen zu können wird die Schaltung im Kurzschluss und im Leerlauf betrachtet. Kurzschlussfall: (RP ist gegen RS so hochohmig, dass dieser vernachlässigt werden kann; URs = IK*RS) 1 Leerlauffall: (Rs kann im Leerlauf vernachlässigt werden; Ui = U = ULL) 1 Diese beiden Formeln können für die Bestimmung der Ersatzelemente nach den Widerständen Rs und RP umgestellt werden. Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 37 Aufgabenstellung: Nachfolgend der betreffende Auszug aus der Aufgabenstellung, mit den entsprechenden Anpassungen: Ersatzschaltung: Aus der U-I Kennlinie lassen sich aufgrund der Steigung die Widerstände Rs und Rp der Ersatzschaltung berechnen. So wirkt beispielsweise bei kleineren Spannungen (kleiner Lastwiderstand bis zum Extremfall des Kurzschlusses) vor allem der Seriewiderstand, hingegen hat der Parallelwiderstand noch fast keine Auswirkungen. Bei grösseren Spannungen, wo die U-I Kennlinie stark abfallend ist (im Extremfall Leerlauf), wirkt hingegen der Parallelwiderstand stärker und der Seriewiderstand wird vernachlässigbar. Versuchen Sie mit Hilfe der Formel aus dem Theorieteil die Überlegungen für Kurzschluss und Leerlauf zu machen und somit Rs und Rp zu bestimmen. Fazit: Beim bisherigen Versuch stellte die Aufgabe „Bestimmung der Ersatzelemente“ einen unzumutbaren Aufwand für die Studierenden dar. Daher wurden der Theorieteil und die Aufgabenstellung besser strukturiert und ergänzt, um die Aufgabe in einem sinnvollen Zeitrahmen lösbar zu gestalten. Für die zukünftige Durchführung des Versuches sollte man in Betracht ziehen, diese Aufgabe vor dem Laborhalbtag durch den Studierenden lösen zu lassen, um ihn auf die nötigen Messungen, welche er für die Berechnung der Ersatzelemente benötigt, einzustellen. Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 38 6.2 Spektrale Empfindlichkeit Bisheriger Zustand/Mängel: In die spektrale Empfindlichkeit wird im bestehenden Versuch minimal eingeführt, jedoch wird der Student direkt mit zwei verschiedenen Beleuchtungsstärkemessgeräten konfrontiert. Um eine Falschmessung zu verhindern und auch für auf die Thematik zu sensibilisieren, soll die spektrale Empfindlichkeit der Pyranometer besser beschrieben und so der Student besser darin eingeführt werden. Konzept: Die spektrale Empfindlichkeit stellt in der Praxis keinen relevanten Punkt dar. Da das Lichtspektrum bereits in den ersten Physik-Modulen abgehandelt wird, sind eine Auffrischung des Wissens und eine direkte Anwendung aber durchaus angebracht. Des Weiteren ist eine Änderung des Spektrums beim Versuchsteil, bei welchem die Beleuchtung des Solarzellenmoduls gedimmt wird, sogar ersichtlich: Wird die Spannung der Halogenstrahler reduziert, so wird das Licht sichtbar röter – was auf einen höheren Rotanteil schliessen lässt. Ausführung: Der Theorieteil in der Anleitung wurde wie folgt abgeändert: Lichtquellenspektren 1.2 Intensität 1 0.8 Halogen 0.6 Sonne 0.4 sichtbares Licht 0.2 0 200 400 600 800 1000 Wellenlänge [nm] Abbildung 42: Spektrum der Sonne und einer Halogenlampe Spektrale Empfindlichkeit der Pyranometer Ein Pyranometer – Pyrano griech. für Feuer und ouranós für Himmel – dient grundsätzlich dazu, die Bestrahlungsstärke zu messen. Ursprünglich wurden diese konzipiert um die Sonneneinstrahlung zu messen, wodurch auch die Namensgebung kommt. Mit dem technischen Einsatz des Lichtes und dessen künstlichen Erzeugung in Form von LED, FL-Röhren, etc. wurde die spektrale Empfindlichkeit der Messung von Bedeutung. So können grundlegend zwei Messspektren unterschieden werden: Sonnenspektrum: Pyranometer, welche das Sonnenspektrum aufnehmen, werden in der Regel in technischen Einrichtungen bevorzugt. So können diese auch Strahlung ausserhalb des sichtbaren Bereiches erfassen. Sowohl hochenergetische (kurzwellige) wie auch spürbare Strahlung (langwellige, IR) liegen ausserhalb des sichtbaren Spektrums. Abb.42 zeigt das Sonnenspektrum, mit eingefärbtem sichtbaren Bereich. Dies verdeutlicht, dass das sichtbare Licht nur ein Bruchteil des Sonnenspektrums darstellt. Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 39 Spektrum m des menscchlichen Aug ges: Dieser M Messbereich h ist primärr im grafiscchen Bereich anzutreffen, da dort der d effektiv vom Mensche en wahrgen nommene Bereich B inte eressiert. Zu usätzliche Strahlungen S wie Ultraviiolett oder Infr frarot spielen n eine sekun ndäre Rolle. Das Spektrum m des Augess hat seinen Peak bei Grü rün – dies ist mitunter derr Grund, wieso zum Beisspiel ein grün ner Laserpoiinter beim Vergleich V miit einem rotten als viel stärker empfunden w wird, obschon n beide diese elbe Lichtleis stung aufweiisen. Ein Anallogon dazu ist is das Ohr: Dieses D hat sseine o im maximalle Empfindlicchkeit bei ca. 4kHz – also Sprachb bereich. Tiefe e Frequenzen n (z.B. ein B Bass) benötige en somit viell mehr Energ gie, um diesselbe empfund dene Lautstä ärke beim Menschen herrvorzurufen. Abbildu ung 43: Spektrrum des Auges s Betrachttet man das von Solarze ellen aufneh hmbare und in Spannung wandelbarre Spektrum m, so zeigt sich, Auges mas dass niccht das Spekktrum des menschlichen m ssgebend ist.. Dies wird m mit folgendem Bild verde eutlicht: Abbildung 44: Spek ktrum von Siliz zium (mono-/po olykristallin) 4 Moderne e organische e Solarzellen n, welche au us Kunststofff bestehen, können k aufggrund ihres Aufbaus A (Kun nststoffausw wahl resp. so ogenannte Polymersynth P hese) besserr auf das Sonnensspektrum abg gestimmt we erden. Jedocch wird dadurrch kein höhe erer Wirkunggsgrad erreic cht. der obigen Eiinführung soll der Studen nt bei dieser Messung au uf die spektraale Empfindlichkeit sensibiliMittels d siert werrden. Dabei wurde w darau uf geachtet, n nicht zu stark in die technischen Deta tails oder in die d Radiome etrie einzudrin ngen, da hier lediglich Wissen W für den n Versuch au ufbereitet wirrd. Fazit: Bei der spektralen Empfindlichke E eit war es äu ussert schwiierig, einerse eits nicht hoh ohe Vorkennttnisse in Phyysik zu fordern, anderersseits die Besc chreibungen noch genüg gend zu detaillieren. Jedooch erschien n es uns wich htig, diesen T Teil stärker zu z thematisie eren und au uch mit dem Aufbau und d Funktionsw weise der So olarzelle zu verv knüpfen.. Der so geffundene Mitte elweg schein nt aus unserrer Sicht klarr verständlichh. Künftig kö önnte in diessem Bereich noch detaillie erter auf Zelllentypen sow wie neuere Zellen-Techno Z ologien eingeegangen we erden 4 Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Solarzelle; 04.12.20 012 Fachberich ht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 40 6.3 Jahresnutzungsdauer berechnen Bisheriger Zustand/Mängel: In der bestehenden Versuchsanleitung wurde verlangt, die Jahresnutzungsdauer der Solaranlage der FHNW auf dem Nordgebäude zu berechnen. Für die Theorie respektive die Berechnung wurde ausschliesslich auf das eetGL-Skript von Prof. Martin Wiederkehr verwiesen. Weiter sind die Daten der Solaranlage FH-Nord nicht immer online verfügbar, was dem Studierenden die Aufgabe erschwert oder verunmöglicht und zudem den Unterhaltsaufwand für die erfolgreiche Versuchsdurchführung erhöht (Pflege des Servers, Aktualisierungen, etc.) Konzept: Um eine bessere Übersichtlichkeit zu schaffen soll der Versuchsanleitung ein kleiner Theorieeinschub über die Jahresnutzungsdauer beigefügt werden. Für die Berechnungen soll entweder eine Alternative zur Solaranlage FH-Nord gefunden werden, bei welcher die Daten permanent und übersichtlich online verfügbar sind, oder es muss ein Weg gefunden werden, die Daten der Solaranlage FH-Nord permanent online verfügbar zu halten. Die Aufgabenstellung soll die demensprechenden Änderungen enthalten und den Studenten anführen. Ausführung: Da heutzutage viele Anwender die Daten ihrer Solaranlagen online ausstellen erschien es uns sinnvoll eine oder mehrere gut gewartete Websites herauszusuchen und dem Studierenden zur Verfügung zu stellen. Weiter wird ihm die Möglichkeit gelassen, selber eine Seite zu suchen und auszuwählen. Unter den empfohlenen Sites ist jedoch nach wie vor auch diejenige der Anlage FH-Nord erwähnt. Somit hat der Studierende im Falle, dass diese nicht aktualisiert ist, die Möglichkeit auf andere Anlagen zurückzugreifen. Der Theorieteil und die Aufgabenstellung in der Versuchsanleitung wurden neu verfasst, ergänzt und abgeändert. Sie sollen künftig wie folgt in der Versuchsanleitung stehen: Versuchsanleitung: In der neuen Versuchsanleitung wurde ein Theorieteil zum Thema Jahresnutzungsdauer eingefügt und die Aufgabenstellung entsprechend erneuert: Einführende Theorie: Um die Wirtschaftlichkeit einer Solaranlage zu berechnen wird an dieser Stelle die Jahresnutzungsdauer (auch genannt Jahresbenutzungsdauer) TBa eingeführt. Sie gibt an, wie viele Stunden pro Jahr eine Anlage optimal ausgenutzt werden konnte. Die Jahresnutzungsdauer in Stunden/Jahr lässt sich errechnen, indem der gesamte Verbrauch in kWh während eines Jahres durch die maximale, im gleichen Jahr erreichte Leistung geteilt wird. Der gesamte Verbrauch entspricht der Fläche unter der Leistungskurve: TBa: Jahresnutzungsdauer in h Wa: Energie, die geliefert wird a: 1 Jahr = 8760 h Pmax: Maximale Leistung aus der Leistungsdauerlinie Ergänzende Informationen können im eetGL-Skript von Prof. Martin Wiederkehr nachgelesen werden. Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 41 Aufgabenstellung: Jahresnutzungsdauer: Auf dem Nordgebäude der Fachhochschule befindet sich eine 10kW-Anlage (Inbetriebsetzung 21.11.2003). Die aktuellen Werte, Anlagedaten und bisherige Produktion können aus dem Internet unter www.adamsun.ch.vu aufgerufen werden. Aufgrund der Regelung über die Abgabe von elektrischer Energie in das Netz ist es in der Schweiz ab einer Anlagengrösse von 30kWpeak Pflicht, eine Messung des Lastganges zu installieren, welche periodisch die gesammelten Daten der Netzleitstelle (Swissgrid) übermittelt. Diese Daten werden oftmals vom Anlagenbetreiber publiziert, um für Solarenergie zu werben. Entnehmen Sie entweder der Website der Solaranlage FH-Nord oder suchen Sie im Internet (bspw. http://home.solarlog-web.eu) aktuelle Daten und berechnen Sie daraus die entsprechende Jahresnutzungsdauer. (Vergessen Sie dabei nicht, die berechnete Anlage zu referenzieren.) Überlegen Sie sich ausserdem, was die Jahresnutzungsdauer aussagt und wo dieser Wert benötigt werden könnte. Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 42 7 Testphase Als die einzelnen Bereiche des Versuches vollständig optimiert waren wurde ein Testdurchlauf des gesamten Solarzellenversuches durchgeführt. Doch schon während dem Projektverlauf wurden immer wieder Messungen gemacht und Ergebnisse festgehalten, welche direkt unter den jeweiligen Kapiteln abgehandelt und aufgezeigt sind. Beim Schlussdurchlauf wurde darauf geachtet, ob der Versuch aus der Sicht der Studierenden nun verständlicher und weniger zeitaufwendig ist. Die Versuchsbedingungen konnten so angepasst werden, dass die Messergebnisse auf die im Pflichtenheft festgelegten Restriktionen optimiert werden konnten. Ausblick: Für ein zukünftiges Projekt wäre es möglich, die Restriktionen noch weiter zu verschärfen, noch optimalere Messbedingungen zu schaffen und genauere Messergebnisse zu ermöglichen. Für eine weitere Optimierung des gesamten Versuchsaufbaus sollte bei der zukünftigen Ausführung des Solarzellenversuches Rücksprache mit den betreffenden Probanden gehalten werden, darüber wie sie die Relevanz, den Zeitaufwand, die Verständlichkeit, den Lernerfolg usw. beim neuen Versuch einschätzen würden. Aus diesen Feedbacks kann eruiert werden ob eventuell Kürzungen notwendig sind (Aufgaben ganz streichen oder bei genügend Zeitkapazität als Auswahl stehen lassen) oder ob der Zeitaufwand und die Verständlichkeit angemessen sind. Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 43 8 Kostenrechnung Nachfolgend sind die Projektkosten aufgelistet, welche durch Kauf von Geräten und Bauteilen von externen Lieferanten entstanden sind: Artikel Beleuchtung: LED-Strahler 48W Telcoled IR Lampe, Exoterra R30/150W Halogenstrahler 150W Gesamttotal Menge 2 2 4 Preis/Stk. 154.00 16.50 11.90 Total 308.00 33.00 47.60 388.60 Um die Kosten im Projekt gering zu halten, wurde darauf geachtet möglichst viele Teile und Elemente schulintern zu beziehen. So wurden zum Beispiel sämtliche Konstruktionen mit Standard-Aluminiumprofilen bewerkstelligt oder Boxen- und Gehäuse verwendet, die bereits vorhanden waren. Aus diesem Grund sind hier nur diejenigen Teile aufgeführt, welche speziell für das Projekt von Extern bezogen wurden. Fazit: Für den kompletten Umbau liegen die Kosten sehr im Rahmen. Vorallem bei den LED-Strahlern waren wir überrascht, dass der Preis sehr moderat war. Dies liegt sicher auch unter anderem daran, dass aufgrund der angenehmen Beziehung zur Firma Telcona der Verkaufspreis von CHF 280.- auf ca. die Hälfte reduziert werden konnte. Alles in allem erscheint uns das Total ein vernünftiger Betrag für den gesamten Umbau. Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 44 9 Schlusswort und Danksagung Im Rahmen des Projektes 5 ist eine neu überarbeitete Version des Laborversuchs „Solarzellen“ entstanden. Zahlreiche Mängel des bestehenden Versuches konnten eliminiert und bisherige Approximationen entweder bewusst eingebaut oder ebenfalls optimiert werden. Der Versuchsaufbau entspricht dem aktuellen Stand der Technik und erlaubt somit den Studierenden mittels moderner Methoden und Geräten, die Eigenschaften der Solarzelle zu ergründen. Dabei werden sie von der – ebenfalls übersichtlicheren – Aufgabenstellung so weit angeführt, dass es nun möglich ist, den Versuch innert des vorgesehenen Labor-Halbtages komplett durchzuarbeiten. Mittels der integrierten Temperaturmessung ist es nun zudem auch möglich, auf die Temperaturabhängigkeit der Solarzellen gezielt einzugehen. Ebenfalls werden durch die neuen 48W LED-Strahler die Zellen nicht mehr in diesem Masse aufgeheizt, wie mit dem bisherigen 1000W Halogenstrahler. Trotz den lediglich 96W Lichtleistung ist es dank der gezielten Anordnung und Montage möglich, die Zellen genügend stark zu bestrahlen, sodass sinnvolle Messresultate generiert werden können. Das Solarpanel kann dank des Umbaus und Erweiterung des Beleuchtungsmoduls homogen ausgeleuchtet werden, was für eine sinnvolle Messung von Nöten ist. Die Beleuchtung ist so aufgebaut, dass sie einerseits wartungsarm ist andererseits aber auch durch ihre einfache Handhabung besticht. Für die dynamische Aufnahme der Spannungs- und Stromkennlinien wurde die Messanordnung so modifiziert, dass eine lückenlose Aufnahme der Kennlinien möglich ist und so dem Probanden die Eigenschaften der Solarzelle veranschaulicht. Die zum Versuch gehörende Simulation wurde auf LT-Spice umgemünzt, sodass der Student diese mit einem ihm bereits bekannten Tool ausführen kann. Denjenigen, welche sich nicht mit der Software auskennen ist es dank der adaptierten und detaillierten Simulationsanleitung trotzdem möglich, die Simulation innert nützlicher Frist durchzuführen und so ein elektrisches Abbild der Solarzelle zu erhalten. Da Änderungen in vielen verschiedenen – oftmals voneinander unabhängigen – Bereichen notwendig waren, wurde primär nach einfachen aber effizienten Lösungen gesucht. Dies ist jedoch auch zugunsten der Probanden; so ist es nun möglich, mittels bereits vertrauten Messmethoden und -geräten den Versuch durchzuführen. Den Studierenden steht nun ein Versuch mit geeigneten Messgeräten, Beleuchtungsmitteln und Versuchselementen zur Verfügung, mit welchem die technischen Eigenschaften der Solarzelle aufgenommen und sinnvoll interpretiert werden können. An dieser Stelle bedanken wir uns ganz herzlich bei allen Dozenten, Helfern und Lieferanten, welche in unsere Projektarbeit involviert waren und uns dabei tatkräftig unterstützen. So standen uns im elektrischen Bereich Herrn Prof. Martin Wiederkehr, Prof. Felix Jenni und Prof. Peter Ganzmann für Fragen zur Verfügung. Das Berichtswesen wurde von Frau Anita Gertiser gecoacht und der englische Teil von Frau Bonnie Domenghino betreut. Bei handwerklichen Arbeiten durften wir auf die Hilfe von Herrn Jakob Brack und Herrn Ueli Andrist von der mechanischen Werkstatt zählen. Ebenfalls gilt ein grosses Dankeschön Herrn Daniel Bühlmann von der Firma Telcona, welcher uns diverse LED-Strahler kostenlos zur Verfügung gestellt hat. Sowohl bei den genannten als auch bei denjenigen Personen welche uns im Hintergrund unterstützt haben bedanken wir uns recht herzlich für die Unterstützung und das Gelingen des Projektes. Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 45 10 Quellen- und Literaturverzeichnis Für die Bearbeitung unsers Projekts wurde auf folgende Quellen zurückgegriffen: Online-Quellen: - www.wikipedia.org www.telcona.com http://home.solarlog-web.eu Wissensdatenbank Lieferant LED-Strahler technische Daten aktueller Solaranlagen für die Berechnung der Jahresnutzungsdauer Literaturquellen: - Hering, Bressler, Gutekunst; Elektronik für Ingenieure und Naturwissenschaftler; Springer, München; 5. Auflage; 2005 Heinrich Häberlin, Photovoltaik – Strom aus Sonnenlicht für Verbundnetz und Inselanlagen, AZVerlag, VDE Verlag; 1. Auflage; 2007 Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 46 11 Ehrlichkeitserklärung Hiermit bestätigen wir – Andrea Nietlisbach und Lukas von Arx – die Arbeiten selbständig durchgeführt und die vorliegenden Texte eigenständig verfasst haben. Datum, Ort: Andrea Nietlisbach Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Lukas von Arx Seite 47 A Anhang A.1 - Projektauftrag A.2 - Pflichtenheft A.3 - Plakat A.4 - CD mit Simulation/Software/Datenblätter A.5 - neue Versuchsanleitung Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 48 A.1 - Projektauftrag Nachfolgend ist der Projektauftrag in der Originalaufgabenstellung aufgeführt: Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 49 Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 50 A.2 - Pflichtenheft Aus Übersichtlichkeitsgründen wird für das Pflichtenheft an dieser Stelle auf die CD-Rom verwiesen. Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 51 A.3 - Plakat Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 52 A.4 - CD mit Simulation/Software/Datenblätter Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 53 A.5 - neue Versuchsanleitung Nachfolgend wird die neue Verfassung der Versuchsanleitung eetL1_Solar_V4 aufgeführt: Fachbericht Neuaufbau Solarzellenversuch Seite 54 eetL1_Solar_V4 Laborversuch: Solarzellen Versuchsanleitung Autoren: Michael Frösch, ehem. Assistent Elektrotechnik Prof. Martin Wiederkehr Lukas von Arx, Andrea Nietlisbach, Studenten EIT 2010 Studiengang: Vertiefungsrichtung: Modul: Semester: Version: Elektro- und Informationstechnik Energie- und Antriebssysteme EA eaL1; Labor Energie- und Antriebssysteme 5 12-2012 Änderungen: • 2011-10 Neue Solarzellen mit höherer Leerlaufspannung • 2012-9 Änderung Simulationen von PSpice auf LTSpiceIV • 2012-12 Überarbeitung gemäss Projektarbeit im 5. Semester HS2012 „Neugestaltung Solarzellenversuch“ eetL1_Solar_V4_20130109 Seite 1 / 20 30. 12. 2012 Inhaltsverzeichnis 1 2 3 Ziel des Versuchs ..................................................................................................... 3 Theoretische Grundlagen ......................................................................................... 4 Versuchsaufbau und –Komponenten ..................................................................... 11 3.1 Versuchsaufbau Modul.................................................................................... 11 3.2 Versuchsaufbau Einzelzellen .......................................................................... 11 4 Versuche ................................................................................................................ 12 4.1 Messung am Modul ......................................................................................... 12 4.1.1 Kennlinie Modul........................................................................................ 12 4.1.2 Dynamische Kennlinienmessung ............................................................. 12 4.2 Messung an den Einzelzellen .......................................................................... 12 4.2.1 Kennlinie Einzelzellen .............................................................................. 12 4.2.2 Ersatzschaltung – Ersatzelemente berechnen: ........................................ 12 4.2.3 Simulation und Messung Serieschaltung, Beschattung ........................... 13 4.2.4 Temperatureinfluss .................................................................................. 14 4.3 Berechnung der Jahresnutzungsdauer ........................................................... 14 5 Verwendete Messgeräte und Versuchskomponenten ............................................ 15 6 Simulationsanleitung LT Spice ............................................................................... 16 eetL1_Solar_V4_20130109 Seite 2 / 20 30. 12. 2012 1 Ziel des Versuchs • Die Studentin / der Student gewinnt einen vertieften Einblick in die Eigenschaften von Solarzellen und Photovoltaik. • Einfache Messmethoden werden klar. • Die Anwendung des Simulationsprogramms LT-Spice wird geübt. eetL1_Solar_V4_20130109 Seite 3 / 20 30. 12. 2012 2 Theoretische Grundlagen Zwei Effekte werden bei der Solarzelle kombiniert: 1. Ein Photon mit der Energie E = hν (h = Planck’sche Konstante; ν= Frequenz) kann ein Elektron aus einer Kristallverbindung herauslösen. Dazu benötigt es mindestens die Energie entsprechend der Energielücke (Gap) EG des Valenzbands. Es entstehen ein Elektron und ein Loch. Diese würden rasch rekombinieren, so dass schlussendlich nur Wärme entstehen würde. Energie der Elektronen Leitungsband, freie Elektronen - EL Bandlücke (Gap) verbotene Zone EG hν + EV Valenz-Band, gebundene Elektronen Abbildung 1: Ladungserzeugung in der Solarzelle E = h ⋅ν = h ⋅ E h ν λ c c λ Energie des Photons in eV, 1eV=1,6⋅10-19 J Plank'sche Konstante = 6,626⋅10-34 Ws2 Frequenz in Hz Wellenlänge in m Lichtgeschwindigkeit = 2,998⋅10-8 m/s 2. An der p-n-Grenzschicht eines Halbleiters entsteht eine Raumladung und damit ein starkes, elektrisches Feld. Dieses Feld trennt das Elektronen-Loch-Paar. Die Elektronen müssen durch den äusseren Stromleiter wandern, um rekombinieren zu können und leisten dabei Arbeit. hν p-dotiert n-dotiert + - − + inneres el. Feld durch Raumladung (n-Dotierung 5-wertig) (p-Dotierung 3-wertig RLast Abbildung 2: Ladungstrennung in der Solarzelle eetL1_Solar_V4_20130109 U Seite 4 / 20 30. 12. 2012 Spektrum der Sonneneinstrahlung: Damit ein Photon ein Elektron aus dem Valenzband lösen kann, benötigt es also mindestens die Bandlückenenergie. Ein Photon mit zu kleiner Energie (Richtung Infrarot) erzeugt beim Zusammenstoss also nur Wärme. Ein Photon mit zuviel Energie (Richtung Ultraviolett) löst ein Elektron aus dem Valenzband, die Restenergie geht in Wärme über. Dies erklärt den begrenzten Wirkungsgrad einer Solarzelle. Abbildung 3: Sonnenspektrum1 Kombiniert man jetzt dünnste Schichten von Halbleitern mit verschiedenen Bandlücken, so kann das Lichtspektrum besser genutzt werden. Dies führt zur Tandemzelle mit zwei oder mehreren Schichten von verschiedenen Halbleitern. Bandlückenenergie verschiedener Halbleiter in eV: 0,7 1,2 1,4 1,5 1,8 2,1 2,2 2,4 Se Strahlungsintensität Ge Si GaAs CdTe Si amorph Cu2O Se CdS UV Si Ge IR 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 Wellenlänge in µm Abbildung 4: Nutzung des Sonnenspektrums eetL1_Solar_V4_20130109 Seite 5 / 20 30. 12. 2012 Spektrale Empfindlichkeit: Die Bandlückenenergie von Silizium beträgt laut Tabelle 1,2 eV. Wie in Bild 2-4 ersichtlich ist, kann auch infrarote Strahlung Elektronen vom Valenz-Band ins Leitungsband anheben, genauso wie es ultraviolette Strahlung vermag. Die Solarzelle arbeitet also auch weit ausserhalb des sichtbaren Spektrums. Die Spektrumanalyse des Sonnenlichts und der Halogenlampe im Laborversuch zeigt deutlich auf, dass die Sonne die Solarzelle mit einem breitbandigen Strahlenbündel versorgt, und die Zelle somit anders betreibt als dies eine künstliche Lichtquelle mit schmalbandigerem Licht oder gar diskreten Linien (z.B. Natriumdampf) kann. Der Wirkungsgrad der Zelle von xy% bei Beleuchtung mit Sonnenlicht bzw. Kunstlicht unterscheidet sich folglich. Lichtquellenspektren 1.2 Intensität 1 0.8 Halogen 0.6 Sonne 0.4 sichtbares Licht 0.2 0 200 400 600 800 1000 Wellenlänge [nm] Abbildung 5: Spektrum der Sonne und einer Halogenlampe Spektrale Empfindlichkeit der Pyranometer Ein Pyranometer – Pyrano griech. für Feuer und ouranós für Himmel – dient grundsätzlich dazu, die Bestrahlungsstärke zu messen. Ursprünglich wurden diese konzipiert, um die Sonneneinstrahlung zu messen, wodurch auch die Namensgebung kommt. Mit dem technischen Einsatz des Lichtes und dessen künstlichen Erzeugung in Form von LED, FL-Röhren, etc. wurde die spektrale Empfindlichkeit der Messung von Bedeutung. So können grundlegend zwei Messspektren unterschieden werden: Sonnenspektrum: Pyranometer, welche das Sonnenspektrum aufnehmen werden in der Regel in technischen Einrichtungen bevorzugt. So können diese auch Strahlung ausserhalb des sichtbaren Bereiches erfassen. Sowohl hochenergetische (kurzwellige) wie auch spürbare Strahlung (langwellige, IR) liegen ausserhalb des sichtbaren Spektrums. Bild 2-5 zeigt das Sonnenspektrum, mit eingefärbtem sichtbaren Bereich. Dies verdeutlicht, dass das sichtbare Licht nur ein Bruchteil des Sonnenspektrums darstellt. eetL1_Solar_V4_20130109 Seite 6 / 20 30. 12. 2012 Spektrum des menschlichen Auges: Dieser ser Messbereich ist primär im grafischen Bereich anzutreffen, da dort der effektiv vom Menschen wahrgenommene Bereich interesintere siert. Zusätzliche Strahlungen wie Ultraviolett oder Infrarot spielen eine sekundäre Rolle. Das Spektrum des Auges hat seinen Peak bei Grün – dies ist mitunter der Grund, wieso zum Beispiel ein grüner Laserpointer beim VerVe gleich mit einem roten als viel stärker empfunempfu den wird, obschon beide dieselbe Lichtleistung aufweisen. Ein Analogon dazu ist das Ohr: Abbildung 6: Spektrum des Auges Dieses hat seine maximale Empfindlichkeit bei ca. 4kHz – also im Sprachbereich. Tiefe Frequenzen (z.B. ein Bass) benötigen somit viel mehr Energie, um dieselbe empfundene Lautstärke beim Menschen hervorzurufen. her Betrachtet man das von Solarzellen aufnehmbare und in Spannung wandelbare SpektSpek rum, so zeigt sich, dass nicht das Spektrum des menschlichen Auges massgebend ist. Dies wird mit folgendem Bild verdeutlicht: Abbildung 7: Spektrum von Silizium (mono-/polykristallin)1 Moderne organische Solarzellen, welche aus Kunststoff bestehen, können aufgrund ihres Aufbaus (Kunststoffauswahl resp. sogenannte Polymersynthese) besser auf das Sonnenspektrum abgestimmt gestimmt werden. Jedoch wird dadurch kein höherer Wirkungsgrad erreicht. Bei der Messung der Bestrahlungsstärke ist somit darauf zu achten, dass das PyranoPyran meter auch Leistungen von elektromagnetischer Strahlung anzeigt die ausserhalb des sichtbaren Bereiches liegen. Eine Messung mit einem Beleuchtungsstärkemesser, Beleuchtungsstärkemesser wie er in einem Fotostudio verwendet wird, würde zu erheblich flacheren flache n Resultaten führen. 1 Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Solarzelle; 04.12.2012 eetL1_Solar_V4_20130109 Seite 7 / 20 30. 12. 2012 Ersatzschaltung einer Solarzelle: U I Iph Id IS e n T k IT Rs Spannung der Solarzelle Iph Strom der Solarzelle durch Photonen erzeugter Strom (Kurzschlussstrom an der Solarzelle) Dioden-Dunkelstrom Sperrsättigungsstrom in Sperrrichtung Elementarladung 1,602⋅10-19 As Diodenqualitätsfaktor (von 1 bis 2) Zellentemperatur Boltzmannkonstante 1,3806⋅10-23 J/K Thermische Diodenspannung = nkT/e I Ip Id RP U Abbildung 8: Ersatzschaltung der Solarzelle Unter Vernachlässigung der Widerstände RS und RP sieht die Gleichung für den Laststrom folgendermassen aus: I = I୦ − Iୢ = I୦ − Iୗ e୬୩ − 1 = I୦ e − 1 ୣ Werden nun die Ersatzelemente RS und RP mitberücksichtigt, entsteht die erweiterte Gleichung: ୣ U୧ I = I୦ − Iୢ − I୮ = I୦ − Iୗ e୬୩ − 1 − R୮ Ui IP RP Rs Spannung an der Diode = U + RsI Parallelstrom Parallel-Widerstand Serie-Widerstand Um die Elemente Rs und RP bestimmen zu können, wird die Schaltung im Kurzschluss und im Leerlauf betrachtet. Kurzschlussfall: (RP ist gegen RS so hochohmig, dass dieser vernachlässigt werden kann; URs = IK*RS) I = I୦ − Iୗ e ୬୩ − 1 ୣ౩ Leerlauffall: (Rs kann im Leerlauf vernachlässigt werden; Ui = U = ULL) I୦ = Iୢ + I୮ = Iୗ e ୬୩ − 1 + ୣైై U R୮ Diese beiden Formeln können für die Bestimmung der Ersatzelemente nach den Widerständen Rs und RP umgestellt werden. Untenstehend ist ein Beispiel für mögliche Parameter aufgeführt2: IS n 7⋅10-6 47 RP RS 250 Ω 0.12 Ω 2 Durisch W., Mayor J.-C.; Anwendung eines neuen Kennlinienmodells auf Freilandmessungen an einem kommerziellen Photovoltaikmodul, Bulletin SEV/VSE 10/01 eetL1_Solar_V4_20130109 Seite 8 / 20 30. 12. 2012 Temperatur-Charakteristik und Wirkungsgrad: Beim kristallinen Halbleiter steigt der Wirkungsgrad mit sinkender Temperatur! (Gibt ein Panel bei 0°C beispielsweise 70 W ab, so sinkt die Leistung bei 75°C auf 50 W). Die Nennleistung wird bei 25°C spezifiziert, an dessen Punkt die Solarzellen derzeit einen Wirkungsgrad von 10-15% aufweist. Amorphe Zellen weisen demgegenüber eine wesentlich kleinere Temperaturabhängigkeit auf, haben bei 25°C jedoch lediglich einen Wir kungsgrad von 5-10%.3 Der ändernde Wirkungsgrad ist auf die Tatsache, dass sich Wärmeenergie als Gitterschwingungen bemerkbar macht. Durch die grössere Schwingung bei höheren Temperaturen, sinkt die Diffusionsspannung (Diodenspannung). U/I-Charakteristik und Maximum Power Point: Definition MPP: Der Maximum Power Point (MPP) einer Solarzelle ist derjenige Arbeitspunkt, bei welchem das Produkt aus Strom und Spannung am grössten wird und die Anlage somit die grösste Leistung erbringen kann. Definition Arbeitspunkt: Der Arbeitspunkt kann sich je nach Belastung auf der gesamten U-I-Kennlinie einstellen. So liegt beispielsweise bei Leerlauf (keine Last) der Arbeitspunkt ganz rechts auf den Kennlinien und bei Kurzschluss ganz links auf den Kennlinien im folgenden Bild. Der Arbeitspunkt soll im Idealfall so gewählt werden, dass er gerade dem MPP entspricht. Somit wird ein maximaler Leistungsertrag ermöglicht. U/I-Charakteristik: In untenstehender Abbildung sind die U-I-Kennlinien für verschiede Bestrahlungsstärken abgebildet4. Pro Modul werden 30 bis 40 Zellen Serie geschaltet. Eine Silizium-Zelle hat eine typische laufspannung von 0,6 V. Bei netzgekoppelten Kleinanlagen, welche üblicherweise im Leistungsbereich von 1-4 kW liegen, werden wiederum einige Module, z.B. 6 Stück, zu einem „String“ in Serie geschaltet, was eine grössere Leerlaufspannung ergibt. Damit werden die Ströme zum Wechselrichter gleichstromseitig kleiner und die Verluste begrenzt. Bis 4 kW darf einphasig, also unsymmetrisch, ins Netz gespeist werden, was eine günstigere Installation ergibt. Abbildung 9: U/I-Charakteristik eines Solarmoduls Wie in obiger Abbildung gut ersichtlich ist, verschiebt sich der Maximum Power Point mit abnehmender Bestrahlungsstärke immer weiter nach links (gekennzeichnet durch die rote Linie). Damit die Anlage den maximalen Leistungsertrag erbringt, muss die Belastung des Panels so ausgelegt werden, dass der Arbeitspunkt der Anlage möglichst dem MPP entspricht. Da sich aber nun der MPP bei unterschiedlichen Bestrahlungs3 4 Werte aus www.energieinfo.de/eglossar/node161.html Elektroniker 5/91 eetL1_Solar_V4_20130109 Seite 9 / 20 30. 12. 2012 stärken verschiebt, stimmt der MPP nicht mehr mit dem Arbeitspunkt überein. Daher muss auch die Last demensprechend angepasst werden. MPP Tracker: Da in der Praxis die Bestrahlungsstärke ständig variiert (z.B durch Wolken am Himmel) braucht es eine Regelung, damit die Anlage Ihren Arbeitspunkt immer möglichst im MPP hat. Dazu wird ein sogenannter MPP-Tracker eingesetzt. Dieser reguliert die Spannung um einen kleinen Betrag so, dass sich das Produkt aus Strom und Spannung entsprechend vergrössert oder verkleinert. Wird also die Leistung grösser, übernimmt der Tracker die neue Spannung, ansonsten wird die Spannung auf den ursprünglichen Wert zurückgesetzt. Dieses Verfahren wird laufend praktiziert, damit optimal auf Schwankungen der Beleuchtungsstärke reagiert werden kann. Solche Tracker sollten vorzugsweise in allen Modulen der gesamten Anlage eingebaut sein, damit auch im Falle einer Beschattung der Arbeitspunkt im Bereich des MPP gehalten werden kann. Typische Anordnung für eine 3 kW Anlage mit 60 Modulen à 50 W peak : Abbildung 10: Verschaltung Solaranlage Jahresnutzungsdauer: Um die Wirtschaftlichkeit einer Solaranlage zu berechnen wird an dieser Stelle die Jahresnutzungsdauer (auch genannt Jahresbenutzungsdauer) TBa eingeführt. Sie gibt an, wie viele Stunden pro Jahr eine Anlage optimal ausgenutzt werden konnte. Die Jahresnutzungsdauer in Stunden/Jahr lässt sich errechnen, indem der gesamte Verbrauch in kWh während eines Jahres durch die maximale, im gleichen Jahr erreichte Leistung geteilt wird. Der gesamte Verbrauch entspricht der Fläche unter der Leistungskurve: Pdt Wୟ = = P୫ୟ୶ P୫ୟ୶ ୟ Tୟ TBa: Wa: a: Pmax: Jahresnutzungsdauer in h Energie, die geliefert wird 1 Jahr = 8760 h Maximale Leistung aus der Leistungsdauerlinie Ergänzende Informationen können im eetGL-Skript von Prof. Martin Wiederkehr nachgelesen werden. eetL1_Solar_V4_20130109 Seite 10 / 20 30. 12. 2012 3 Versuchsaufbau und –Komponenten 3.1 Versuchsaufbau Modul 8x 150W Halogenscheinwerfer Solarpaneel Pyranometer XXX Lastwiderstand + - Abbildung 11: Versuchsaufbau grosses Panel 3.2 Versuchsaufbau Einzelzellen 6 Solarzellen beliebig kombinierbar Halogenlampe 1000 W Lastwiderstand + 1 1 1 + - 5 + 2 + 3 2 2 - 5 + 4 + 5 - 3 3 + 6 6 - XXX 4 4 6 Pyranometer Abbildung 12: Versuchsaufbau Einzelzellen eetL1_Solar_V4_20130109 Seite 11 / 20 30. 12. 2012 4 Versuche 4.1 Messung am Modul 4.1.1 Kennlinie Modul a.) Messen Sie die gesamte U-I-Kennlinie des Solarmoduls für mindestens zwei verschiedenen Bestrahlungsstärken b.) Wo liegen jeweils die MPP und wie sind diese zu finden? Wo liegen die Unterschiede bei verschiedenen Bestrahlungsstärken und welche Probleme bringt dies mit sich? Überlegen Sie sich die Auswirkungen auf die Last einer Solaranlage in der Praxis. c.) Was für einen Wirkungsgrad hat das Solarmodul im maximalen Arbeitspunkt? Stimmt der Wirkungsgrad mit der Theorie überein? Falls nein: warum nicht? Was haben die Halogenscheinwerfer für einen Wirkungsgrad und welche Solarleistung ist damit zu erwarten? d.) Bestimmen Sie die Bestrahlungsstärke mit beiden Pyranometern im Vergleich. Kommentar? 4.1.2 Dynamische Kennlinienmessung a.) Wie ist es möglich, die gesamte Kennlinie auf dem Oszilloskop darzustellen? Überlegen Sie welches zusätzliche Element dafür notwendig ist. b.) Vergleichen Sie das aufgenommene Bild mit der gemessenen Kurve aus 4.1 a.) 4.2 Messung an den Einzelzellen 4.2.1 Kennlinie Einzelzellen Nehmen Sie die Kennlinie der Einzelzellen (eine Einzelzelle und alle Zellen in Serie geschaltet) mit dem Halogenscheinwerfer auf, und berechnen Sie den MPP. Welchen Wirkungsgrad haben die Zellen? Erfassen Sie bei dieser Messung auch die Temperatur. 4.2.2 Ersatzschaltung – Ersatzelemente berechnen: Aus der U-I Kennlinie lassen sich aufgrund der Steigung die Widerstände Rs und Rp der Ersatzschaltung berechnen. So wirkt beispielsweise bei kleineren Spannungen (kleiner Lastwiderstand bis zum Extremfall des Kurzschlusses) vor allem der Seriewiderstand, hingegen hat der Parallelwiderstand noch fast keine Auswirkungen. Bei grösseren Spannungen, wo die U-I Kennlinie stark abfallend ist (im Extemfall Leerlauf), wirkt hingegen der Parallelwiderstand stärker und der Seriewiderstand wird vernachlässigbar. Versuchen Sie mit Hilfe der Formel aus dem Theorieteil die Überlegungen für Kurzschluss und Leerlauf zu machen und somit Rs und Rp zu bestimmen. eetL1_Solar_V4_20130109 Seite 12 / 20 30. 12. 2012 4.2.3 Simulation und Messung Serieschaltung, Beschattung Erstellen Sie mit LT-SpiceIV und Hilfe der Anleitung die Ersatzschaltung der Solarzelle wie in der Versuchsanleitung beschrieben. Verwenden Sie für die Parameter der Ersatzelemente die selbst berechneten Werte oder die Beispielwerte aus dem Theorieteil. a.) Vergleichen Sie die Simulation mit den gemessenen Kennlinien. b.) Zeigen Sie in einer weiteren Simulation wie sich die U-I-Kennlinie bei unterschiedlichen Temperaturen verschiebt und beschreiben Sie Ihre Erkenntnisse. c.) Schalten Sie die 6 Zellen in Serie und vergleichen Sie auch diese Ergebnisse mit den Resultaten der Simulation. d.) Simulieren Sie die Beschattung einer Zelle. Vermindern Sie dazu die entsprechende Stromquelle auf 1% des Nennstromes - Was geschieht mit der Ausgangsspannung? - Wie sieht die Spannung über der „abgedunkelten“ Zelle aus? - Wie kann man diesen Effekt verhindern? Probieren Sie die vorgeschlagene Lösung aus. - Vergleichen Sie die simulierten Werte mit der Praxis. eetL1_Solar_V4_20130109 Seite 13 / 20 30. 12. 2012 4.2.4 Temperatureinfluss Beleuchten Sie ein Zellenpaar (nicht das mit der Temperaturmessung bestückte) mittels Infrarot-Lampe und messen Sie dessen Leerlaufspannung. Erwärmen Sie anschliessend das Zellenpaar, bei welchem sich die Temperaturmessung befindet, und nehmen Sie dabei mittels K.O. sowohl die Leerlaufspannung als auch die Temperatur-Messspannung transient während der Erwärmung der Zellen auf (genügend grosse Time-Domain wählen). Bei der Temperaturmessung können Sie die an der BNC-Buchse anliegende Messspannung wie folgt in eine Temperatur umrechnen: T = U mess ⋅ 10 ° V + 3°C [°C ] Beachten Sie bei der Messung der Diodenspannung, dass sich diese lediglich im Bereich von ca. 20-40mV verändert. Stellen Sie den Messbereich entsprechend ein – bedenken Sie auch einen allfälligen Offset. Vergleichen Sie die beiden aufgenommenen Graphen und erklären Sie die Abhängigkeit der Spannung von der Temperatur. Bestimmen Sie weiter eine allgemeine Handformel für die Abhängigkeit der Spannung und somit der Leistung von der Temperatur. Vergleichen Sie diese mit Literatur-Werten. 4.3 Berechnung der Jahresnutzungsdauer Auf dem Nordgebäude der Fachhochschule befindet sich eine 10kW-Anlage (Inbetriebsetzung 21.11.2003). Die aktuellen Werte, Anlagedaten und bisherige Produktion können aus dem Internet unter www.adamsun.ch.vu aufgerufen werden. Aufgrund der Regelung über die Abgabe von elektrischer Energie in das Netz ist es in der Schweiz ab einer Anlagengrösse von 30kWpeak Pflicht, eine Messung des Lastganges zu installieren, welche periodisch die gesammelten Daten der Netzleitstelle (Swissgrid) übermittelt. Diese Daten werden oftmals vom Anlagenbetreiber publiziert, um für Solarenergie zu werben. Entnehmen Sie entweder der Website der Solaranlage FH-Nord oder suchen Sie im Internet (bspw. http://home.solarlog-web.eu) aktuelle Daten und berechnen Sie daraus die entsprechende Jahresnutzungsdauer. (Vergessen Sie dabei nicht, die berechnete Anlage zu referenzieren.) Überlegen Sie sich ausserdem, was die Jahresnutzungsdauer aussagt und wo dieser Wert benötigt werden könnte. eetL1_Solar_V4_20130109 Seite 14 / 20 30. 12. 2012 5 Verwendete Messgeräte und Versuchskomponenten Anzahl 1 1 1 1 1 1 8 1 1 1 1 1 1 1 1 1 6 Gerät Solarmodul technische Daten 0.7 m2 typischer Wirkungsgrad 11.5 % Lastwiderstand Culatti z.B. 100 Ω Solarzellenschaltung 6x 91 cm2 6 „Zellen“; jede „Zelle“ Multikristallin besteht aus 4 Elementen Leerlauf 1.2 V (je 2 in Serie und paral- Kurzschluss 1.4 A lelgeschaltet) Temperaturmessung Variac 230 V, 12 A Halogenscheinwerfer 1000 W Halogenscheinwerfer je 150 W Fotostativ Kondensator, Taster 1000 µF, 35 V, Elko Ampèremeter Voltmeter Leistungsmessung Pyranometer MAVOLUX Pyranometer Haenni Oszilloskop 2-Kanal, Speicher Stromzange 100 APeak Diode mit 4 mm-Stecker eetL1_Solar_V4_20130109 Seite 15 / 20 Bezeichnung Arco Solar M53 (1984!) Eigenbau EEL-B47 z.B. Lapp EEL-T4 EEL-L4 EEL-D15 Eigenbau z.B. Unigor,Fluke 179 z.B. Unigor,Fluke 179 GMC, 29S, z.B. EEL-A50 EEL-L18 Solar 118, EEL-B48 z.B. Tektronix TDS 220 Tektronix A622 Eigenbau 30. 12. 2012 6 Simulationsanleitung LT Spice Die nachfolgende Simulationsanleitung soll den Anwender durch die Simulationsaufgaben des Laborversuches eaL1_Solarzellen führen. Ergänzende Anweisungen sind in der Bedienungsanleitung LTSpiceǀV_Script.pdf von Prof. Peter Ganzmann auf dem AD im Versuchsordner nachzuschlagen. Eröffnende Schritte: Starten Sie das Programm LT-Spice und eröffnen Sie ein neues Projekt mit „File/new Schematic“. Als Nächstes muss die Bibliothek für Dioden geladen werden. Diese steht ebenfalls im Versuchsordner unter LT-Spice/ORCAD.ORI/DIODE.LIB zur Verfügung. Für die Verknüpfung der Bibliothek mit dem Projekt, wählen Sie in der Symbolleiste „.op“ aus. Geben Sie nun den Pfad an, wo Sie Ihre Bibliotheken abgespeichert haben, so wie in unten stehendem Beispiel: .lib"C:\Users\MaxMuster \Documents\FH\LT_Spice\libraries\ORCAD.ORI\DIODE.LIB" Aufbau der Ersatzschaltung: Ziehen Sie nun die Elemente der Ersatzschaltung (Widerstände, Stromquelle und Dioden) in Ihr Schema und verbinden Sie diese miteinander. Elemente, welche nicht direkt in der Symbolleiste zu finden sind, können unter dem Symbol „Components“ geholt werden. Das Schema sollte nun etwa folgendermassen aussehen: Abbildung 13: Ersatzschaltung in LT-Spice realisiert Im obigen Schema wurden zwei Dioden vom Typ D1N4002 gewählt, da diese der Solarzelle am ähnlichsten sind. Es wurden zwei in Serie geschaltet, da im Versuchsaufbau eine „Zelle“ aus zwei Einzelelementen aufgebaut ist. Der Diodentyp kann angepasst werden, indem man diese mit einem Rechtsklick anwählt und dann im erscheinenden Menü auf „Pick New Diode“ klickt. Wenn die entsprechende Library richtig geladen wurde, stehen nun viele gängige Modelle zur Auswahl. Wie ebenfalls im Schema ersichtlich ist, wurden für R1 und R2 die berechneten Werte eingesetzt und der Lastwiderstand R3 als Variable definiert. Falls Sie die Aufgabe für die Bestimmung der Ersatzelemente nicht lösen konnten, können Sie die oben angezeigt Werte verwenden. Um R3 variieren zu können, wurde statt einem Wert für den Lastwiderstand ein symbolischer Parameter eingegeben (der Einfachheit halber heisst dieser R3) und in geschweifte Klammern gesetzt. Um den Parameter zu variieren, holen Sie aus der Symbolleiste einen Befehl über das Icon „.op“ und geben Sie die Parameter nach folgendem Beispiel ein: Abbildung 14: Befehle um R3 zu variieren Mit dem Befehl .param wird dem variablen Widerstand R3 ein Initialisierungswert zugewiesen. Anschliessend kann mittels dem Befehl .STEP der Parameter durchgesweept (laufend variiert) werden. Im obigen Beispiel wird die Last von 0.1Ω bis 20Ω in Schritten von 0.1 variiert. Dieses Inkrement sollte mit Vorsicht gewählt werden. Wird es kleiner als 0.1 gesetzt wird der Rechenaufwand erheblich gesteigert, was zu langen Wartezeiten führen kann. Nun muss nur noch ein letzter Befehl .op zuunterst eingefügt werden und das Schema ist bereit für die Simulation. eetL1_Solar_V4_20130109 Seite 16 / 20 30. 12. 2012 Simulation: Die Simulation wird durch das Symbol „run“ gestartet. Je nach Voreinstellungen des Programmes ist die Darstellung der Simulation noch nicht optimal. Um die U-I-Kennlinie zu zeigen müssen zuerst die Achsen richtig gewählt werden. Für die y-Achse soll der Laststrom von 0 bis 1.5A eingestellt werden. Die x-Achse muss als Spannung über der Last definiert werden. Dazu klicken Sie einmal auf die x-Achse und machen die entsprechenden Eingaben im folgenden Menü: Abbildung 15: Menü-Ausschnitt für die Anpassung der horizontalen Achse In das Feld Quantity Plotted schreiben Sie V() da es sich um eine Spannung handelt und in der Klammer der Name der Spannung. Für eine einfachere Handhabung wurde im Schema selber dem Knotenpunkt über der Last ein Label zugewiesen mit dem Namen v3. Dies können Sie realisieren, indem Sie das Symbol Label Net an die gewünschte Stelle in Ihrem Schema setzen. In der obigen Menüabbildung wurde die Spannung von 0 bis 2 V in Schritten von 200mV geplottet. Nach diesen Einstellungen sollte die Simulation wie folgt aussehen: Abbildung 16: U-I-Kennlinie von zwei Einzelzellen In der obigen Abbildung sehen Sie die U-I-Kennlinie eines Zellenpaares. Vergleichen Sie diese Kennlinie mit Ihrer, von Hand im Labor an einer Zelle aufgenom-menen Kurve. Sie werden feststellen, dass bei Ihren Messungen eine viel geringere Leerlaufspannung resultierte als die oben ersichtlichen 2 Volt. Das kommt daher, dass das für die Simulation gewählte Diodenmodell nicht mit der Realität für die Solarzelle übereinstimmt. Eine reale Einzelzelle aus dem Labor liefert ungefähr 500mV Leerlaufspannung. Da wir für eine Zelle jeweils zwei Einzelzellen zusammengeschaltet haben, sollten ungefähr 1 Volt Leerlaufspannung resultieren. Die Simulation soll nun so angepasst werden, dass diese Werte besser übereinstimmen. eetL1_Solar_V4_20130109 Seite 17 / 20 30. 12. 2012 Anpassungen: Wie erwähnt stimmt die Ersatzschaltung mit dem gewählten Diodentyp nicht mit der realen Solarzelle überein. Diesem Problem kann Abhilfe geschaffen werden, indem der Diodenparameter N entsprechend angepasst wird. Realisieren Sie diese Anpassung mit dem Befehl: .STEP D D1N4002(N) 1 1.99 0.01. Dadurch wird der Parameter N von 1 bis 1.99 durchgesweept (Standardmässig hat die Diode 1N4002 ein N von 1.99). Nun könnten Sie einen Punkt aus Ihrer Messreihe wählen und vergleichen, wo die simulierte Kurve der Lastspannung (unter den gleichen Bedingungen wie im Labor) in Funktion des Parameters N den gewählten Punkt aus der Messreihe schneidet. Den Wert des Diodenparameters N können Sie nun fix setzen um so das Modell möglichst nahe an die reale Zelle im Labor heran zu bringen. Da jedoch die Informationen über die Bedingungen im Labor (Widerstände, Temperatur, usw.) oftmals unzureichend sind, wird an dieser Stelle empfohlen, den Parameter N durch Probieren anzunähern. Temperaturabhängigkeit: Damit Sie die Temperaturabhängigkeit und somit die Verschiebung der U-I-Kennlinie sehen können, wird eine weitere Simulation durchgeführt. Dafür werden für verschiedene Temperaturen einzelne Messkurven berechnet und geplottet. Fügen Sie den Befehl: .STEP TEMP x x x im Schema ein. Die drei Platzhalter x stehen für Starttemperatur, Endtemperatur und Schrittweite in °C. Es wird für jede Temperatur eine einzelne Kennlinie gezeichnet. Wählen Sie deshalb die Schrittweite mit Vorsicht, da die Rechenzeit umso höher wird, je mehr Kurven berechnet werden müssen. Wählen Sie auch für die Temperaturen sinnvolle Werte, welche auch in praktischen Anwendungen auftreten können. Im untenstehenden Bild sehen Sie, wie die Leerlaufspannung mit zunehmender Temperatur sinkt. Die Kurven wurden mit .STEP TEMP 20 70 10 von 20°C bis 70°C in Schritten von 10°C erzeugt: Abbildung 17: U-I-Kennlinien bei verschiedenen Temperaturen eetL1_Solar_V4_20130109 Seite 18 / 20 30. 12. 2012 Simulation mit mehreren Zellen: Mit Ihrem erstellten Schema für eine Zelle steht es Ihnen frei verschiedene Verschaltungen auszuprobieren. Beachten Sie dabei, dass die Ersatzschaltung für die Zelle als ganzes bestehen bleiben muss und für alle Zellen gleich aussehen sollte. Als Beispiel für eine Schaltung mit mehreren Zellen sehen Sie in untenstehender Abbildung alle 6 Zellen in Serie aufgebaut: Abbildung 18: Beispiel einer seriellen Zusammenschaltung aller 6 Zellenpaare Simulieren Sie auch diese Schaltungen und vergleichen Sie, sofern Sie den entsprechenden Aufbau auch im Labor vorgenommen und ausgemessen haben, das Ergebnis mit Ihren Messdaten. eetL1_Solar_V4_20130109 Seite 19 / 20 30. 12. 2012 Beschattung: Bei Solaranlagen tritt häufig das Problem auf, dass ein oder mehrere Panels beschattet werden. Dies hat enorme Auswirkungen auf den Wirkungsgrad der gesamten Anlage. Diese Auswirkungen können im LTSpice ganz einfach untersucht werden. Um eine Beschattung zu simulieren, setzen Sie bei der entsprechenden Zelle die Stromquelle in der Ersatzschaltung auf einen kleineren Wert. Je mehr Sie den Strom verringern desto stärker wäre die Beschattung der Zelle. Testen Sie die Auswirkungen bei verschiedenen Zusammenschaltungen bei serieller, paralleler und gemischter Schaltung aus und notieren Sie Ihre Erkenntnisse. Untenstehende Abbildung zeigt ein Beispiel für die parallele Zusammenschaltung von 6 Zellen wobei jede Zelle aus einer Serienschaltung zweier Einzelzellen besteht: Abbildung 19: Beispiel einer parallelen Zusammenschaltung aller 6 Zellenpaare Verweise: Für weitere Fragen zum Umgang mit LT-Spice, konsultieren Sie die ausführliche Bedienungsanleitung von Prof. Peter Ganzmann. Für Fragen zum Thema Beschattung und deren Auswirkungen, konsultieren Sie die Theorie im Skript eet1 von Prof. Martin Wiederkehr. eetL1_Solar_V4_20130109 Seite 20 / 20 30. 12. 2012
