Script UT Photovoltaik Inhaltsverzeichnis - Carl-Engler

Script UT Photovoltaik
Carl-Engler-Schule Karlsruhe
Technisches Gymnasium
Inhaltsverzeichnis
1 Beispiel-Vorwort............................................................................................................... 3
2 Stoffverteilung.................................................................................................................. 3
2.1 Einbettung dieser Lehrplaneinheit in den Gesamtzusammenhang.............................3
2.2 Verteilung der Lehrplaneinheiten
in der Jahrgangsstufe 2....................................3
2.3 Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan ....................................................................3
3 Arten von Solarzellen.......................................................................................................4
3.1 Monokristalline Solarmodule.......................................................................................4
3.2 Polykristalline Solarmodule.........................................................................................4
3.3 Dünnschicht Solarmodule...........................................................................................4
4 Wiederholung der elektrotechnischen Grundlagen.......................................................5
4.1 Grundgrößen.............................................................................................................. 5
4.2 Gesetze der Reihen- und Parallelschaltung................................................................5
4.3 Grafische Ermittlung der Größen in einer Reihenschaltung........................................6
5 Von der Solarzelle zum Solarmodul ...............................................................................7
5.1 Reihenschaltung von Solarzellen ...............................................................................7
5.2 Parallelschaltung von Solarzellen ..............................................................................8
5.3 Ermittlung des MPP ...................................................................................................9
5.4 Übung: Vergleich zweier Kennlinien bei unterschiedlichen Strahlungsleistungen.....10
5.5 Übung: Skizze einer Solarmodulkennlinie.................................................................10
5.6 MPP bei unterschiedlichen Bestrahlungsstärken......................................................11
Wechselrichter: dies wird Nr 6...........................................................................................12
5.7 MPP-Tracker als Teil des Wechselrichters................................................................12
5.8 Arbeitsweise des MPP-Trackers...............................................................................13
5.9 Aufgabe der PWM-Brücke im Wechselrichter...........................................................17
5.10 Wechselrichter mit Netztrafo...................................................................................20
5.11 Dreiphasige Einspeisung........................................................................................20
5.12 Blockschaltild eines trafolosen Wechselrichters......................................................21
5.13 Aufgaben eines Wechselrichters.............................................................................21
5.14 Übungen zum Innenaufbau eines Wechselrichters.................................................22
5.15 Anschluss der Solarmodule an den Wechselrichter ...............................................23
1
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5.16 Strang-Topologien...................................................................................................23
5.17 Sicherungsmaßnahmen .........................................................................................24
6 Auswahl des Wechselrichters nach den elektrischen Daten der PV-Module............25
6.1 Temperaturabhängigkeit von Solarmodulen..............................................................25
6.2 Solarzellenkennlinie und Leistungs-Hyperbel des Wechselrichters...........................28
6.3 Anpassung des Wechselrichters an die Solarmodule mithilfe der Kennlinien ...........30
6.4 Anpassung des Wechselrichters an die Solarmodule (geänderte Modulzahl)...........31
6.5 Welche minimalen und maximalen elektrischen Werte können auftreten und müssen
vom Wechselrichter verarbeitet werden?..........................................................................33
6.6 Faustformeln zur Anpassung des Wechselrichters an die Solarmodule ...................34
7 Ertragsberechnung von Photovolatikanlagen.............................................................35
7.1 Tabelle: mittlere tägliche Globalstrahlung auf eine horizantale Fläche kWh/(m²*d)...35
7.2 Wie berechnet man den monatlichen Ertrag eines Solarmoduls für horizontale Einstrahlung?......................................................................................................................... 35
7.3 Korrekturfaktoren für Ausrichtung und Temperatur ...................................................37
7.4 Monatliche Ertragsberechnung unter Berücksichtigung der Modulausrichtung ........37
7.5 Jährliche Ertragsberechnung....................................................................................38
7.6 Anlagengüte: Performance Ratio PR........................................................................38
7.7 Aufgabe: Projektierung und Ertragsberechnung einer Solaranlage mit Netzeinspeisung.................................................................................................................................. 39
7.8 Rentabilitätsberechnungen.......................................................................................42
7.9 PV-Anlage mit Speicher............................................................................................43
2
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1 Beispiel-Vorwort
2 Stoffverteilung
2.1 Einbettung dieser Lehrplaneinheit in den Gesamtzusammenhang
2.2 Verteilung der Lehrplaneinheiten
in der Jahrgangsstufe 2
2.3 Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan
Zeitplanung
Unterrichtsinhalte und Bemerkungen
Σ
3
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3 Arten von Solarzellen
3.1 Monokristalline Solarmodule
•
•
•
•
•
•
schwarz bis dunkelbläuliche Färbung
höchster Zellenwirkungsgrad im Vergleich zu anderen Siliziumzellentechnologien (Aktuell ca. 18%).
Einsatz bevorzugt dort, wo nur eine begrenzte Fläche
zur Verfügung steht.
Einbußen bei Schwachlicht
Herstellung benötigt hohen Energieeinsatz
Weltmarkanteil 30%
3.2 Polykristalline Solarmodule
•
•
•
•
•
•
kristallin schimmernde bläuliche Oberfläche
gleichen von ihren mechanischen und elektrotechnischen
Eigenschaften den Monokristallinen Siliziumzellen
Zellenwirkungsgrad von nur ca. 14% auf.
Einbußen bei Schwachlicht
rechteckige Zellenstruktur -> Oberfläche besser
ausgenutzt -> nur geringe Leistungsunterschiede zu Monokristallinen Modulen.
Weltmarktanteil 60%
3.3 Dünnschicht Solarmodule
•
•
•
•
•
•
•
4
optimales Schwachlichtverhalten und günstiger
Temperaturkoeffizienten
-> guter Energieertrag auch bei diffusem Licht
Wirkungsgrad 7-14% je Zellentyp.
A-Si Dünnschichtzellen sind dunkelrot bis dunkelbraun.
CdTe Dünnschicht-Zellen sind rahmenlos -> keine
Schmutzrandbildung
CIS-Dünnschichtzellen glänzen im Aussehen durch Ihre
homogene schwarze Oberfläche in Nadelstreifenoptik.
CIGS (oder CIS) steht für Cu(In,Ga)(S,Se)2
höchster Wirkungsgrad
Trägermaterial Glas oder Kunststoff (flexibel)
Weltmarktanteil 10% steigend
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4 Wiederholung der elektrotechnischen Grundlagen
4.1 Grundgrößen
Erklären Sie die Bedeutung der elektrischen Grundgrößen und geben Sie an, wie man sie
misst.
• Strom
• Spannung
• Leistung und Arbeit (Energiemenge)
4.2 Gesetze der Reihen- und Parallelschaltung
4.2.1 Reihenschaltung
Uges =
Iges =
Pges =
4.2.2 Parallelschaltung
Uges =
Iges =
Pges =
5
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4.3 Grafische Ermittlung der Größen in einer Reihenschaltung
Diese Verfahren benötigen wir später, wenn einer der Verbraucher eine nichtlineare Kennlinie (keine Gerade) besitzt. Daher ist es sinnvoll, es bereits an einem einfachen Beispiel zu
verstehen.
I
Zwei Widerstände R1 und R2 besit- 1,2A
zen die nebenstehenden Kennlinien.
R2=12V/1,2A = 10Ω
0,5A
R1=12V/0,5A = 24Ω
U
12V
I
Die Widerstände werden in Reihe an eine Gesamtspannung
von 12V gelegt.
Gesucht ist der Gesamtstrom und die Einzelspannungen.
R1
U1
R2
U2
Uges
I
Die Kennlinie des einen Widerstandes
wird „gespiegelt“ aufgetragen und ist
durch 2 Punkte bestimmt:
1,2A
1) Schnittpunkt mit der U-Achse
bei Uges = 12V
0,5A
2) Schnittpunkt mit der I-Achse bei
dem Strom, der fließen würde,
wenn man den Widerstand an
12V anlegt
R2=12V/1,2A = 10Ω
R1=12V/0,5A = 24Ω
0,35A
U
12V
U1=8,47V
U2=3,53V
Den Schnittpunkt beider Kennlinien nennt man Arbeitspunkt: Der fließende Strom und die
Einzelspannungen an den Widerständen können abgelesen werden.
Dieses Verfahren kommt vor Allem bei Bauteilen zum Einsatz, deren Kennlinien keine Geraden („nichtlinear“) sind, z.B. Diode, LED, Transistor, Solarzelle.
Man verwendet es auch, wenn man zwei Geräte aneinander anschließt, z.B. den Wechselrichter an Solarmodule.
6
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5 Von der Solarzelle zum Solarmodul
I
5.1 Reihenschaltung von Solarzellen
Solarzelle 1
U1
Solarzelle 2
U2
Solarzelle 3
U3
R
Uges
Abbildung 5.1: Reihenschaltung von drei
Solarzellen
I in A
6
Reihenschaltung von Solarzellen
5
4
3 Zellen
in Reihe
2 Zellen
in Reihe
1 Zelle
3
2
1
0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0 U in V
Abbildung 5.2: I(U)-Kennlinien von einer, zwei und drei in Reihe geschalteter Solarzellen
9
72 x 0,6V
= 43,2V
8
9 x 8 = 72 Zellen in Reihe geschaltet
Abbildung 5.3: Reihenschaltung von 72 Solarzellen
I in A
6
Reihenschaltung von Solarzellen
5
4
3
2
1 Zelle
10 Zellen
in Reihe
20 Zellen
in Reihe
72 Zellen
in Reihe
1
0
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
40,0
45,0
50,0 U in V
Abbildung 5.4: I(U)-Kennlinien von in Reihe geschalteten Solarzellen
7
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5.2 Parallelschaltung von Solarzellen
I in A
Parallelschaltung von Solarzellen
18
16
3 Zellen parallel
14
I1
I2
I3
I123
12
2 Zellen parallel
R
10
8
Solarzelle 1
Solarzelle 2
Solarzelle 3
Abbildung 5.6: Parallelschaltung von Solarzellen
6
1 Zelle
4
2
0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8 U in V
Abbildung 5.5: I(U)-Kennlinien von parallel geschalteten Solarzellen
hier folgt: Problem Verschattung und Anzahl der Dioden pro Modul
anschließend: Zusammenschaltung der Module zu einem Strang (String).
8
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5.3 Ermittlung des MPP
Solarzelle 1
Messwerte
U in V
I in A
1,6060
0,0000
1,5680
0,0281
1,5428
0,0401
1,5020
0,0596
1,4469
0,0803
1,3515
0,1011
1,2767
0,1110
1,1256
0,1207
0,9360
0,1254
0,8381
0,1279
0,0116
0,1360
A
I
Solarzelle 2
R
U
V
Solarzelle 3
Abbildung 5.8: Schaltung zur Kennlinienaufnahme
berechnet
P in W
0,0000
0,0440
0,0619
0,0895
0,1162
0,1366
0,1417
0,1359
0,1174
0,1072
0,0016
Abbildung 5.7: Messwerttabelle
• Belastungswiderstand R ändern
• gemessene Spannung und gemessenen Strom notieren
• abgegebene Leistung P = U * I berechnen
• Kennlinien I(U) und P(U) erstellen
Kennlinie Solarzelle I(U) bei 200 W/m²
0,16
P in W
und daraus berechnete Leistung P(U)
I in A
0,16
ISC
0,14
0,14
MPP
IMPP 0,12
0,12
0,10
0,10
0,08
0,08
0,06
0,06
0,04
0,04
0,02
UOC 0,02
0,00
I in A
P in W
0,00
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
U in V
UMPP
Abbildung 5.9: Ermittlung der elektrischen Werte im MPP
• Der Wert, bei dem die abgegebene Leistung P maximal ist, wird Maximum Power Point
(MPP) genannt, Angabe im Datenblatt: PMPP
• Die Spannung und der Strom beim MPP werden mit UMPP und IMPP bezeichnet.
• Der maximale Strom wird beim Kurzschluss (engl. shortcut, R = 0Ω) der Solarzellen erreicht und mit ISC bezeichnet.
• Die maximale Spannung tritt im Leerlauf auf (kein Lastwiderstand) und mit U0C bezeichnet.
9
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5.4 Übung: Vergleich zweier Kennlinien bei unterschiedlichen Strahlungsleistungen
Kennlinen Solarzelle
I in A
bei unterschiedlichen Strahlungsleistungen
0,14
200W/m²
0,12
0,10
0,08
0,06
100W/m²
0,04
0,02
0,00
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
U in V
Abbildung 5.10: Kennlinien von Solarzellen bei unterschiedlicher Bestrahlungsstärke
• Ermitteln Sie, wie viele Solarzellen bei
der Aufnahme dieser Kennlinien in Reihe
geschaltet wurden.
U
• Lesen Sie geeignete Wertepaare von U
und I ab und ermitteln Sie die zugehörigen Leistungen.
• Zeichnen Sie folgende Werte bei beiden
Kennlinien ein: U0C, ISC, UMPP, IMPP, PMPP
und geben Sie die Zahlenwerte hier an:
• U0C =
• ISC =
• UMPP =
• IMPP =
• PMPP =
5.5 Übung: Skizze einer Solarmodulkennlinie
Skizzieren Sie den ungefähren Verlauf
der Kennlinie, die zu den nebenstehenden Solarmodulangaben gehört.
10
I
P
U
I
P
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5.6 MPP bei unterschiedlichen Bestrahlungsstärken
I in A
6
Kennlinien I(U) und P(U) SW-165 bei verschiedenen Bestrahlungsstärken
P in W
180
1000 W/m²
160
5
140
800 W/m²
4
120
600 W/m²
100
3
80
400 W/m²
2
60
1
0
0
200 W/m²
40
100 W/m²
20
5
10
15
20
25
30
35
0
45 U in V
40
Abbildung 5.11: Kennlinien I(U) und P(U) bei verschiedenen Bestrahlungsstärken
Im dargestellten Diagramm sind die I(U)-Kennlinien bei verschiedenen Bestrahlungsstärken
dargestellt. Die daraus berechneten Leistungskurven P(U) dienen der Bestimmung der Werte
von IMPP und UMPP, die durch Kreise markiert sind.
Die auftretenden Werte von 100W/m² bis 1000W/m² stellen typische Bestrahlungsstärken
dar. 1000W/m² erhält man in Deutschland nur am wolkenfreien, klaren Himmel.
In jedem Modul-Datenblatt sind die elektrischen Werte bei Standart-Test-Bedingungen STC
angegeben.
Ergänzen Sie:
Bei doppelter Bestrahlungsstärke fließt ungefähr der ____________ Strom.
Die Spannung ändert sich dabei ________________.
notwendiger Arbeitsbereich des MPP-Trackings: _________________________________
Aufgabe des MPP-Trackers:
Die 500 W/m²-Kennlinie kann
aus der 1000 W/m²-Kennlinie
leicht durch Parallverschiebung
um den halben Kurzschlussstrom "nach unten" konstruieren:
I in A
Konstruktion der 500 W/m²-Kennlinie aus der 1000 W/m²-Kennlinie
6
1000 W/m²
5
Parallelverschiebung
4
Parallelverschiebung
3
500 W/m²
2
1
0
U in V
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
11
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Wechselrichter: dies wird Nr 6
5.7 MPP-Tracker als Teil des Wechselrichters
MPPTracker
SolarModule
L
PWMBrücke
Filter
N
Zwischenkreis
Netzüberwachung
Steuerung
Wechselrichter
Der Wechselrichter erzeugt aus der Gleichspannung der Solarmodule die sinusförmigen
Spannungen der drei Phasen L1, L2, L3. Die dabei in mehreren Schritten auftretenden Spannungen sind in der folgenden Abbildung aufgeführt.
viele Module in Reihe
Usolar-gross
wenig
Module
in Reihe
U Gleichspannung
ein und ausschalten
Zwischenkreis
Usolar-klein
DC-DC-Wandlung
325V
UDC
UPWM
UDC
-UDC
UAC
Umpolung
DC-AC-Wandlung
Hochsetz- / TiefsetzSteller / MPP-Tracker
230Veff
umgepolte Gleichspannung
ein und ausschalten
PWM-Brücke + Filter
Zunächst wird eine Gleichspannung mit dem Betrag des Spitzenwerts der Wechselspannung
230 V⋅ √ 2 = 325 V benötigt. Diese Zwischenkreisspannung wird von einem Tiefsetzsteller
oder Hochsetzsteller erzeugt, je nachdem, ob die Gesamtspannung der Solarmodule kleiner
oder größer als 325 V ist. Wie wir sehen werden, arbeitet dieser DC-DC-Umsetzer auch als
MPP-Tracker, der den Modulen die maximale Leistung "entzieht".
=> Der MPP-Tracker ist ein gesteuerter Hochsetz- oder Tiefsetzsteller.
Eine nachgeschaltete PWM-Brücke erzeugt aus der Zwischenkreisspannung ein PWM-Signal, das nur die Spannungswerte 325V, 0V und -325V kennt. Erst ein nachgeschaltetes Filter, bestehend aus zwei Spulen und einem Kondensator, erzeugt die gewünschte sinusförmige Spannung.
Auf den folgenden Seiten wird zunächst die Arbeitsweise des MPP-Trackers und anschließend der Einsatz der PWM-Brücke dargestellt.
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5.8 Arbeitsweise des MPP-Trackers
5.8.1 Ohne MPP-Tracker, nur mit festem Lastwiderstand
I in A
Arbeitspunkte (AP) bei Belastung mit einem festen ohm'schen Widerstand
6
1000 W/m²
5
I
MPP1
AP1
4
SolarModul
U
R
Ω
7,6
R=
3
500 W/m²
0Ω
R=1
4,2Ω
R=1
MPP2
AP2
2
1
0
U in V
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Abbildung 1: Betrieb eines ohm'schen Widerstands an einem Solarmodul: Im Fall der halben Sonneneinstrahlung (E = 500 W/m²) liegt der Arbeitspunkt (AP2) weit entfernt vom MPP2
Um ein Solarmodul, das die abgebildeten Kennlinien besitzt, bei einer Einstrahlung von
1000 W/m² im MPP zu betreiben, müsste man eine Schaltung anschließen, die einen Widerstand von R = 7,6 Ω besitzt.
Geben Sie an, wie man auf diesen Wert kommt.
Bei der halben Sonneneinstrahlung müsste man einen Widerstand von 14,2 Ω anschließen,
um das Modul im MPP zu betreiben.
Ermitteln Sie, welche Leistungen das Solarmodul bei beiden Einstrahlungen im MPP abgeben kann und welche Leistungen ein "mittlerer" Widerstand von R = 10 Ω aufnehmen würde.
Bewerten Sie Ihre Ergebnisse.
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5.8.2 Anschluss eine DC-DC-Wandlers an die Solarzelle.
I in A
Arbeitspunkte (AP) bei Belastung mit einem DC-DC-Wandler
6
I1
SolarModul
=
1000 W/m²
I2
=
MPP1
4
U2
U1
AP1
5
R
3
500 W/m²
MPP2
AP2
2
1
0
U in V
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Abbildung 2: Einsatz eines DC/DC-Wandlers: Die Spannung am Solargenerator kann unabhängig von der am
Verbraucher gewählt werden. Z.B. man lässt sie konstant
Energetisch wesentlich günstiger ist der Einsatz eines DC-DC-Wandlers. Dieser wird z.B. als
Tiefsetzsteller oder Hochsetzsteller realisiert, (siehe Formelsammlung) je nachdem, ob die
Spannung am Verbraucher größer oder kleiner als die Solarmodulspannung sein soll. Wie
die Abbildung zeigt, ist die energetische Ausbeute auf jeden Fall viel besser als bei der Belastung mit einem ohm'schen Widerstand, da die Arbeitspunkte AP1 und AP2 deutlich "näher" an den MPPs liegen.
Ermitteln Sie für beide Einstrahlungen die Leistungen, die der Widerstand aufnimmt, wenn
der Wirkungsgrad des DC-DC-Wandlers 98 % beträgt.
Berechnen Sie I2, wenn U2 = 230 V (Hochsetzsteller) bzw. U2 = 12 V (Tiefsetzsteller) beträgt.
Auf der folgenden Seite wird die Funktion des Tiefsetzstellers wiederholt. Der Hochsetzsteller
arbeitet ebenfalls mit einem PWM-gesteuerten Transistor, einer Spule und einer Diode.
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5.8.3 Wiederholung der Arbeitsweise eines Tiefsetzstellers
U2= U1
U1 (Gleichspannung)
UR ~I
UR ~I
USpule
t
Diode leitet: U2=-0,7V
USpule
Transistor sperrt
Diode leitet
Uspule = UDiode + UR
Transistor leitet
Diode sperrt
U1 = U2 = Uspule + UR
USpule
I
T
T
USpule
I
+
I
T
-
+
- Quelle
Verbraucher
UR
U2
U1
U1
U2
UR
USpule
U1
UR
U
+ Diode
+
UR
Quelle
+
-
Spule ist die
Energiequelle, die
versucht, den Strom
aufrecht zu erhalten
USpule
I
-
UDiode
• Der Transistor wird mit einer rechteckförmigen Spannung angesteuert.
• Während der Transistor leitet erhält die Spule Energie von der Spannungsquelle U1 (z.B.
Solarmodul) und der Strom im Verbraucher steigt leicht an.
• Während der Transistor sperrt, gibt die Spule Energie ab, sie hält den Strom durch den
Verbraucher weiter aufrecht, dieser fällt jedoch leicht ab.
• Glättet man die Spannung am Verbraucher mit einem Kondensator und wählt man eine
hohe Schaltfrequenz des Transistors, so ist die Spannung am Verbraucher eine "glatte"
Gleichspannung.
• Die Schaltung arbeitet mit einem sehr hohen Wirkungsgrad, da nur am durchgeschalteten
Transistor und am Drahtwiderstand der Spule etwas Energie verloren geht.
• Der Tastgrad des PWM-Signals, mit dem der Transistor angesteuert wird, beeinflusst die
Größe der Spannung am Verbraucher: Mit steigendem Tastgrad steigt der Mittelwert der
Ausgangsspannung an.
U
U U=U
2
T
USpule
I
PWM
U2
EingangsGleichspannung
R
ein
Mittelwert
UR = Uaus
L
Uein
ein
UR
C
ti
U
t
T
Uaus
AusgangGleichspannung
U2=-0,7V
U2= Uein
Mittelwert
UR = Uaus
ti
Uein
U2 =
-0,7V
t
T
15
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5.8.4 Der MPP-Tracker steuert den DC-DC-Wandler
MPP-Tracker
U2
I1
SolarModul
=
I2
U2
U1
U~I2
RMess
R
=
Abbildung 3: Prinzip des MPP-Trackings: Durch Messung von Strom und Spannung bei
gleichzeitiger Variation des Tastgrades wird die abegegebene Leistung maximiert
Zur Bestimmung der Leistung P werden U und I am Eingang oder am Ausgang des DC-DCWandlers gemessen.
Der MPP-Tracker merkt sich die gemessene Leistung und verstellt leicht den Tastgrad des
DC-DC-Wandlers. Wenn die nun gemessenen Leistung größer ist, wird der Tastgrad weiter in
die "gleiche Richtung" verstellt solange, bis die Leistung nicht mehr weiter steigt. Wird die
Leistung kleiner, so wird der Tastgrad "in die andere Richtung" verstellt. Der MPP-Tracker
sucht daher dauernd "durch Probieren" nach der maximalen Leistungsabgabe.
Die meisten MPP-Tracker starten bei der Leerlaufspannung der Solarmodule. Daher muss
der Wechselrichter auf jeden Fall für die unter ungünstigsten Bedingungen auftretende maximale Leerlaufspannung ausgelegt sein.
Abbildung 4: Algorithmus des Suchschwingverfahrens: Ausgehend vom Leerlaufpunkt wird der Tastgrad verändert, die neue Leistung ermittelt und der Tastgrad abhängig vom Ergebnis weiter optimiert bis schließlich der
MPP erreicht wird
Im Datenblatt des Wechselrichters ist der Spannungsbereich angegeben, in dem der MPPTracker arbeitet.
16
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5.9 Aufgabe der PWM-Brücke im Wechselrichter
MPPTracker
SolarModule
L
PWMBrücke
Filter
N
Zwischenkreis
Netzüberwachung
Steuerung
Wechselrichter
viele Module in Reihe
Usolar-gross
wenig
Module
in Reihe
U Gleichspannung
ein und ausschalten
Zwischenkreis
Usolar-klein
DC-DC-Wandlung
325V
UDC
UPWM
UDC
-UDC
UAC
Umpolung
DC-AC-Wandlung
Hochsetz- / TiefsetzSteller / MPP-Tracker
230Veff
umgepolte Gleichspannung
ein und ausschalten
PWM-Brücke + Filter
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5.9.1 Erzeugung der positiven und negativen Halbwelle
1
3
L1
UDC
2
Netz
=Verbraucher
L2
4
R
UAC
UPWM
Abbildung 5: Transistorbrücke zur Erzeugung des PWM-Signals ("PWM-Brücke") und 2
Spulen mit Kondensator zur Erzeugung des sinusförmigen Signals
positive Halbwelle:
• Transistor T4 leitet dauernd
negative Halbwelle:
• Transistor T2 leitet dauernd
• T2 und T3 sperren
• T1 und T4 sperren
• T1 wird ein- und ausgeschaltet
• T3 wird ein- und ausgeschaltet
• zur Erzeugung der PWM
• zur Erzeugung der PWM
• über Diode 2 fließt der Strom weiter wenn • über Diode 4 fließt der Strom weiter wenn
T1 ausgeschaltet ist.
T3 ausgeschaltet ist.
aktive Stromkreise:
UPWM = UDC:
UDC+ → T1 → L1 → Netz → L2 → T4 → UDCbei UPWM = 0:
L1 → Netz → L2 → T4 →Diode2 → L1
aktive Stromkreise:
UPWM = -UDC:
UDC+- → T3→ L2 → Netz → L1 → T2 → UDCbei UPWM = 0:
L2 → Netz → L1 → T2 →Diode4 → L2
I
I
1
L1
UDC
4
L2
L1
I
I
UAC
UPWM
2
3
1
3
R
Netz
=Verbraucher
UDC
UPWM
2
4
I
L2
UAC
Netz
=Verbraucher
U
UDC
UPWM
UAC
-UDC
Abbildung 6: Die Gleichspannung wird in Impulse unterschiedlicher Breite zerhackt (PWM) und dann
mittels Tiefpass gefiltert, so dass sich eine 50Hz-Schwingung ergibt
18
R
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5.9.2 Erklärung der Spannungs- und Stromverläufe
Die in der PWM-Brücke schaltenden Transistoren arbeiten zusammen mit den Spulen
im Prinzip wie ein Tiefsetzsteller, dessen
Ausgangsspannung laufend (sinusförmig)
geändert wird.
I
1
3
L1
UDC
I
UAC
UPWM
4
2
R
Netz
=Verbraucher
L2
Daher erhält man auch den "spulen-typischen" Stromverlauf, der zu einem gleich
aussehenden Spannungsverlauf im Lastwiderstand führt.
Diese "zackigen" Verläufe kann man wie beim Tiefsetzsteller durch zwei Maßnahmen glätten:
• Erhöhung der Schaltfrequenz
• Parallelschaltung eines Kondensators zum Verbraucher
Die Kombination aus Spulen und Kondensator wird in den Blockschaltbildern als Filter bezeichnet.
UPWM
sinusförmig bewertetes PWM-Signal mit Periodendauer T
und Mittelwerte der Spannungen der Perioden
t
T
T
...
das oben grob vereinfachte PWM-Signal besitzt
real eine viel größere Frequenz und daher
feinere Abstufung
Ausschnitt
PWM
Stromverlauf, hervorgerufen durch
die Spulen → die Spannung im
Lastwiderstand ist proportional zum
Strom und hat den gleichen Verlauf
Flächen
gleich gross
Mittelwerte
der Perioden
Mittelwert
sich stetig verändernder
geglätteter Mittelwert
→ Teil des sinusförmigen
Verlaufs
1 Periode des
PWM-Signal
UAC
Das Filter, bestehend aus Spulen und Kondensator
erzeugt aus dem PWM-Signal einen sinusförmigen Verlauf
19
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5.10 Wechselrichter mit Netztrafo
1
3
L1
UDC
100V
PWMBrücke
2
4
UPWM
200VSS
UAC
70Veff
L2
NetzTransformator
UAC-Netz
230Veff
R
Netz
=Verbraucher
Abbildung 7: Prinzip eines Wechselrichters mit Netztrafo: Das von der PWM-Brücke gelieferte Spannungssignal wird mittels Trafo auf die gewünschte Netzspannung gebracht.
Bei Wechselrichtern mit Netztrafo spart man sich den Hoch- oder Tiefsetzsteller um die
Spannung der Module vor der PWM-Brücke auf 325 V zu wandeln. Die PWM-Brücke übernimmt hier zusätzlich die Funktion des PWM-Trackings. Die Spannung von 70Veff am Ausgang des Filters wird durch einen Transformator auf 230V gebracht. Der Transformator besitzt zusätzliche Filtereigenschaften und kann die kapazitive Wirkung einiger Solarzellenmodule kompensieren.
5.11 Dreiphasige Einspeisung
Abbildung 8: Prinzipt des dreiphasig einspeisenden Wechselrichters: Mit sechs statt vier MOSFETs lässt sich
die dreifache Leistung gegenüber dem einphasigen Fall einspeisen
Wie aus der Drehstromtechnik bekannt, addieren sich die Leistungen P aller drei Phasen zu
einer konstanten Gesamtleistung. Die dreiphasige Einspeisung bietet daher den Vorteil zu jedem Zeitpunkt gleich viel Leistung aus der Solaranlage ins Netz zu übertragen. Die eingespeiste Leistung jeder einzelnen Phase "pulsiert sinusförmig".
20
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5.12 Blockschaltild eines trafolosen Wechselrichters
DC-DC-Wandler
Solarmodule
Zwischenkreis
Hochsetzsteller /
Tiefsetzsteller
Netz
= Verbraucher
Netzabschaltung
PWM-Brücke mit Filter
L
1
3
L1
+
UDC
2
U, I
UAC
UPWM
4
L2
Trans. 1,2,3,4
ON, Off, Tastgrad
Tastgrad
P? MPP-Regelung
R
N
ON, OFF
U, I,f,
Phase
Zentrale Steuerung
Trafoloser, einphasiger Wechselrichter
Abbildung 9: Gesamtaufbau eines trafolosen String-Wechselrichters:
Wie das Blockschaltbild zeigt, besitzt ein Wechselrichter viele weitere Komponenten, deren
wichtigste Aufgaben hier aufgeführt sind.
5.13 Aufgaben eines Wechselrichters
• Umwandlung der Gleichspannung der Solarmodule in eine Wechselspannung, die ins Netz
eingespeist werden kann.
• Anpassung an die richtige
• Spannung
• Frequenz
• Phase (wo ist der Nulldurchgang?)
des Netzes.
• Solarzelle mit MPP belasten um die maximal mögliche Energieausbeute zu erzielen
• Trennung der Anlage vom Netz
• bei Netzausfall
• bei zu kleiner Frequenz (Netz überlastet)
• bei zu großer Frequenz (zu viel Energie im Netz)
• Blindleistungskompensation: Durch zeitliche Verschiebung von Strom und Spannung kann
ein Wechselrichter als Kondensator oder Spule wirken.
21
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5.14 Übungen zum Innenaufbau eines Wechselrichters
5.14.1 Nennen Sie 5 Aufgaben eines Wechselrichters
5.14.2 Zeichnen Sie in das Bild das zugehörige PWM-Signal ein. (Skizze)
Der Wechselrichter erzeugt ein PWM-Signal. Ein vereinfachter Verlauf der Spannungsmittelwerte des PWM-Signals ist im folgenden Bild zu sehen. Zwischen zwei gestrichelten Linien, welche die Periodendauer T des PWM-Signals darstellen, sind jeweils die
Spannungsmittelwerte der Perioden T dargestellt.
U
t
T
T
5.14.3 PWM-Brücke
Die dargestellte, vereinfachte Schaltung erzeugt aus der Gleichspannung UDC der Solarmodule das PWM-Signal und anschließend eine einphasige Wechselspannung U AC zur
Netzeinspeisung.
• Geben Sie an, welche Transistoren jeweils bei der positiven und negativen Halbwelle
der Wechselspannung durchschalten und zeichnen Sie für beide Halbwellen die Wege
und die Richtungen der fließenden Ströme ein.
T1
T3
Filter,
MittelwertBildung
UDC
T2
UAC
T4
Verbraucher
= „Netz“
• Welche Amplitude in V muss das PWM-Signal mindestens haben, damit
UAC_Effectiv = 230V wird?
• Welchen Vorteil bietet eine 3-phasige Einspeisung gegenüber einphasiger Einspeisung?
22
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5.15 Anschluss der Solarmodule an den Wechselrichter
Wechselrichter
Solarmodule
U1
~
Zweirichtungszähler
L
Wh
Uges
Wh
=
U2
UN
Solarstromzähler
StromNetz
N
Hausverbraucher
N Solarmodule in Reihe
geschaltet = 1 Strang
Abbildung 10: Solarmodule mit Wechselrichter und Stromzähler
Mehrere Solarmodule werden in Reihe geschaltet zu einem Strang (String). Die Spannungen
der Module addieren sich zur Gesamtspannung, für die der Wechselrichter ausgelegt ist.
Zur Messung der eingespeisten und bezogenen Energiemenge werden heute fast immer
Zweirichtungszählers eingesetzt. Der Solarstromzähler wird zusätzlich installiert, falls außerdem der insgesamt erzeugte Solarstrom gemessen werden soll.
5.16 Strang-Topologien
~
Verwendet man beim Anschluss der
Solarmodule nur einen WechselrichStrang 1
ter (-Eingang), so spricht man von
=
einem Zentralwechselrichter. MehreWechselrichter
re Stränge werden parallel an einen
Strang 2
gemeinsamen Eingang des Wechusw. N Stränge
selrichters angeschlossen. Diese
einfache Anschlussmethode wird Abbildung 11: Zentralwechselrichter
verwendet, wenn alle Stränge der gleichen Bestrahlung ausgesetzt sind, also die gleiche
Ausrichtung besitzen und nicht einzeln verschattet werden.
Sollten die Stränge jedoch einzeln
im MPP betrieben werden können,
z.B. weil die Stränge auf unterschiedlichen Dachflächen untergebracht sind, so verwendet man besser einen Wechselrichter mit zwei
Eingängen oder zwei Wechselrichter.
~
Strang 1
Strang 2
=
Wechselrichter
Abbildung 12: Strangwechselrichter
23
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5.17 Sicherungsmaßnahmen
Abbildung 13: Aufbau einer typischen netzgekoppelten Photovoltaikanlage: Im Generatoranschlusskasten
werden die einzelnen Strings zusammen geführt und weiter über die DC-Hauptleitung mit dem Wechselrichter verbunden
Bei der Parallelschaltung von mehreren Strängen sollte jeder Strang mit einer Strangdiode ausgestattet werden. Die
Dioden schützen vor Rückströmen (IFehler), die auftreten
können, wenn einzelne Stränge unterschiedliche Spannungen liefern, z.B. weil sie unterschiedlich warm sind oder
weil einzelne Zellen einen Kurzschluss haben. Rückströme
heizen einzelne Zellen auf und führen dadurch zu weiteren
Defekten.
24
IFehler
U1
U1
Uges
Uges
U2
0V
UN
UN
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6 Auswahl des Wechselrichters nach den elektrischen Daten der PV-Module
Wechselrichter müssen alle von den Modulen gelieferten Spannungen und Ströme verarbeiten können. Daher muss zunächst untersucht werden, welche elektrischen Werte in ungünstigen Fällen an den Modulen auftreten können.
6.1 Temperaturabhängigkeit von Solarmodulen
6.1.1 Kennlinien bei gleicher Einstrahlung und unterschiedlichen Temperaturen
Temperaturabhängigkeit bei 1000W/m²
I in A
6
5
-10
0°C
°C
°C
°C
°C
25
50
75
4
3
2
1
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50 U in V
Abbildung 6.1: Kennlinien I(U) bei unterschiedlichen Modultemperaturen
Kennlinien werden bei Standard-Test-Conditions STC angegeben. An kalten, klaren Wintertagen steigen die Modulspannungen jedoch erheblich. An Sommertagen sinkt die Modulspannung jedoch stark gegenüber den STC-Angaben. Dieses Verhalten bestätigen die dargestellten Kennlinien in Abbildung 6.1. Mit den Angaben der Temperaturkoeffizienten in Datenblättern kann man die gegenüber STC geänderten Spannungen und Ströme errechnen.
6.1.2 Beschreibung des Temperaturverhaltens mit Temperaturkoeffizienten
In Datenblättern sind oft die Temperaturkoeffizienten für den Kurzschlussstrom TKIsc und die
Leerlaufspannung TKUoc angegeben. In erster Näherung gilt der TKIsc nicht nur für den Kurzschlussstrom, sondern für alle Ströme. Ebenso kann man den TKUoc nicht nur für die Leerlaufspannung, sondern für alle Spannungen anwenden.
Die Temperaturkoeffizienten sagen aus, um wie viel Prozent sich die Spannung oder der
Strom pro Grad Kelvin ändern.
mit
Δ T = T 2 − 25 °C gilt:
U(T 2) = U25° C ⋅(1 + TKUoc ⋅Δ T)
I(T2 ) = I 25° C ⋅(1 + TKISC ⋅ Δ T)
25
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6.1.3 Beispiel: Ermittlung von Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom bei -10°C
Angaben im Datenblatt bei STC (15°C):
Uoc = 43,3 V; Isc = 5,1A (-> 43,3V pro Modul / 0,6 V pro Zelle = 72 Zellen)
TKISC = 0,04 %/K; TKUoc = -0,39 %/K
Der Kurzschlussstrom ISC beträgt bei -10° C:
Δ T = T 2 − 25 °C = (−10° C) − 25 °C =−35K
I(−10 °C) = I25 °⋅(1 + TK ISC ⋅ Δ T) = 5,1 A ⋅(1 + 0,0004⋅(−35K)) = 5,029 A
Der Kurzschlusstrom sinkt leicht (5,1A → 5,029A) bei um 35K sinkender Temperatur.
Die Leerlaufspannung UOC beträgt bei -10°C:
U(T 2) = U 25⋅(1 + TK Uoc ⋅Δ T) = 43,3 V ⋅(1 + (−0,0039)⋅(−35K)) = 49,21 V
Die Leerlaufspannung steigt stark (43,3V → 49,21V) bei um 35K sinkender Temperatur.
6.1.4 Aufgabe: Kennlinienskizzen bei STC, 75°C und -10°C
Einem Solarmodul-Datenblatt (60 Zellen) entnehmen Sie folgende Werte:
Daten bei Standard-Testbedingungen STC
Temperaturverhalten
Kurzschlussstrom
Isc
6A
TKISC
0,04 %/K
Leerlaufspannung
Uoc
36,6V
TKUoc
-0,39 %/K
Strom im MPP
IMPP
5,4A
Spannung im MPP UMPP
29V
Berechnen Sie die elektrischen Werte im Leerlauf, Kurzschluss und im MPP bei +75°C und
-10°C. Zeichen Sie die sich ergebenden Kennlinien bei +75°C und -10°C in das Diagramm
ein (Skizze) und bewerten Sie die Ergebnisse.
Temperaturabhängigkeit bei 1000W/m²
I in A
7
6
5
25
°C
4
3
2
1
0
0
5
10
15
20
25
Abbildung 6.2: Vergleich der Kennlinien bei 25°C, -10°C und 75°C
26
30
35
40
45 U in V
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6.1.5 Lösung Aufgabe 6.1.4 Kennlinienskizzen bei STC, 75°C und -10°C
bei -10 °C: Δ T = T 2 − 25 °C = (−10 °C) − 25 °C = −35 K
bei + 75°C: Δ T = T 2 − 25 °C = (+75 °C) − 25 °C = +50 K
U(T 2) = U 25⋅(1 + TK Uoc ⋅Δ T)
I(T2 ) = I 25° C ⋅(1 + TKISC ⋅ Δ T)
Berechnung der Leerlaufspannungen bei -10 °C und +75 °C: TKU = -0,39 %/K
UOC (−10 °C) = 36,6 V ⋅(1 + (−0,0039)⋅(−35K )) = 36,6 V⋅ 1,1365 = 41,6 V
UOC (+75 °C) = 36,6 V⋅(1 + (−0,0039)⋅(50K)) = 36,6 V⋅ 0,805 = 29,5 V
Berechnung der Spannungen im MPP bei -10 °C und +75 °C
UMPP (−10 ° C) = 29 V ⋅1,1365 = 33,0 V
UMPP (+75 °C) = 29 V⋅ 0,805 = 23,4 V
Berechnung der Kurzschlussströme bei -10 °C und +75 °C: TKI = 0,04 %/K
ISC (−10 °C) = 6 A⋅(1 + 0,0004⋅(−35K)) = 6 A ⋅0,986 = 5,916 A
ISC (+75 °C) = 6 A ⋅(1 + 0,0004⋅(+50 K)) = 6 A ⋅1,02 = 6,12 A
Berechnung der Ströme im MPP bei -10 °C und +75 °C:
ISC (−10 °C) = 5,4 A⋅ 0,986 = 5,32 A
ISC (+75 °C) = 5,4 A ⋅1,02 = 5,51 A
Zusammenstellung:
STC, 25°C
-10°C
+75°C
Kurzschlussstrom
Isc
6A
5,92
6,12
Leerlaufspannung
Uoc
36,6 V
41,6 V
29,5 V
Strom im MPP
IMPP
5,4 A
5,32
5,51
29 V
33,0 V
23,4 V
Spannung im MPP UMPP
Temperaturabhängigkeit bei 1000W/m²
I in A
7
6
ISC
MPP
°C
°C
°C
25
75
4
-10
5
3
2
1
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
UOC
45 U in V
Abbildung 6.3: Lösung Temperaturabhängigkeit Modulkennlinie
-> Größte Spannung bei -10°C im Leerlauf, kleinste Spannung bei +75°C im MPP
27
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6.2 Solarzellenkennlinie und Leistungs-Hyperbel des Wechselrichters
Ein Wechselrichter ist für eine maximale Leistung von 3200 W ausgelegt. Berechnen Sie,
welche Ströme bei den angegebenen Spannungen fließen dürfen.
P in W
U in V
3200
120
3200
200
3200
300
3200
400
3200
500
3200
600
Zeichnen Sie die Punkte in das unten stehende
Diagramm ein und verbinden Sie diese zu einer
Hyperbel.
I in A
Solarzellenkennlinie und Leistungshyperbel des Wechselrichters
I in A
25
20
15
10
0
100
5
² 25
W /m
°C
0
U in V
0
100
200
300
400
Was beschreiben die Verläufe der beiden Kennlinien?
Was würde es bedeuten, wenn sich beide Kennlinien schneiden?
Wir verwenden daher die Leistungs-Hyperbel, um
28
500
600
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6.2.1 Ausschnitte aus Wechselrichter-Datenblättern
Eingangsdaten
SuBo 3200
SuBo 3500
SuBo 4000
Max. DC-Leistung (@ cos ϕ = 1)
3200 W
3700 W
4200 W
Max. Eingangsspannung
600 V
450 V
600 V
MPP-Spannungsbereich
175 V ... 480 V 160 V ... 360 V
Bemessungseingangsspannung
175 V ... 480 V
330 V
Min. Eingangsspannung
125 V
70 V
125 V
Starteingangsspannung
150 V
110 V
150 V
Max. Eingangsstrom Eingang
18 A pro Eing.
15 A pro Eing.
24 A
max Eingangsstrom pro String
15 A pro Eing.
15 A pro Eing.
15 A
Anzahl der unabhängigen MPP-Eingänge 2
2
2
Strings pro MPP-Eingang
2
2
2
max Wirkungsgrad
96,70%
96,70%
96,80%
6.2.2 Auswahl des Wechselrichters
Einer dieser Wechselrichter soll an die Solarmodule geschaltet werden, deren Kennlinien auf
der folgenden Seite dargestellt sind.
Daten eines Moduls: UOC = 43 V / ISC = 5,03A
-> ein Strang besteht aus______Modulen. Begründung: ___________________________
-> _____ Stränge sind parallel geschaltet. Begründung ____________________________
Begründung, warum gerade diese 4 Kennlinien der Module dargestellt werden:
_________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________
Überprüfen Sie bei allen Wechselrichtern mithilfe der Leistungshyperbeln, ob die von den Solarzellen maximal gelieferte Leistung vom Wechselrichter verarbeitet werden kann.
SuBo 3200 ist nicht geeignet, weil _____________________________________________
Überprüfen Sie die Spannungsbereiche die an den Modulen auftreten können mit den MPPArbeitsbereichen der Wechselrichter.
SuBo 3500 ist nicht geeignet, weil _____________________________________________
Zeichnen Sie die Spannungsbereichsgrenzen in die Kennlinien ein.
Bei Einstrahlungen > 1000W/m², rechnet man mit einem bis zu 1,25-fachem Strom wie im
MPP. Zeichnen Sie diese Stromgrenze ein und überprüfen Sie, ob diese bei SuBo 4000 eingehalten wird.
SuBo 4000 ist geeignet, weil __________________________________________________
29
6.3 Anpassung des Wechselrichters an die Solarmodule mithilfe der Kennlinien
Anpassung Wechselrichter - Solarmodule
I in A
30
25
W
W
20
W
15
ec
ec
hs
e
hs
e
lric
ec
lric
ht
e
hs
e
ht
e
r3
20
lric
ht
e
r3
70
0
0
r4
20
0
W
W
W
10
-1 0
°C
400
/m²
300
0W
200
100
100
C
25°
C
75°
30
0
/m²
/m²
0
0W
0W
100 W/m² 25°C
1 00
100
5
U in V
500
600
700
6.4 Anpassung des Wechselrichters an die Solarmodule (geänderte Modulzahl)
Zeichnen Sie die sich ergebenden Modulkennlinien ein, wenn pro Strang ein Modul weniger verwendet wird. (1 Modul: UOC = 43 V / ISC = 5,03A)
Wiederholen Sie die Überprüfungen Leistung, Spannungsbereich, Maximalstrom.
Anpassung Wechselrichter - Solarmodule
I in A
30
25
W
W
20
W
15
ec
ec
hs
e
hs
e
lric
ec
lric
ht
e
hs
e
ht
e
r3
20
lric
ht
e
r3
70
0
0
r4
20
0
W
W
W
10
-1 0
°C
400
/m²
300
0W
200
100
100
C
25°
C
75°
31
0
/m²
/m²
0
0W
0W
100 W/m² 25°C
1 00
100
5
U in V
500
600
700
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6.5 Welche minimalen und maximalen elektrischen Werte können auftreten und müssen vom Wechselrichter verarbeitet werden?
Änderung der Einstrahlung
I in A
6
Änderung der Temperatur
Kennlinien I(U) und P(U) SW-165 bei verschiedenen Bestrahlungsstärken
P in W
180
1000 W/m²
Temperaturabhängigkeit bei 1000W/m²
I in A
6
160
5
5
°C
°C
25
4
0°C
°C
75
120
600 W/m²
°C
50
4
-10
140
800 W/m²
100
3
3
80
400 W/m²
2
60
1
0
0
200 W/m²
40
100 W/m²
20
5
10
15
20
25
30
35
40
0
45 U in V
Der Strom wird maximal bei 1000 W/m².
Da auch Einstrahlungen größer als 1000W/m²
auftreten können, legt man den Wechselrichter
für einen um den Faktor 1,25 größeren Strom
aus:
2
1
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50 U in V
Der Strom steigt nur sehr wenig bei steigender
Temperatur.
IWRmax = 1,25⋅ISC@ STC
Bei geringen Einstrahlungen (Schwachlicht) sinkt
die Spannung im MPP.
Bei hohen Temperaturen sinkt die Spannung im
MPP.
Der MPP-Tracker muss auch bei diesen kleineren Spannungen noch arbeiten, daher wählt man:
UWR−MPPmin = 0,8 ⋅UMPP @STC
Bei höheren Einstrahlungen als 1000 W/m² steigt Bei niedrigen Temperaturen steigt die Spannung
die Spannung im MPP nur leicht an.
im MPP deutlich an.
Der MPP-Tracker muss auch bei diesen größeren Spannungen noch arbeiten, daher wählt man:
U WR−MPPmax = 1,2⋅ UMPP @ STC
Bei niedrigen Temperaturen steigt die LeerlaufSpannung deutlich an.
Der Wechselrichter muss auch die bei niedrigen Temperaturen auftretenden maximalen LeerlaufSpannungen der Module verarbeiten können. Daher wählt man:
UWR−max = 1,2⋅UOC@ STC
Bei niedrigen Temperaturen können höhere MPPLeistungen als bei STC auftreten.
Daher wählt man:
UWR−max = 1,2⋅UOC@ STC
Hinweis: Zur Mittagszeit entstehen an sonnigen Tagen in Deutschland Überkapazitäten an
elektrischer Energie aus Photovolatik-Anlagen. Eine von mehreren Lösungen dieses Problems wurde gesetzlich so festgelegt, dass man den Wechselrichter leistungsmäßig unterdimensioniert. Dadurch nimmt er keinen Schaden, sondern wird zu Zeiten maximaler Sonneneinstrahlung in der eingespeisten Leistung einfach begrenzt, d.h. er speist weniger ein, als
die Solarmodule theoretisch anbieten. Wenn der Wechselrichter feststellt, dass die Leistung
zu groß wird, arbeitet er einfach nicht im MPP und begrenzt so die Leistung auf einen Maximalwert.
33
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6.6 Faustformeln zur Anpassung des Wechselrichters an die Solarmodule
Faustformeln zur Anpassung des Wechselrichters an die Solarmodule
IWRmax = 1,25⋅ ISC@ STC
IWRmax
ISC@STC
Maximaler Strom des Wechselrichters
Kurzschlussstrom Solarmodule bei STC
U WR−MPPmin = 0,8 ⋅UMPP @STC
UWR-MPmin minimale Spannung des Wechselrichters,
in der im MPP gearbeitet wird
UMPP@STC Spannung Solarmodule im MPP bei STC
U WR−MPPmax = 1,2⋅ UMPP @ STC
UWR-MPPmax maximale Spannung des Wechselrichters,
in der im MPP gearbeitet wird
UMPP@STC Spannung Solarmodule im MPP bei STC
U WR−max = 1,2⋅ UOC@ STC
UWR-max
UOC@STC
PWRmax > 1,2 ⋅PMPP @ STC
PWRmax
maximale Leistung des Wechselrichters
PMPP@STC Leistung Solarmodule im MPP bei STC
maximale Spannung des Wechselrichters
Leerlaufspannung Solarmodule bei STC
Diese Faustformeln wendet man an, wenn man nicht die exakten Werte mithilfe der Temperaturkoeffizienten ausrechnen möchte.
34
7 Ertragsberechnung von Photovolatikanlagen
7.1 Tabelle: mittlere tägliche Globalstrahlung auf eine horizantale Fläche kWh/(m²*d)
Jan
Feb
Mrz
Apr
Mai
Jun
Jul
Aug
Sep
Okt
Nov
Dez
Jahr
Karlsruhe
Hh Hopt Iopt
0,92 1,50 64
1,66 2,53 59
2,84 3,72 48
4,70 5,40 35
5,34 5,41 20
6,01 5,81 15
5,61 5,55 17
4,83 5,28 29
3,51 4,39 43
2,07 2,97 55
1,10 1,79 64
0,70 1,19 66
3,28 3,80 37
Offenburg
Hh Hopt Iopt
0,92 1,50 64
1,64 2,45 58
2,85 3,72 47
4,62 5,28 34
5,26 5,33 20
5,89 5,71 15
5,53 5,48 17
4,73 5,16 29
3,56 4,45 43
2,03 2,85 54
1,07 1,70 63
0,76 1,23 65
3,24 3,74 36
Freiburg
Hh Hopt
0,97 1,62
1,65 2,47
2,80 3,63
4,45 5,02
5,01 5,04
5,59 5,38
5,40 5,31
4,55 4,91
3,54 4,39
2,11 3,00
1,13 1,85
0,74 1,26
3,17 3,66
Iopt
65
58
47
33
19
14
15
28
42
54
63
66
36
Stuttgart
Hh Hopt Iopt
0,92 1,50 64
1,63 2,42 58
2,80 3,60 47
4,47 5,09 34
5,03 5,08 19
5,66 5,48 13
5,34 5,27 16
4,52 4,90 28
3,37 4,13 42
2,03 2,87 54
1,11 1,78 63
0,75 1,28 66
3,14 3,62 36
Sindelfingen
Hh Hopt Iopt
0,93 1,50 64
1,66 2,47 58
2,85 3,68 47
4,47 5,07 33
5,05 5,10 19
5,70 5,52 15
5,39 5,32 16
4,59 4,97 28
3,41 4,20 42
2,06 2,93 55
1,14 1,86 64
0,78 1,31 66
3,18 3,67 36
Rheinfelden
Hh Hopt Iopt
1,01 1,66 64
1,76 2,63 58
3,00 3,90 47
4,60 5,21 33
5,22 5,24 19
5,81 5,59 14
5,64 5,54 15
4,73 5,12 28
3,66 4,56 42
2,23 3,21 55
1,18 1,93 63
0,82 1,40 66
3,31 3,84 36
Berlin
Mailand
Hh Hopt Iopt Hh Hopt
0,64 1,10 67 1,31 2,32
1,28 1,94 60 2,38 3,83
2,52 3,34 49 3,74 5,02
4,30 5,06 37 4,92 5,54
5,18 5,34 23 6,07 6,09
5,62 5,51 16 6,73 6,42
5,08 5,05 18 7,03 6,87
4,33 4,74 31 5,77 6,23
3,11 3,91 45 4,33 5,45
1,70 2,46 56 2,53 3,63
0,80 1,35 66 1,42 2,39
0,53 0,92 68 1,21 2,20
2,93 3,40 37 3,96 4,67
Iopt
66
60
48
32
20
13
16
27
42
54
63
67
37
Madrid
Hh Hopt
2,07 3,57
3,15 4,82
4,48 5,73
5,68 6,18
6,58 6,38
7,71 7,08
7,98 7,50
6,97 7,31
5,37 6,57
3,58 5,12
2,37 3,96
1,91 3,44
4,83 5,64
Iopt
64
56
44
28
15
7
11
23
39
52
62
66
35
Hh in kWh /(m²*d): globale horizontale Einstrahlungssumme in kWh pro Quadratmeter pro Tag
Hopt in kWh /(m²*d): globale Einstrahlungssumme in kWh pro Quadratmeter pro Tag bei optimalem Jahresdurchschnitts-Anstellwinkel und Südausrichtung
Iopt in Grad: optimaler Anstellwinkel in Grad bei Südausrichtung
7.2 Wie berechnet man den monatlichen Ertrag eines Solarmoduls für horizontale Einstrahlung?
Beispiel Globalstrahlungswert von Karlsruhe im Mai: 5,34 kWh/m²/d
Die Leistungs-Angaben auf dem Solarmodul beziehen sich auf eine Strahlungsstärke bei STC von 1 kW/m² = 1000 W/m²
5,34 kWh /m²
= 5,34 h mit "voller Leistung" (1 kW/m²) scheint und in dieser Zeit die NennBei der Berechnung "tut man nun so", als ob die Sonne
1 kW /m²
leistung des Moduls geliefert wird:
Beispiel 50W-Modul: Tagesertrag = 50W * 5,34 h = 267 Wh pro Tag
Beispiel Solaranlage mit 0,5 kWpeak: Tagesertrag = 0,5 kW * 5,34 h = 2,67 kWh pro Tag
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7.3 Korrekturfaktoren für Ausrichtung und Temperatur
Orientierung
Süd
Südwest/Südost
West / Ost
Anteil der
Diffusstrahlung
Korrektur
Zelltemperatur
Neigung
30°
45°
60°
30°
45°
60°
30°
45°
60°
Januar
1,44
1,57
1,63
1,37
1,48
1,52
1,01
0,99
0,95
73%
1,02
Februar
1,4
1,5
1,54
1,33
1,42
1,43
1,01
1
0,96
61%
1,01
März
1,17
1,19
1,15
1,15
1,16
1,12
0,99
0,96
0,91
64%
0,95
April
1,08
1,05
0,98
1,07
1,05
0,99
0,98
0,95
0,89
54%
0,91
Mai
1
0,94
0,85
1
0,95
0,88
0,97
0,93
0,88
50%
0,88
Juni
0,96
0,9
0,81
0,97
0,91
0,82
0,96
0,92
0,86
59%
0,87
Juli
0,97
0,91
0,83
0,98
0,92
0,84
0,96
0,92
0,86
61%
0,86
August
1,03
1
0,92
1,03
1
0,93
0,97
0,94
0,88
57%
0,86
September
1,17
1,18
1,14
1,15
1,16
1,12
0,99
0,96
0,92
53%
0,89
Oktober
1,3
1,37
1,38
1,25
1,31
1,3
1
0,98
0,94
63%
0,98
November
1,47
1,61
1,68
1,4
1,51
1,55
1,01
1
0,96
68%
1
Dezember
1,42
1,55
1,61
1,36
1,46
1,49
1
0,98
0,94
78%
1,02
Jahresdurchschnitt
1,20
1,23
1,21
1,17
1,19
1,17
0,99
0,96
0,91
62%
Der Ertrag ist abhängig von der Ausrichtung der Solaranlage (Ausrichtung des Dachs) und
des Anstellwinkels gegenüber der Horizontalen.
Je nach verwendeter Solarzellentechnologie (Monokristallin, polykristallin, Dünnschicht) erhält man auch eine mehr oder weniger starke Abhängigkeit des Wirkungsgrades von der
Zelltemperatur und dem Anteil der Diffusstrahlung.
Diese Abhängigkeiten berücksichtigt man in Korrekturfaktoren. Für überschlägige Rechnungen sind diese in der Tabelle oben für 3 Anstellwinkel und 3 Ausrichtungen angegeben.
W Tag = PNenn ⋅
Hh
W
⋅ K Ausrichtung ⋅K Temperatur
kW
1
Hh
m²
Ertrag in kWh pro Tag
Globalstrahlungssumme
in kWh pro m² pro Tag
PNenn Nennleistung der Anlage in kW
K
Korrekturfaktoren
7.4 Monatliche Ertragsberechnung unter Berücksichtigung der Modulausrichtung
Gesucht ist der durchschnittliche Monatsertrag einer 3 kWpeak -Anlage im Juni, die in Freiburg
steht. Das Dach hat eine Neigung von 60° und ist nach Osten ausgerichtet. Da polykristalline
Zellen verwendet werden, muss die Temperaturabhängigkeit berücksichtigt werden.
Globalstrahlung Freiburg im Juni: 5,59 kWh/m²/d, KAusrichtung = 0,86, KTemperatur = 0,87
W = 3 kW ⋅
5,59 kWh /m²/ d
⋅0,86⋅0,87 = 12,55 kWh /d
1 kW /m²
Monatsertrag = 12,55 kWh/d * 30 d = 376 kWh
37
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7.5 Jährliche Ertragsberechnung
7.5.1 Summe der monatlichen Ertragswerte
Summiert man die errechneten monatlichen Ertragswerte, so erhält man den Jahresertrag.
7.5.2 Alternative Berechnung über die Anlagenfläche und den Anlagenwirkungsgrad
Für eine überschlägige Berechnung des Jahresertrags ist folgende Vorgehensweise oft ausreichend: Man errechnet aus dem Durchschnittswert der globalen jährlichen Einstrahlung,
der Modulfläche und dem Modulwirkungsgrad den ungefähren Jahresertrag.
W Jahr = A PV ⋅Hh−Jahr ⋅K ⋅ ηPV
WJahr
APV
Ertrag in kWh pro Jahr
Fläche der Solaranlage in m²
Hh-Jahr Globalstrahlungssumme in kWh pro m²
pro Jahr (= Hh-Tag • 365)
K
ηPV
Korrekturfaktor
Anlagenwirkungsgrad
7.5.3 Beispiel: Jahresertrag einer PV-Anlage in Sindelfingen
Gesucht ist der Jahresertrag einer Solaranlage, die aus 12 Modulen besteht und auf einem
30° geneigten Dach in Südwestausrichtung montiert ist. Die Modulgröße beträgt
1580 mm x 810 mm, der Modulwirkungsgrad 13,3 %.
Ermitteln Sie den jährlichen Ertrag zunächst ohne Berücksichtigung weiterer Wirkungsgrade
der Anlage (Wechselrichter, Leitungen).
7.6 Anlagengüte: Performance Ratio PR
Um die Güte einer Anlage zu beschreiben, die alle
weiteren Wirkungsgrade berücksichtigt, hat sich die
Größe Performance Ratio PR eingebürgert. Auch Effekte wie Verschattung u.ä. werden darin berücksichtigt. Gute Anlagen besitzen einen Wert PR > 0,8.
W
PR = real
Wideal
38
PR
Wideal
Wreal
WSonne
ηPV, K, A
Wideal
Leitungen,
Wechselrichter,
...
PR
Wreal
Performance Ratio in %
von den Solarmodulen gelieferte Arbeit in kWh
ins Netz eingespeiste Arbeit in kWh
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7.7 Aufgabe: Projektierung und Ertragsberechnung einer Solaranlage mit Netzeinspeisung
7.7.1 Prinzipielles Vorgehen
• Berechnung der Anzahl der Module, die auf dem Dach untergebracht werden können
• Elektrische Verschaltung der Module zu Strängen unter Berücksichtigung der maximalen
Eingangsspannungen von Wechselrichtern im MPP
• Ermittlung der Maximalleistung der Module
• Auswahl eines Wechselrichters nach den elektrischen Daten der Gesamtanlage unter Berücksichtigung der Maximalwerte von Strom und Spannung unter ungünstigsten Bedingungen
• Ertragsberechnung unter Berücksichtigung der Ausrichtung der Module und der Wirkungsgrade
7.7.2 Anlagendaten
Dachfläche: 5m x 9m, Ausrichtung: Südwest, Dachneigung: 45°
Den Wechselrichter wählen wir nach der Auswahl der Solarmodule aus. Zunächst nehmen
wir an, dass der Wechselrichter bei STC im MPP mit einer Spannung im Bereich von 370 V
bis 430 V arbeitet, im Leerlauf sollen bei STC maximal 500V anliegen.
Der Wirkungsgrad von Wechselrichter und Zuleitungen beträgt zusammen 95%.
Solaranlagen mit drei verschiedenen Technologien sollen gegenübergestellt werden.
Je 1/3 der Klasse arbeitet mit einer Solarmodulart. Verwenden Sie die Datenblätter 7.7.9 Trina Solar Monokristallin , 7.7.10 Canadian Solar Polykristallin , 7.7.11 Q-Cells Dünnschicht .
7.7.3 Modulauswahl (3 Gruppen!)
Ermitteln Sie zunächst mithilfe der Modulabmessungen die maximale Modulzahl, die Sie auf
der zur Verfügung stehenden Dachfläche unterbringen. Skizzieren Sie die Anordnung.
Wählen Sie aus den Datenblättern ein Modul so aus, dass die Anzahl der in Reihe zu schaltenden Module (Strang) im Bereich der geforderten MPP-Spannung 380 V bis 430 V liegt.
Schalten Sie nun mehrere Stränge parallel, um die maximale Gesamtzahl der Module zu erreichen. Jeder Strang muss aus gleich vielen Modulen bestehen!
Wenn die Anzahl "nicht aufgeht", können Sie auch ein oder zwei Module in der Reihenschaltung pro Strang weniger verwenden.
Beispiel: Sie können 18 Module auf dem Dach unterbringen. Pro Strang könnten Sie 10 Module schalten, um auf eine Gesamtspannung von max. 430V zu kommen. Dann hätten Sie
aber einen Strang mit 10 Modulen und einen Strang mit 8 Modulen! Daher wählen Sie 9 Module pro Strang, ergibt bei 2 Strängen 18 Module. Die Gesamtspannung der 9 Module eines
Strangs muss aber mindestens 370 V ergeben.
39
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7.7.4 Maximale Leistung in Wpeak
Berechnen Sie aus der Gesamtmodulzahl die maximale Leistung der Solaranlage in Wpeak
bei STC.
7.7.5 Auswahl des Wechselrichters
Ermitteln Sie mithilfe der Faustformeln die auftretenden Maximalwerte von U und I.
Fertigen Sie eine Skizze mit den wichtigsten Kennlinien Ihres Moduls an.
• 1000 W/m² bei STC
• 1000 W/m² bei -10°C (mit den Maximalwerten von U)
• 100 W/m² bei 25°C und 1000 W/m² bei 75°C (mit den Minimalwerten von U)
Zeichnen Sie die Grenzen UMPPmax, UMPPmin, Imax als Geraden ein, die der Wechselrichter mindestens erfüllen muss.
Skizzieren Sie die "minimale" Leistungshyperbel (mit 3 Werten) ein. Der Wechselrichter
muss dann für eine größere Leistung ausgelegt sein.
Wählen Sie nun einen geeigneten Wechselrichter aus. (Daten aus 6.2.1 oder bei SMA im
Netz)
7.7.6 Vergleich der Erträge der 3 Anlagen im Monat Juli
Die Anlagendaten (Nennleistung in kWpeak, Modulfläche, Wirkungsgrad) der anderen Gruppen werden an der Tafel zusammengestellt.
Vergleichen Sie die Monatserträge der 3 Anlagen im Monat Juli in Karlsruhe bei Südwestausrichtung und einer Modulneigung von 30°.
7.7.7 Vergleich der Erträge einer Anlage 3 Monaten
Vergleichen Sie die Monatserträge Ihrer Anlage im Januar, Juli und Oktober bei den Modulneigungen 30° und der optimalen Modulneigung.
Bewerten Sie die Ergebnisse.
7.7.8 Jahresertrag
Berechnen Sie die Jahreserträge Ihrer Anlage über den Jahresdurchschnittswert bei den Modulneigungen 30° und der optimalen Modulneigung. Zur Berechnung des Anlagenwirkungsgrads berücksichtigen Sie bitte den Modulwirkungsgrad Ihrer Anlage und den Wirkungsgrad
von Wechselrichter und Zuleitungen, der zusammen 95% beträgt.
40
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7.7.9 Trina Solar Monokristallin
7.7.10 Canadian Solar Polykristallin
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7.7.11 Q-Cells Dünnschicht
7.8 Rentabilitätsberechnungen
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7.9 PV-Anlage mit Speicher
Abbildung 7.1: Erhöhung der Eigenverbrauchsquote durch Einsatz eines Energiemanagementsystems sowie eines Wechselrichters mit integriertem Akku: Das untere Bild zeigt einen deutlich reduzierten Netzbezug. Quelle
SMA Solar Technology AG
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