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Übersicht über die Vorlesung Solarenergie
1.
Einleitung
2.
Die Sonne als Energiequelle
3.
Halbleiterphysikalische Grundlagen
4.
Kristalline pn-Solarzellen
5.
Elektrische Eigenschaften
6.
Optimierung von Si-Solarzellen
7.
Anorganische Dünnschichtsolarzellen
8.
Third Generation Photovoltaics
9.
PV-Systemtechnik
9.1 Kennlinienfelder
9.2 Erweiterung des Ersatzschaltbildes
9.3 Solarmodule
9.4 Photovoltaische Anwendungen
9.4 Spannungsanpassung (fortgesetzt)
9.5 MPP-Tracking
9.6 Speicherung
9.7 Wechselrichter
9.8 PV-Kraftwerke
11.1
Invertierender Wandler
TE
u 2 = − U1 ⋅
TA
11.2
Eintakt-Sperrwandler
TE 1
u2 = U1 ⋅
⋅
TA ü
11.3
Funktionsweise wie beim invertierenden Wandler
Nur ist die Drossel durch einen Trafo mit Übersetzungsverhältnis ü ersetzt. Damit lassen sich höhere Ausgangsgleichspannungen realisieren.
Für größere Leistungen werden Gegentakt-Wandler mit mehreren
Leistungsschaltern als Gleichspannungswandler verwendet.
Übersicht über die Vorlesung Solarenergie
1.
Einleitung
2.
Die Sonne als Energiequelle
3.
Halbleiterphysikalische Grundlagen
4.
Kristalline pn-Solarzellen
5.
Elektrische Eigenschaften
6.
Optimierung von Si-Solarzellen
7.
Anorganische Dünnschichtsolarzellen
8.
Third Generation Photovoltaics
9.
PV-Systemtechnik
9.1 Kennlinienfelder
9.2 Erweiterung des Ersatzschaltbildes
9.3 Solarmodule
9.4 Photovoltaische Anwendungen
9.4 Spannungsanpassung (fortgesetzt)
9.5 MPP-Tracking
9.6 Speicherung
9.7 Wechselrichter
9.8 PV-Kraftwerke
11.4
MPP-Regler (Tracker)
11.5
Konzept: Bei variablen Temperaturen und Bestrahlungsstärken wird dem
Solargenerator jeweils die größte Leistung entnommen, wenn über das veränderliche Tastverhältnis des Gleichspannungswandlers nicht auf eine feste
Spannung am Generator geregelt wird, sondern auf die Spannung UMPP des
jeweiligen MPP der Solarmodulkennlinie
11.6
MPP-Tracker – Teil I
Verfahren:
1. Sensorgesteuerte Regelung: Für gemessene Temperatur und Bestrahlungsstärke wird die MPP-Spannung berechnet und dann für eine vorgegebene Ausgangsspannung das Tastverhältnis so eingestellt, dass am
Generator die MPP-Spannung ansteht.
2. Regelung mittels einer Referenzzelle: Aus der Bedingung, dass im MPP
dP/dU=0 ist, erhält man die MPP-Spannung einer Referenzzelle:
Misst man die Leerlaufspannung UOC dieser Referenzzelle, die nahe dem
Solargenerator positioniert wird, kann man damit die MPP-Spannung
berechnen und auf diese Größe dann regeln.
U MPP = U OC − m
U MPP
kT
ln(1 +
)
e
m ⋅ kT / e
MPP-Tracker – Teil II
11.7
3. Suchschwingverfahren: Tastverhältnis wird nach jeder Leistungsmessung
geändert, und zwar in gleicher Richtung bei Leistungszunahme, in umgekehrter
Richtung bei Leistungsabfall.
4. Nulldurchgangsverfahren: Nach Messung von Strom und Spannung am
Generator, Multiplikation beider Größen und Differenzieren nach der Spannung
wird die Generatorspannung erhöht oder verringert, je nachdem ob die Ableitung
positiv oder negativ ist.
5. Regelung mittels differenzieller Änderungen: Aus dP/dU = 0 folgt: I⋅dU=-U ⋅dI
Regelung erfolgt auf die Gleichheit der Differenzenprodukte.
Übersicht über die Vorlesung Solarenergie
1.
Einleitung
2.
Die Sonne als Energiequelle
3.
Halbleiterphysikalische Grundlagen
4.
Kristalline pn-Solarzellen
5.
Elektrische Eigenschaften
6.
Optimierung von Si-Solarzellen
7.
Anorganische Dünnschichtsolarzellen
8.
Third Generation Photovoltaics
9.
PV-Systemtechnik
9.1 Kennlinienfelder
9.2 Erweiterung des Ersatzschaltbildes
9.3 Solarmodule
9.4 Photovoltaische Anwendungen
9.4 Spannungsanpassung (fortgesetzt)
9.5 MPP-Tracking
9.6 Speicherung
9.7 Wechselrichter
9.8 PV-Kraftwerke
11.8
Akkumulator als Solarenergiespeicher
11.9
Blockingdiode, meist Schottky-Diode
(UD=0,4 V), um Vorwärtsverluste klein
zu halten, verhindert Entladung des
Akkus über den Innenwiderstand des
Generators bei geringer Einstrahlung.
Da die Ladeströme groß sind, sind
ausreichende Kabelquerschnitte
notwendig. Bei größeren Leistungen
werden mehrere Akku in Serie
betrieben.
Batteriespannung steigt mit zunehmendem Ladestrom bzw. Bestrahlungsstärke; es werden bei unterschiedlichen Einstrahlungen „gute“
Arbeitspunkte erreicht – auf Spannungswandler und MPP-Tracker kann
meist verzichtet werden.
Laderegler
Serien-Laderegler
Parallel-Laderegler
11.10
Zur Verhinderung von Überladung und Tiefentladung des
Akkumulators werden Serienoder Parallel-Laderegler eingesetzt.
Vom Akku abgetrennt wird der
Verbraucher bei der Tiefentladespannung (11,4 V beim 12 V
Bleiakku) und die Ladung durch
den Generator wird bei der Ladeschlusspannung (14,4 V beim 12
V Bleiakku) unterbrochen.
Beim Serien-Laderegler entstehen ohmsche Verluste an S1 beim
Laden, wenn S1,wie üblich, als
Power-MOSFET ausgeführt ist.
Übersicht über die Vorlesung Solarenergie
1.
Einleitung
2.
Die Sonne als Energiequelle
3.
Halbleiterphysikalische Grundlagen
4.
Kristalline pn-Solarzellen
5.
Elektrische Eigenschaften
6.
Optimierung von Si-Solarzellen
7.
Anorganische Dünnschichtsolarzellen
8.
Third Generation Photovoltaics
9.
PV-Systemtechnik
9.1 Kennlinienfelder
9.2 Erweiterung des Ersatzschaltbildes
9.3 Solarmodule
9.4 Photovoltaische Anwendungen
9.4 Spannungsanpassung (fortgesetzt)
9.5 MPP-Tracking
9.6 Speicherung
9.7 Wechselrichter
9.8 PV-Kraftwerke
11.11
Klassifizierung der Wechselrichter
11.12
Quelle: FZ Jülich
Klassifizierung der Ventile
11.13
Quelle: FZ Jülich
Rechteck-Wechselrichter
11.14
Zweipuls-Brückenschaltung (B2)
Durch Trafo Spannungsanpassung und galvanische Trennung!
Schalter 1 und 3 und dann 2 und 4 werden Rechteckform beinhaltet viele Oberschwingungen;
problematisch bei kapazitiven oder induktiven Einabwechselnd geschlossen und geöffnet.
gängen des Verbrauchers!
Rechteck-Wechselrichter
Sechspuls-Brückenschaltung (B6)
Zur Vermeidung von Asymmetrien durch
ungleiche Belastung der Zweige eines
Drehstromnetzes bei Einspeisung größerer
Ströme auf nur eine Phase
11.15
Funktionsprinzip eines pulsweitenmodulierten
Wechselrichters
11.16
Regelung des Laststroms iIst (Regelgröße) auf einen der sinusförmigen
Netzspannung uNetz proportionalen
Sollstrom iSoll (Führungsgröße) durch
Pulsweitenmodulation der Ein- und
Ausschaltzeiten der Brückenhalbleiter
Durch R-L und L-C Filterung wird der
pulsierende Brückenstrom auf die
sinusförmige Grundwelle geglättet.
Transformatorlose Geräte ohne Hochsetzsteller
Das Fehlen des Netztransformators führt zu einer erheblichen Einsparung an
Gewicht, Volumen und Kosten, und der Wirkungsgrad liegt um mehrere
Prozentpunkte über dem vergleichbarer Transformatorgeräte.
Quelle: H. Schmidt, B. Burger, K. Kiefer Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
11.17
Transformatorlose Wechselrichter mit Hochsetzsteller
11.18
Ein Nachteil der transformatorlosen Wechselrichtern ist es, dass die
Solargeneratorspannung größer sein muss als die Amplitude der Netzspannung, also
unter Einbeziehung von Toleranzen größer als ca. 350 V.
In vielen marktüblichen Wechselrichtern wird daher zwischen Solargenerator und
Wechselrichter noch ein Hochsetzsteller eingefügt, der bei Eingangsspannungen
unterhalb 350 V diese auf den erforderlichen Wert der Zwischenkreisspannung (der
Spannungen C2) anhebt. (Wirkungsgradverlust ca.2%)
Transformatorloser Wechselrichter mit Hochsetzsteller
Quelle:H. Schmidt, B. Burger, K. Kiefer Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
Kommerzielle Netzwechselrichter
11.19
Wechselrichter-Wirkungsgrade
11.20
Durch die wechselnden solaren Bestrahlungsstärken wird der Wechselrichter
über lange Zeiten nur in Teillast betrieben. Deshalb müssen auch bei niedrigen
Leistungen hohe Wirkungsgrade erreicht werden. Insbesondere sollte der
Eigenverbrauch minimal und der Wechselrichter nicht überdimensioniert sein!
Vergleich Wechselrichter
PV Anlagen, DGS
11.21
Übersicht über die Vorlesung Solarenergie
1.
Einleitung
2.
Die Sonne als Energiequelle
3.
Halbleiterphysikalische Grundlagen
4.
Kristalline pn-Solarzellen
5.
Elektrische Eigenschaften
6.
Optimierung von Si-Solarzellen
7.
Anorganische Dünnschichtsolarzellen
8.
Third Generation Photovoltaics
9.
PV-Systemtechnik
9.1 Kennlinienfelder
9.2 Erweiterung des Ersatzschaltbildes
9.3 Solarmodule
9.4 Photovoltaische Anwendungen
9.4 Spannungsanpassung (fortgesetzt)
9.5 MPP-Tracking
9.6 Speicherung
9.7 Wechselrichter
9.8 PV-Kraftwerke
11.22
11.23
+: Kosten, Inv.-Wirkungsgr. +: bessere Anpassung
-: empfindlich Abschattung -: höherer Aufwand
-: Ausfallempfindlichkeit
Standard für netzgek.
Anlagen
+: Optimale Anpassung
-: Schaltungstechnik
nur für Kleinanlagen
download.sma-america.com
11.24
Master-Slave Konzept
Verbesserter Teillastwirkungsgrad (Bei kleinen Einstrahlungen arbeitet nur der Master!)
Quelle: PV Anlagen, DGS
Blockschaltbild eines Strangwechselrichters
11.25
Kostenaufteilung PV-Kraftwerk
11.26
Quelle: FVS
11.27
…eine weitere deutsche Erfolgsgeschichte: SMA Solar Technology AG
11.28
11.29
11.30
shop.fotovoltaikshop.de
12.01.2009
Solarpark Pocking
11.31
Technische Daten:
Inbetriebnahme: April 2006
Gesamtfläche:32 ha
installierte Leistung:10 MWp
erwartete Stromproduktion pro Jahr:
Versorgung von ca. 3.300 Haushalten
Anzahl der Module: 57.912 Stück,
mono- u. polykristalliner Typ,
75km Gesamtlänge
Gestelltechnik:16,5 km Länge
(vierreihig mit stehenden Modulen),
statische Aluminiumkonstruktion
Wechselrichter: 6 Blockeinheiten a
1.600 kVA
mit je 4×400kVA Wechselrichtern
Transformatoren: 6×1,6 MVA
20.000V
Fundamente:8.112 Erdschrauben
11.32
11.33
11.34
11.35
http://www.solarserver.de/solarmagazin/newsa2009m01.html#news9993
(12.01.2009)