eetL1_Solar_V4
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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
