2. Solarmodule und Solargeneratoren

2.
Solarmodule und Solargeneratoren
Die Halbleitertheorie und der Aufbau der Solarzellen sind wesentlicher Bestandteil vom Teil
A. In diesem Teil der Vorlesung wir nur kurz auf den Aufbau und das Funktionsprinzip von
Solarzellen eingegangen. Zur Erzeugung praktisch nutzbarer Spannungen werden etwa 32 bis
72 Solarzellen in Serie geschaltet und zum Schutz gegen Umwelteinflüsse in einem Gehäuse
zu einem Solarmodul zusammengefasst. Solarmodule können durch Serien-/Parallelschaltung
zu Solargeneratoren bis in den MW-Bereich zusammengeschaltet werden.
2.1 Solarzellen
Mono- und polykristalline Si-Solarzellen bestehen aus einer großflächigen Diode mit einer
lichtexponierten Sperrschicht.
Damit möglichst alle Lichtquanten in die Nähe der Sperrschicht gelangen können, muss die dem
Licht zugewandte Halbleiterzone (üblich n-Si) mit 0,5 µm sehr dünn sein. Auch die metallischen
Frontkontakte, die zur Erzielung eines niedrigen Innenwiderstandes nötig sind, dürfen nur einen
sehr kleinen Teil der aktiven Fläche beschatten. Zur Erzielung einer geringen Reflexion an der
Oberfläche der Solarzelle muss lichtseitig zudem eine Antireflexschicht aufgebracht werden.
Treffen Lichtquanten auf die Solarzelle auf, so wird dabei auf Grund des inneren Photoeffektes
ein Elektron-/Loch-Paar erzeugt. Durch das starke elektrische Feld E in der Sperrschicht werden
diese Elektron/Lochpaare schnell getrennt, bevor sie rekombinieren können. Auf die Elektronen
wirkt wegen ihrer negativen Ladung eine Kraft entgegengesetzt zur Feldrichtung; sie sammeln
sich deshalb in der n-Zone. Die Löcher wandern in Feldrichtung und sammeln sich im
raumladungsfreien Teil der p-Zone. Die Leerlaufspannung U0 einer Solarzelle ist immer etwas
kleiner als die Diffusionsspannung UD.
Schließt man die an Front- und Rückseite angebrachten Kontakte über eine äußere leitende
Verbindung kurz, so können die durch den inneren Photoeffekt erzeugten Ladungsträger sofort
aus den entsprechenden Zonen abfließen. Es findet keine Reduktion der Raumladung und des
elektrischen Feldes statt, über der Sperrschicht liegt weiterhin die Diffusionsspannung UD und es
fließt für die gegebene Bestrahlungsstärke ein Kurzschlussstrom Isc. Isc ist bei einer Solarzelle
proportional der Bestrahlungsstärke G.
In der Praxis wird die n-Schicht an der Zellenoberfläche meist wesentlich stärker dotiert als die
p-Schicht. Sie wird deshalb mit n+ bezeichnet. Da die Solarzelle als Ganzes elektrisch neutral sein
muss, erstreckt sich die unsymmetrische Raumladungszone weit ins p-Gebiet.
Die unbeleuchtete Solarzelle ist eine normale Halbleiterdiode, die einen Durchlassstrom von der
p- nach der n-Seite fließen lässt, wenn die Spannung über der Diode von p nach n gerichtet ist.
Bei Beleuchtung wird zusätzlich ein Photostrom Isc erzeugt, der proportional zur Bestrahlungsstärke G auf die Solarzellenfläche AZ ist und von der n-Seite zur p-Seite fließt. Die Ersatzschaltung verdeutlicht diesen Zusammenhang. Mit dem Serienwiderstand RS und dem
Parallelwiderstand RP werden die inneren Verluste der Photozelle dargestellt.
ISC
ID
IRP
RS
RP
I
U
R
Ersatzschaltung einer belasteten Solarzelle (Leerlauf: R = , Kurzschluss: R = 0)
G. Schenke, 5.2014
Photovoltaik und Solartechnik
FB Technik, Abt. E+I
18
Für den Strom I der Solarzelle in Abhängigkeit der Spannung U gilt unter Vernachlässigung der
Widerstände RS und RP:
ISC I D
ISC IS ee U m k T 1
ISC IS e U U T 1
ISC = Kurzschlussstrom der Solarzelle
IS = Sättigungsstrom in Sperrrichtung (ungefähre Verdopplung alle 10 K)
ID = Strom durch die Diode
UT = Temperaturspannung (25,7 mV bei 25°C und m = 1)
T = Temperatur in K
e = Elementarladung = 1,6 · 10-19 As
k = Boltzmannkonstante = 1,38 · 10-23 Ws/K
m = Emissionskoeffizient (1 m 2)
Für die vereinfachte Ersatzschaltung einer Solarzelle gilt für die Spannung U:
I
U
I
I
m k T
ln 1 SC
e
IS
U T ln 1
(2.1)
ISC I
IS
Für die Berechnung der Leerlaufspannung U0 wird I = 0 gesetzt.
m k T
I
I
I
U0
ln 1 SC
UT ln 1 SC
UT ln SC
e
IS
IS
IS
(2.2)
für ISC
IS
(2.3)
Im Gegensatz zum Kurzschlussstrom ISC, der proportional zur Bestrahlungsstärke G ist, ist die
Abhängigkeit der Leerlaufspannung von der Bestrahlungsstärke viel geringer. Mit steigender
Temperatur sinkt die Leerlaufspannung, weil IS mit der Temperatur exponentiell ansteigt.
In der vollständigen Ersatzschaltung mit RS und RP sind die Verhältnisse etwas komplizierter. Die
transzendente Gleichung 2.4 ist nur iterativ lösbar.
U RS I
(2.4)
I ISC IS e e ( U R S I) m k T 1
RP
Verwendet man bei einer Solarzelle die gleichen Zählrichtungen für Spannung und Strom wie bei
einer normalen Diode (Verbraucherzählsystem), so erhält man die Kennlinien für die beleuchtete
und die unbeleuchtete Solarzelle. Die Kennlinie der beleuchteten Solarzelle hat die gleiche Form
wie die der unbeleuchteten Zelle; sie ist einfach um ISC in die negative Stromrichtung verschoben,
da der Photostrom in umgekehrter Richtung zum Diodenstrom fließt (I' = -I). Im 1. und 3.
Quadranten nimmt die Solarzelle Leistung auf. Im 4. Quadranten gibt sie Leistung ab.
Bei der Verschaltung
U
von Solarzellen zu
I´
Solarmodulen treten
Solarzellenkeine Probleme auf,
Dunkelstrom
I´
I
wenn durch geeignete
2. Quadrant
1. Quadrant
Maßnahmen sichergeDurchbruchspannung
stellt wird, dass eine
beschattete Solarzelle
U
3. Quadrant
4. Quadrant
im Durchlassbereich
ISC
I-U-Kennlinie
der beleuchteten höchstens auch mit
Solarzelle
etwa ISC belastet wird
und dass im SperrbeÜberhitzungsgefahr
reich keine zu hohen
Kennlinie einer unbeleuchteten und beleuchteten Solarzelle
Spannungen auftreten,
damit die Verlustleistung an der Zelle nicht zu groß wird. Zu große Belastungen können die
Solarzelle überhitzen und damit das ganze Solarmodul zerstören.
G. Schenke, 5.2014
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19
Strom I in A
Leistung P in W
Bei Solarzellen interessiert vor allem das Verhalten im 4. Quadranten, wo sie Leistung abgeben
können. Meist werden deshalb nur diese Kennlinien angegeben, wobei für U und I die
Zählrichtungen von Generatorzählsystem verwendet werden, damit U und I positiv werden.
Für kleine Spannungen ist eine Solarzelle eine annähernd ideale Stromquelle mit ISC. Erst bei
Spannungen in der Nähe der Leerlaufspannung U0 fällt der Strom relativ steil ab, da die Diode
gemäß der Ersatzschaltung beginnt zu leiten.
Außer für den Strom interessiert man sich besonders für die Leistung P = U · I, denn
Solarzellen sollen zur Produktion elektrischer Energie verwendet werden. Wenn man für
jeden Punkt der Kennlinie I = f{U} die Leistung berechnet, erhält man die Kurve P = f{U}.
Bei Leerlauf und Kurz4
2,0
schluss gibt die Solarzelle
ISC
I = f{U}
MPP
keine Leistung ab. In
IMPP
einem bestimmten Punkt,
3
1,5
der mit MPP (Maximum
PMPP
Power Point) bezeichnet
2
1,0
wird, wird die von der SoUMPP
larzelle abgegebene LeisP = f{U}
tung maximal und erreicht
1
0,5
den Wert Pmax = PMPP.
U0
0
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
Spannung U in V
Kennlinien I = f{U} und P = f{U} einer monokristallinen Si-Solarzelle mit AZ 100 cm2,
einer Bestrahlungsstärke G = 1 kW/m2 und einer Zellentemperatur von 25°C
Bei der vereinfachten Schaltung der Solarzelle kann durch Ableiten des mit Gleichung (2.1)
gebildeten Produktes P = U · I nach U eine Gleichung zur Bestimmung von UMPP hergeleitet
werden:
U MPP
U0
U T ln
U MPP
UT
(2.5)
1
Damit die Leistung von Solarzellen möglichst gut ausgenützt wird, muss ein angeschlossener
Verbraucher so gebaut werden, dass er im oder ganz in der Nähe des MPP arbeitet. Dies ist in
der Praxis nicht ganz so einfach, denn die Lage des MPP ist von verschiedenen Faktoren
(Einstrahlung, Temperatur, Exemplarstreuung, Alterung) abhängig. Eine Schaltung, die dafür
sorgt, dass ein Verbraucher immer im MPP arbeitet, wird MPPT (Maximum Power Point
Tracker) oder auch kürzer MPT (Maximum Power Tracker) genannt.
Die maximale Leistung P max = PMPP = UMPP · IMPP, welche die Solarzelle im MPP abgeben
kann, ist immer kleiner als das Produkt aus Leerlaufspannung U0 und Kurzschlussstrom ISC.
Da eine Photovoltaikanlage immer sowohl Leerlaufspannung wie Kurzschlussstrom aushalten
muss, ist das Verhältnis von Pmax zu U0 · ISC neben dem Wirkungsgrad ein Maß für die Güte
einer Solarzelle. Dieses Verhältnis heißt Füllfaktor FF:
Pmax
Füllfaktor FF
(2.6)
U 0 ISC
Bei kommerziell erhältlichen Solarzellen liegt der Füllfaktor FF etwa zwischen 60% und
80%. Bei Laborzellen können Werte bis etwa 85% erreicht werden.
Die Kennlinie einer Solarzelle ist von der Bestrahlungsstärke und von der Zellentemperatur
abhängig. Die Kennlinien I = f{U} mit der Bestrahlungsstärke als Parameter bei konstanter
G. Schenke, 5.2014
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20
4
1000 W/m2
Strom I in A
3
800 W/m2
600 W/m2
2
400 W/m2
1
0
MPP
200 W/m2
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Spannung U in V
0,6
Zellentemperatur zeigen, dass
der Kurzschlussstrom proportional zur Bestrahlungsstärke
ist. Mit steigender Bestrahlungsstärke nimmt die Leerlaufspannung dagegen nur
wenig zu. Bereits bei sehr
kleiner Einstrahlung ist die
Spannung recht groß. Dies
muss bei Arbeiten an Photovoltaikanlagen mit höheren
berücksichtigt
0,7 Spannungen
werden.
Strom I in A
Kennlinien I = f{U} mit der Bestrahlungsstärke als Parameter
bei einer Zellentemperatur von 25°C
Die Spannung UMPP verringert sich bei kleineren Bestrahlungsstärken. Der Strom durch den
Parallelwiderstand fällt außerdem bei kleinen Bestrahlungsstärken stärker ins Gewicht. Der
Wirkungsgrad der Solarzelle reduziert sich somit bei kleiner Bestrahlungsstärke erheblich.
4
Bei Si-Solarzellen nimmt die
Leerlaufspannung mit steigenMPP
der Temperatur ab. Der Tem3
peratur-Koeffizient von U0 beträgt -0,3%/K bis -0,4%/K, da
2
die Durchlassspannung der
Diode in der Ersatzschaltung
25°C
85°C
wie bei jeder normalen Si1
Diode entsprechend absinkt.
70°C
10°C
Die Spannung im MPP nimmt
mit steigender Temperatur ent0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7 sprechend ab. Auch der Füllfaktor FF wird mit steigender
Spannung U in V
Temperatur etwas kleiner
Kennlinien I = f{U} mit der Zellentemperatur als
(Temperaturkoeffizient von FF
Parameter bei einer Bestrahlungsstärke G = 1 kW
ca. -0,15%/K). Da sich der
Kurzschlussstrom mit steigender Temperatur nur ganz wenig erhöht, nimmt auch die Leistung
Pmax im MPP mit steigender Temperatur ab.
Der Temperaturkoeffizient für Pmax liegt bei kristallinen Si-Solarzellen etwa im Bereich
-0,4%/K bis -0,5%/K. Da die Zellentemperatur in Photovoltaikanlagen bei hoher Einstrahlung
um 20 K bis 40 K über der Umgebungstemperatur liegen kann, führt dies zu einem beträchtlichen Leistungsabfall und damit einem kleineren Wirkungsgrad bei höheren Temperaturen,
was in der Praxis oft unterschätzt wird.
2.2
Solarmodule und deren Zusammenschaltung
Kommerzielle kristalline Si-Solarzellen haben bei einer Zellentemperatur von 25°C eine
Leerlaufspannung U0 von etwa 0,55 V bis 0,72 V. Bei einer Zellenfläche von AZ 100 cm2
(4-Zoll-Wafer) haben sie einen Kurzschlussstrom ISC von 3 A bis 3,8 A, bei AZ 155 cm2
(5-Zoll-Wafer) ca. 4,6 A bis 6 A, bei AZ 225 cm2 (6-Zoll-Wafer) ca. 6,8 A bis 8,5 A und bei
AZ 400 cm2 (8-Zoll-Wafer) etwa 13 A bis 15 A. Im Punkt optimaler Leistungsabgabe
G. Schenke, 5.2014
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21
beträgt die Spannung noch etwa UMPP 0,45 V bis 0,58 V. Es gibt kaum einen Verbraucher,
der sich mit so kleinen Spannungen betreiben lässt. Zur Erzeugung praktisch nutzbarer
Spannungen müssen deshalb mehrere Solarzellen in Serie geschaltet werden.
Verbreitet sind Solarmodule mit 36 Zellen und Betriebsspannungen von ca. 15 V - 20 V und
Leistungen von 50 Wp bis 225 Wp, da sich damit bereits mit einem Modul und einem
Akkumulator für 12 V kleine Stromversorgungen realisieren lassen. Entsprechende Module
mit 72 Zellen für Betriebsspannungen von 30 V - 40 V eignen sich dagegen direkt für Inselanlagen mit Systemspannungen von 24 V. Module mit Leistungen bis zu etwa 225 Wp, einer
Fläche von maximal etwa 1,5 m2 und einem Gewicht bis etwa 18 kg lassen sich noch gut von
einer Person handhaben. Auf Kundenwunsch können von spezialisierten Firmen auch größere
Module nach Maß für die Integration in Gebäuden hergestellt werden.
Die Lebensdauer eines Solarmoduls ist weitgehend durch die Güte des erreichten Schutzes
gegen Umwelteinflüsse bestimmt. Von manchen Herstellern werden Werte bis 30 Jahre
angegeben, wobei Vollgarantien von 2 - 5 Jahren und teilweise eine beschränkte Leistungsgarantie für 10 bis 26 Jahre gewährt wird. Meist wird für die Frontabdeckung eisenarmes gehärtetes Spezialglas (Schutz gegen Hagel) mit sehr guter Lichtdurchlässigkeit verwendet. Die
Solarzellen werden in Folien aus durchsichtigem Kunststoff hermetisch eingepackt. Für die
Rückseite wird je nach Hersteller Kunststoff oder ebenfalls Glas eingesetzt. Ein klassisches
Solarmodul hat ein 3 – 4 mm dünnes Glas und wird von einem stabilen Aluminiumrahmen
eingefasst, der die nötige mechanische Festigkeit und einen guten Kantenschutz gewährleistet.
Bei Modulen mit Dünnschichtzellen werden auch Kunststoffrahmen eingesetzt.
Für die Darstellung von Solarzellenmodulen in
U
Schaltungen wird das links stehende Symbol verwendet.
I
Schaltzeichen eines Solarmoduls
Strom I in A
Falls in der Photovoltaikanlage höhere Spannungen erforderlich sind, müssen mehrere
Module zu einem sogenannten Strang (String) in Serie geschaltet werden. Für höhere Ströme
werden mehrere Module oder Stränge parallel geschaltet.
Den prinzipiellen Verlauf der Kenn4
1000 W/m2
linien eines Solarmoduls mit 36
nahezu quadratischen Zellen der
3
Fläche AZ 100 cm2 bei verschiedener Globalstrahlung (100 W/m2,
400 W/m2 und 1000 W/m2) und
2
zwei verschiedenen Zellentempera400 W/m 2
turen (25°C und 55°C) zeigt die
linke Abbildung. Die Nennleistung
1
dieses Moduls beträgt 55 Wp. Die
2
100 W/m
Punkte maximaler Leistung (MPP)
0
sind jeweils gekennzeichnet.
16
20
24
0
4
8
12
Grundsätzlich kann man die KennSpannung U in V
linien für eine Solarzelle auch für
Kennlinien eines Solarmoduls mit 36 Zellen bei
das Solarmodul verwenden. Hierzu
verschiedener Globalstrahlung und den
muss die Abszissenachse (ZellenZellentemperaturen
25°C und
55°C
spannung) mit der Anzahl der Zellen
eines Solarmoduls multipliziert werden, um die Spannung für den Solarmodul zu erhalten.
G. Schenke, 5.2014
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FB Technik, Abt. E+I
22
Heute werden Hunderte von verschiedenen Typen von Solarmodulen von vielen verschiedenen Herstellern angeboten. Für die genaue Auslegung der Photovoltaikanlage sollte man
immer direkt auf die Kennlinien der Hersteller von Solarmodulen zurückgreifen. Beim
Aufbau von Solarmodulen ist die Serienschaltung aller Solarzellen nicht die einzige
Möglichkeit. Es werden vor allem in größeren Modulen manchmal auch Kombinationen aus
Serien- und Parallelschaltung verwendet.
Bei der Zusammenschaltung von Solarzellen zu Solarmodulen muss darauf geachtet werden,
dass bei ungewöhnlichen Betriebszuständen keine Schäden durch Überlastung und Überhitzung einzelner Solarzellen auftreten. Praktisch bedeutet dies, dass bei jeder Solarzelle ein
Betrieb im 1. und 3. Quadranten der Diodenkennlinie entsprechend der Kennlinie einer
beleuchteten und unbeleuchteten Solarzelle möglichst zu vermeiden ist. In diesen beiden
Quadranten nimmt die Solarzelle Leistung auf. Bei Sperrspannungen > 15 V ... 25 V erfolgt
meist ein Durchbruch.
Falls eine Solarzelle im Störungsfall (z.B. bei Beschattung) trotzdem im 1. oder 3. Quadranten der Diodenkennlinie betrieben wird, ist durch geeignete Schaltungsmaßnahmen sicherzustellen, dass sowohl der Strom durch die Zelle als auch die in der Zelle in diesem Fall
freigesetzte Leistung nicht zu groß werden.
Rückstromverhalten: Wird die Spannung an der Solarzelle durch eine äußere Quelle über
die Leerlaufspannung U0 angehoben, fließt ein Strom I´ > 0 durch die in der Solarzelle
enthaltene Diode. Dabei arbeitet diese Diode im Durchlassbereich. Bezieht man einen
derartigen Strom auf die Stromrichtung I im Normalbetrieb der Solarzelle, kann man auch
von einem Rückstrom IR sprechen. Alle handelsüblichen Solarmodule können mindestens mit
dem Kurzschlussstrom ISC im 1. Quadranten betrieben werden (IR ISC). Wie messtechnische
Untersuchungen zeigten, werden in der Praxis Solarmodule auch bei einem größeren
Rückstrom IR = 2 · ISC ... 3 · ISC nicht beschädigt.
Solarzelle bei Spannungsumkehr (Dioden-Sperrbereich): Wenn der von einer Solarzelle im
aktiven Bereich erzeugte Strom I = -I´ durch einen äußeren Einfluss noch größer als ihr
Kurzschlussstrom ISC werden soll, muss die Spannung an dieser Zelle negativ werden. Die Zelle
arbeitet dann im 3. Quadranten oder im Sperrbereich der Diode. Ausgehend von der Dunkelkennlinie der Solarzelle und unter Berücksichtigung des schlechten Sperrverhaltens von
Solarzellen kann die Verlustleistung bei beträchtlichen Exemplarstreuungen im 3. Quadranten
ermittelt werden. Durch diese Erwärmung verändern sich der Arbeitspunkt und damit auch die
Kennlinie.
Richtwerte für thermische Verlustleistung: Beim Betrieb der Solarzelle im 1. oder 3.
Quadranten kumulieren sich die Erwärmung infolge der elektrischen Verlustleistung und die
Erwärmung infolge der Sonneneinstrahlung. Nimmt man eine höchstmögliche Umgebungstemperatur TU von 40°C bis 50°C und eine gemäß Solarmodul-Datenblatt zulässige maximale
Zellenbetriebstemperatur von 90°C bis 100°C an, kann man bei durchschnittlichen
Kühlungsverhältnissen eine totale Temperaturerhöhung von etwa 50 K gegenüber der
Umgebungstemperatur zulassen. Wird das ganze Modul thermisch gleichmäßig beansprucht,
wird dies bei einer totalen flächenspezifischen Verlustleistung von etwa 2 kW/m2.
Die maximale flächenspezifische thermische Verlustleistung p VTZ in der Solarzelle kann aus der
Bestrahlungsstärke auf die Solarzelle GZ, der Fläche der Solarzelle AZ und aus der elektrischen
Verlustleistung PVEZ in der Solarzelle beim Betrieb im 1. oder 3. Quadranten bestimmt werden.
PVEZ
p VTZ
GZ
(2.7)
2 kW m 2
AZ
G. Schenke, 5.2014
Photovoltaik und Solartechnik
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23
Beim Betrieb im 1. Quadranten, also im Durchlassgebiet, wird das ganze Modul gleichmäßig
belastet. Da in diesem Quadranten die Spannung relativ klein ist (UF ~ 0,7 V), kann dort auch die
Größe des Rückstromes IR-Mod und nicht die Verlustleistung der begrenzende Faktor sein.
Beim Betrieb im 3. Quadranten tritt der schlimmste Fall dann auf, wenn bei einer (Teil)Beschattung des Moduls nur einzelne Zellen in Sperrrichtung betrieben werden und durch die
gesamte Leistung der übrigen, voll bestrahlten Solarzellen erwärmt werden. In diesem
schlimmsten Fall tragen aber auch die unmittelbar benachbarten Zellen etwas zur Kühlung bei.
Deshalb lassen viele Hersteller für diesen Fall etwas höhere Werte für die flächenspezifische
thermische Verlustleistung zu (pVTZ 2,5 kW/m2 ... 4 kW/m2).
Aus diesem Richtwert für pVTZ kann man im Prinzip die notwendige Anzahl der Bypassdioden
pro Modul bestimmen. Je höher der Grenzwert für pVTZ gewählt wird, desto weniger
Bypassdioden pro Solarmodul sind notwendig.
Serienschaltung von Solarzellen: Bei der Serienschaltung von Solarzellen addieren sich ihre
Spannungen. Die Spannung von nZS in Serie geschalteten Zellen ist also nZS mal so groß wie
die Spannung einer Zelle. Der Strom wird bei der Serienschaltung wegen der Stromquellencharakteristik von Solarzellen durch die schwächste Zelle bestimmt. Wird eine Solarzelle
beschattet, so sinkt die Leistung des Solarmoduls erheblich ab. Im Kurzschlussfall fällt die
Gesamtspannung der restlichen Solarzellen an der beschatteten bzw. defekten Zelle ab. Die
hohe Verlustleistung in dieser Solarzelle kann dann zu einem sogenannten „Hot-Spot“ führen.
Durch Bypassdioden kann dieser negative Effekt verhindert werden.
Beschattete oder defekte Solarzelle
I US
US
US
US
U
Spannung U = -(n-1)·US
Verlustleistung PV = (n-1)·US·I
Abhilfe:
1
2
3
n -1
n
Reduktion von U und PV durch
(n-1) bestrahlte Solarzellen mit US 0,5 V
Bypassdiode
Serienschaltung von n Solarzellen im Kurzschlussfall
Die Parallelschaltung einer Bypassdiode zu jeder Solarzelle eliminiert das Problem der „HotSpot“-Bildung. Bei einer Beschattung oder bei einem Defekt in einer Zelle kann der Strom
der übrigen Solarzellen über die Bypassdiode fließen, wobei die negative Spannung über der
gefährdeten Zelle nur noch 0,6 V – 0,8 V und bei Verwendung von Schottky-Bypassdioden
0,3 V – 0,6 V beträgt. Der Einsatz einer Bypassdiode für jede Solarzelle ist technisch optimal,
sehr aufwendig, aber nicht unbedingt notwendig. Eine im 3. Quadranten, also in Sperrrichtung, betriebene Solarzelle kann durchaus einige Volt aushalten. Damit die flächenspezifische Verlustleistung der Solarzellen in einem Solarmodul nicht überschritten wird, werden
in der Praxis Bypassdioden für eine Gruppe von 12 oder 24 in Serie geschaltete Solarzellen
verwendet.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Gruppe von 12 in Serie geschalteter Solarzellen
mit Bypassdiode zum Schutz vor „Hot-Spot“-Bildung
Ein Verzicht auf Bypassdioden ist nur möglich, wenn der Hersteller garantiert, dass die
verwendeten Solarzellen integrierte Bypassdioden oder ein kontrolliertes Durchbruchverhalten haben.
G. Schenke, 5.2014
Photovoltaik und Solartechnik
FB Technik, Abt. E+I
24
Parallelschaltung von Solarzellen: Nur Solarzellen gleicher Technologie, des gleichen
Herstellers und des gleichen Typs dürfen parallel geschaltet werden. Die Maximalleistung
einer Parallelschaltung von mehreren Solarzellen ist wegen der Exemplarstreuung immer
etwas geringer als die Summe der Maximalleistungen der einzelnen Zellen.
I1
I2
I3
In-1
I = I1 + I2 + I3 + ... + In-1
Beschattete oder
defekte Solarzelle
wirkt als Verbraucher
Parallelschaltung von n Solarzellen, wenn n-1 Solarzellen bestrahlt und eine Solarzelle
beschattet (defekt) sind
Auch bei der Parallelschaltung von Solarzellen gibt es kritische Betriebszustände, die beherrscht
werden müssen. Am gefährlichsten ist der Zustand für die beschattete Solarzelle, wenn gleichzeitig das ganze Modul im Leerlauf ist, so dass die noch bestrahlten Zellen eine Spannung in der
Nähe der Leerlaufspannung erzeugen. In diesem Fall speisen alle bestrahlten Nachbarzellen die
beschattete Zelle, die sich im 1. Quadranten befindet. Damit diese Solarzelle thermisch nicht
überlastet wird, sollten maximal nur 3 oder 4 Solarzellen parallel geschaltet werden.
Durch Serienschaltung von Gruppen aus jeweils nZP parallel geschalteten Solarzellen können
Module in Matrixschaltung mit höheren Spannungen hergestellt werden. Sie sind auf Teilbeschattung unempfindlicher als Module mit Serienschaltung aller Solarzellen. Hierbei sind
Bypassdioden wie bei der Serienschaltung von Solarzellen zu verwenden.
Kennlinien von Solarmodulen:
Häufig werden Solarmodule durch die Reihenschaltung von n gleichen Solarzellen realisiert. Mit
wenigen bekannten Daten bzw. einfachen Messungen können die Kennlinien für beliebige
Bestrahlung in die Solargeneratorebene GS und für verschiedene Zellentemperaturen
annäherungsweise berechnet werden. Ausgehend von der vollständigen Ersatzschaltung für eine
Solarzelle nach Gl. 2.4 kann für einen Solarmodul mit n gleichen Solarzellen in Reihenschaltung
der Strom I des Solarmoduls in Abhängigkeit der Modulspannung U angegeben werden.
U RS I
I ISC IS e( U R S I) n UT 1
(2.8)
RP
Diese transzendente Gleichung kann nur iterativ gelöst werden. Zunächst müssen der
Kurzschlussstrom der Solarzellen ISC, der Sättigungsstrom in Sperrrichtung IS, der
Reihenwiderstand RS, der Parallelwiderstand RP und die gesamte Temperaturspannung n UT
durch Messung oder Vorgabe bekannt sein. Bei der Lösung der Gl. 2.8 mit dem Programm Excel
wird die innere Spannung des Solarmoduls U + RS I in einer 1. Spalte vorgegeben und der
Modulstrom I nach Gl. 2.8 in einer 3. Spalte berechnet. Abschließend kann die eigentliche
Modulspannung U in der 2. Spalte aus der 1. und 3. Spalte berechnet werden. Der Modulstrom I
kann jetzt als Funktion der Modulspannung U in einer xy-Grafik dargestellt werden.
G. Schenke, 5.2014
Photovoltaik und Solartechnik
FB Technik, Abt. E+I
25
Die gesamte Temperaturspannung n UT wird über die aktuelle Temperatur T und einem gesetzten
Emissionskoeffizienten m = 1 vorgegeben. Die Werte ISC, IS, RS und RP werden aus 4 Messungen
ermittelt.
Für die gesamte Temperaturspannung n UT gilt:
m k T
mit m 1,0 und n
Anzahl der Solarzelle n in Reihe
(2.9)
n UT
n
e
Kurzschlussmessung (I = IK und U = 0):
R S IK
RS IK
IK
ISC IS e ( R S IK ) n UT 1
ISC
(2.10)
RP
RP
Für den Kurzschlussstrom ISC der Solarzellen gilt mit guter Näherung:
I SC
IK
(2.11)
Leerlaufmessung (I = 0 und U = UL):
UL
ISC IS e U L n U T 1
RP
Für den Sättigungsstrom IS in Sperrrichtung gilt mit guter Näherung:
ISC
IS
UL n UT
e
1
Messung bei etwa halbem Kurzschlussstrom (I = I* IK/2 und U = UL*):
*
*
U*L R S I*
I*
ISC IS e( U L RS I ) n UT 1
RP
Für den Serienwiderstand RS gilt mit guter Näherung:
0
RS
ISC
IS e U L
ISC I*
ln
IS
n UT
1
n UT
(2.12)
(2.13)
(2.14)
U*L
(2.15)
I*
Messung bei etwa halber Leerlaufspannung (I = IK* und U = U* UL/2):
*
*
U* R S I*K
(2.16)
I*K
ISC IS e( U R S IK ) n UT 1
RP
Für den Parallelwiderstand RP gilt:
U* R S I*K
RP
(2.17)
*
*
ISC I*K IS e( U R S I K ) n U T 1
Die Berechnung der Größen ISC, IS, RS und RP erfolgt mit den Gleichungen 2.11, 2.13, 2.15 und
2.17!
Jetzt kann der theoretische Verlauf des Modulstroms I in Abhängigkeit von der Modulspannung
U dargestellt werden.
Die Leistung P des belasteten Solarmoduls ist das Produkt aus dem Modulstrom I (Gl. 2.8) und
der Modulspannung U.
U RS I
(2.18)
P U I U ISC IS e ( U R S I) n UT 1
RP
Der theoretische Verlauf der Modulleistung P kann jetzt ebenfalls in Abhängigkeit der
Modulspannung als xy-Grafik dargestellt werden. Im MPP kann jetzt eine Kontrollmessung
durchgeführt werden. Bei einer nennenswerten Abweichung vom theoretischen Verlauf sollte der
gesetzte Emissionskoeffizient m = 1 vergrößert werden (1 m 2).
G. Schenke, 5.2014
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In Datenblättern wird im Allgemeinen der Nennkurzschlussstrom ISCN und die Nennleerlaufspannung ULN bei Nennbestrahlung in die Solargeneratorebene GSN = 1000 W/m2 und der
Bezugstemperatur N = 25°C angegeben. Der Kurzschlussstrom ISC ist proportional zur
Bestrahlung in die Solargeneratorebene GS und abhängig von der Temperatur . Der Temperaturkoeffizient des Kurzschlussstromes darf bei fehlender Angabe mit IK = 4 · 10-4 · K-1 angenommen werden.
GS
(2.19)
ISC
ISCN
1
IK ( - N )
G SN
Der Sättigungssperrstrom IS des Solarmoduls steigt exponentiell mit der Temperatur an, es stellt
sich eine Verdoppelung des Sättigungsstroms etwa alle 10 K ein. Sollen die I-U- und die P-UKennlinien für beliebige Bestrahlung und Temperatur angegeben werden, dann muss der
Sättigungsstrom IS1 (nach Gl. 2.13) bei der Temperatur T1 auf den Sättigungsstrom IS2 bei der
Temperatur T2 umgerechnet werden. Mit guter Näherung gilt:
IS 2
IS1 e
20 T2 - T1
T1
(2.20)
Der Emissionskoeffizient m darf nach der Umrechnung nicht verändert werden.
Modulstrom I eines Solarmoduls mit 72 Solarzellen, AZ 156 cm2 und 3 Bypassdioden in
Abhängigkeit der Modulspannung U bei der Bezugstemperatur von 25°C
G. Schenke, 5.2014
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FB Technik, Abt. E+I
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Modulleistung P eines Solarmoduls mit 72 Solarzellen, AZ 156 cm2 und 3 Bypassdioden in
Abhängigkeit der Modulspannung U bei der Bezugstemperatur von 25°C
Wird ein Solarmodul teilbeschattet, dann werden in einer ersten Berechnung nur die nicht
beschatteten Solarzellen mit der Solarstrahlung in der Solargeneratorebene berücksichtigt. In einer
zweiten Berechnung wird unterhalb des Kurzschlussstroms IK mit der Globalstrahlung für die
beschatteten Solarzellen die Spannung an diesen Zellen zur Spannung aus der ersten Rechnung
addiert. Bei der Berechnung der Spannung an den beschatteten Solarzellen darf der
Parallelwiderstand RP vernachlässigt werden. Bei Teilbeschattung des Solarmoduls können so der
Modulstrom I bzw. die Modulleistung P in Abhängigkeit von der Modulspannung U
näherungsweise dargestellt werden.
Hinweis: Der Teilschatten gilt immer für alle Solarzellen, die durch eine Bypassdiode überbrückt
werden, auch wenn nur eine einzige Solarzelle in dieser Reihenschaltung vom Teilschatten
betroffen ist.
Mit vier einfachen Messungen bei bekannter Bestrahlung in die Solargeneratorebene GS und
bekannter Temperatur können alle Größen für die I-U- und die P-U-Kennlinien eines Solarmoduls
bei beliebiger Bestrahlung und Temperatur bestimmt werden (Gl. 2.8 – Gl. 2.18). Die Messungen
sollten für eine hohe Genauigkeit in der Nähe der Nennbestrahlung GSN = 1000 W/m2 und der
Bezugstemperatur N = 25°C durchgeführt werden.
2.3 Zusammenschaltung von Solarmodulen zu Solargeneratoren
Bei der Zusammenschaltung von Modulen zu Solargeneratoren bestehen im Prinzip die gleichen
Probleme wie bei der Zusammenschaltung von einzelnen Solarzellen. Wegen der in Solargeneratoren auftretenden größeren Spannungen und Ströme sind aber die im Störfall auftretenden
Leistungen viel größer, so dass verstärkte Schutzmaßnahmen erforderlich sind. Die verwendeten
Module müssen mindestens für die auftretende Systemspannung in der Photovoltaikanlage
spezifiziert sein.
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Es ist sinnvoll, einen großen Solargenerator in einzelne Gruppen aufzuteilen, die beim Auftreten von Störungen separat abgeschaltet und gewartet werden können, ohne dass der ganze
Generator stillgelegt werden muss. Bei der Auswahl von Sicherungen, Leitungsschutzschaltern und Schaltern für die Anwendung in Solargeneratoren ist zu beachten, dass diese
ausdrücklich für Gleichstrombetrieb mit den entsprechenden Spannungen und Strömen
spezifiziert sein müssen.
Serienschaltung mehrerer Solarmodule gleichen Typs zu einem Strang
mit Bypassdioden, Strangdioden und Strangsicherungen
(optional Strangdioden und -sicherungen auf beiden Seiten)
Durch Serienschaltung mehrerer Solarmodule des gleichen Typs entsteht ein Strang (String)
mit einer höheren Systemspannung. Jedes Modul benötigt Bypassdioden, sofern diese nicht
vom Hersteller bereits eingebaut sind. Es ist zweckmäßig, wenn der Strang zu Servicezwecken beidseitig vom übrigen Solargenerator abgetrennt und separat ausgemessen werden
kann. Bei Verwendung von Modulen und Verkabelungsmaterial der Schutzklasse II genügen
meist Sicherungen und Strangdioden nur auf einer Seite. Im Allgemeinen wird Verkabelungsmaterial mit Spezialsteckern für vereinfachte Montage verwendet, die eine Trennfunktion
realisieren, so dass auf zusätzliche Trennklemmen verzichtet werden kann. Wenn auch Erdund Kurzschlüsse an beliebigen Stellen sicher beherrscht werden sollen, sind auf beiden
Seiten des Strangs Sicherungen und Strangdioden einzusetzen. Die Sperrspannung der
Strangdioden muss deutlich größer als die Leerlaufspannung des Strangs sein. Auf
Strangdioden kann gänzlich verzichtet werden, wenn Strangsicherungen einen Schutz gegen
unzulässige Rückströme übernehmen. Der Nennstrom ISN der Strangsicherungen muss größer
als der Kurzschlussstrom ISC der Solarmodule sein.
ISN
ISC k SN
mit 1,4 k SN
2,4
(2.21)
Besser und sicherer ist der Ersatz der Sicherungen durch einen etwas teuren gleichstromtauglichen Leitungsschutzschalter (möglichst zweipolig).
Die direkte Parallelschaltung von Solarmodulen gleicher Technologie (möglichst selektiert)
bis zu 3 Modulen (max. 4 Module) ist möglich. Bei Beschattung einzelner Module oder bei
dem sehr seltenen Störfall eines Kurzschlusses in einem Modul werden die anderen Solarmodule nicht beschädigt. Sollen mehr als 4 Module parallel geschaltet werden, dann müssen
alle Module einzeln mit einer Sicherung geschützt werden und eine Bypassdiode zur
gesamten Parallelschaltung parallel geschaltet werden. Diese Bypassdiode muss für den
Kurzschlussstrom aller parallel geschalteten Solarmodule ausgelegt sein.
Bei größeren Solargeneratoren werden die Solarmodule zur Erzeugung der notwendigen
Systemspannung zunächst zu seriellen Einzelsträngen zusammen geschaltet. Zur Erzielung
eines höheren Gesamtstroms werden dann mehrere Stränge parallel geschaltet. Die im Bild
dargestellten Strangdioden sind nicht unbedingt notwendig.
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Solargenerator-Hauptschalter
Solargenerator mit mehreren parallel geschalteten Seriensträngen sowie
Bypassdioden, optionellen Strangdioden und Leitungsschutzschaltern
Die Leitungsschutzschalter können natürlich durch Sicherungen ersetzt werden. Trennklemmen sind, wenn keine zweipoligen Leitungsschutzschalter eingesetzt werden, für Wartungsarbeiten besonders zu empfehlen.
Beim Solargenerator treten Leistungsverluste durch Teilbeschattung und Mismatch auf. Im
geringen Maß tritt ein Leistungsverlust auch bei gleichen Solarmodulen durch unvermeidliche
Exemplarstreuungen auf. In diesem Fall spricht man von Mismatch – interne Fehlanpassung –
im Solargenerator. Ein gewisser Mismatch kann auch bei nicht beschatteten, völlig
identischen Solarmodulkennlinien auftreten, wenn auf die Module eines Stranges infolge
ungleicher Diffusstrahlungsverhältnisse nicht genau die gleiche Bestrahlungsstärke einwirkt.
4
Strom I in A
3
Resultierende
Gesamtkennlinie
9 Module
1 kW/m2
2
1
0
1 Modul
100 W/m2
0
50
8 Module
1 kW/m2
100
150
Spannung U in V
Kennlinien eines Solargenerators mit 9 Modulen
mit einem beschatteten
Modul
(8 Module mit 1 kW/m2,
1 Modul mit 100 W/m2)
200
Wird beispielhaft bei einem Solargenerator mit 9 Modulen ein Modul beschattet, so dass seine
Leistung auf 10% der übrigen Module sinkt, so reduziert sich die mittlere Bestrahlungsstärke
G. Schenke, 5.2014
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auf 90% der maximalen Bestrahlungsstärke. Dank der Bypassdiode des beschatteten Moduls
sinkt der MPP auf etwa 88,5% der maximalen Leistung und liegt damit nur geringfügig unter
dem Wert für 8 voll bestrahlte Module.
4
9 Module
1 kW/m2
Kennlinien eines Solargenerators mit 9 Modulen
mit einem Modul
minderer Leistung
(8 Module mit 1 kW/m2,
1 Modul mit 900 W/m2)
Strom I in A
3
1 Modul
900 W/m2
Resultierende
Gesamtkennlinie
2
1
0
8 Module
1 kW/m2
0
50
100
150
Spannung U in V
200
Sind in einem Strang Solarmodule mit Minderleistung vorhanden, so sinkt die Leistung des
betreffenden Stranges stärker ab, als rein rechnerisch auf Grund der reduzierten Summe der
Modulleistungen zu erwarten wäre. Betrachtet wird ein Solargenerator mit 9 identischen
Modulen. Hat ein Modul eine geringere Leistung – beispielhaft durch reduzierte Bestrahlungsstärke dargestellt – von 10% (gegenüber der Praxis stark übertrieben), so entsteht ein
rechnerischer Leistungsverlust von 1,1%. Der resultierende MPP ist jedoch um 3,1% gegenüber dem MPP mit 9 exakt gleichen Modulen geringer.
2.4
Aufbau von Solargeneratoren
Wegen des hohen Anteils an Diffusstrahlung in Mitteleuropa werden Solarmodule in Deutschland
vorwiegend auf festen Tragstrukturen montiert. Dieses sind spezielle Tragstrukturen mit festem
Anstellwinkel im freien Gelände und vor allem Gebäudeoberflächen wie Flach- und Schrägdächer als auch Fassaden von Gebäuden. Schallschutzwände an Autobahnen oder Bahnanlagen
können als Tragstruktur mitbenutzt werden.
Der Energieertrag kann durch ein- oder zweiachsige Nachführsysteme gegenüber der festen
Montage erhöht werden. Mit der gleichen installierten Photovoltaik-Spitzenleistung können
bei einachsiger Nachführung 10% bis 25%, bei zweiachsiger Nachführung 30% bis 40% mehr
Strom produziert werden und die Anzahl der möglichen Volllaststunden steigt entsprechend
an. Nachgeführte Solargeneratoren können aus mechanischen Gründen wegen der Windlast
nicht beliebig groß gewählt werden (1 – 20 kWp). Bei einachsiger Nachführung sollte für
Deutschland die Drehachse um etwa 30° gegen Süden geneigt sein, um einen möglichst
großen Ertrag zu erwirtschaften.
Bei der Dimensionierung der Montagestruktur des Solargenerators sind neben dem
Eigengewicht der Photovoltaikmodule (Masse ca. 10 kg/m2 bis 20 kg/m2) die wesentlich
größeren sporadisch auftretenden Kräfte durch Wind- und Schneelasten zu berücksichtigen.
Solarmodule und deren Montagestruktur müssen die Norm IEC 61215 erfüllen. Für die
Tragstruktur eignen sich vor allem Aluminiumlegierungen, verzinkter Stahl und rostfreier
Edelstahl (V2A, V4A).
Windlasten werden nach Gesetz von Bernoulli berechnet. Der Staudruck q kann aus der
Dichte der Luft L = 1,29 kg/m3 (auf Meereshöhe bei 0°C) und der Windgeschwindigkeit vL
berechnet werden.
q 1 2 L v L2
(2.22)
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Für Flachlandstandorte kann ein Maximalwert für den Staudruck von q = 900 N/m2 angenommen werden. Aus dem Staudruck q, der Solargeneratorfläche AG und dem Anströmkoeffizienten cW kann näherungsweise die auftretende Windkraft berechnet werden.
FW
cW q AG
(2.23)
Der Anströmkoeffizienten cW liegt zwischen 0,4 und 1,6.
Installation von Solargeneratoren: Bei der elektrischen Verschaltung der Solargeneratoren
muss die Gefahr durch dauernd anliegende Spannung berücksichtigt werden. Die Serienschaltung von mehreren Solarmodulen mit Leerlaufspannungen von über 120 V ist in der
Praxis üblich. Hier ist es wichtig, dass die ganze Strangverkabelung bei notwendigen Arbeiten
nicht geerdet und von anderen Anlagenteilen freigeschaltet ist. Die Sicherheit beim Erstellen
der Strangverkabelung kann mit speziellen isolierten PV-Steckverbinder und unverwechselbaren Kabelbuchsen wesentlich vergrößert werden.
Sorgfältige Montage mit geeigneten Komponenten muss auch das Brandrisiko durch
Lichtbögen bei Photovoltaikanlagen berücksichtigen. Alle verwendeten Komponenten
müssen die Anforderungen an Spannungsfestigkeit und Witterungsbeständigkeit erfüllen. Da
Solargeneratoren immer im Freien montiert werden und damit gewitterbedingten
Überspannungen ausgesetzt sind, ist ein entsprechender Blitz- und Überspannungsschutz von
Photovoltaikanlagen zwingend notwendig. Die gesamte Installation der Photovoltaikanlage
muss nach den geltenden VDE-Bestimmungen durchgeführt werden.
Bei Photovoltaik-Anlagen wird mit großem Aufwand Sonnenenergie in elektrische Energie
umgewandelt. Wenn der Solargenerator im MPP betrieben wird, lohnt es sich fast immer, die
Querschnitte der Verkabelung größer zu wählen, als es nach den geltenden Vorschriften
unbedingt erforderlich ist, um die Verluste in der Gleichstromverkabelung genügend klein zu
halten. Die relative Gleichstromverlustleistung sollte möglichst unter 1% liegen, auf jeden
Fall aber unter 2%. Besonders ins Gewicht fallen dabei die Verluste an einer langen
Gleichstrom-Hauptleitung und an Strangdioden bei niedrigen Nennspannungen.
Erdung auf der Gleichstromseite: Metallgehäuse von Generatoranschlusskästen, metallische
Tragstrukturen und Modulrahmen müssen aus Sicherheitsgründen im Allgemeinen geerdet
werden. Ausnahmen nur, wenn die Isolation zu aktiven Teilen der Anlage den Anforderungen der
Schutzklasse II (doppelte Isolation) entspricht oder wenn die PV-Anlage mit Leerlaufspannungen
kleiner als 120 V arbeitet (Schutzklasse III) und keine galvanische Verbindung zum Niederspannungsnetz aufweist. Bei netzgekoppelten Anlagen mit trafolosen Wechselrichtern ist eine
Erdung gerahmter Module wegen der Kapazität zwischen dem Innern der Module und den
Metallrahmen in jedem Fall erforderlich. Eine Erdung bringt nicht nur Vorteile beim Personenschutz (Schutz gegen gefährliche Berührungsspannungen), sondern auch beim Blitzschutz
(Ableitung eventueller Blitzströme). Dies jedoch nur, wenn eine Potentialausgleichsleitung
unmittelbar parallel zum Teilgeneratorkabel oder der DC-Hauptleitung verlegt wird. Blitzschutztechnisch ideal sind dabei geschirmte Leitungen. Überspannungsableiter in einem
Klemmenkasten sind nur wirksam, wenn sie auf möglichst kurzem Weg geerdet werden und
wenn eine möglichst kurze Potentialausgleichsleitung zur metallischen Tragstruktur des
Solargenerators und zu den Modulrahmen besteht.
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