Versuch E3 R0

Physikalisch-technisches Messpraktikum: E3
Versuch E3: Leistungsmessungen an einer Solarstromanlage
Aufgaben:
1. Ermitteln Sie die Maximalleistung des Solarmoduls bei Sonnenlichteinfall. Berechnen Sie für
den Betriebspunkt maximaler Leistung den Wirkungsgrad der Zelle.
2. Untersuchen Sie die Winkelabhängigkeit der Solarzellenleistung.
3. Bestimmen Sie die Ladeleistung der Solarzelle und ermitteln Sie unter diesen Bedingungen
den Wirkungsgrad.
4. Untersuchen Sie die Abhängigkeit des Wirkungsgrades des DC-AC Inverters von der abgegebenen Wechselspannungsleistung bei Verwendung der Pufferbatterie.
Grundlagen:
•
•
•
Photoeffekt
Stromkreis, elektrische Größen, Leistungsanpassung
Kirchhoffsche Gesetze
Als Solarzelle bezeichnet man einen Energiewandler von Lichtstrahlungs-Energie in elektrische
Energie, daher auch die Bezeichnung „Photovoltaik“ für diese Art der Solarenergienutzung.
Eine Solarzelle kann als großflächige Halbleiterdiode aufgefaßt werden, deren Grenzschicht so
angeordnet ist, daß Licht in sie eindringen kann. In einer solchen Solarzelle baut sich durch die
Bearbeitung - die Dotierung - der beiden Materialien, die an der Grenzfläche aufeinanderstoßen,
ein elektrische Feld auf: Elektronen (negative elektrische Ladung) und Elektronenlöcher (positive
elektrische Ladung) sind durch die Dotierung zu beiden Seiten der Grenzschicht in unterschiedlichen Konzentrationen vorhanden. Auch wenn die Solarzelle nicht beleuchtet ist, kann eine
Spannung gemessen werden. Schließt man allerdings einen Verbraucher an, so fließt kurzzeitig
ein winziger Strom, der die Ladungsdifferenz an den Kontakten der Solarzelle ausgleicht. Es
kann keine nennenswerte Leistung entnommen werden.
Wird ein Solarzelle beleuchtet, werden in dem Feld, welches sich durch die Materialbeschaffenheit der Solarzelle in der Grenzschicht aufbaut, durch Lichteinwirkung erzeugte Elektron-LochPaare getrennt und stehen als Ladungsträger für den Stromfluß durch den Verbraucher zur Verfügung. Allerdings können prinzipbedingt nicht mehr Elektron-Loch-Paare erzeugt werden, als
Lichtquanten (Photonen, Energieportionen elektromagnetischer Strahlung: E = h ⋅ f , h –
PLANCKsches Wirkungsquantum, f – Frequenz der elektromagnetischen Strahlung) auf die Zelle
treffen. Von den Lichtquanten kann auch nur der Anteil genutzt werden, dessen Energie groß
genug ist, ein Elektron-Loch-Paar zu erzeugen. Weiterhin kann ein Lichtquant relativ hoher Energie nur den Teil in nutzbare elektrische Energie umwandeln, der dazu benötigt wird, das Elekt-1-
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ron-Loch-Paar zu erzeugen. Daraus resultiert für kommerziell verfügbare, mit vertretbarem Aufwand herstellbare Solarzellen - z.B. polykristalline Siziumzellen - ein Wirkungsgrad von etwa
12%. Von den maximal 1000W Sonneneinstrahlung pro Quadratmeter können also nur 120W in
Form elektrischer Leistung verfügbar gemacht werden. Der Effekt, daß mit Licht elektrischer
Strom erzeugt werden kann, wurde schon 1860 von Bequerel beobachtet, bis zur Mitte unseres
Jahrhunderts konnten schon Umwandlungswirkungsgrade von etwa 5% erreicht werden. Erst
mit der Halbleitertechnik, die durch die Entwicklung geeigneter Materialien und Verarbeitungstechniken Ende der 50er Jahre ihren rasanten Aufstieg begann, konnten Solarzellen mit definierten Eigenschaften und deutlich höheren Wirkungsgraden hergestellt werden.
Einteilen kann man Solarzellen nach folgendem Schema, wobei die geringeren Werte des Wirkungsgrades für Serienprodukte, die höheren Werte für Laborexemplare charakteristisch sind:
Si-Solarzellen
amorphe
5-10% Wirkungsgrad
polykristalline
10-17% Wirkungsgrad
monokristalline
12-20% Wirkungsgrad
GaAs
einschicht
15-20% Wirkungsgrad
mehrschicht
20-25% Wirkungsgrad
Dünnschicht
8-11% Wirkungsgrad.
Mittlerweile steht eine große Anzahl verschiedener Typen von Solarzellen zur Auswahl: neben
den klassischen Si-Solarzellen und GaAs, CIS, CIGS, CuInS, CuInGaS, CdTe-Zellen, org. Zellen,
Farbstoffzellen; entsprechende Dünnschicht-Zellen sowie mittlerweile mit Wirkungsgraden über
40% operierenden gestapelte Solarzellen mit verschiedenen genutzten Übergängen als Konzentratormodule.
Die hier für den Versuch zur Verfügung stehende Solarstromversorgungsanlage soll Ihnen anhand der Aufgaben einen Einblick in die Wirkungsweise einer modernen zukunftsweisenden
Stromversorgung ermöglichen.
Die Sonne als bedeutendste natürliche Energiequelle hat in Mitteleuropa eine durchschnittliche
spezifische Strahlungsleistung (über ein Jahr gemittelte Energiestromdichte) von
e& = 125 W/ m 2 . Das Problem besteht darin, die naturgegebenen Besonderheiten des Angebotsprofils der solaren Energielieferung an das Energiebedarfsprofil der Verbraucher möglichst optimal anzupassen. Genau daraus ergibt sich im Bereich des 45. Breitengrades die nur bedingte
Nutzbarkeit der Solarenergie zur Stromerzeugung. Da im Winterhalbjahr nur ein vermindertes
Angebot vorhanden ist, fallen ca. 75% der jährlich nutzbaren Sonnenenergie im Sommer an.
Um eine Leistung von 2 kW zu erreichen, benötigt man ca. 20 m2 Solarzellenfläche, weil die über
ein Jahr gemittelte Energiestromdichte im Landkreis Nordhausen nur 100 ... 115 W / m2 beträgt.
Setzt man 1600 h Sonnenschein als mittlere nutzbare Sonnenscheindauer im Landkreis Nordhausen an, beträgt die mittlere Energiestromdichte während des Sonnenscheins 625 W / m2 .
Berücksichtigt man den Wirkungsgrad einer Solarstromanlage von η = 0.1 , ergibt sich eine durch
diese Anlage gewinnbare Elektroenergie pro Jahr von
0.1 ⋅ 625 W ⋅ 20 m 2 ⋅ 1600 h
Wel = η ⋅ e& ⋅ A ⋅ t =
= 2000 kWh .
m2
Für die Nutzung des Solarstromes ist die Zwischenspeicherung in Akkumulatoren erforderlich,
wenn man auf Netzeinspeisung verzichten will. Wenn außerdem sowohl Niederspannungsgeräte
als auch für 220 V Wechselspannung ausgelegte Geräte betrieben werden sollen, ist zusätzlich
ein Inverter zu installieren.
Bei Großanlagen sind die Verluste in der Batterieanlage und im Inverter mit ca. 50% des erzeugten Stromes anzusetzen. Durch die Mindest-Einspeisevergütung von 48,1 Cent/kWh (Anlagen
vor 2002: 50,6 Cent/kWh) sorgt das Erneuerbare-Energien-Gesetz dafür, dass die Solarstromanlage finanziell kein Zugabegeschäft wird.
Die Entwicklung ist darauf gerichtet, den Wirkungsgrad und die Kosten von Solarzellen ständig
weiter zu optimieren, sodass eines Tages die Solarstromerzeugung eine mögliche reale Alternative zur Elektroenergieerzeugung aus fossilen und nuklearen Brennstoffen darstellt.
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Physikalisch-technisches Messpraktikum: E3
Die im folgenden dargestellte Gerätekonfiguration, wie Sie Ihnen für den Versuch zur Verfügung
steht, ist im Grundprinzip identisch mit allen größeren bereits ausgeführten Anlagen:
1.6 A
17
Akku voll
Solar modul M40
Last abgeschalten
V
- 1
Sicherungskasten
A
+
V
7
9.5 Ω
3A
19 20 21 22
-
6
10
8
A
9
11
-
12 V
12
+
14
13
Solar - Laderegler
A
Abb. 1:
Schaltplan der Solarstromversorgungsanlage
Die Schaltung zeigt Ihnen den Stromlauf, die Anschlussbuchsen für die Messgeräte und die Anschlusspunkte für die Last:
Gleichspannungsverbraucher:
Buchse 11 12 V
Buchse 12 +
Wechselspannungsverbraucher:
Buchse 18
220 V, 50 Hz
Buchse 16
Strom-Spannungskennlinien sind messtechnisch durch Veränderung des Lastwiderstandes RL
erfassbar und gehören zu den wichtigsten technischen Beurteilungskriterien von Solarzellen.
Der Strom als Funktion der Spannung einer als pn-Übergang geschalteten Solarzelle setzt sich
aus 2 unabhängigen Bestandteilen, dem nur von der Spannung U abhängigen Diodenstrom ID
und dem nur von der spezifischen Strahlungsleistung e& abhängigen Fotostrom Iphot, zusammen:
I (U ) = I D (U ) − I phot (e& )
(
)
= I 0 eU / U T − 1 − I phot (e& )
Hierbei ist I0 der Sättigungsstrom in Dioden-Sperrrichtung sowie UT die sog. Thermospannung,
die für Zimmertemperatur den Betrag von 25 mV annimmt. Der Kurzschlussstrom IK, der bei
verschwindendem Lastwiderstand RL = 0 fließt: I K = I (U = 0 ) = − I phot (e& ) und die Leerlaufspannung UL, die bei geöffnetem Anschluss
RL → ∞ als U L = U (I = 0 ) = U T ⋅ ln (1 + I phot / I 0 )
gemessen werden kann, sind die Schnittpunkte der Strom-Spannungskennlinie mit den Koordinatenachsen (Abb. 2).
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60 W
16
DC AC
Inverter
5 4 3
100 Ω
2A
15 W 25 W
V
15
3A
2 +
18
A
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Für eine maximale Leistungsentnahme Pm ist der Punkt auf der Strom-Spannungskennlinie zu
suchen (Abb. 2), für den das entsprechende Produkt Um * Im, also die zugehörige Rechteckfläche
maximal wird.
Der Wirkungsgrad η einer Solarzelle ist definiert
aus dem Quotient der Maximalleistung Pm bei anI
gepassten Lastwiderstand und der einfallenden
Lichtleistung als Produkt aus Strahlungsleistung ė
ė=0
und Solarzellenfläche A.
Ein weitere Parameter zur Charakterisierung einer
U
Solarzelle ist der Füllfaktor FF. Dieser Füllfaktor ist
Um
UL
mit
FF =
Um ⋅ Im
definiert und liegt normalerweise
UL ⋅ IK
im Intervall von 0,75 bis 0,85.
ė>0
Im
Strom-Spannungskennlinie einer als
Abb. 2:
pn-Übergang geschalteten Solarzelle ohne (obere
Kurve) und mit Beleuchtung.
IK
Literatur:
Mende, u.a., Physikpraktikum:
33.
Innenwiderstand eines Akkumulators
Quaschning, Regenerative Energiesysteme:
4.2
Funktionsweise von Solarzellen
4.4
Elektrische Beschreibung von Solarzellen
4.6
Solargenerator und Last
Internet: z.B. http://www.energieinfo.de (Glossar: Solarzelle, u.a.)
http://www.solarserver.de
Testfragen:
1. Wie ist eine Solarzelle prinzipiell aufgebaut? Nennen Sie die wichtigsten Typen von Solarzellen!
2. Was passiert bei Lichteinfall in der Solarzelle?
3. Welcher Wirkungsgrad ist mit serienmäßig hergestellten Solarzellen erreichbar? Woraus
resultiert der relativ niedrige Wirkungsgrad?
4. Skizzieren Sie die Kennlinie der beleuchteten Solarzelle! Erläutern Sie den Einfluss des
Lastwiderstandes auf die von der Solarzelle abgegebenen Leistung!
Hinweise zur experimentellen Durchführung:
Zu 1:
Diese Aufgabe ist nur lösbar, wenn die Globalstrahlung konstant ist (wolkenloser Himmel,
gleichmäßig bedeckter Himmel oder 1000 W Halogenstrahler).
Tragen Sie das Modul ins Freie. Richten Sie es durch Drehen und Neigen so aus, dass das Solarmeter das Maximum zeigt. Notieren Sie Datum, Uhrzeit, Bewölkungsgrad und Modulneigung
im Protokoll.
Schalten Sie Strom- und Spannungsmesser (DC) an die Buchsen 3 und 2 bzw. 1 und 2. Die
Verbindung 4 und 6 bleibt dabei immer offen!
Beginnen Sie zunächst mit der Messung der Leerlaufspannung (Urspannung) UL bei geöffneter
Verbindung 4 – 5.
Zur Aufnahme der Strom-Spannungscharakteristik des Solarmoduls wird die Verbindung 4 – 5
hergestellt und am Lastwiderstand ( 100Ω Schiebewiderstand unter dem Armaturenbrett) in ca.
10-15 Schritten vom Rechts- zum Linksanschlag die Messung durchgeführt. Protokollieren Sie in
einer Tabelle neben der gemessene Klemmspannung U und Stromstärke I die aktuelle Solarmeteranzeige (Energiestromdichte e& ).
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Physikalisch-technisches Messpraktikum: E3
Messen Sie zur Komplettierung der Strom-Spannungscharakteristik den Kurzschlussstrom IK
(liegt unter 10 A).
Erlauben die Witterungsbedingungen keine Messung im Freien, führen Sie den Versuch im Labor mit einem Halogenstrahler (1000 W) durch.
Stellen Sie dazu das Solarmodul senkrecht und im Abstand von ca. 1 m vom Halogenstrahler
so auf, dass eine möglichst gleichmäßige Beleuchtungsstärke über die gesamte Solarzellenfläche erreicht werden kann. Tasten Sie dazu mit Hilfe des Solarmeters die Solarzellenfläche ab.
Messen Sie nach endgültiger Fixierung des Strahlers und des Moduls jeweils in der Mitte aller
11 Modulreihen die Energiestromdichte e& mit dem Solarmeter.
Zu 2:
Um die Winkelabhängigkeit der Solarzellenleistung zu erfassen, stellen Sie den Lastwiderstand
möglichst so ein, dass die von Ihnen in Aufgabe 1 für maximale Zellenleistung zutreffenden
Werte für Strom und Spannung erreicht werden. Machen Sie demzufolge für diese Aufgabe einen ersten Überschlag zur Auswertung von 1.
Erfassen Sie jetzt von 0° bis 120° alle 10° die erreichten Werte für e& , U, I. Versuchen Sie diese
eine Messreihe unter konstanten Bedingungen bezüglich der Sonneneinstrahlung zu durchzuführen (volle Sonneneinstrahlung, Solarmodul im Schatten der Wolken oder auch im Gebäudeoder Baumschatten!). Erfassen Sie im Protokoll alle für das Ergebnis relevanten Bedingungen,
fertigen Sie eine Lageskizze an!
Sollten sich wider erwarten die Bedingungen während der Messreihe ändern, wiederholen Sie
die Messreihe.
Müssen Sie die Messungen im Labor mit dem Halogenstrahler durchführen, variieren Sei den
Winkel zwischen 0° und 80°. Erfassen Sie dabei wie bei 1. für jeden Winkel die Energiestromdichte in der Mitte aller 11 Modulreihen.
Zu 3:
Richten Sie das Solarmodul auf optimale Sonneneinstrahlung (bzw. nutzen den Halogenstrahler) aus.
Lösen Sie die Verbindung zum Lastwiderstand und den Messgeräten, indem Sie die Brücke von
Buchse 4 – 5 entfernen und schließen Sie die Batterieanlage an das Solarmodul durch Herstellung der Verbindung zwischen den Buchsen 2 - 3 und 4 – 6 an.
Messen Sie im Abstand von jeweils 1 min 10 x den Ladestrom (8 – 9) und Ladespannung (7 –
10) (DC) und protokollieren dazu jeweils die aktuelle Belichtungssituation des Moduls und die
am Solarmeter angezeigte Energiestromdichte (im Labor wieder 11 Werte!). Sollte sich während
dieser 10 Zeitpunkte die Beleuchtungssituation nicht ändern (speziell im Labor, aber auch draußen), erzeugen Sie nach 3 bzw. 6 Messungen eine definierte Veränderung (drin: Abstand ändern,
Neigung des Moduls ändern; draußen: Neigung ändern, in den Schatten stellen)!
Zu 4:
Zur Abgabe von Wechselspannung wird der Inverter in Betrieb genommen. Das Solarmodul
wird dazu abgeschalten (2 - 3 oder 4 - 6 unterbrechen).
Überprüfen Sie, ob der Inverter ausgeschalten ist!
Um die Eingangsleistung (Primärleistung) des Inverters zu messen, werden der Strommesser
an die Buchsen 13 und 14 und der Spannungsmesser an die Buchsen 11 und 12 (DC) angeschlossen.
Die Sekundärleistung wird mit dem Strommesser (Wechselstrombereich - AC) an den Buchsen
17 und 18 und dem Spannungsmesser (Wechselspannungsbereich) an den Buchsen 15 und 16
bestimmt. Stellen Sie die Verbindung zwischen den Buchsen 8 und 9 her. Schalten Sie den Inverter ein (Achtung: der Inverter braucht einige Sekunden, um seine Betriebsbereitschaft herzustellen). Ermitteln Sie für diesen Fall die aufgenommene Leerlaufleistung des Inverters (d.h. kein
Verbraucher - Verbindung von Buchse 16 zu den Glühlampen gelöst → unendlicher Widerstand). Schalten Sie den Inverter wieder aus!
Überlegen Sie sich in Vorbereitung des Versuches, welche Leistungsstufen Sie durch Kombination der Glühlampen realisieren können. Begrenzen Sie diese aber auf maximal 60 W.
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Physikalisch-technisches Messpraktikum: E3
Nach Zusammenschaltung der entsprechenden Verbraucherstufe, stellen Sie die Verbindung mit
der Buchse 16 her, schalten den Inverter an und nehmen Sie die jeweiligen Messwerte (U, I, U~,
I~) zu der jeweiligen Nennleistung der Glühlampen auf. Achten Sie bitte darauf, dass Sie vor
jeder Änderung der Leistungsstufe den Inverter ausschalten!
Hinweise zur Auswertung der Messergebnisse:
Zu 1:
Berechnen Sie zu jedem Messpunkt den aktuellen Lastwiderstand (RL = U/I) und die abgegebene Leistung (P = U*I). Stellen Sie die Strom-Spannungskennlinie (von der Leerlaufspannung UL
bis zum Kurzschlussstrom IK) sowie die Abhängigkeit der abgegebenen Leistung P von der gemessenen Klemmspannung U graphisch dar. Ermitteln Sie den Punkt maximaler Leistung. Geben Sie Um, Im, Pm und den dazugehörigen Lastwiderstand RL für den Punkt maximaler Leistung
an!
Bei Verwendung des Halogenstrahlers bilden Sie zur Ermittlung der auf dem Solarmodul eintreffenden Strahlungsleistung den Mittelwert aller 33 Module (bzw. aller 11 Modulreihen).
Vergleichen Sie qualitativ die von Ihnen ermittelte Kennlinie mit der zu erwartenden!
Berechnen Sie für den Betriebspunkt maximaler Leistung Pm in ihrem Messbereich den Wirkungsgrad η der Zelle. Das Modul M 40 besteht aus 33 in Reihe geschalteten Einzelzellen mit je
10 588.4 mm2 Fläche.
Ermitteln Sie für den Betriebspunkt maximaler Leistung den Füllfaktor FF!
Zu 2:
Berechnen Sie zu jedem Messwertsatz (U, I, e& ) die zugehörige Leistung P.
Stellen Sie die Abhängigkeit der abgegebenen Leistung P und der (mittleren) Strahlungsleistung
e& vom Neigungswinkel der Solarzellenfläche δ graphisch dar. Berechnen Sie die zugehörigen
Wirkungsgrade und stellen diese ebenfalls als Funktion des Winkels dar.
Leiten Sie aus geometrischen Überlegungen und den Messdaten her, welche funktionale Abhängigkeit zwischen der Leistung P und dem Neigungswinkel bestehen könnte! Beachten Sie
bei der Diskussion die unterschiedlichen Strahlungsquellen (Sonne, Halogenstrahler) und Bestrahlungsbedingungen (Bewölkung, reflektierende Flächen, schwache Zusatzbeleuchtungen wie
Zimmerbeleuchtung, Halbschattenbildung, ...). Warum ändert sich der Wirkungsgrad in Abhängigkeit vom Winkel?
Zu 3:
Stellen Sie die Ladeleistung, die Energiestromdichte und den Wirkungsgrad (Lichtleistung im
Vergleich zur Ladeleistung) als Funktion der Zeit graphisch dar. Diskutieren Sie die Abhängigkeit der Ladeleistung und des Wirkungsgrades von der Energiestromdichte, sollte sich diese
während der Messzeit geändert haben. Bestimmen Sie außerdem die durchschnittliche Ladeleistung und den durchschnittlichen Wirkungsgrad der Solarzelle während der Messzeit. Welchen Einfluss hat der Ladezustand des Akkus?
Zu 4:
Ermitteln Sie für den Fall des laufenden Inverters die aufgenommene Leerlaufleistung des Inverters. Berechnen Sie für alle Verbrauchsstufen die jeweilige Primär- und Sekundärleistung (Pp,
Ps) sowie den Wirkungsgrad η des Inverters (Verhältnis Sekundär- zur Primärstufe). Tragen Sie
in ein Diagramm die Abhängigkeit des Wirkungsgrades η von der Sekundärleistung Ps ein.
Begründen Sie die Notwendigkeit der Pufferbatterie! Diskutieren Sie die Abhängigkeit des Wirkungsgrades von der Sekundärleistung.
Versuchszubehör:
-
Solarstromversorgungsanlage
4 Multimeter
Solarmeter
Nordhausen, d. 01.03.11
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