Teil 4
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1 Kenndaten verschiedener Speichertechnologien Die angegebenen Werte verstehen sich als Richtwerte. Aus den Tabellenwerten lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen: - hinsichtlich Leistungs- und Energiedichte ist der Kraftstofftank überlegen - Wiederaufladbare Lithiumbatterien haben eine verhältnismäßig hohe Energie- und Leistungsdichte, jedoch ist die Lebensdauer gering und die Marktreife ist noch nicht erreicht. - Trockenbatterien (Primärzelle) sind wegen der Nichtwiederaufladefähigkeit für Photovoltaikanlagen ungeeignet. - Die Lebensdauer von wiederaufladbaren Blei- und NiCd-Batterien reicht bei täglichem Ladevorgang für ca. 3 Jahre. 2 Kenngrößen von Akkumulatoren Zur Erhöhung der speicherbaren Energie können mehrere Batterien zusammengeschalten werden: Parallelschaltung Die Gesamtspannung ist gleich der Spannung der einzelnen Batterie. Probleme können bei unterschiedlichem Alterungszustand der einzelnen Batterien auftreten (unterschiedliche Kapazitäten). Die Folge sind Ausgleichsströme zwischen den parallelgeschalteten Batterien. Reihenschaltung Die Gesamtspannung ist gleich der Summe der Spannungen der einzelnen Batterien. Bei Ausfall einer Batterie bricht das gesamte System zusammen. 3 Für Solaranlagen geeignete Akkumulatoren Für Photovoltaikanlagen sollten Batterien eingesetzt werden, die folgende Anforderungen erfüllen: - hoher Wirkungsgrad (Ladefaktor) - Tiefentladefestigkeit - hohe Lebensdauer (> 2000 Zyklen bei einer 35% Entladetiefe ). Unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten sind ortsfeste Bleiakkumulatoren zu bevorzugen. 4 Lebensdauer von Batterien Die in der Praxis erreichbare Lebensdauer ist stark von der Zyklentiefe abhängig. 5 Strom- und Spannungsverlauf beim Ladevorgang Für die Lebensdauer der Batterie ist wichtig, dass die Ladegrenzspannung nicht überschritten wird. Im Falle einer kontinuierlichen Laderegelung wird nach Erreichen der Ladegrenzspannung der Ladestrom so geregelt, das die Spannung konstant bleibt. Neuere Photovoltaikladeregler führen eine 2-Stufen-Laderegelung durch, wobei die Ladegrenzspannung nur für ca. 30 Minuten konstant gehalten wird. Anschließend wird die Spannung auf einen Bleiakkumulatoren auf 2,3 V/Zelle). niedrigeren Wert herunter geregelt (Bei 6 Photovoltaiksysteme mit Energiespeicher Einfache Photovoltaiksysteme werden lediglich mit einer Entladeschutzdiode ausgerüstet. Dies setzt eine exakte Auslegung der Photovoltaikgeneratorgröße voraus (Die MPP-Punkte liegen im Bereich der Batteriespannungen). Ist eine derartige Auslegung nicht möglich, werden Ladestrombegrenzer eingesetzt. 7 Laderegler mit Längsregelung Der Laderegler öffnet bei Erreichen der Ladegrenzspannung den Serienkontakt. Wird die Tiefentladegrenze erreicht, erfolgt ein Lastabwurf. Die Nachteile des Serienreglers beruhen in: - Spannungsabfall und damit Leistungsverluste im Schalttransistor (Serienkontakt) - Bei tiefentladener Batterie können Probleme bezüglich der Stromversorgung des Reglers auftreten. (Serienkontakt bleibt auch nachts geöffnet, er ersetzt die Entladeschutzdiode). 8 Laderegler mit Kurzschlussregelung Die Kurzschlussregelung schließt den Solargenerator nach Ende des Ladevorganges kurz. Der auftretende Kurzschlussstrom ist dann gleich dem maximal möglichen Solargeneratorstrom - eine normale Belastung für den Solargenerator. 9 Die Temperatureinflüsse der Batterie entnehmbare Kapazität ist sowohl abhängig von der Entladestromstärke als auch von der Temperatur. Die Ladeschlussspannung ist ebenfalls temperaturabhängig. Moderne Laderegler berücksichtigen diese Umstände. Über einen Temperatursensor wird die Batterietemperatur gemessen und die Regelparameter(Ladeschlussspannung entsprechend verändert. und Tiefentladegrenze) werden In den Wintermonaten wird demzufolge eine höhere Kapazität eingeladen. 10 Microcontroller- gestützte Laderegelung Mittels mikrocontrollergestützter Laderegelung können auch Teile des Photovoltaikgenerators gesteuert und ebenfalls Teillastabschaltungen durchgeführt werden. Damit sind sogenannte Batterie- und Lastmanagementlösungen realisierbar. Mit der Erfassung von Batteriestrom und Batteriespannung kann über den augenblicklichen Ladezustand der Batterie geurteilt werden. 11 Abhängigkeit der Arbeitspunkte Werden unterschiedliche Verbraucher an einen Photovoltaikgenerator geschalten, ergeben sich unterschiedliche Arbeitspunkte. Nur der Verbraucher erhält bei der Einstrahlung B die maximale Leistung. Ein zwischen Solargenerator und Verbraucher geschalteter Anpasswandler soll Leistungsfehlanpassungen verhindern. Der optimale Arbeitspunkt des Solargenerators ist der MPP. Damit wäre zur Leistungssteigerung eine ständige Nachführung erforderlich (MPP-Tracking). Praktische Untersuchungen haben Veränderung des MPP geringfügig ist. gezeigt, dass die spannungsmäßige In dem Messbeispiel wäre ein nahezu optimaler Energieertrag vorhanden, wenn die Solargeneratorspannung auf 15V konstant gehalten würde. Zu diesem Zweck werden Anpasswandler als DC/DCWandler eingesetzt. 12 Einsatz von Anpasswandlern Das Beispiel zeigt eine über einen Anpasswandler versorgte ohmsche Belastung, die auf die maximale Einstrahlung C ausgelegt ist. Bei sehr geringer Einstrahlung A würde sich ohne Anpasswandler der Arbeitspunkt I1`, U1` ergeben, was der Leistung (Fläche) P1` entspricht. Die bei dieser Einstrahlung mögliche Leistung des Solargenerators beträgt P1. Durch den Anpasswandler wird eine Arbeitspunkttransformation nach I2, U2 durchgeführt, mit dem Ziel, die zur Verfügung stehende Leistung P1 als P2 zu verbrauchen (ohne Verluste im Anpasswandler ist P1=P2). Durch den Anpasswandler wird der Verbraucher anstelle mit der Leistung P1` mit der Leistung P2 versorgt. Anpasswandler sind als Tiefsetzsteller, Hochsetzsteller und invertierende Wandler verfügbar. 13 Der Tiefsetzsteller Liegen die Arbeitspunkte der Last bei unterschiedlichen Einstrahlungen immer links vom MPP (kleiner als die UMPP), wird der Tiefsetzsteller eingesetzt. Mit einer Taktfrequenz von einigen kHz bis Mhz wird der Schalter S betätigt. Über das Tastverhältnis lässt sich die Spannung U2 zwischen 0 und der Solargeneratorspannung einstellen. Damit wird der Verbraucherwiderstand RL in einen Ersatzwiderstand RE verändert. Niederohmige Verbraucher werden zu einer Ersatzlast mit höherem Widerstand umgewandelt - deren Kennlinie verläuft flacher - durch den der Einstrahlung entsprechenden MPP. 14 Der Hochsetzsteller Der Hochsetzsteller transformiert einen hochohmigen Verbraucher in einen niederohmigen. Die Kennlinie des Ersatzverbraucher wird steiler. Der Hochsetzsteller eignet sich für Kennlinien mit rechts neben den MPP liegenden Betriebsspannungen (Ventilatoren). 15 Der invertierende Wandler Der invertierende Wandler eignet sich für alle Lastwiderstände. Neuere Anpasswandler bieten Zusatzfunktionen wie - Begrenzung der Ausgangsspannung - Ferneinschaltung etc. an. 16 Regelstrategie eines MPP-Trackers Ist der Betrieb des Solargenerators im MPP erforderlich, kann durch den Einsatz eines invertierenden Wandlers die Kennlinie des Ersatzverbrauchers geregelt werden, bis die maximale Leistung im Verbraucher umgesetzt wird. 17 Der Wechselrichter Selbstgeführte Wechselrichter sollten in Photovoltaikanlagen nur dann eingesetzt werden, wenn keine geeigneten Gleichstromverbraucher zur Verfügung stehen. Aus Gründen der Energiebilanz sollte der Wechselrichter nur bei Bedarf in Betrieb genommen werden. Bei variabler Belastung können Master-Slave-Konfigurationen eingesetzt werden, wobei über eine Lasterkennung der leistungsmäßig kleinere Slave-Wechselrichter die Dauerversorgung übernimmt, der Master hingegen bei Leistungs- bedarf zugeschaltet wird. 18 Pulsbreitensteuerung Die Eingangsspannung wird mit einer Frequenz von einigen kHz getaktet. Durch die Variierung der Einschaltdauern kann eine sinusförmige Spannung gebildet werden. 19 Wechselrichterprinzipien Neben Wechselrichtern mit Transformator können auch transformatorlose Wechselrichter zum Einsatz kommen. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Nutzung verschiedener Strangspannungen zur Bildung der sinusförmigen Spannung (Treppenfunktion). 20 Eigenschaften von Wechselrichtern Durch die Integration von Filtern lasen sich auch einfache Wechselrichter für sinusförmige Spannungen realisieren. 21 Energieaufbereitungskonzepte Für netzgetaktete Wechselrichter gibt es unterschiedliche Möglichkeiten zur Ankopplung des Photovoltaikgenerators: a) zentraler Wechselrichter b) zentraler Wechselrichter bei vorheriger Gleichspannungsanhebung c) Modulintegrierte Wechselrichter d) Stringwechselrichter 22 Photovoltaik-Anlagenkonfigurationen Die Entwicklung der Wechselrichtertechnologie hat zu immer kleineren Baugrößen geführt, so dass heute bereits erste Wechselrichter zur Integration Photovoltaikmodule verfügbar sind und damit Wechselstrommodule entstehen. Die Vorteile von Wechselstrommodulen (II) werden aus der Tabelle ersichtlich. in 23 Auswahl kommerzieller Kleinwechselrichter Die Tabelle vermittelt eine Übersicht über verfügbare Kleinwechselrichter.
