Teil 4

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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.
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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.
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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.
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Lebensdauer von Batterien
Die in der Praxis erreichbare Lebensdauer ist stark von der Zyklentiefe abhängig.
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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
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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Der invertierende Wandler
Der invertierende Wandler eignet sich
für alle Lastwiderstände.
Neuere Anpasswandler bieten
Zusatzfunktionen wie
- Begrenzung der Ausgangsspannung
- Ferneinschaltung etc.
an.
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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.
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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.
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Pulsbreitensteuerung
Die Eingangsspannung
wird mit einer Frequenz
von einigen kHz getaktet.
Durch die Variierung
der Einschaltdauern kann
eine sinusförmige Spannung gebildet werden.
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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).
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Eigenschaften von Wechselrichtern
Durch die Integration von Filtern lasen sich auch einfache Wechselrichter für
sinusförmige Spannungen realisieren.
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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
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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
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Auswahl kommerzieller Kleinwechselrichter
Die Tabelle vermittelt eine Übersicht über verfügbare Kleinwechselrichter.
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