1. Das photovoltaische Prinzip
- Schematischer Aufbau einer Solarzelle
Für die Energieumwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie sind zwei physikalische Vorgänge maßgebend. Ein Lichtquant genügend großer Energie fällt auf die Oberfläche der Solarzelle, durchdringt n-Zone und Feldzone (Raumladungszone) und wird in der p-Basis absorbiert. Es entsteht aufgrund der Absorption ein Elektron-Loch-Paar (Elektron im Leitungsband, Loch im Valenzband). Im p-Halbleiter sind Elektronen Minoritätsträger, Löcher sind Majoritätsträger. Das Elektron diffundiert in der p-Zone, bis es an die Grenze der Raumladungszone gelangt.
Das in der Raumladungszone herrschende starke elektrische Feld beschleunigt das Elektron und bringt es in die n-Zone, eine Ladungstrennung hat stattgefunden. Die Absorption eines Lichtquants in der n-Zone führt zum umgekehrten Vorgang: Bildung eines Elektronen-Loch-Paares. Löcher sind hier Minoritätsträger, sie gelangen an den Rand der Raumladungszone, werden beschleunigt und auf die p-Seite gebracht. Bei der Absorption in der Raumladungszone werden Löcher und Elektronen sofort getrennt.
- U/I-Kennlinie der Solarzelle
Als Ergebnis der Lichtstrahlung ergibt sich folgendes: erhöhte Konzentration von Elektronen im n-Halbleiter, erhöhte Konzentration von Löchern im p-Halbleiter. Eine elektrische Spannung hat sich zwischen Ober- und Unterseite der Solarzelle aufgebaut. Durch einen ohmschen Widerstand zwischen n- und p-Halbleiter entsteht ein Stromfluss, der so lange anhält, wie die Lichtstrahlung erfolgt. Lichtstrahlung wird direkt in elektrische Energie umgesetzt.
In der nebenstehenden U/I-Kennlinie kann man das grundsätzliche Verhalten des PN-Übergangs erkennen:
- Ohne Beleuchtung verhält sich der PN-Übergang wie eine normale Diode. Ab ca. 0,5 V (Überwindung der Diffusionsspannung) beginnt der PN-Übergang leitend zu werden. Danach steigt der Strom sehr steil an.
- Mit Beleuchtung wird aus dem "Passiven Zweipol" (Diode, PN-Übergang) ein "Aktiver Zweipol". Der PN-Übergang wird vom Verbraucher zur Quelle.
- Durch den Lichteinfall kommt zu dem charakteristischen Verlauf der Diodenkennlinie nun noch der Photostrom dazu. Die Diodenkennlinie "rutsch" nach unten in den 4. Quadranten (Quelle).
- Dabei sind zwei Extremwerte von Bedeutung: Kurzschlussstrom (2,5 A) und Leerlaufspannung (0,6 V)!
1.1 Die Solarzelle
Bei maximaler Sonneneinstrahlung (1000 W/m²) liefert die Zelle im optimalen Arbeitspunkt eine Spannung von ca. 0,5 Volt bei einem Strom von ca. 2,0 Ampère.
Die gelieferte Leistung beträgt damit:
P = U * I = 0,5V * 2A = 1 W
Die Fläche beträgt: A = 10cm * 10cm = 0,01m²
Auf die Fläche von 0,01m² werden ca. 10 Watt eingestrahlt (bei einer maximalen Sonneneinstrahlung von 1000 W/m²).
Der Wirkungsgrad einer Solarzelle berechnet sich somit zu:
n = Pab/ Pzu = 1 W/ 10 W = 0,1 (entspricht 10 %)
Das Modul SM55 (Siemens) hat einen Wirkungsgrad von ca. 12,7 %.
Im Labor werden heute bereits Wirkungsgrade von 30% erreicht. Der aktuell höchste erreichte Wirkungsgrad beträgt 41,1% (Fraunhofer-Institut für Solar Energiesysteme ISE in Freiburg - siehe Link ).
1.2 Das Solarmodul SM55
|
Datenblatt SM55 zum Download |
Aus dem Datenblatt ergeben sich die Kenndaten des Moduls SM 55 (Siemens):
- bei Sonneneinstrahlung von 1000 W/ m2 (Sommer, keine Wolke, senkrechter Sonnenstand) ergibt sich eine
- Spannung von U = 17,4 V und ein
- Strom von I = 3,15 A im MPP-Punkt (Maximum-Power-Point)
- Leerlaufspannung U = 21,7 V
- Kurzschlusstrom I = 3,45 A
- Abmessungen: 1,295 m x 0,332 m x 0,030 (B/H/T)
- Fläche des Moduls (inkl. Rahmen): A = 0,43 m²
Mit diesen Kenngrößen können nun unterschiedliche Strom- oder Spannungskonfiguration erreicht werden:
- bei Reihenschaltung der Module addieren sich die Spannungen
- bei Parallelschaltung der Module addieren sich die Ströme
2.1 Blockschaltbild der PV-Anlage
Die Photovoltaikanlage der Heinrich-Emanuel-Merck-Schule Darmstadt besteht aus zwei unterschiedlichen Systemen:
2.2 Netzeinspeisung
2.2.1 Verschaltung der Module
Beim Netzparallelbetrieb (linke Schranktür) wird Strom direkt in das Versorgungsnetz eingespeist. Die Module sind in 23 Strängen (Parallelschaltung) zu je 5 Modulen in Reihe verschaltet:
- 5 Module in Reihe je Strang (= 5 x 17,4 V) = 87 V
- Imax = 23 x 3,15 A = 72,45 A
- 23 Stränge (à 5 Module) = 115 Module
- Gesamtfläche der Module (115 x 0,43 m2) = 50 m2
- Pmax = 23 x 87 V x 3,15 A = 6,3 kW
- Pmax = 115 × 55W = 6,3 kW
Die Anlage ist im Rahmen des EEG angemeldet und die Schule erhält eine Einspeisevergütung von 0,49 €/ kWh. Die Vergütung wird für den Ausbau des Photovoltaik-Labors verwendet (Raum 314).
2.2.2 Netzgeführter Wechselrichter
Der in der Photovoltaikanlage der HEMS verwendete Netzwechselrichter stammt von der Fa. Solwex („classic“- Serie). Diese Serie wird nicht mehr produziert. Der Wechselrichter hat einen großen Leistungsbereich, mit verhältnismäßig hohem Wirkungsgrad, der ihn ideal für PV-Anlagen macht, deren Leistungsbereiche sehr weit gefächert sind.
Ein weiterer Vorteil dieses Wechselrichters zeigt sich in der dreiphasigen Netzüberwachung, die eine restlos spannungsfreie Abschaltung der Anlage garantiert, sowie einen ungewollten Insellauf verhindert.
Die unterschiedlichen Betriebsarten des Wechselrichters, werden mit Ausnahme des MPP-Betriebs nur im Einzelfall benötigt. Der MPP-Betrieb ist die Hauptbetriebsart, der dafür sorgt, dass immer die maximal mögliche Leistung entnommen werden kann.
Falls die PV-Anlage zuviel Leistung liefert, hält der Wechselrichter seine Nennleistung konstant auf maximalem Wert, so dass maximal eine Erhöhung der Eingangsspannung auftreten kann (I sinkt dann; s. Kennlinie).
Auch in dem Fall, dass die Umgebungstemperatur oder die Temperatur des Kühlkörpers im Wechselrichter ansteigt, ist eine Absicherung vorhanden, so dass der Wechselrichter seine Leistung mit steigender Kühlkörpertemperatur reduziert und bei 40°C Umgebungstemperatur abschaltet.
Die Messgrössen bzw. Werte des Wechselrichters können jederzeit über Pfeiltasten am Display des Wechselrichters eingesehen oder verändert werden.
|
|
Bedienungsanleitung und Blockschaltbild des Solwex-Wechselrichters |
Wechselrichtertheorie
|
|
Skript der Vorlesung "Solarenergie" von Prof. Heering (Universität Karlsruhe, Institut für Lichtechnik). |
|
|
Wechselrichter in PV-Anlagen: Grundlagen - Störaussendungen - Netzanschlussbedingungen. Von Prof. Jürgen Schlabbach, FH Bielefeld |
2.2.3 Energieertrag
Durch eine Reihenschaltung von jeweils 5 Modulen pro Strang und 23 parallelen Strängen liefert die Photovoltaikanlage bei maximaler Sonneneinstrahlung ca. 6,325kW Leistung.
Dabei fließt ein Strom Impp = 72 A bei einer Spannung von Umpp = 87 V.
Auf einer Fläche von ca. 55 m² werden so jedes Jahr ca. 6.000 kWh/a Energie produziert.
Seit Inbetriebnahme der Anlage sind in 17 Jahren etwas mehr als 100.000 kWh Energie produziert worden (Stand: 01.05.2009).
2.2.4 Photovoltaische Netzeinspeisung
Die Aufgabe des Wechselrichters besteht darin, die gewonnene elektrische Energie (Gleichstrom) durch die Solarzellen netzsynchron (230V/50Hz) ins öffentliche Netz einzuspeisen. Erst damit ist eine praktisch uneingeschränkte Nutzung der produzierten Solarenergie gewährleistet.
Das Ziel ist es, aus Gleichstrom einen sinusförmigen Wechselstrom mit der Frequenz von 50Hz umzuwandeln. Zudem ist eine Anpassung an den Spannungspegel und die Phasenlage erforderlich, damit man gewährleisten kann, dass sich durch verschobene Phasen kein Energieausgleich stattfindet.
Die erzeugte Gleichspannung der Solarzellen (+/- 90V) wird durch den Wechselrichter (5kW) netzsynchron in das EVU-Netz (HEAG) eingespeist (230V/400V). Die Heinrich-Emanuel-Merck-Schule Darmstadt besitzt einen einphasigen Wechselrichter.
2.3. Inselnetz
2.3.1 Verschaltung der Module
Die Module im Inselnetz der PV-Anlage der HEMS sind in fünf Strängen parallel geschaltet. Jeder Strang besteht aus zwei Modulen, welche in Reihe geschaltet sind. Am Inselnetz kann man eine Leistung von max. 0,6kW bei 34V nutzen.
Das Inselnetz (rechte Schranktür) ist mittlerweile nur noch für den Experimentierbetrieb ausgelegt. Gegenüber der ursprünglichen Verschaltung (24 Module) wurde die Zahl der Module deutlich reduziert (10 Module) und auf die Netzeinspeisungsseite aufgeschaltet (damit erhöht sich die Einspeisevergütung, die die Schule erhält).
- 2 Module in Reihe je Strang (= 2 x 17,4 V) = 34,8 V
- Imax = 5 x 3,15 A = 15,75 A
- 5 Stränge à 2 Module = 10 Module
- Pmax = 5 x 34,8 V x 3,15 A = 0,55 kW
- Pmax = 10 × 55W = 0,55 kW
2.3.2 Wechselrichter
An dem Wechselrichter Marathon 2400 liegt eine Eingangsspannung von 24 V-DC an und die Ausgangsspannung beträgt 230 V-AC. Er hat eine Dauerleistung von 2400 Watt und einen Leerlaufverlust von 10,5 Watt.
Für kurze Zeit ist der Wechselrichter Marathon 2400 in der Lage eine Überlast von bis zu 9000 Watt zu erbringen.
- Marathon 2400 und Wirkungsgrad des Wechselrichters
|
|
Bedienungsanleitung des Marathon-Wechselrichters |
2.3.3 Energiespeicher
Als Energiespeicher dienen momentan zwei Akkumulatoren mit je 12V/ 50Ah.
Die beiden Akkumulatoren speichern eine Energie von
12 V x 50 Ah = 600 Wh = 0,6 kWh
2.3.4 Der Laderegler TAROM 245- Allgemeines
Der Laderegler überwacht den Ladezustand der Batterie, steuert den Ladevorgang sowie die Zu- und Abschaltung der Verbraucher. Damit wird die Batterie optimal ausgenutzt und ihre Lebensdauer erheblich verlängert. Der TAROM 245 Laderegler wird werkseitig für Blei-Akkumulatoren mit flüssigem Elektrolyt ausgeliefert und kann für Akkumulatoren mit festgelegtem Elektrolyt (z.B. Gelbatterien) umgestellt werden.
Bei der PV-Anlage der HEMS, wurde der TAROM 245 Laderegler verwendet, da dieser mit mehreren Eigenschaften überzeugte, wie z.B. dass dessen Regel- Steuer- und Anzeigefunktionen von einen Mikroprozessor erfüllt werden und die Leistungsbauteile ausschließlich aus verlustarmen MOS-FET-Transistoren bestehen, welche eine hohe Schaltlebensdauer aufweisen und durch geringe Verlustleistung einen hohen Wirkungsgrad garantieren und somit zu einer geringen Eigenerwärmung (Verlustleistung) des Geräts führen.
Der SOC ("State of Charge")
Mit Hilfe eines neuartigen Algorithmus ist der Regler in der Lage, die Kennlinie des Akkumulators zu „lernen“. Nach Abschluss dieser Lernphase von mehreren Tagen wird der Ladezustand (SOC „State of Charge“) angezeigt. Dieser Ladezustand ist Grundlage der meisten Regel- und Überwachsfunktionen. Der Ladezustand wird immer auf die aktuelle Kapazität bezogen, die die Batterie entsprechend ihres Alters bereits angenommen hat. So bedeutet ein SOC von 50% nicht, dass noch die Hälfte der Nennkapazität der Batterie verfügbar ist, sondern nur noch die Hälfte der Kapazität, die die Batterie derzeit noch hat.
Der Ladezustand ist nicht abhängig von der Batteriespannung sondern von der entnommenen Energiemenge. Bei handelsüblichen Ladereglern wird meistens eine Entlade- Endspannung ermittelt, die nur in wenigen Betriebzuständen der Entladetiefe entspricht. Beim Entladen wird die Nennsäuredichte reduziert, und Sulfate (Salzkristalle) an den Batterieplatten angelagert. Bei zu tiefer Entladung führt jedoch dieses Kristallwachstum zur schädlichen Sulfatation, die die Batteriekapazität stark reduziert und somit die Batterie zur Energiespeicherung untauglich macht.
Temperatur-Nachführung der Lade-Endspannung
Bei Blei-Säure-Batterien sinkt die optimale Lade-Endspannung mit zunehmender Batterietemperatur. Eine konstant eingestellte Lade-Endspannung führt bei höheren Batterietemperaturen zu unkontrollierter Gasung. Die Temperatur-Nachführung senkt bei hohen Temperaturen die Lade-Endspannung ab und hebt sie bei niedrigen an. Die Temperatur-Nachführung mit dem, im Solarladeregler integrierten Sensor, beeinflusst alle drei Überladeschwellen.
Spannungserfassung
Ein spezielles Messverfahren erübrigt Akku-Fühlerleitungen. Der Spannungsabfall auf der Akkuleitung wird bereits nach der ersten Volladung kompensiert. Dadurch kann auf einen zusätzlichen Fühler verzichtet werden, die Installation wird vereinfacht und die Zuverlässigkeit der Anlage steigert, da ein Fühlerbruch ausgeschlossen werden kann. Die Messgenauigkeit ist jedoch nicht so hoch wie bei Fühlerleitungen.
Schnell- und Ausgleichsladen
Der TAROM 245 hebt nach Unterschreiten eines festgelegten Ladezustands bei dem nächsten Ladezyklus die Lade-Endspannung für einen begrenzten Zeitraum an. Dabei ist der Count - Down nur dann aktiviert, wenn die erwünschte Endspannung nahezu erreicht ist. Daher ist darauf zu achten, dass der Solargenerator bei den entsprechenden End- Spannungen auch ausreichend Ladestrom zur Verfügung stellen kann. Allerdings ist darauf zu achten, dass die Endspannung nicht zu hoch im Verhältnis zur Generatorspannung gewählt wird, da der Count- Down sonst nie gezählt wird und somit die Batterie ungeregelt geladen wird. Bei Notwendigkeit, kann manuell eine zeitbegrenzte Boost-Ladung aktiviert werden. Die Nutzung Ausgleichsladung ist nur dann möglich und programmierbar, wenn eine Batterie mit flüssigem Elektrolyten konfiguriert wurde. Sie wird aktiviert, wenn die Batterie einen niedrigen Ladezustand unterschritten hat.
|
|
TAROM-Laderegler_Bedienungsanleitung.pdf Bedienungsanleitung zum Download |
2.3.5 Verbraucher
Am Inselnetz können folgende Verbraucher zur Lastsimulation angeschlossen werden:
- 6 Leuchtstoffröhren (ca. 0,216 kW = 6 x 36 W)
- 12 Leuchtstoffröhren (ca. 0,432 kW = 12 x 36 W)
- 1 Heizofen (ca. 0,276 kW)
Die Leuchtstoffröhren sind in zwei Stromkreise aufgeteilt. Am ersten Stromkreis sind 6 Röhren und am zweiten 12 Leuchtstoffröhren angeschlossen. Eine Leuchtstoffröhre hat 36 W.
Mit diesen drei Verbrauchern können unterschiedliche Lastverhältnisse simuliert werden.