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Übersicht über die Vorlesung Solarenergie
Vorläufige Terminplanung Vorlesung „Solarenergie“ WS 2005/2006
Stand: 10.11.2005
Termin
Di. 25.10.
Fr. 04.11.
Di. 01.11.
Di. 08.11.
Fr. 11.11.
Di. 15.11.
Fr. 18.11.
Di. 22.11.
Fr. 25.11.
Di. 29.11.
Di. 6.12.
Fr. 9.12.
Di. 13.12.
Fr. 16.12.
Di. 20.12.
Di. 10.01.
Di. 17.01.
Fr. 20.01.
Di. 24.01.
Di. 31.01.
Anfang Februar
Thema
Wirtschaftliche
Aspekte/Energiequelle Sonne
Allerheiligen
Symposium Automobile
Displaytechnik
Halbleiterphysikalische Grundlagen
Kristalline pn-Solarzellen
Elektrische Eigenschaften
Optimierung kristalliner Solarzellen
Technologie kristalliner Solarzellen
Anorganische
Dünnschichtsolarzellen
Organische Dünnschichtsolarzellen
Third generation Photovoltaics
Photovoltaische Systeme I
Photovoltaische Systeme II
Solarkollektoren
Weihnachtsferien
Passive Sonnenenergienutzung
Solarthermische Kraftwerke I
Energiespeiche/Solarchemie
Kostenrechnungen zu Solaranlagen
Energieszenarien
Exkursion
Dozent
Lemmer/Heering
verschoben wg. Krankheit
Lemmer
Heering
Heering
Lemmer
Lemmer
Lemmer
Lemmer
Lemmer
Heering
Heering
Heering
Heering
Lemmer
Heering
Heering
Lemmer
Heering/Lemmer
Solarmodul mit Widerstandslast
Nur bei 25 °C und E = 400 W m-2 wird der
Modul nahe dem MPP betrieben, sonst liegt
die abgegebene Leistung weit unterhalb der
möglichen Leistung
Arbeitspunkte: Schnittstellen
von I(U)-Kennlinie des Moduls
mit Widerstandsgeraden der
Last
Die Arbeitspunkte variieren mit
der Temperatur und der Bestrahlungsstärke, die am Modul
ansteht.
Solarmodul unter Konstantspannungslast
Wirkungsgrad vom DC-DC-Wandler
> 90%
Ohne Verluste im Wandler:
P1 = U1 ⋅ I1 = U 2 ⋅ I 2 = P2
Leistungsausbeute vom
Solargenerator erheblich
verbessert durch Gleichspannungswandler zwischen Modul und Verbraucher.
Der Umrichter wird
geregelt auf konstante
Spannung U1 am
Generator.
Tiefsetzsteller
C1 speichert Solarenergie bei geöffnetem
Schalter S (FET oder Bipolartransistor).
Nicht lückender Drosselstrom
C2 glättet die Ausgangsspannung.
di
uL = L 2
dt
⎧u D − u L = U1 − u L
u2 = ⎨
⎩ u D − u L ≈ −u L
mit u L > 0 für 0 ≤ t ≤ TE
mit u L < 0 für TE ≤ t ≤ TE + TA
TE
Tastverhältnis
u 2 = δ ⋅ U1 mit δ =
TE + TA
i2 = i1 / δ
Anpassung an eine
Last R, die stets eine
geringere Spannung
u2 benötigt als die
Spannung U1, die am
Solargenerator anliegt
Schaltfrequenz
f = 1/(TE + TA) =
20 – 200 kHz
Hochsetzsteller
Diode D verhindert ein Entladen von C2 bei
geschlossenem Schalter S.
u L = U1
mit u L > 0 für 0 ≤ t ≤ TE
u 2 = U1 − u L
mit u L < 0 für TE ≤ t ≤ TE + TA
TE + TA
u 2 = U1 ⋅
TA
Anpassung an eine Last R, die stets eine
höhere Spannung u2 benötigt als die
Spannung U1, die am Solargenerator anliegt
Invertierender Wandler
TE
u 2 = − U1 ⋅
TA
Eintakt-Sperrwandler
Funktionsweise wie beim invertierenden Wandler
TE 1
u 2 = U1 ⋅ ⋅
TA ü
Nur ist die Drossel durch einen Trafo mit Übersetzungsverhältnis ü ersetzt. Damit lassen sich höhere Ausgangsgleichspannungen realisieren.
Für größere Leistungen werden Gegentakt-Wandler mit mehreren
Leistungsschaltern als Gleichspannungswandler verwendet.
MPP-Tracker – Teil I
Konzept: Bei variablen Temperaturen und Bestrahlungsstärken wird dem
Solargenerator jeweils die größte Leistung entnommen, wenn über das veränderliche Tastverhältnis des Gleichspannungswandlers nicht auf eine
feste Spannung am Generator geregelt wird, sondern auf die Spannung
UMPP des jeweiligen MPP der Solarmodulkennlinie. Verfahren:
1. Sensorgesteuerte Regelung: Für gemessene Temperatur und Bestrahlungsstärke wird die MPP-Spannung berechnet und dann für eine vorgegebene Ausgangsspannung das Tastverhältnis so eingestellt, dass am
Generator die MPP-Spannung ansteht.
2. Regelung mittels einer Referenzzelle: Aus der Bedingung, dass im MPP
dP/dU=0 ist, erhält man die MPP-Spannung einer Referenzzelle:
U MPP = U OC − m
U MPP
kT
ln(1 +
)
e
m ⋅ kT / e
Misst man die Leerlaufspannung UOC dieser Referenzzelle, die nahe dem
Solargenerator positioniert wird, kann man damit die MPP-Spannung
berechnen und auf diese Größe dann regeln.
MPP-Tracker – Teil II
3. Suchschwingverfahren: Tastverhältnis wird nach jeder Leistungsmessung
geändert, und zwar in gleicher Richtung bei Leistungszunahme, in umgekehrter
Richtung bei Leistungsabfall.
4. Nulldurchgangsverfahren: Nach Messung von Strom und Spannung am
Generator, Multiplikation beider Größen und Differenzieren nach der Spannung
wird die Generatorspannung erhöht oder verringert, je nachdem ob die Ableitung
positiv oder negativ ist.
5. Regelung mittels differenzieller Änderungen: Aus dP/dU = 0 folgt: I⋅dU=-U ⋅dI
Regelung erfolgt auf die Gleichheit der Differenzenprodukte.
Akkumulator als Solarenergiespeicher
Blockingdiode, meist Shottky-Diode
(UD=0,55V), um Vorwärtsverluste
klein zu halten, verhindert Entladung des Akku über den Innenwiderstand des Generators bei geringer Einstrahlung.
Da die Ladeströme groß sind, sind
ausreichende Kabelquerschnitte
notwendig. Bei größeren Leistungen werden mehrere Akku in
Serie betrieben.
Batteriespannung steigt mit zunehmendem Ladestrom bzw. Bestrahlungsstärke; es werden bei unterschiedlichen Einstrahlungen „gute“
Arbeitspunkte erreicht – auf Spannungswandler und MPP-Tracker
kann meist verzichtet werden.
Laderegler
Serien-Laderegler
Parallel-Laderegler
Zur Verhinderung von Überladung und Tiefentladung des
Akkumulators werden Serienoder Parallel-Laderegler eingesetzt.
Vom Akku abgetrennt wird der
Verbraucher bei der Tiefentladespannung (11,4 V beim 12 V
Bleiakku) und die Ladung durch
den Generator wird bei der Ladeschlusspannung (14,4 V beim 12
V Bleiakku) unterbrochen.
Beim Serien-Laderegler entstehen ohmsche Verluste an S1 beim
Laden, wenn S1,wie üblich, als
Power-MOSFET ausgeführt ist.
Wechselrichter-Technologien
Inselwechselrichter: Gespeist aus einer Photovoltaikanlage zur dezentralen
Versorgung von handelsüblichen Geräten mit Wechselstrom, insbesondere bei
autonomen, nicht ans öffentliche Netz angeschlossenen Anlagen.
Netzgekoppelte Wechselrichter: Zur Einspeisung der Photovoltaikanlagenenergie
ins öffentliche Netz. Erfordert passende sinusförmige, mit dem Netz synchronisierte
Ausgangsspannungen!
Ausführungsformen von „Invertern“:
Zur Wandlung von Gleich- in Wechselstrom werden als schaltbare Ventile
MOSFET, Bipolar-Transistoren, IGBT, Thyristoren inkl. GTO oder Triac genutzt.
Kommutierung der Stromzweige entweder selbstgeführt, bei Inselnetzen,
oder netzgeführt, bei Netzeinspeisung
Unterschiedliche Ausgangsspannungsformen beim Rechteck-Wechselrichter,
Treppen-Wechselrichter und Sinuswechselrichter (pulsweitengesteuert):
Schaltbare Ventile
In netzgeführten
Wechselrichtern werden
Thyristoren Wechselspannung wird zum
Abschalten benötigt -,
in selbstgeführten Invertern
MOSFET, IGBT und GTO
als Vollbrücken-Schalter
eingesetzt.
Wechselrichter- Kenngrößen
Rated DC voltage - VDC
MPP voltage range - VMPP
Maximum DC voltage - VDCmax
SwitchOff voltage - VDCoff
Rated AC voltage - VAC
Rated DC current - IDC
Maximum DC current - IDCmax
Rated AC current - IAC
Maximum AC current - IACmax
Rated DC power - PDC
Maximum DC power - PDCmax
Rated AC power - PAC
Maximum AC power - PACmax
Power factor - cos φ
DC power Off - PDCoff
DC power On - PDCon
StandBy DC power - PDCStandBy
Night mode DC power - Pnight
Noise level - dBA
Temperature range - T
Distortion - k
Klassifizierung der Wechselrichter
Input:
photovoltage
Output:
current or
voltage
controlled
Rechteck-Wechselrichter
Zweipuls-Brückenschaltung (B2)
Durch Trafo Spannungsanpassung und galvanische Trennung!
Schalter 1 und 3 und dann 2 und 4 werden Rechteckform beinhaltet viele Oberschwingungen;
problematisch bei kapazitiven oder induktiven Einabwechselnd geschlossen und geöffnet.
gängen des Verbrauchers!
Sechspuls-Brückenschaltung (B6)
Zur Vermeidung von Asymmetrien durch
ungleiche Belastung der Zweige eines
Drehstromnetzes bei Einspeisung größerer
Ströme auf nur eine Phase
Allgemeine Anforderungen an Netzwechselrichter
Allgemein:
•hoher Wirkungsgrad, insbesondere
im Teillastbereich
•hohe Zuverlässigkeit
•Wartungsfreundlichkeit
•Geräuscharmut
•EMV
•Benutzerfreundlichkeit
•Schnittstellen, Auswertesoftware
•preiswert
Eingangsseitige Anforderungen an Netzwechselrichter
Eingangsseitig:
•Gute Anpassung an Solargenerator bei variabler
Solargeneratorspannung; Eingangsspannnung ≥ 48 V
für Leistungen oberhalb von eingen 100 W
•Maximum Power Point Tracking oder Konstantspannungsregelung
•Geringer Spannungsripple auf der Solargeneratorspannung
•Überspannungsfestigkeit bei Leerlauf und tiefen
Temperaturen
•Überlastfähigkeit
•Begrenzung der Eingangsleistung bei Übertemperatur
•Niedrige und stabile Ein- und Ausschaltschwellen
•Schutz gegen transiente Überspannungen
Ausgangsseitige Anforderungen an Netzwechselrichter
Ausgangsseitig:
•Möglichst sinusförmiger Ausgangsstrom (Stromquelle)
•Geringer Oberschwingungsgehalt im Strom
(VDE 0838, EN 60555)
•Strom in Phase zur Spannung, Leistungsfaktor=1
•Schnelle Abschaltung bei Netzfehlern
•Schutz gegen transiente Überspannungen
•Einhaltung aller relevanten Normen
Funktionsprinzip eines pulsweitenmodulierten
Wechselrichters
Regelung des Laststroms iIst (Regelgröße) auf einen der sinusförmigen
Netzspannung uNetz proportionalen
Sollstrom iSoll (Führungsgröße) durch
Pulsweitenmodulation der Ein- und
Ausschaltzeiten der Brückenhalbleiter
Durch R-L und L-C Filterung wird der
pulsierende Brückenstrom auf die
sinusförmige Grundwelle geglättet.
Symmetrische Taktung
S2,3
iSoll Sollwert des Netzstroms
u∆ Taktspannung (Abtastung)
S1,4 Steuersignal für die Transistoren 1 und 4
ein: u∆ < R iSoll, aus: u∆ > R iSoll
S2,3 Steuersignal für die Transistoren 2 und 3
aus: u∆ < R iSoll, ein: u∆ > R iSoll
uBr Ausgangsspannung der Transistorbrücke
uNetz Netzspannung
iIst Momentanwert des Drosselstroms weniger Ripple bei höherer Taktfrequenz
Schaltungskonzepte von Netzwechselrichtern
Thyristorwechselrichter, einphasig
+ wenige Komponenten
- eingeschränkter Spannungsbereich
+ kostengünstig, zuverlässig
- nicht potentialfrei
+ Wirkungsgrad maximal 94% - 97%
- Stromoberschwingungen
- kleiner Wirkungsgrad bei Teillast
Direkteinspeisender trafoloser Wechselrichter
+ wenige Komponenten
Solargeneratorspannung > 360 V
+ kostengünstig, zuverlässig
Solargenerator nicht potentialfrei
+ Wirkungsgrad 95% - 97%
EMV abhängig von Taktungsart
Trafoloser Wechselrichter mit Hochsetzsteller
+ großer Spannungsbereich
-Solargenerator nicht potentialfrei
+ zuverlässig
- komplexere Regelung
Wirkungsgrad ca. 94% - 95%
- zusätzliche Bauelemente
Wechselrichter mit 50 Hz Trafo
+ Solargenerator potentialfrei
Transformatorverluste
+ großer Spannungsbereich
Gewicht
+ EMV
Wirkungsgrad ca. 91% - 94%
Wechselrichter mit HF-Transformator
+ Solargenerator potentialfrei
-Verluste im HF-Trafo
+ großer Spannungsbereich
- aufwendiges Netzfilter
+geringes Gewicht
-Wirkungsgrad ca. 92% - 94%
Kommerzielle Netzwechselrichter
Wechselrichter-Wirkungsgrade
Durch die wechselnden solaren Bestrahlungsstärken wird der Wechselrichter
über lange Zeiten nur in Teillast betrieben. Deshalb müssen auch bei niedrigen
Leistungen hohe Wirkungsgrade erreicht werden. Insbesondere sollte der
Eigenverbrauch minimal und der Wechselrichter nicht überdimensioniert sein!
Solarpark Hemau – 4 MW PV-Anlage
32740 Module – 3,965 MW – eingespeist ins 20 kV-Netz, im April 2003 bei
Regensburg in Betrieb genommen, decken den Strombedarf von 4600 Personen.
Solarpark Mühlhausen – 6,3 MW PV-Anlage
Standort: Lkr. Neumarkt/Opf.
Region: Bayern
Inbetriebnahme: Dezember 2004
Installierte Leistung: 6.269 kWp
Modultyp: Sharp
Anzahl der Module: ca. 35.600
Ertragsprognose: ca. 6.750.000 kWh p.a.
Realisierung: PowerLight Corp.
Betreiber: Bavaria Solar GmbH & Co. KG
unterhält das derzeit weltgrößte SolarstromKraftwerk