11.1Übersicht über die Vorlesung Solarenergie

Vorläufige Terminplanung Vorlesung „Solarenergie“ WS 2007/2008 Stand: 10.01.2008

Vorlesung Nr.

Termin Thema Dozent

1 Di. 23.10.07 Einleitung/Wirtschaftliche Aspekte Lemmer 2 Fr. 26.10.07 Energiequelle Sonne Lemmer - Di. 06.11.07

Inauguration Karlsruhe School of Optics & Photonics

Lemmer

3 Fr. 9.11.07 Halbleiterphysikalische Grundlagen Lemmer 4 Di. 13.11.07 Kristalline Silizium-Solarzellen Lemmer 5 Fr. 16.11.07 Elektrische Eigenschaften Lemmer 6 Di. 20.11.07 Optimierung kristalliner Solarzellen Lemmer 7 Fr. 23.11.07 Optimierung kristallinger Solarzellen Lemmer

-keine Vorlesung in KW 48 !! 8 Di. 04.12.07 Anorganische Dünnschichtzellen I Lemmer 9 Di. 11.12.07 Anorganische Dünnschichtzellen II Lemmer 10 Di. 18.12.07 Third Generation Photovoltaics Lemmer - - Weihnachtsferien

Lemmer

11 Di. 08.01.08 Third Generation Photovoltaics/R2R Lemmer 12 Fr. 11.01.08 Systemtechnik I Lemmer 13 Di. 15.01.08 Systemtechnik II/Solarthermische

Kraftwerke Lemmer

13 Di. 22.01.08 Vorlesung Lemmer 14 Di. 29.01.08 Vorlesung Lemmer 15 Fr. 01.02.08 Vorlesung Lemmer 16 Di. 05.02. 08 Energieszenarien Lemmer 17 Di. 12.02.08 Exkursion Lemmer

11.2Invertierender Wandler

E2 1

A

Tu UT

= − ⋅

11.3Eintakt-Sperrwandler

E2 1

A

T 1u UT ü

= ⋅ ⋅

Funktionsweise wie beim invertierenden Wandler

Nur ist die Drossel durch einen Trafo mit Übersetzungs-verhältnis ü ersetzt. Damit lassen sich höhere Ausgangs-gleichspannungen realisieren.

Für größere Leistungen werden Gegentakt-Wandler mit mehreren Leistungsschaltern als Gleichspannungswandler verwendet.

11.4MPP-Regler (Tracker)

Konzept: Bei variablen Temperaturen und Bestrahlungsstärken wird dem Solargenerator jeweils die größte Leistung entnommen, wenn über das ver-änderliche Tastverhältnis des Gleichspannungswandlers nicht auf eine feste Spannung am Generator geregelt wird, sondern auf die Spannung UMPP des jeweiligen MPP der Solarmodulkennlinie

11.5MPP-Tracker – Teil I

Verfahren:

1. Sensorgesteuerte Regelung: Für gemessene Temperatur und Bestrah-lungsstärke wird die MPP-Spannung berechnet und dann für eine vorge-gebene 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:

Misst man die Leerlaufspannung UOC dieser Referenzzelle, die nahe dem Solargenerator positioniert wird, kann man damit die MPP-Spannungberechnen und auf diese Größe dann regeln. MPP

MPP OCUkTU U m ln(1 )

e m kT / e= − +

⋅

11.6MPP-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 ⋅dIRegelung erfolgt auf die Gleichheit der Differenzenprodukte.

11.7Akkumulator als Solarenergiespeicher

Blockingdiode, meist Schottky-Diode(UD=0,4 V), um Vorwärtsverluste klein zu halten, verhindert Entladung des Akkus 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 zuneh-mendem Ladestrom bzw. Bestrah-lungsstärke; es werden bei unter-schiedlichen Einstrahlungen „gute“Arbeitspunkte erreicht – auf Span-nungswandler und MPP-Tracker kann meist verzichtet werden.

11.8Laderegler

Zur Verhinderung von Überla-dung und Tiefentladung des Akkumulators werden Serien-oder Parallel-Laderegler ein-gesetzt.

Vom Akku abgetrennt wird der Verbraucher bei der Tiefentlade-spannung (11,4 V beim 12 V Bleiakku) und die Ladung durch den Generator wird bei der Lade-schlusspannung (14,4 V beim 12 V Bleiakku) unterbrochen.

Beim Serien-Laderegler entste-hen ohmsche Verluste an S1 beim Laden, wenn S1,wie üblich, als Power-MOSFET ausgeführt ist.

Serien-Laderegler

Parallel-Laderegler

11.9Klassifizierung der Wechselrichter

Quelle: FZ Jülich

11.10Klassifizierung der Ventile

Quelle: FZ Jülich

11.11Rechteck-Wechselrichter

Zweipuls-Brückenschaltung (B2)

Schalter 1 und 3 und dann 2 und 4 werden abwechselnd geschlossen und geöffnet.

Rechteckform beinhaltet viele Oberschwingungen;problematisch bei kapazitiven oder induktiven Ein-gängen des Verbrauchers!

Durch Trafo Spannungs-anpassung und galvani-sche Trennung!

11.12Rechteck-Wechselrichter

Sechspuls-Brückenschaltung (B6)

Zur Vermeidung von Asymmetrien durch ungleiche Belastung der Zweige eines Drehstromnetzes bei Einspeisung größerer Ströme auf nur eine Phase

11.13Funktionsprinzip eines pulsweitenmodulierten Wechselrichters

Regelung des Laststroms iIst (Regel-größe) 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.

11.14Transformatorlose Geräte ohne Hochsetzsteller

Das Fehlen des Netztransformators führt zu einer erheblichen Einsparung an Gewicht, Volumen und Kosten, und der Wirkungsgrad liegt um mehrere Prozentpunkte über dem vergleichbarer Transformatorgeräte.

Quelle: H. Schmidt, B. Burger, K. Kiefer Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

11.15Transformatorlose Wechselrichter mit Hochsetzsteller

Ein Nachteil der transformatorlosen Wechselrichtern ist es, dass die Solargeneratorspannung größer sein muss als die Amplitude der Netzspannung, also unter Einbeziehung von Toleranzen größer als ca. 350 V.In vielen marktüblichen Wechselrichtern wird daher zwischen Solargenerator und Wechselrichter noch ein Hochsetzsteller eingefügt, der bei Eingangsspannungen unterhalb 350 V diese auf den erforderlichen Wert der Zwischenkreisspannung (der Spannungen C2) anhebt. (Wirkungsgradverlust ca.2%)

Transformatorloser Wechselrichter mit Hochsetzsteller

Quelle:H. Schmidt, B. Burger, K. Kiefer Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

11.16Kommerzielle Netzwechselrichter

11.17Wechselrichter-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!

11.18Vergleich Wechselrichter

PV Anlagen, DGS

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+: Kosten, Inv.-Wirkungsgr.-: empfindlich Abschattung-: Ausfallempfindlichkeit

+: bessere Anpassung-: höherer AufwandStandard für netzgek. Anlagen

+: Optimale Anpassung-: Schaltungstechniknur für Kleinanlagen

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11.21Master-Slave Konzept

Verbesserter Teillastwirkungsgrad (Bei kleinen Einstrahlungen arbeitet nur der Master!)

Quelle: PV Anlagen, DGS

11.22Blockschaltbild eines Strangwechselrichters

11.23Kostenaufteilung PV-Kraftwerk

Quelle: FVS

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11.27Solarpark Pocking

Technische Daten:Inbetriebnahme: April 2006Gesamtfläche:32 hainstallierte Leistung:10 MWperwartete Stromproduktion pro Jahr: Versorgung von ca. 3.300 HaushaltenAnzahl der Module: 57.912 Stück, mono- u. polykristalliner Typ,75km Gesamtlänge Gestelltechnik:16,5 km Länge (vierreihig mit stehenden Modulen), statische Aluminiumkonstruktion Wechselrichter: 6 Blockeinheiten a 1.600 kVAmit je 4×400kVA Wechselrichtern Transformatoren: 6×1,6 MVA 20.000VFundamente:8.112 Erdschrauben

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