Fotovoltaik Grundlagen

Präsentation zum Thema: "Fotovoltaik Grundlagen"—  Präsentation transkript:

1 Fotovoltaik Grundlagen
POWER Elektrotechnik Mechatronik

2 Inhalt: Einführung Prinzip der Fotovoltaikanlage
Aufbau und Funktion der Solarzelle Aufbau des Solarmoduls Technische Werte des Solarmoduls PV-Generator Aufbau u. Funktion des Wechselrichters Technische Daten des Wechselrichters Solarladeregler Solarakkumulator Quellenangaben Impressum Solarlexikon

3 Aufbau und Funktion der Solarzelle
Das Funktionsprinzip der Solarzelle Aus Sicht der Anwender ist eine Solarzelle ein flächiges Gebilde mit zwei elektrischen Anschlüssen. Fällt Licht auf die Vorderseite der Solarzelle, baut sich zwischen den Anschlüssen eine Spannung U von ca. 0,5 V auf, mit der man einen Strom I durch einen Lastwiderstand R treiben kann. Die elektrische Energie wächst proportional zur Intensität der Sonneneinstrahlung, wobei etwa 15% der Energie, die im Licht steckt, in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Der Rest erwärmt die Solarzelle und wird an die Umgebung abgegeben. Pro Quadratdezimeter Zellenfläche können bei maximaler Sonneneinstrahlung in unserer Region von 1000W/m2 bis zu 2.5 Ampere Solarstrom und damit ca. 1.5 W elektrische Spitzenleistung erwartet werden. Über 95% aller auf der Welt produzierten Solarzellen bestehen aus dem Halbleitermaterial Silizium(Si). Silizium bietet den Vorteil, dass es als zweithäufigstes Element der Erdrinde in ausreichenden Mengen vorhanden und die Verarbeitung des Materials relativ umweltverträglich ist. Effizienz Zur Herstellung von Solarzellen werden 0,3 mm dünne Scheiben aus einem Siliziumblock heraus gesägt. Je nach angewandtem Verfahren besteht dieser Block aus einem einzigen Kristall (aus flüssigem Silizium gezogen). Daraus gefertigte Solarzellen werden daher monokristalline Solarzellen genannt. Bei einem anderen Verfahren ergibt sich bei der Erstarrung des flüssigen Siliziums eine Eisblumenstruktur aus vielen kleineren Kristallen. Daraus gefertigte Zellen werden als polykristallin bezeichnet. Eine kostengünstige Alternative sind sogenannte Dünnschichtzellen, da sie nur extrem wenig Halbleitermaterial benötigen. Die photoaktive Halbleiterschicht wird hierbei auf eine Glasscheibe aufgedampft und mit einer zweiten Glasscheibe abgedichtet. Dieser Zellentyp wird heutzutage vor allem bei Kleingeräten (Taschenrechner o. ä.) angewendet. Aufgaben Funktion einer Siliziumsolarzelle Licht- u. Temperaturabhängigkeit

4 Aufbau und Funktion des Wechselrichters
Der Solarwechselrichter, auch Inverter genannt, wandelt die Gleichspannung der PV-Module in Einphasen- oder Dreiphasenwechselspannung um. Trafolose Wechselrichter speisen die Energie über eine Glättungsdrossel ins Versorgungsnetz. Sie benötigen entweder eine Eingangsgleichspannung, die über dem Spitzenwert der gewünschten Wechselspannung liegen muss oder sie arbeiten mit einem sog. Hochsetzsteller. Wechselrichter mit Trafo trennen Gleich- und Wechselspannungsseite galvanisch. Trafo-Wechselrichter werden in Inselanlagen, die oft mit 12VDC oder 24VDC arbeiten, verwendet, wenn auch 230V-Geräte betrieben werden sollen. Der Wirkungsgrad trafoloser Wechselrichter, wenn sie ohne Hochsetzsteller auskommen, ist meist höher, als bei Ausführungen mit Trafo. Funktionsweise: Die von den Modulen kommende Energie wird in einem Pufferkondensator gespeichert. Die Gleichspannung bzw. der Gleichstrom wird danach in einem mikroprozessorgesteuerten und netzgeführten Einphasen – (oder Dreiphasenwechselrichter), der meist mit Schalttransistoren (IGBT oder MOS-FET) arbeitet, in PWM-modulierte, sinusangenäherte Wechselspannung umgeformt. Die folgende Drossel sorgt für einen weitgehend sinusförmigen Strom in den Transformator. Dort wird die Spannung auf ca. 230V transformiert und über das Netzrelais phasenrichtig der Netzspannung zugeschaltet. Ein Netzfilter verhindert, dass unzulässig hohe Störspannungen ins Netz gelangen. Für Wartungszwecke kann die PV-Anlage mit dem Netzschalter freigeschaltet werden. Aufgaben 1

5 Solarladeregler Beispiel: Shunt-Laderegler Beispiel: MPPT-Laderegler
Inselsysteme zur Stromversorgung arbeiten oft auch auf der Verbraucherseite mit Gleichstrom. Die Energie, die der Solargenerator liefert ist allerdings starken Schwankungen unterworfen. Deshalb wird zur Pufferung ein Solarakku eingesetzt, der vom Generator geladen wird. Übliche Spannungswerte sind 12V oder 24V. Um ein Überladen und die Tiefentladung des Akkus zu vermeiden, benötigt man einen entsprechenden Laderegler. Zur Bereitstellung von 230VAC, falls erforderlich, wird ein Wechselrichter mit Trafo eingesetzt. Arten von Solarladeregler: Laderegler legt man auf den maximal möglichen Strom aus, den der PV-Generator liefern kann. Er sollte ungefähr gleich groß sein, wie der maximale Strom, mit dem der Verbraucher den Regler belasten darf. Es gibt prinzipiell 2 Typen von Reglern. Shuntregler, die bei einer Generator-Nennspannung von ca. 15V für 12V-Anlagen betrieben werden können, schließen nach Erreichen der Ladeschlussspannung den Solar-generator kurz. Während der Dauer des Kurzschlusses fließt kein Ladestrom mehr. Regler mit Maximum Power Point Tracking (MPPT) sind teurer, ihre Effizienz ist aber höher. Die erforderliche Solargeneratorspannung muss für 12V-Systeme allerdings bei 20 bis 24V liegen. Beispiel: Shunt-Laderegler Beispiel: MPPT-Laderegler Aufgaben

6 Impressum Autor: Klaus-Peter Wagner Hoföschle Kempten im Allgäu Kontakt: POWER Elektrotechnik Mechatronik