PV II (U-I-Charak., Boost-Conv., MPPT-Kontr., DC/AC Conv., Wirkungsgr.) Flashcards
U-I Charakteristik einer Silizium Solarzelle
Zeichne Abbildung auf slide 15+16! (VL PV II !!)
…
U-I-Charakteristik einer Silizium Solarzelle
Erkläre den Unterschied zwischen Diode und Solarzelle
Bei Diode sind Strom I und Spannung U gleichgerichtet, was den Verbrauch darstellt.
-> Hier funktioniert die Zelle als Diode, die Licht detektiert und in elektrische Signale umwandelt
Bei Solarzelle sind Strom I und Spannung U entgegengesetzt gerichtet, was die Erzeugung von Strom darstellt.
-> Hier wird die Solarzelle zur Energiegewinnung genutzt
(beide halbleiterbasiert, entgegengesetzte Anwendung/Nutzung)
Wie wird die Leitung im MPP berechnet? (PsubMPP)
PsubMPP = UsubMP * IsubMP
Mit:
- UsubMPP: Spannung im Pkt. max. Leistung
- IsubMPP: Strom im Pkt. max. Leistung
Wie kann der Wirkungsgrad im Maximum Power Point bestimmt werden?
eta = PsubMPP / Pin
PsubMPP: Leistung im MPP
Pin: Einstrahlungsdichte 1000W/m^2 (Standardtestbedingungen, AM 1.5)
U-I-Charakteristik einer Silizium Solarzelle
Zeichne Ersatzschaltbild p-n-Übergang!
siehe slide 17!
(Superposition zweier Elemente, Stromquelle und eine Diode)
1) Zeichne das Ersatzschaltbild einer Solarzelle.
2) Benenne und Beschreibe die einzelnen Komponenten.
3) Wie sollten die Widerstände gewählt werden?
1) Zeichnung siehe slide 18!
2)
Stromquelle: Photonstrom
2 Dioden:
-> 1. Diode (beschreibt idealen p-n-Übergang)
-> 2. Diode (beschreibt Temperaturabhängigkeit)
2 Widerstände:
-> Parallelwiderstand (sollte groß sein! -> weniger Verl.)
-> Serienwiderstand (sollte klein sein -> weniger Verl.)
Ersatzschaltbild einer Silizium Solarzelle
Parallelwiderstand:
- sollte ?(1)? sein
- Elektronen überwinden die ?(2)? an den Kanten des Wafers
- ?(3)? Strom
- weniger ?(4)?
Serienwiderstand:
- sollte ?(5)? sein
- ?(6)? Spannungsabfall
- weniger ?(7)?
(1) groß
(2) Raumladungszone
(3) geringerer
(4) Verluste
(5) klein
(6) geringerer
(7) Verluste
U-I-Charakteristik einer Silizium Solarzelle - Einfluss der Widerstände
Was führt zu einem höheren Wirkungsgrad (höheren MPP)?
Geringerer Serienwiderstand und höherer Parallelwiderstand
Wieso ist es wichtig die Spannung einer Solarzelle zu regeln?
Weil die Leistung der Solarzelle abhängig von der Spannung ist
(-> Leistung P steigt mit steigender Spannung bis zum Maximum Power Point und fällt dann ab)
(siehe auch slide 20! (VL PV II)
U-I-Charakteristik einer Silizium Solarzelle
Einfluss der Temperatur und der Einstrahlung auf die Leistung der Solarzelle
siehe slide 20!
…
U-I-Charakteristik einer Silizium Solarzelle
Einfluss der Temperatur und der Einstrahlung auf die Leistung der Solarzelle
Beschreibe den Einfluss!
Steigende Leistung der Solarzelle mit sinkender Solarzellentemperatur
Steigende Leistung der Solarzelle mit sinkender solarer Einstrahlung.
(In der Realität werden höhere Solarzellentemperaturen in Kauf genommen, aufgrund der höheren Leistung bei höherer Sonneneinstrahlung)
Welche Bestandteile hat eine PV-Anlage? (5)
PV Modul oder Kombination aus vielen Modulen zusammen
Buck/Boost-Konverter (DC/DC)
(-> Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler)
MPP-Tracker
-> steuert Buck/Boost Konverter
Wechselrichter DC/AC
VSC-Kontroller (Voltage Sequence Controller)
-> steuert Wechselrichter
Buck-Boost Konverter und MPP-Tracker - Was passiert bei Anbindung einer rein ohmschen Last?
–> siehe slide 23
-> man müsste den Widerstand jedes Mal anpassen, um die Leistung zu maximieren
…
Buck-Boost Konverter und MPP-Tracker
1) Wie kann die Ausgangsleistung angepasst werden ohne den Widerstand zu verändern?
2) Warum würde man nicht einfach den Widerstand verändern?
1) Änderung der Ausgangsleistung durch Änderung der Belastungsspannung des PV-Moduls
Wenn: Modul-Systemspannung > Eingangsspannung
-> Buck Konverter
Wenn: Modul-Systemspannung < Eingangsspannung
-> Boost-Konverter
2) Anpassung des Widerstandes wäre technisch zu aufwendig
Was ist ein Buck-Konverter? Wozu dient er bei PV-Modul?
(Skizziere auch ein Schaltbild und den Spannungsverlauf)
Ist ein Schalter zwischen einer Gleichspannungsquelle und einem Widerstand (ideal)
-> Wandelt höhere Eingangsspannung in niedrigere Ausgangsspannung um
(
Im Mittel ist die Ausgangsspannung v0 immer niedriger als die Eingangsspannung Vsubin
Als Bsp., wenn der Schalter 75% der Zeit geschlossen ist:
Vsub0 = 0,75 * Vsubin = D * Vsubin
Mit: Duty Cycle (D) = tsubon / TsubS
-> tsubon: Zeit, die der Schalter geschlossen ist
-> TsubS: Gesamtzeit (offen und geschlossen)
)
1) Wozu dient ein Boost-Konverter?
2) Skizziere auch ein Schaltbild und gehe auf die Komponenten ein!
1)
Wird eingesetzt, um Spannung zu erhöhen
-> wandelt DC-Strom niedriger Spannung in DC-Strom mit höherer Spannung um
2)
(Skizze slide 26+27)
Ein Schalter kontrolliert den Leistungsfluss
Eine Spule speichert Energie für eine Zwischenzeit
Ein Kondensator speichert und glättet die Spannung von Vsubin und vsubL
Buck-Boost-Konverter und MPP-Tracker
Nenne 2 Methoden, um den MPP zu finden und erkläre kurz!
- Methode der Lastsprünge (Perturb and Observe)
- Konstant Spannung (open voltage method)
Buck-Boost-Konverter und MPP-Tracker
Methode der Lastsprünge (Perturb and Observe)
Erkläre kurz
Anpassung der Spannung
-> zunächst Messen von Strom und Spannung
-> dann Leistungsberechnung
-> Anpassung von Duty Cycle (D) je nach Leistungsänderung
-> ABER: Die Ausgangsleistung kann zu oszillieren beginnen, wenn Leistungssprung zu groß wird
(Duty Cycle = Zeit Schalter geschlossen / Gesamtzeit (geschlossen+offen))
Buck-Boost-Konverter und MPP-Tracker
Konstant Spannung (open voltage method)
Erkläre kurz
In kurzen Zeitabschnitten wird die Leerlaufspannung gemessen
In dieser Zeit wird keine Leistung bereitgestellt
-> Erkenntnis von VsubOC (Open Cycle Spannung)
Auf Grund des fixen Verhältnisses von VsubOC/VsubMPP (ca. 0,7-0,8) kann VsubMPP angepasst werden, wenn Duty Cycle entsprechend geändert wird
(Duty Cycle = Zeit Schalter geschlossen / Gesamtzeit (geschlossen+offen))
VsubOC: Open Cycle Spannung (V wegen Voltage)
VsubMPP: Spannung im MPP (V wegen Voltage)
Buck-Boost-Konverter und MPP-Tracker
Welchen Vorteil und welchen Nachteil hat die Open Voltage Methode (bzw. Konstant Spannung)?
Vorteil:
Man findet den exakten MPP
-> im Gegensatz zur Methode der Lastsprünge (Perturb and Observe) keine oszillierende Methode
Nachteil:
Keine Leistungsbereitstellung während der Messung der Leerlaufspannung
Nenne einen Vorteil und einen Nachteil der Methode der Lastsprünge (Perturb and Observe)
Vorteil: Leistungsbereitstellung muss nicht unterbrochen werden
Nachteil:
Man findet nicht den optimalen MPP
-> Die Ausgangsleistung kann zu oszillieren beginnen, wenn Leistungssprung zu groß wird
DC/AC Converter und VSC
Was ist das Ziel? Beschreibe das Vorgehen!
Umwandlung von DC-Ladung in AC-Ladung
Es werden Schalter verwendet, um die Ausgangsspannung wie mithilfe eines Boost-Konverters zu ändern
Wenn dieser Vorgang sehr schnell hintereinander geschieht, entsteht ein Verhalten, welches dem einer sinus-Kurve ähnelt
Mit einer mehrfachen Schalteranordnung kann die Güte/die Genauigkeit der Sinus-Kurve erhöht werden
Mithilfe von großen Spulen kann zudem eine Glättung der verbleibenden Oszillation erreicht werden.
(siehe slide 35-38)
Wie wird bei DC/AC Konvertern (Wechselrichtern) die Güte/Genauigkeit der Sinus Kurve erhöht?
Durch mehrfache Schalteranordnung und eine Glättung der verbleibenden Oszillation mithilfe von großen Spulen(!)
(siehe slide 37)
Wirkungsgrad einer Gesamt-PV-Anlage
Was muss mit einfließen?
Solarstrahlung:
-> Anteil direkter und diffuser Strahlung
PV-Modul:
-> Ausrichtung
-> Modul-Wirkungsgrad
-> Einstrahlung
-> Temperatur
DC/AC Umrichter
-> Gesamtwirkungsgrad
DC/AC Umrichter (Wechselrichter)
-> Gesamtwirkungsgrad
Wirkungsgrad einer Gesamt-PV-Anlage
Verschaltung der Module
Wozu führt eine Reihenschaltung und wozu eine Parallelschaltung?
Reihenschaltung führt zu höherer Spannung
-> geringere ohmsche Verluste
-> ABER: teurere Komponenten
Parallelschaltung: höherer Strom
(Meist wird eine Kombination genutzt)
Wirkungsgrad einer Gesamt-PV-Anlage
Wie wird i.d.R. die Verschaltung vorgenommen?
Reihenschaltung von einzelnen Zellen innerhalb eines Modules
Reihenschaltung von Modulen untereinander zu einem String
Parallelschaltung der Strings
(siehe slide 42)
Wirkungsgrad einer PV Anlage - Abschattung
Worin besteht das Problem und wie sieht die Lösung aus?
Problem: Wenn Teile der Solarzelle im Schatten liegen, kann der Ertrag des ganzen Modules sinken
-> Grund: Der verschattete Teil verhält sich in diesem Moment als Widerstand im Stromkreis
Lösung: Bypass-dioden
-> leiten den Strom an dem abgeschatteten Modul vorbei
(Abb. slide 43)
Anordnung von geneigten PV-Modulen bei Schnee
-> slide 44!
..
Wirkungsgrad einer Gesamt-PV-Anlage
Modulwirkungsgrad
-> verschiedene Module reagieren unterschiedlich auf geringe Einstrahlungswerte
-> slide 46
…
Teillastverhalten von verschiedenen Umrichtern:
1) Wie verhalten sich die Wirkungsgrade im Teillastbereich?
2) Der Umrichter muss zu was passen?
3) Welche Umrichter sind besser für den Gesamtwirkungsgrad?
1) reduzieren sich drastisch
2) zum Verhalten der einzelnen Paneele
3) kleinere Umrichter
(siehe slide 43)
Warum ist es sinnvoller kleinere Umrichter zu verbauen?
besser für den Gesamtwirkungsgrad
