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symposium
Call for Papers & Workshops!
Wie komme ich schnell von der Produktidee zum System?
Um diese Frage dreht sich das 1. Markt&Technik Symposium »Schneller Entwickeln« am 18. Oktober 2012 in München.
energieautarke Basisstation
Die gemeinsam von E-Plus und Nokia Siemens Networks realisierte energieautarke Sendestation in Versmold stellt die benötigte Energie vor Ort aus den regenerativen Energiequellen PV, Windkraft und Brennstoffzelle her.
Energy Harvesting
Energy Harvesting ist längst keine Zukunftsmusik mehr. Mehr dazu lesen Sie in unseren ausgewählten Artikeln:
E-Bike-Boom
Bis zu 300.000 E-Bikes werden 2011 nach Einschätzung des Zweirad-Industrie-Verbands in Deutschland einen Käufer finden. Für die Batteriekonfektionäre bedeutet das Vollauslastung.
Li-Luft-Batterien
Lithium-Luft-Batterien gelten als viel versprechende Zukunftstechnik. Mehr dazu lesen Sie hier:
Events Energy Harv und Medical
Energieautarkie im Kleinen. Der 1. Elektronik energy harvesting congress zeigt Entwicklern und industriellen Anwendern worauf es ankommt, wenn ein System ohne Netzstromversorgung auskommen soll.
Call for Papers!
Das Entwicklerforum »Electronics goes medical« wird in diesem Jahr vom 10.-11. Oktober 2012 in München stattfinden.
Fraport
Am Airport Frankfurt wurde erstmals an einem deutschen Flughafen ein Brennstoffzellensystem zur Absicherung eines Stromnetzes in Betrieb genommen.
Interview
Warum Batteriespeicher im Haus sinnvoll sein können
Warum die Batterien durch Bereitstellung von Netzservices zusätzlich an Attraktivität gewinnen erklärt Dirk Uwe Sauer, Professor für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik der RWTH, im folgenden Interview.
Wasserstoff und Brennstoffzellen
Steht die Wasserstoff-Brennstoffzellentechnik kurz vor dem Durchbruch?
Lesen Sie mehr in unseren ausgewählten Beiträgen:
Batterieforum
Die Branche im Gespräch
Fukushima und die Folgen, hohe Rohmaterialpreise, Selten Erden und der E-Bike-Boom: Gesprächsstoff gab es auf dem Forum "Batterien und Akkus" genug.
Marktübersicht
Wechselnden Verhältnissen gewachsen
Netzunabhängige PV-Anlagen
Solarzellen haben in Sachen Wirkungsgrad und Kostenstruktur ein derart hohes Niveau erreicht, dass sie sich auch für tragbare Geräte und netzunabhängige Straßenbeleuchtungen, zur Stromversorgung entlegener Gebäude und Mobilfunk-Basisstationen sowie für Anwendungen auf Land- und Wasserfahrzeugen eignen.
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Leider entstehen bei solchen Anwendungen infolge ungleichmäßiger Einstrahlung und wechselnd auftauchender Hindernisse Verluste. Dieser Beitrag analysiert das Anforderungsprofil eines für solche Anwendungen optimierten PV-Systems und stellt einen entsprechenden Solar-Laderegler vor.
Das wachsende Bewusstsein, dass sich die Produktion von Elektrizität aus fossilen Brennstoffen negativ auf die Umwelt auswirkt, sowie die steigenden Kosten der Energieerzeugung sind der Anlass dafür, dass in der Wissenschaft bemerkenswert viel Kapital und Engagement in erneuerbare Energien investiert wird.
Dass die Photovoltaik (PV) zu den vielversprechendsten neuen Technologien gehört, liegt an ihren geringen Auswirkungen auf die Umwelt, ihrer hohen Zuverlässigkeit, am Fehlen beweglicher und damit verschleißanfälliger Teile und ihrer Eignung für die dezentrale Energieerzeugung.
Der letztgenannte Aspekt macht diese Technik für die Versorgung ländlicher Regionen der Entwicklungsländer interessant, in denen ein Anschluss an das öffentliche Stromnetz zu teuer wäre oder gänzlich unmöglich ist. Netzunabhängige Installationen sind derzeit noch ein Nischenmarkt, da das öffentliche Stromnetz in den entwickelten Ländern für kleine Produzenten hinreichend weit ausgebaut und zuverlässig ist. Mit dem Vormarsch der PV-Anlagen in die ländlichen Regionen der Entwicklungsländer allerdings könnte das Segment der netzunabhängigen PV-Anlagen (Bild 1) aus ihrem Schattendasein heraustreten.
Eine netzunabhängige PV-Anlage, auch als Inselanlage bezeichnet, soll entlegene Häuser oder andere Verbraucher mit Energie versorgen, ohne zusätzliche Energie aus dem öffentlichen Netz zu beziehen. Eine solche Anlage besteht aus einem oder mehreren PV-Panels, einem Laderegler und einem Batteriesatz.
Um die Anforderungen zu verstehen, die an ein für mobile Anwendungen optimiertes netzunabhängiges PV-System gestellt werden, ist es sinnvoll, sich mit der vereinfachten Ersatzschaltung einer PV-Zelle auseinanderzusetzen und die Techniken kennenzulernen, mit denen sich ein Maximum an Energie aus einem PV-Panel herausholen lässt.
Charakteristik einer PV-Zelle
Typische Spannungs-Strom- (V-I) und Spannungs-Leistungs-Kennlinien (P-V) einer PV-Zelle sind in Bild 2 dargestellt. Die Leerlaufspannung (Open-Circuit Voltage, Voc) beträgt bei einer kristallinen PV-Zelle etwa 0,6 V und ist weitgehend unabhängig von der Stärke der Sonneneinstrahlung.
Wie viel Strom die Zelle liefert, hängt von der Einstrahlungsstärke, der Umgebungstemperatur, der Zellenfläche und der Spannung ab, mit der die Zelle betrieben wird.
Der »Maximum Power Point« (MPP) ist jener Betriebspunkt, an dem die maximale Leistung erzielt wird, an dem also das Produkt aus Zellenstrom (Imp) und Spannung (Vmp) ein Maximum erreicht.
Die Spannung am MPP beträgt ungefähr 80% von Voc. Ein PV-Modul besteht aus Reihenschaltungen mehrerer Zellen, so genannten Strings.
Jeder dieser Strings wird durch eine Bypass-Diode geschützt, um Schäden infolge Überhitzung zu verhindern, wenn eine oder mehrere Zellen verschattet oder defekt sind.
Die Strings wiederum werden zu Serien- oder Parallelschaltungen verbunden, um entweder mehr Spannung oder einen höheren Strom zu erhalten.
Unter idealen Bedingungen, also wenn die Einstrahlungs- und Temperaturbedingungen für alle Panels gleich sind, ähneln die V-I- und V-P-Kennlinien eines Moduls denen einer einzelnen Zelle, vom abweichenden Skalenfaktor einmal abgesehen.
Allerdings beeinflussen mehrere Faktoren die Energieausbeute eines PV-Moduls, nämlich der Zellenwerkstoff, die Intensität der Sonneneinstrahlung, die Zellentemperatur, der Lastwiderstand und die Fehlanpassung, beispielsweise hervorgerufen durch Verschattung einzelner Zellen:
| Intensität: Wie schon erwähnt, ist der Ausgangsstrom einer PV-Zelle proportional zur Intensität der Sonneneinstrahlung, der sie ausgesetzt ist. Bild 3 zeigt V-I-Kennlinien bei verschiedenen Einstrahlungsstärken und Zellentemperaturen. | |
| Zellentemperatur: Die MPP-Spannung (Vmp) sinkt mit zunehmender Temperatur, folglich rückt die gesamte V-I-Kennlinie bei steigender Temperatur nach links. Die Nennleistung eines Moduls wird deshalb unter standardisierten Prüfbedingungen ermittelt, die unter anderem eine homogene Einstrahlungsstärke von 1000 W/m2 und eine Temperatur von +25 °C vorsehen. | |
| Lastwiderstand: Wenn das PV-Modul in netzunabhängigen Anwendungen direkt an eine Batterie angeschlossen ist, bestimmt die Batterie die Betriebsspannung des Moduls. Der Vmp-Wert des Moduls sollte hier deshalb höher sein und möglichst nah an der maximalen Betriebsspannung der Batterie liegen. | |
| Fehlanpassung: Die von Fehlanpassung hervorgerufenen Verluste entstehen durch das Verbinden von Modulen, die unterschiedliche Eigenschaften aufweisen oder die unterschiedlichen Bedingungen (z.B. Einstrahlungsunterschiede durch Verschattung einzelner Zellen) ausgesetzt sind. Solch Verluste sind unter bestimmten Umständen ein gravierendes Problem in PV-Modulen und -Arrays, denn der Energieertrag des gesamten PV-Moduls bei Worst-Case-Bedingungen wird durch die Zelle mit dem niedrigsten Energieertrag bestimmt. |
1. Teil: Netzunabhängige PV-Anlagen
2. Teil: Wie sich Verschattung auswirkt
3. Teil: Wechselnden Verhältnissen gewachsen
4. Teil: Erneuerbare Energie für mobile Applikationen
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Ralf Higgelke, DESIGN&ELEKTRONIK |
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