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Dokument 1. - Dokumentenserverhosting der SUB

1. ma a Imod Unorm V Inor Pnorm W P gerech W acredi Porm i Umod V Uimod V A skaliert gerech W genormte P 1 993 0 748 2 001 0 9903 10 01 0 9974 3 988 0 997 0 9984 0 0004 3 918 0 749 2 004 1 952 10 051 1 9637 7 852 1 963 1 9737 0 0007 6 006 0 75 2 004 2 9944 10 071 3 019 12 036 3 009 3 016 0 01 8 003 0 751 2 005 3 991 10 082 4 026 16 046 4 012 4 023 0 014 10 002 0 75 2 003 4 987 10 053 5 019 20 034 5 009 5 013 0 01 11 993 0 75 2 003 5 984 10 005 6 022 24 022 6 005 5 987 0 017 14 012 0 751 2 004 6 986 10 031 7 009 28 08 7 02 7 008 0 011 15 995 0 75 2 004 7 972 10 038 7 985 32 054 8 013 8 002 0 028 18 03 0 753 2 004 8 983 10 05 9 032 36 132 9 033 9 028 0 001 20 0 753 2 005 9 971 10 07 10 023 40 1 10 025 10 041 0 002 70 Messung der Normwerte mit Variation des Modulstromes 3Umsetzung der Aufgabenstellung Abweichun en en ai DnSEmEN va FROR NY S Ae SE otap 20 0 753 2 005 9 971 10 07 10 023 40 1 10 025 10 041 0 002 20 0 5657 1 504 9 968 7 564 7 538 30 08 7 52 7 54 0 018 20 0 372 0 995 9 967 4 985 4 983 19 9 4 975 4 968 0 008 20 001 0 2477 0 661 9 967 3 321 3 312 13 221 3 3005 3 31 0 307 20 001 0 1866 0 501 9 968 2 503 2 5001 10 02 2 5051 2 495 0 005 20 0 1497 0 4 9 967 2 0074 2 0062 8 2 2 001 0 0052 20 001 0 1118 0 3 9 967 1 5003 1 5052 6 0003 1 5 1 495 0 0052 20 0 0743 0 199 9 967 0 9988 1 0073 3 98 0 995 0 9955 0 0123 20
2. 90 Mit SPS Anzeige 3Umsetzung der Aufgabenstellung Modul 1 Modul 2 TK1_ISC TK2_ISC TK _uoc TK2_uoc TK1_ISC TK2_ISC TK1 _uoc TK2_uoc 0 164 0 167 0 61 0 4653 0 164 0 167 0 516 0 43 TK ist der Temperaturkoeffizient bei der Temperaturdifferenz 30 C 25 C TK2 ist der Temperaturkoeffizient bei der Temperaturdifferenz 40 C 25 C Der Tkuoc des Lieferanten wird bei Modul 1 und 2 in Serienschaltung mit 0 32 C angegeben Der Tk sc wird bei beiden Modulen mit 0 06 C in Serienschaltung angegeben Der Lieferant gibt eine Modulbezugstemperatur von 25 C und eine Einstrahlst rke von 1000W m an Es sind theoretisch die gleichen Bedingungen wie im Praktikum Dennoch sind die Werte des Lieferanten eher stellenweise zuf llig eingehalten 3 8 3 3 Abschlie ende Beurteilung des Praktikums Grunds tzlich funktioniert der Sonnensimulator gut Es werden die Kennlinien wunschgem gezeichnet die Temperatur geregelt und der Messablauf funktioniert auch Nicht zufriedenstellend sind die Pr flinge die Module Sie sind selbstgefertigt Ihre Kennlinien weisen Missmatching auf die durch die Reihenschaltung der verschiedenen Solarzellen entstehen Bei Reihenschaltung entstehen Streuungen des Kurzschlussstromes die sich durch Knicke in den Kennlinien bemerkbar machen Zum Verst ndnis f r nicht perfekte Module sind sie zum Studium gut geeignet Durch dieses Missmatching sind die Verg
3. NE rd mm LEI m m ne a S a E E a E EF ee ee Fu en 2 mo ME BE BEE BEL BE BE BE BL BE RE BE BE BE BR BE DE m Bild 3 5 5 Darstellung der Feitbasis 0 00 maj Trigger 10 0 m cw Gleichspannung und des 2 00 matdi f Mormal 39 50 mw Gleichstromes der 10 0 kS s00 kes f Flanke Positiv 0 0 mW Sg mi Lampenfeldversorgung 9 0 mW In diesem Oszilloskopbild erkennt man kaum etwas von Brummspannungen oder vom Brummstrom So eine Gl ttung ist hier zufriedenstellend Um ein m glichst gleichm iges Spektrum in der Modulkammer bzw vom Lampenfeld zu erhalten ist eine gute Gl ttung wichtig Verwendete Messger te 1 Oszilloskop LeCroy wafeSurfer 424 200Mhz Messbereich Ger t aus dem EA Labor Nr 02 Teilungsverh ltnis C1 200 C2 1 2 Stromzange Fluke Typ 80i 110s AC DC mit 10mV A INV Nr 1241 3 Trennverst rker SI 9000 im Teilungsverh ltnis 1 200 3 5 4 Die LCD Anzeigen Lampenspannung Lampenstrom Zur sp teren Benutzung w hrend des Praktikums ist das Eu Ablesen der Lampenspannung und des Lampenstromes Bild 3 5 6 Messanordnung f r notwendig Dazu werden wie auch die anderen Anzeigen 1m die Lampenspannungsmessung LCD Anzeigen in der Frontplatte des Sonnensimulators gt poe verwendet Strom und Spannung m ssen auf ein f r eine LCD Anzeige vertr gliches Ma gebracht werden Die Lampenspannungsmessung Um einen Spannungsmessbereich von ca 300V messen zu k nnen muss diese hohe Spannung heru
4. Das einfache Modell Bild 2 6 10 einfaches Modell Rs gt Das einfache Modell besitzt gute Approximationsqualit t da der in der Realit t i vorkommende Serienwiderstand Rs ber cksichtigt R ist Bei diesem Modell kann Rs negativ werden weshalb das Modell sich nicht so gut eignet GI 2 6 4 Solarstrom einfaches Modell GI 2 6 5 Solarspannung einfaches Modell 18 2Allgemeines ber Photovoltaik Das Standardmodell Auch dieses Modell hat nur gute Approximationsqualit t Es ber cksichtigt zus tzlich den parallelen Widerstand Rp Die r Spannung U als explizite L sung ist aber unbekannt was auch dieses Modell nicht zufriedenstellend macht Bild 2 6 11 Standard Modell GI 2 6 6 Solarstrom Standardmodell Das Zwei Dioden Modell gt Beim Zwei Dioden Modell besteht zwar sehr gute Approximationsqualit t weil auch eine R eingebaute Diode in Sperrrichtung ber cksichtigt ist Leider gibt es auch hier f r die Spannung U keine explizite L sung Gl 2 6 7 Solarstrom Zwei Dioden Modell Diese Ersatzschaltbilder eignen sich gut zum Verst ndnis aber zur expliziten Berechenbarkeit fehlt es entweder an der guten Approximationsqualit t oder der expliziten Darstellung von Solarklemmenstrom und spannung Gebraucht werden die Berechenbarkeit von Anpassungsproblemen zwischen Photovoltaik Generatoren und den Verbrauchern Die Strom Spannungs Kennlinie sollte explizit bere
5. R ckspeisung Mit dieser Darstellung wirkt die Hellkennlinie in der Generatordarstellung doch auch gleich positiver Gr en auf die es bei bestrahlten Solarzellen ankommt wie z B MPP Ipmax Upmax Uoc Isc wirken somit gleich bersichtlicher In allen Datenbl ttern die Solarmodulen vom Hersteller beigelegt werden werden die wichtigsten Kennwerte im ersten Quadranten so mitgeliefert 17 2Allgemeines ber Photovoltaik 2 6 7 Das Ersatzschaltbild einer bestrahlten Solarzelle Solarzelle Eindiodenmodell 4 S2 64 Das Ersatzschaltbild der bestrahlten Solarzelle ist im Vergleich zum Ersatzschaltbild der unbeleuchteten Solarzelle nur um die Stromquelle erweitert Rs und Rp sind nat rlich immer vorhanden Dieses Modell ist zum Verst ndnis das g ngigste das Standardmodell Es ist wichtig beim Betrieb einer Solaranlage von Zeit zu Zeit den Serienwiderstand zu berpr fen Bei der beleuchteten Solarzelle gibt es gleich mehrere Modelle von Ersatzschaltbildern Im Folgenden wird ein Vergleich der verschiedenen Ersatzschaltbild Modellen gezeigt 1 5 36f Das Ideal Modell ild 2 6 9 ideales Modell A are Beim Ideal Modell gibt es keine Verlustwiderst nde Da dieses in der Realit t so gut wie nie vorkommt hat das Modell geringe Approximationsqualit t Die mathematische Formel entspricht die der idealen Diode mit Photostrom GI 2 6 2 Shockley Kennlinie mit Photostrom GI 2 6 3 Solarspannung ideales Modell
6. Das Rohsilizium wird weiter gereinigt Es wird feingemahlen und reagiert mit Chlorwasserstoff Salzs ure zu Wasserstoff und Trichlorsilan einer Fl ssigkeit die bei 31 C siedet In mehreren aufeinanderfolgenden Stufen wird Trichlorsilan solange destilliert bis sich die gew nschte Reinheit einstellt Der industrielle Standard benutzt das sogenannte Siemens Verfahren um mittels chemischer Gasphasenabscheidung aus Trichlorsilan und Wasserstoff reinstes Silizium zu gewinnen Beide Gase werden in einen 1000 C bis 1200 C hei en Reaktor geblasen in denen sich d nne St be aus Silizium befinden Aus dem Trichlorsilan scheidet sich reines Silizium ab bis die St be ca 10 bis 15 cm Durchmesser haben Diese St be werden grob zerbrochen und dienen als Ausgangsmaterial auch Polysilizium genannt f r die Gewinnung von monokristallinen und polykristallinen Solarzellen Das obige Bild 2 5 1 beschreibt die Weiterverarbeitung des Polysiliziums in zwei prinzipiellen M glichkeiten Mit dem Czochralski Ziehverfahren die Herstellung von monokristallinen Solarzellen oder mit gerichteter Erstarrung die Gewinnung von polykristallinen Solarzellen 2Allgemeines ber Photovoltaik 2 5 1 Monokristalline Solarzellen Das Polysilizium wird in einem Quarztiegel bei ca 1420 C geschmolzen Es wird ein definierter Kristallkeim in die Siliziumschmelze eingetaucht und unter langsamen Drehen herausgezogen Der daraus wachsende Einkristall wird mehrere Meter lang u
7. 2 5 44 Solarzelle Hier ist die ber hmter Shockley Kennliniengleichung einer idealen Diode Solarzelle dargestellt Gl 2 6 1 Shockley Kennlinie 1 S 34 16 2Allgemeines ber Photovoltaik 2 6 6 Die Hellkennlinie Ihre eigentliche Aufgabe k nnen Solarzellen nur erf llen wenn sie anst ndig bestrahlt werden Auch daf r gibt es nat rlich eine dioden hnliche Hellkennlinie Allerdings arbeitet die Zelle nicht mehr in der Dunkelheit als Verbraucher sondern voll bestrahlt als Generator Daher flie t der Generatorstrom hier in Bild 2 6 6 unten als Ir in umgekehrter Richtung Eine beleuchtete Solarzelle stellt eine Parallelschaltung aus einer Diode und einer Stromquelle dar Die Hellkennlinie ist um den Betrag des Photostromes Ipn parallel verschoben Der Photostrom ist der vom Licht erzeugte Strom und von der Einstrahlung abh ngig 4 5 2 64 Bild 2 6 6 Hell und Dunkelkennlinie im Vergleich zueinander 4 S 2 64 F Solarzellen kennlinie Diese Hellkennliniendarstellung ist aber nicht blich Vielmehr wird die Vier Quadrantendarstellung bevorzugt Dabei wird die Hellkennlinie umgeklappt und in den ersten Quadranten gelegt siehe Bild 2 6 7 2 Quadrant 1 Quadrant R ckspeisung Generatorbetrieb beleuchtet ui Spannungs durchbruch dunkel Bild 2 6 7 zeigt die idealen Verl ufe der beleuchteten und unbeleuchteten Solarzelle in der 4 Quadranten Darstellung 1 S 34 4 Quadrant
8. yie 14 1 Y 90 28 2Allgemeines ber Photovoltaik Die Berechnung des MPP Punktes aus drei Messpunkten in der Umgebung des MPP Punktes Es gibt ein ann herndes Verfahren um rechnerisch den MPP Punkt zu bestimmen 1 S 57f Dazu wird in der Umgebung des MPP eine Parabel angenommen Man braucht daf r zun chst drei Messwertepaare aus der Umgebung des MPP UL IL PL Ur Ju PL1 E InA Bild 2 7 4b MPP U 2 IL2 PL2 Ermittlung durch Parabelapproximation U 3 113 PL3 i Es wird ein Parabelabschnitt zur Interpolation in der Umgebung des MPP gew hlt siehe Bild 2 7 4b Es folgt I a b U c U GI 2 7 2 Die gemessenen Wertepaare werden in die Matrix eingesetzt 2 l U z Ui a I In der Matrixschreibweise 1U U7 b 7 1 2 7 3 l U r3 i e Idr Zun chst wird dann die Leistung Pr gebildet mit P U a b U c U Gl 2 7 4 Um aus dieser Parabel das Maximum d h den MPP Punkt zu bestimmen muss die erste Ableitung dP 2 gebildet werden E aqa b U c U U b 2 c U 0 2 7 5 L Durch Umformung ergibt sich der MPP Punkt f r UL gt 0 2 und nam atb U pma t C U pmax Gl 2 7 6 GI 2 7 7 29 2Allgemeines ber Photovoltaik 2 7 3 Der Einfluss von Temperatur und Einstrahlung auf das Solarmodul 3 5 In den Bildern 2 7 5 bis 2 7 7 ist der 3 Einfluss der Ein 2 5 Temperatur auf den MPP Punkt zu i n Meets Erz im erkennen me reed 3142 75 Verschiebung des MPP
9. 2Allgemeines ber Photovoltaik nach Westen hin werden die Winkel immer positiver Westen 90 Der Norden betr gt mit a 180 Vorzeichen ist irrelevant In der Bauwirtschaft ist die Winkeldefinition anders der Azimut 0 ist im Norden wobei sich die anderen Winkel durch Drehen im Uhrzeigersinn ergeben Ost 90 S d 180 West 270 Dieses ist nur relevant wenn man z B mit einem Architekten kommuniziert F r Deutschland ist bei fester Aufstellung eine s dliche Lage mit 30 geneigte Solarfl che die beste Nutzung der Solaranlage Die 30 Neigung ist notwendig weil man sonst auf unseren Breitengraden in Deutschland nicht ann hernd orthogonale Einstrahlung erh lt Man erh lt nur etwa 10 Minderertrag durch diese Neigung Durch diese zwei Winkel entsteht aus einer orthogonal bestrahlten Fl che in zwei Richtungen eine Einstrahlung auf die geneigte Fl che gerade durch die fixe Installation der Solaranlage 4 S 2 17ff Die Einstrahlung auf eine geneigte Fl che Die Einstrahlung trifft mit einer Einstrahlst rke E 7 Bild 2 7 15 zun chst auf eine gerade Fl che die dann mit dem SE X eine Winkel in der x y Ebene geneigt wird Es gilt Einstrahlung e a dann 3 S 25 N E E cos 0 c12 7 11 Wird dann noch einmal die Fl che mit dem Winkel geneigt z B in der z y Ebene dann folgt insgesamt E E cos 0 cos c1 2 7 12 Diese Betrachtungen sind wichtig weil es immer e
10. Boltzmannkonstante Die Werte Ik Isc und Uo Uoc werden direkt aus der Kennlinien Schar abgelesen Gi 3 8 6 Der F llfaktor wird mit Hilfe der Leistungskennlinien ermittelt 83 Die Werte Is FF Uoc Isc und PMpp zusammengefasst 3Umsetzung der Aufgabenstellung Modul 1 Modul 2 E Uoc in V IscinA Pmpp in W FF Uoc in V Iscin A PMpp in W FF 200 19 825 0 1 1 7 0 858 19 75 0 095 1 5 0 799 400 20 5 0 2 3 25 0 793 20 375 0 19 3 2 0 827 600 21 0 298 4 9 0 783 20 825 0 288 4 7 0 784 800 21 25 0 385 6 6 0 807 21 25 0 385 6 7 0 819 1000 21 5 0 492 8 4 0 794 21 625 0 482 8 2 0 787 Der S ttigungsstrom Is ist bei beiden Modulen sehr klein Modul 1 Is 39 43pA Modul 2 Is 33 74pA Bestimmung der Widerst nde Rs und Rp Die Ermittlung von Rs und Rp sind in verschiedenen Varianten dargestellt Es gab in den letzten 10 Jahren einige Neuerungen siehe 2 6 9 und 2 6 10 Die alten Formeln f r Rs und Rp dU dU pa an der Stelle Uoc c 3 8 3 15 Rot Rs r an der Stelle Isc cI 3 8 4 15 Die neuen Formeln f r Rs Nach DIN EN60891 R MO ER __ AU AU SI Tarsa I 52 ve 03 I 53 Isco Lses Re Re R Mittelwert aus allen drei Rs Werten mit p sat sot Rsc Gem DIN EN60891 S 4 5 wird auf der Kennlinie mit der h chsten Einstrahlung ein Punkt mit h herer Spannung als der UMppi gesucht Der dazugeh rige Stromwert liegt unter Isc der Kennlinie Die
11. 1 gehen kann muss er mindestens einen Zyklus lang auf O gewesen sein Es wird die fallende Flanke ausgewertet OR Der Ausgang nimmt den Zustand 1 an wenn mindestens ein Eingang auf 1 geht Ein unbenutzter Eingang wird automatisch auf O gesetzt Selbsthalterelais ber den Eingang S wird der Baustein gesetzt ber R r ckgesetzt Par auf ON geschaltet sorgt daf r dass bei Netzausfall und Spannungswiederkehr das Signal am Ausgang anliegt das vor dem Wegfall der Spannung anlag Sind beide Eing nge 0 bleibt der Zustand von Q gleich Sind beide Eing nge auf 1 wird zur ckgesetzt Meldetext Es gibt maximal 10 Meldetext Funktionen Er ist nur sinnvoll mit einem Basismodul das ein LCD Display integriert hat En startet die Ausgabe des Meldetextes P beinhaltet die Priorit t 0 bis 30 des Melde textes Time und Date zeigen die st ndig aktuelle Uhrzeit Datum an Ausgang Q bleibt solange gesetzt wie der Meldetext ansteht Wechselt der Zustand von En auf O0 wird der Meldetext wieder ausgeblendet 60 3Umsetzung der Aufgabenstellung Solange En den Zustand 1 hat kann der Meldetext nicht quittiert werden Es wird immer der Meldetext mit der h chsten Priorit t angezeigt Wird dieser quittiert wird der n chst h here Meldetext angezeigt Im RUN Modus der SPS kann man mit den Cursorn auf ab die Meldetexte nacheinander abrufen Einschaltverz gerung EV ber den Eingang
12. 50 150 250 350 450 550 650 750 850 950 1050 Einstrahlst rke in W m Im Bereich von 400 bis 1200 W m Einstrahlst rke ist sowie beim Lampenstrom als auch bei der Lampenspannung die Abh ngigkeit linear Nur im unteren Bereich ist die Kurve gekr mmt F r die praktische Anwendung bedeutet dieses das man den Lampenstrom oder auch die Lampen spannung als ver nderliche Gr e f r die Einstrahlst rke w hlen kann Eine relativ gute Proportionalit t ist Grundvorraussetzung f r die Einstellung der Einstrahlst rke ber den Stellspartrafo Anmerkung Hier ist der Modulfl chenkorrekturfaktor ber cksichtigt Die gemessenene Einstrahl st rke ist um den Faktor 1 171 siehe GI 3 6 7 gr er In den obigen beiden Kennlinien ist der Anzeigewert in der Frontplatte verwendet worden weil auch der sp ter f r das Praktikum relevant ist 32 3Umsetzung der Aufgabenstellung 3 6 3 Die Bestimmung der Einstrahlst rken des Lichtfeldes Zun chst musste festgestellt werden inwieweit die Einstrahlungen f r das sp tere Solarmodul homogen sind Es wurde anfangs ein Raster mit 48 Punkten entwickelt das die tats chliche Messfl che des Einstrahlmessers ber cksichtigte Als sich im Laufe der Messungen herausstellte dass dieser neuere Einstrahlmesser schadhaft war nahm man ein lteres vorhandenes funktionierendes Einstrahlmessger t des Vorg ngertypes Daraufhin wurde das Messfeld mit nur 24 Punkten neu festgelegt Denn dieser Einstrahlmesser
13. Arbeitspunkte U U keni Lsc1 7A L c 2 6 24 Serienwiderstand R s5 r 42625 scl sc2 U U kennir I se2 A I GI 2 6 25 Die neue Formel f r Rp Laststrom Ir 0 99 An diesem Wert wird eine Sekante zur Kennlinie gelegt Daraus ergibt sich UL Widerstand Rp R GI 2 6 30 L le ir Y n Rs und Rp Widerst nde in einer Tabelle zusammengefasst Pr fling Rs dU dI Rs nach Rs nach Rs aus einer Rsaus Rp dU dI Rs Rp nach in Q Wag in Q EN60891 in Q Kennlinie in Q DKLinQ inQ Wag in Q Moduli 4 817 1 62 1 68 7 28 3 81 326 407 Modul2 4 52 2 023 1 071 5 34 3 22 973 36 1919 Abschlie end muss man feststellen dass die Rs und Rp Ermittlungsmethoden doch sehr voneinander abweichen Da die Module mit un bersehbaren Knicken versehen waren kann dieses 85 3Umsetzung der Aufgabenstellung Missmatching als Hauptursache angesehen werden Man m sste die Messungen mal wiederholen mit einem Modul ohne Missmatching was aus zeitlichen Gr nden noch nicht stattfand Aufnahme der Kennlinien bei E 1000W m2 25 C nach Abdunkelung einer Zelle t i Kennlinie nach Abdunkelung von 1 einer Zelle und 2 zwei Zellen Bild 3 8 8 Moduli 3 39 De er p ri I U Kennlinie und P U Kennlinie 277 u u mit abgedunkelte n Zelle n L ZA nl Frag SN S 4 En MM E nen BENN o A en A i N N i J S em ZEF H y cm ne 15 2 S i Ag 1 2 07 AMS 8 J 16 W
14. Somit gilt Lea Isa Fi 1 sc Gl 2 6 28 maxsi pmax2 J rL pmax Gl 2 6 30 U oc1 P U oc2 5U oc1 GI 2 6 29 U max gt U pmax2 TU pmax Gl 2 6 31 Weiterhin gilt wie unter Messung von zwei Kennlinien Bu U U Arbeitspunkte U U kan Isc AT G 2 6 24 Serienwiderstand s 7 T GI 2 6 26 scl sc2 U U kennir I sc2 A I Gl 2 6 25 Dieses Verfahren ist sehr n tzlich bei sehr gro fl chigen Anlagen 23 2Allgemeines ber Photovoltaik Rein zeichnerische Ermittlung des Rs aus einer Kennlinie Dieses Verfahren ist alt einfach und umstritten bei Solarfachleuten Hierbei nimmt man lediglich an das an pmax der Stelle Uoc die Kennlinie nahezu linear ist wobei einfach gilt _ AU B AT GI 2 6 27 Ti Es r hrt aus den Betrachtungen einer 0 Spannungsquelle 0 Netzwerke In der nahen Umgebung von Uoc ist der Strom Null es wirkt nur noch Rs Der haupts chliche Knackpunkt ist dass diese Kennlinie in Wahrheit nicht linear sondern wegen des Dioden charakters in der Solarzelle einer Logarithmusfunktion folgt Diskussion mit dem Autor von 1 Die Wahrheit ist dass nicht wirklich klar ist welches Verfahren zur Ermittlung von Rs das beste ist Im Leerlauffall flie t ein relativ gro er Strom durch die Diode der Solarzelle weshalb man im Punkt Uoc die Kurve eben nicht als linear ansehen darf Auch wenn die Solarzelle das Solarmodul nicht nach au en hin belastet ist flie
15. fen besteht die Gefahr dass er nicht bemerkt dass die Anschl sse an den Klemmen ber 300V Gleichspannung f hren k nnten Die Spannung steigt wegen der Lastwegnahme pl tzlich an Das bedeutet Lebensgefahr Zur Gefahrenabwendung wurde ein 10k2 Widerstand parallel zum Gl ttungskondensator geschaltet Bei Ausfall oder auch bei berspannungsabschaltung wird der Kondensator langsam 5min entladen Der Widerstand soll sich im Betrieb nicht bemerkbar machen Deshalb wurde er so gro im Vergleich zum Widerstand der Lampen gew hlt H tte man ihn kleiner gew hlt w re die Entladung schneller aber auch die Last gr er 47 3Umsetzung der Aufgabenstellung Die Pr fung gem DIN VDE 0701 Da zum Zeitpunkt der Pr fung zun chst nur der Lampenversorgungsteil funktionierte wurde auch erstmal dieser nur gepr ft Es wurde der Stellspartrafo getrennt von der Lampenversorgung gepr ft Verwendet wurde das laboreigene Kombinationsmessger t mit Gebrauchsfehler von 5 f r die allj hrlichen Betriebsmittelpr fungen des Labors Die Pr fung gem DIN VDEO701 13 S 106ff ist f r Betreiber von Anlagen gedacht die nach Instandsetzung oder nderung ihrer Anlagen erneut diese zum Schutz gegen direktes und indirektes Ber hren pr fen m ssen Ohnehin ist ein Betreiber von Anlagen und Betriebsmitteln turnusm ig verpflichtet diese gewissenhaft zu pr fen Diese Wiederholungspr fungen finden aber gem DIN VDEO7O2 statt die der DIN VDE
16. nicht geh rtetes Glas mit 3 4 um Beschichtung davon ca 1 2 um CIS Struktur homogen Farbe dunkelgrau bis schwarz 2Allgemeines ber Photovoltaik Die Cadmium Tellurid Zelle CdTe Bild 2 5 8 Schichtaufbau einer Cadmium Tellurid Zelle 4 S 2 54 Hinter der Glasplatte sitzt eine TCO Schicht meist aus Indium Zinkoxid manchmal auch Zinnoxid SnO2 die als Frontkontakt dient Die Cadmium Sulfid Schicht ist sehr d nn und n leitend Gleich darunter liegt die p leitende Cadmium Tellurid Schicht CdTe Beide Schichten werden nach Aufbringen noch einmal unter 400 C hei er chlorhaltiger Atmosph re kontrolliert erhitzt so dass diese zu einer CdS CdTe Doppelschicht aktiviert werden und rekristallisieren Der ganz unten liegende R ck Kontakt stellt eine Schwachstelle dar da sein metallisches Material zum Altern neigt Moderne Cadmium Tellurid Zellen haben keine Anfangsdegeneration Sehr interessant ist die Tatsache dass die Cadmium Tellurid Zelle in der Herstellung die g nstigste ist Cadmium f llt im Bergbau als Abfall an So rechtfertigt sich die doch recht umstrittene Anwendung von dem Schwermetall Cadmium Die Verbindung Cadmium Tellurid gilt als ungiftig und stabil Im Brandfall wird es von zuerst schmelzenden Glas umschmolzen 4 S 2 54 Wirkungsgrad 7 bis 8 5 Gr e Standardmodule sind maximal 1 20 x 0 60m Dicke 3mm Tr germaterial nicht geh rtetes Glas mit ca 5 um Beschichtung Struktur homogen Farbe
17. oder 15 x15cm 6 Zoll Durchmesser von 12 5cm oder 15cm bliche Dicken sind 0 2 bis 0 3mm Struktur homogen Farbe dunkelblau bis schwarz Wirkungsgrad 15 bis 18 2 5 2 Polykristalline Solarzellen Wieder wird das Ausgangsmaterial Polysilizium in Quarztiegeln allerdings in quadratischen eingeschmolzen Durch gerichtetes Erstarren d h kontrolliertes Aufheizen und Abk hlen bilden sich viele m glichst gro e homogene Silizumzellen deren Korn von ein paar Millimetern bis Zentimetern reichen An den Korngrenzen der Kristalle stellen sich Kristalldefekte ein die ein h heres Rekombinationsrisiko bergen Dadurch sind polykristalline Solarzellen etwas minder wertiger als die monokristallinen Sie haben einen geringeren Wirkungsgrad Die Bl cke die dabei entstehen nennt man Ingots Auch sie werden zu 0 3mm dicken Wafern zurecht ges gt Das Aufbringen der Antireflexionsschicht und der Kontakte wird wie bei den monokristallinen Zellen verwirklicht 4 S 2 33 2Allgemeines ber Photovoltaik i p 1 I Rast en An R polykristalline Zellen hier gt oo R in Bild 2 5 3 li ohne u Ir a ll Antireflexschicht mi mit a er e T Antireflexschicht re mit Har Sa S Stromabnehmerlinien I a T mE bliche Gr en sind 10 x 10cm 4 Zoll 12 5 x 12 5cm 5 Zoll 15 x15cm 6 Zoll 15 6 x 15 6cm 6 Zoll und 21 x21cm 8 Zoll bliche Dicken sind 0 24 bis 0 3mm Struktur Eisblumenstruktur Kris
18. t aufgrund der st ndigen Energiezufuhr durch die Sonne der Photostrom im Leerlauf durch den Diodenteil der Solarzelle des Solarmoduls Die hier behandelten Kennlinien zeigen nur die Aussenwirkung des Solargenerators wobei der volle Photostrom nur im Kurzschlussfall zu sehen ist Bild 2 6 18 zeichnerische Ermittlung U U U des Serienwiderstandes Rs pmax oc Rechnerische Ermittlung des Rs Zur einfachen rechnerischen Ermittlung von amp Rs ben tigt man Uoc Isc und die Spannung Ueo die etwas h her liegt als Uoc die man einstellen muss um eine Dunkelkennlinienmessung durchzuf hren Dieser Wert kommt gerade wegen s zustande E U U oc Es gilt RR al 2 6 28 SC 24 2Allgemeines ber Photovoltaik 2 6 10 Das Ermitteln des Parallelwiderstandes AR Zum Ermitteln des Parallelwiderstandes X sind zwei Verfahren bekannt R kann sich unter Umst nden verringern so dass auch hier eine berpr fung von Zeit zu Zeit sinnvoll ist Rein zeichnerische Ermittlungen des R aus der Hellkennlinie An der Stelle Isc wirkt der AU serielle und parallele m Hi ues Widerstand Es wird bei Ik eine Tangente angelegt 7 S 23 Es gilt GI 2 6 29 Im Kurzschlussfall wirken sowie Rs alsauch amp R Keiner von beiden kann vernachl ssigt werden g4 Bild 2 6 19 zeichnerische Ermittlung des eE A 4 Parallelwiderstandes Rp 7 S 23 Weiterhin g
19. 0 0363 0 1 9 967 0 497 0 5007 2 0 5 0 4954 0 007 20 0 001 0 9 969 0 0048 0 0055 0 0 0 0048 0 0055 Die Einstellungen der Platine A13 betragen zum Zeitpunkt der Messung 20V entsprechen 10V normiert 2A entsprechen 10V normiert Daraus ergibt sich 40W entspricht 10V normiert Die obengenannten abweichenden Einstellungen wurden nach der berpr fung des AD534KD gefunden Hier geht es nur darum die Genauigkeit zu berpr fen so dass diese Einstellung in den obigen Tabellen kein Problem darstellen Die Abweichungen sind so gering dass die Exel Kennlinien siehe Anhang CD f r die verschiedenen Leistungen zu dicht aufeinander liegen Es wurden auf vier verschiedene Arten ermittelte Leistungen miteinander verglichen die aus Messwerten von Modulspannung und Modulstrom direkt berechnete Leistung P gerech Url mod Gl 3 7 3 die aus Messwerten von Modulspannung und Modulstrom direkt berechnete Leistung mit Normskalierung Faktor 0 25 U vI moa P gerechund skaliert 4 GI 3 7 4 die aus den gebildeten Normwerten von Uu und Imod gerechnete Normleistung U norm IR norm gerech 10 GI 3 7 5 die vom AD534KD gerechnete Normleistung der gebildeten Normwerte von Uu und Imod _U norm norm 10 am GI 3 7 5 die Abweichung der vom AD534KD genormten Leistung zu der direkt berechneten und skalierten Leistung Abweichung genormte ESE om ER GI 3 7 6 71 3Umsetzung
20. 78 93 45 79 497 74 64 75 15 50 74 995 70 92 70 78 60 65 62 26 61 03 70 53 941 52 78 50 89 80 42 155 43 3 41 55 90 30 35 46 34 39 Diese Tabelle entstand in einer extra Messung wobei bei E 1000W m konstant der Winkel verstellt wurde und dabei der Kurzschlussstrom gemessenen wurde Es wurden hier keine Kennlinien aufgenommen Da Isc E ist ist der Kurzschlussstrom in Relation gesetzt Die Werte weichen etwas von denen die oben vier aus den Kennlinien entnommenen Werten Die verwendeten Messger te sind hier die Frontanzeige Ger te Hier geht es eher um die Tendenz der Module zur Richtcharakteristik relative Einstrahlung in Vergleich Module mit Richtcharakteristik Legende blaue Kurve Richtcharakterisik ideal mit Erel 0 7 cos a 0 3 100 violette Kurve von Modul 1 gr ne Kurve von Modul 2 Bild 3 8 10 Erel in f Winkel in 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Winkel in Hier kann man ablesen was schon bekannt ist die Module sind nicht ideal Ihre Kennlinien sind mit Knicken Ihre Winkelcharakteristik hat Dellen insbesondere Modul 1 Im praktischen Umgang mit Solarmodulen bedeutet dies dass der Einstrahlwinkel wenn er nicht orthogonal zur Modulfl che liegt gleich zu Leistungseinbu en f hrt weil der Kurzschlussstrom absinkt 88 3Umsetzung der Aufgabenstellung Aufnahme der I U Kennlinien bei E 1000W m2 und unterschiedlichen Tem
21. Abstrahlwinkel von 10 der Lampen gest rt wird Die Dunkelkennlinienmessung muss zur Zeit zwingend mit ausgeschalteten Lampen erfolgen da die Lamellen nicht perfekt verdunkeln Eine Blockierung der Dunkelkennlinien messung bei eingeschalteten Lampen ber eine Strom berwachung des Lampenstromes mit eingreifenden Kontakt in die Vorwahl DKL w re eine 100 Euro teure L sung Zur Zeit kann eine Dunkelkennlinienmessung nur mit einem in Serie geschalteten Modul erfolgen Schaltete man das Modul in Parallelschaltung so w rden bis zu 26V beaufschlagt werden wo nur 7V vertragen werden Als L sung w re eine externe einstellbare Span nungsquelle die sich den Modulleerlaufspannungen entsprechend einstellen lie e Die Hellkennlinienmessung ist auch hier nur f r die Serienschaltung des Moduls zur Zeit am optimalsten In Parallelschaltung l dt sich der Ladekondensator auf der Hellkennlinien messplatine A15 nur auf 7V auf Dadurch wird mit dem Schreiber die Kennlinie unzureichend geschrieben ja regelrecht ber das Papier geschmiert Hier w ren einstellbare Kapazit ten eine Abhilfe Die Schieflast verursacht von den Streuungen des Stellspartrafos l sst sich wohl nicht beseitigen Wohl aber kann man das gelegentliche unerw nschte Ausl sen des schnellen Sicherungsautomaten durch tr gere Schmelzsicherungen weitgehend beseitigen Es liegt ja kein Kurzschluss vor 93 4Ausblick 10 Die Zuleitung des 220V Anschlusses ist zur Zeit
22. Au erdem ist man nicht nur an bestimmte Wafergr ssen gebunden Theoretisch sind alle Formen m glich Nur die Tatsache das bei Verschaltungen von Zellen alle gleich gro sein m ssen beschr nkt die Form auf eine quadratische Im folgenden Bild sieht man einen Vergleich des Energieaufwandes zur Herstellung der unterschiedlichen Zellenarten 10 2Allgemeines ber Photovoltaik 105 19 Bild 2 5 5 Vergleich Zelldicke und Energieaufwand zur Herstellung 4 S 2 49 0 2 Zelldicke in um Halbleiterverbrauch in kg kW p Prim renergieverbrauch in MWh kW p An dieser Grafik kann man sehen wie hoch die Einsparpotenziale sind am Prim renergie verbrauch spart man bis etwa zum Dreifachen beim Halbleiterverbrauch bis zum 60fachen und an der Zelldicke bis zum 300fachen Da Solarenergie zum Energiesparen eingesetzt wird sowie im Strom als auch Warmwasserverbrauch ist es umso besser politisch zu vertreten wenn auch die Herstellung energiearm ist Au erdem ist zu erwarten dass Solarenergie immer erschwinglicher wird je effektiver die Herstellung ist Es gibt auch Unterschiede in der Verschaltung der Zellen w hrend die kristallinen Zellen von au en verl tet werden m ssen k nnen D nnschichtzellen schon im Vorwege bei der Beschichtung sogenannt monbolitisch verschaltet werden Das gibt neue M glichkeiten f r die Gestaltung von Solarmodulen Da die Zellen eben nicht einzeln verl tet werden wird der Wirkungsgrad eher auf die ph
23. B6 Br cke zur M3 Schaltung umgebaut In Formeln ausgedr ckt bedeutet dies U UL 288V 2 34 er SU 123 07V 35 i en T A 24 en U Lampen _ 2e 54648 V 61 3 5 11 12 UL 1 7 gt U M3 Strang eff 1 17 1 17 Strang eff Der Umbau von der B6 Br cke zur M3 Schaltung in der Praxis 1 Verbindung vom Minuspol der B6 Br cke auftrennen 2 Minusklemme der Gleichspannung mit dem Neutralleiter Mp verbinden 3 Mp vom Stellspartrafo mit den brigen N Klemmen im Schaltschrank verbinden Dieser Mp war streng getrennt von dem Neutralleiter Problem Mit dieser Schaltung handelte man sich dann ein neues Problem ein mit dem man aber leben kann und muss Die Sicherung die sich am Stellspartrafo befindet l ste jetzt leichter aus Um den Grund zu finden wurden die Phasenstr me gemessen die zum Schaltschrank hin also vom Stellspartrafo weg flie en Folgendes wurde festgestellt B6 Br cke M3 Schaltung R1 4 95A R1 4 2A Is 5 32A Is 5 2A Ir 5 05A Ir 5 0A IMp 1 43A Es wurde in der M3 Schaltung eine deutliche Schieflast festgestellt Sie l sst sich aber aufgrund 44 3Umsetzung der Aufgabenstellung der gegebenen Konstruktion des Stellspartrafos nicht ndern Der Stellspartrafo hat drei einstellbare Ringkernspulen die gleichzeitig verstellt werden k nnen Diese besitzen von Natur aus reichlich Streuungen Sie z hlen qualitativ nicht zu den
24. Bild zeigt den Aufbau der LOGO SPS Bild 3 7 1 LOGO SPS mit Erweiterungen SIEMENS 4 ii man Basismodul S Es wurden Relais Ausg nge gew hlt weil mit extra Platinen gearbeitet wird Daf r sind potentialfreie Kontakte unerl sslich um keine unerw nschten Spannungen auf die Platinen zu verschleppen Mit potentialfreien Kontakten hat man alle M glichkeiten im Rahmen der maximalen Auslegung von 10A 240V Verbraucher mit der SPS anzusteuern Es bedeutet eine erh hte Sicherheit Der Schaltschrankaufbau vorn Die gesamte Anlage f hrt verschiedene Spannungen Damit es bersichtlicher f r eventuelle Fehlersuche wird hat jede Spannung ihre Farbe 1 2 3 4 5 6 240V Wechselspannung und Gleichspannungsseite Lampenversorgung schwarze Leitungen 24V Versorgung f r SPS Ansteuerung Relais rote Leitungen 15V Versorgung f r die Subtrahierer und Multipliziererplatine violette Leitungen 9V Versorgung f r die Anzeigen Modulspannung und Modulstrom gelb 5V Versorgung f r die Subtrahiererplatine und LEM Wandler wei Stromkreis des Solarmoduls grau Die Anschlussklemmen sind auf der Gesamtklemmenleiste X2 voneinander getrennt gef hrt Die F hrung des Abstandes der Klemmen zueinander bedeutet dass die Gefahr von Spannungs verschleppung ber den Weg der Klemmleiste nahezu ausgeschlossen werden soll Sofort zu 57 3Umsetzung der Aufgabenstellung Beginn wurde festgelegt d
25. Differenz aus diesen beiden Str men bildet AI AI wird nun aus der zweiten Kennlinie2 mit zweith chster Einstrahlung von Isc2 abgezogen und der dazugeh rige Spannungswert ist h her als der Umpp2 Die Differenz der beiden Spannungen ist AU1 Diese Ermittlung von Rs wird noch zweimal wiederholt mit jeder der beiden ersten Kennlinien und einer dritten Kennlinie3 die die dritth chste Einstrahlung hat Aus allen drei ermittelten Rs 3 wird nun der Mittelwert Rs gebildet Nach Wagner in Anlehnung an DIN EN 60891 AI 0 5 GI 2 6 23 Arbeitspunkte U U keni Ise AT Gl 2 6 24 U U kenz d A I GI 2 6 25 sc2 84 3Umsetzung der Aufgabenstellung U E U Ipc ls Auch diese Messung wird noch zweimal wiederholt mit verschiedenen Einstrahlst rken gem DIN EN 60891 Das AI wird immer aus dem Isc der einstrahlschw cheren Kennlinie gebildet mit Al 0 5 Isc Wieder wird der Mittelwert aus den drei ermittelten Rs 3 gebildet Serienwiderstand R GI 2 6 26 Rsc T Rsc2 Rsc3 Mittelwert aus allen drei Rs Werten mit R f Bestimmung aus nur einer Kennlinie nach Wagner F r FF unter 0 7 gilt f 2 2 10 ef a 2 6 27 f r FF lt 07 gilt FF fi Berechnung der Kennwerte der zweiten imagin ren Kennlinie I se lc Jebu GI 2 6 28 PT ET Sr Tas GI 2 6 30 Vor gt U oc25U oc1 GI 2 6 29 U mad T U moa U mar aaea Weiterhin gilt wie unter Messung von zwei Kennlinien A i Bu U zu U
26. Neuverdratung der gesamten 24V Steuerung 4 Erstellung eines neuen SPS Programms Testen und Anpassen 5 berpr fung bzw Neuerstellung der Platinen Dunkelkennlinie Hellkennlinie Multipliziererschaltung Subtrahierschaltung Ansteuerung der Anzeigen f r Modulstrom und spannung in der Frontplatte 6 Funktionstests f r die Messungen der Kennlinien Verbindung mit dem X Y Schreiber 7 Durchfahren des gesamten zuk nftigen Praktikumsversuches mit der neu erstellten Anlage 8 Pr fung der Anlage gem DIN VDE 0100 Teil 610 Dieser Arbeitsplan entstand zu Beginn der Aufgabe und ist nur eine ganz grobe Richtlinie Anderungen die sich bei der Umsetzung der Aufgabe noch ergeben sind nicht ber cksichtigt 3 3 Der Sonnensimulatorschrank Auf den ersten Blick wirkt dieser ganz in Wei ausgef hrte Schrank wie verkehrt montierte K chenm bel Doch die wei e Farbe hat seinen Sinn besonders innerhalb der Modulkammer ist die weisse Farbe ideal f r optimale Lichtausnutzung mit wenig Absorbtionsverlusten Es soll die Globalstrahlung nachbilden die sich aus diffuser und direkter Strahlung zusammensetzt 7 5 56 Der fast zwei Meter hohe Schrank besteht aus mehreren R umen Zwei von ihnen vorn und hinten bieten Platz f r die Elektrik Elektronik f r Steuerung und f r die Lampenfeldversorgung Ganz oben befinden sich die L fter vier St ck zur K hlung der Lampen und je 2 x 2 seitlich zur K hlung der Modulkammer also insgesamt 8 L fter Das L
27. befindet sich links seitlich hinter einer T r So kann z B das Modul in seiner Ausrichtung ver ndert werden Dazu ist an der linken Seite unten am Modul eine lose Stange angebracht mit der man nachdem man sie vorsichtig nach rechts bewegt das Modul in verschiedene Winkelpositionen drehen kann Dazu darf man nicht den aussen liegenden Drehknopf bet tigen Dieser ist nur zur Anzeige F r das Photovoltaikpraktikum ist das Modul mit seinen drei Einzelstr ngen in Serie geschaltet Die weissen Steckbr cken die im Bild gerade nicht eingebaut sind d rfen nicht ver ndert werden Der Umgang mit dem X Y Schreiber ZONEN DELFT DV BDOS Bas y Age NE Die Kennlinien werden mit einem Zweikanal Schreiber aufgenommen wobei nur ein Kanal und der Papierkanal benutzt wird PEN1 Ch 1 wird f r die normierte Modulspannung benutzt und Chart Papierkanal f r normierten Modulstrom bzw normierte Modulleistung Der Schreiber mu genau im richtigen Moment der Messzyklen angesetzt werden Zuvor muss der Schreiber in die Betriebsart X Y mit der Taste XY ntY tX geschaltet werden Mit den Tasten DOWN UP kann man den Messbereich verstellen Mit wird die Kennlinie an der PEN1 Achse gespiegelt z B f r DKL Messung Au erdem mu man den Papierbereich mit NEXT auf Length stellen und dann mit den Tasten DOWN UP auf den Wert 17 5 eingestellen Den Stift senkt hebt man mit PEN ZERO REC stellt den
28. bei unterschiedlicher 0 5 Einstrahlung 4 S 3 27 ug Bei nderung der ik Einstrahlung ndert sich die Leerlaufspannung nur wenig aber es steigt der Kurzschlussstrom deutlich an wenn die Einstrahlung st rker wird Bild 2 7 5 Die Kennlinie verschiebt sich parallel zur Spannungsachse in Richtung h heren Kurzschlussstrom Bei o unterschiedlichen Temperaturen siehe Bild 2 7 6 und Bild 2 7 7 ndert sich sowohl die Leistungskennlinie Bild 2 7 6 Verschiebung des MPP bei unterschiedlicher Temperatur in der P 60 7U Kennlinie und 70 Modulleistung P in W als auch die U I Kennlinie Es ndert konstanter sich auff llig die Leerlaufspannung s v wobei der Kurzschlussstrom sich nur jo O geringf gig ndert Durch die a deutliche nderung der 30 4 Leerlaufspannung ver ndert sich auch die Leistung sehr stark bis zu 35 und somit auch der MPP Punkt 10 nderung von Temperatur Einstrahlung und Verschattung siehe 0 wo 20 30 40 Abschnitt 2 8 3 sind die Umpr Bereich Modulspannung U in V Hauptprobleme bei dem Betrieb von Photovoltaikanlagen neben der Frage der Ausrichtung und des Standortes Die Modulspannung wird am st rksten durch die Modultemperatur beeinflusst Daher 2 ist Hinterl ftung der Module sehr wichtig 4 S 3 28 Ausserdem kann 137 MPP bei unterschiedlicher die Betriebsspannung die Temperatur in der Modulstrom in A u Spannungsfestigkeit U I
29. des Lampenstromes nachdenken 3 5 6 Ein paar Aspekte zur Sicherheit W hrend des Aufbaus und der Funktionstestung des Lampenversorgungsteils kamen zwei wichtige Gedanken in puncto Sicherheit in den Sinn die auch umgesetzt wurden Die Schutzabschaltung bei berspannung K2 Dreht ein Student w hrend des Praktikums versehentlich die Stellspartrafo Spannung zu hoch w rden die Lampen sicher zerst rt werden Daf r ist ein berspannungsw chter verwendet worden Er ist so geschaltet dass nur bei berspannung der Gleichspan nungsseite abgeschaltet wird Au erdem muss bei einem Fehler quittiert werden In der Praxis stellte sich heraus dass erst bei Spannungen unter 59V Gleichspannung quittierbar ist Die Einstellung des Stellschalters unten links wurde auf Betriebsart Max Latch eingestellt Bei dieser Einstellung interessiert die untere Schaltschwelle nicht Die Einstellart wurde dem beigef gtenm Datenblatt entnommen Weitere Einstellungen Max Abschaltung bei 291V Lampenspannung DELAY auf Null START auf eine Sekunde Bei berspannung wird das Hauptsch tz K1 sofort weggeschaltet und somit die Lampenspannung Ugl Bild 3 5 12 berspan nungsw chter von oben Der Entladewiderstand Rc Beim Betrieb wurde festgestellt dass wenn keine Lampen als Last angeschlossen sind entl dt sich der Gl ttungskondensator so gut wie gar nicht Fallen beide Lampenstr nge gleichzeitig aus und ein Servicetechniker will die Lampen berpr
30. dieses nicht m glich Messung 480 455 3 430 5 405 9 389 9 373 9 357 9 342 1 326 3 310 5 1222 1262 1303 1334 1368 1386 1408 1444 1468 1479 Vom Abstand a wurde die 37mm H he des Einstrahlst rkemessger tes mit ber cksichtigt Um den Abstand zu verringern wurden Holzst cke die relativ plan waren jeweils dazwischen gelegt So erhielt man 10 Messpunkte Verwendete Messger te 1 Einstrahlmessger t SI 01 lteres Ger t 2 Multimeter ABB Metrawatt M2036 3 Wasserwaage zum Sicherstellen der Orthogonalit t 4 Gliedermassstab Die Messung wurde bei Lampennenndaten also maximale m gliche Einstrahlst rke vorgenommen Wichtig ist auch dass die Lampen mindestens 20 Minuten warm gelaufen sind Erst dann haben sie ihr volles Lichtspektrum entwickelt 49 3Umsetzung der Aufgabenstellung Kennlinie E f a 1500 4 ELE aA 2 DWeIcHUNg Bild 3 6 1 Kennlinie E f a E 7W m gemessen mit der M3 Schaltung 1450 1400 1350 Einstrahlung E in W m 1300 1250 1200 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 Abstand a in mm Legende gemessene Kennlinie blau Au
31. ein Schutzkontaktstecker Liegt dieser ung nstig so l st die Sicherung im Stellspartrafo aus Ein Festanschluss mit klar definierten Neutral und Phasenleiter oder ein unverwechselbarer Stecker w rde Abhilfe schaffen 11 Es gibt einen kleinen fast unauff ligen Offset von ca 40mV Dieser f llt nur ins Gewicht wenn U I Kennlinien und P U Kennlinien auf das selbe Blatt gezeichnet werden Bisher war dies im Praktikum so blich Das Zeichnen l sst den Offset wenigstens augenscheinlich deshalb verschwinden weil man die Achsen unmittelbar vor der Messung vom Schreiber zeichnen l sst Denn dieses erfolgt in Ruhestellung des Stiftes Ohnehin ist wenn man in Zukunft die Ermittlung des Serieninnenwiderstandes nach den neuen Erkenntnissen machen will die Zeichnungen der verschiedenen Kennlinienscharen auf verschiedenen Bl ttern sinnvoll 4 2 Anforderungen an einen Sonnensimulator gem DIN EN 60904 9 Entwurf Es gibt einen Entwurf der DIN EN 60904 9 der sich mit den Leistungsanforderungen an Sonnensimulatoren befasst Die folgende grobe Beschreibung ist eher ein Blick f r die Zukunft da zum Einen die DIN EN 60904 9 noch im Entwurf steht und zum Anderen der bearbeitete Sonnensimulator nur f r ein Praktikum eingesetzt wird Es werden keine Zellen hergestellt die unter pr zisen Bedingungen gepr ft werden m ssen Es ist nur zum Verst ndnis ber Kennlinien von Solarmodulen DIN VDE und DIN EN sind grunds tzlich anerkannte Regeln der
32. falls Aktualwert Ax Aktualwert Ay lt On Man kann die Eingangsempfindlichkeit mit Verwendung von EV und AV herabsetzen An Ax wird das zu verst rkende Eingangssignal gelegt Verwendbar sind AI1 bis AI8 AM1 bis AM6 und AQ1 AQ2 analoge Ausg nge An All bis AI8 0 10V entspricht 0 1000 interner Wert Parameter A Verst rkung Gain B Nullpunktverschiebung Offset Wertebereich 10 000 P Anzahl der Nachkommastellen Wertebereich 0 1 2 3 Aktualwert Ax Ax Gain Offset Der Aktualwert Ax wird am Ausgang AQ ausgegeben 61 3Umsetzung der Aufgabenstellung 3 7 2 1 Funktionsbeschreibung der Hellkennlinienmessung Bild 3 7 2 Programmteil f r Hellkennlinienmessung Entladezeit Start ber R Elk Messung 8005 Raum Elko ce ber Masse Q3 Entladezeit ber Masse i 5007 re dest em o g 7 02 00s aon 3000s 2Sek B009 Vorwahl Hell KL Anfangsentladung Elko ber Masse 8011 WMessunc Hell KL bereit Be a gt NNE I ne B010 06 amp sl 5 Be j Es wird zun chst Vorwahl Hell KL an I2 ein geschaltet Der eigentliche Messzyklus beginnt mit Start Messung an I1 Der AND Baustein B001 wertet nur die positive Flanke des Tasters aus Nur wenn an 06 Messung Hell KL bereit eine 1 steht und gegen Vorwahl Dunkel KL nicht geschaltet ist kann die Messung auch beginnen d h B002 hat am Ausgang eine 1 Bevor die Hell KL Messung bereit
33. geschaltet Meistens gibt es eine Kombinationsschaltung der Zellen Entsprechend ndern sich die Kennlinien von der Zellenkennlinie zur Modulkennlinie Bei der Verschaltung ist unbedingt zu beachten dass man gleiche Zelltypen verwendet Bei Reihenschaltung sollten die Zellen gleichen Kurzschlussstrom haben Bei Parallel schaltungen sollten die Zellen gleiche Leerlaufspannung haben Beachtet man das nicht hat es Leistungsverluste zur Folge Das Gleiche gilt bei Verschaltung von ganzen Bild 2 7 2 Kennlinien von Modulen untereinander Parallelschaltung Parallelschaltung der Solarzellen 4 5 3 25 werden h ufig bei Inselanlagen verwendet Serienschaltungen eher bei Anlagen mit kombinierten Netzbetrieb 4 S 3 34f Die heutigen Standardmodule haben bis zu 216 Zellen eine Leistung bis zu 300 W 4 S 3 13 Sie werden da eingesetzt wo keine besonderen Anforderungen an Form und Gr e gestellt werden Standardmodule siehe Bilder 2 7 3 und 2 7 4 sind relativ f Bild 2 7 4 gerahmte kosteng nstig hergestellt da es keine teuren Sonderanfertigungen sind Sie sind entweder in Teflon EVA Ethylen Vinyl Acetat oder Bild 2 7 1 Kennlinien von Reihenschaltung der Solarzellen 4 S3 24 Zellstrom in A 0 0 4 0 8 1 2 1 6 2 0 Zellstrom Fin A 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 Zellspannung U in V on ua Aluminiumrahmen Gie harz eingegossen Standardmoduls ng Dichtung Danach werden die Zellen in 4 S 3 13 Glas Glas eingebettet E
34. ist nach Sauerstoff das zweith ufigste Element der Erde Allerdings ist es nie in reiner Form zu haben sondern als Siliziumdioxid eine Verbindung mit Sauerstoff als Quarz oder Sand Um den l stigen Sauerstoff aus dem Silizium zu bekommen wird Quarzsand Kohlepulver Koks und Holzkohle zusammen in einem Lichtbogenofen auf 1800 C 1900 C erhitzt Es entsteht dann Kohlenmonoxid und metallurgisches Silizium mit einer Reinheit von 98 F r die Weiterverwendung in der Elektronik oder Solartechnik ist dieses noch zu unrein F r Photovoltaikanwendungen ist eine Unreinheit von maximal Einmillardstel solar grade zul ssig bei Halbleiteranwendung muss es sogar 10mal reiner sein electronik grade Die Solarzellen werden vorrangig aus Halbleiterabf llen gefertigt Seit 1998 ist die Nachfrage aber so hoch nach Solarzellen geworden dass jetzt an Verfahren gearbeitet 2Allgemeines ber Photovoltaik werden Silizium mit dem solar grade kosteng nstig herzustellen Ab 2007 sollen die ersten gro technischen Verfahren starten Es gibt Hoffnung dass Solarzellen bezahlbarer werden 4 S 2 30ff E E Siliziumgranulat gerichtete Erstarrung Abfasen gt Polysilizium ee Cz Ziehverfahren Bl cke schneiden V Block Phosphor Diffusion Scheiben s gen Front und R ckkontakte Antireflexschicht aufbringen Bild 2 5 1 Herstellung monokristallner und polykristaliner Solarzelen aus Polysilzium 4 S 2 31
35. ngigkeit der elektrischen Kennwerte von PV Modulen 4 S 3 29 OFTE s 2 soavi nee e E F E Sur E aaa kai w re PPRT ES PER 2 mw Kurzschluss Relative nderung Temperatur in C 2 7 4 Der F llfaktor Zur Beurteilung ber die Qualit t einer Solarzelle bzw eines MPP Solarmoduls wird der F llfaktor i angegeben 4 S 2 69 Es ist das Fl chenverh ltnis von Fl che A 2 maximaler Leistung zu Fl che B theoretisch h chste Leistung 1 5 oder auch Fl che B Bild 2 7 8 grafische Darstellung f r eine Solarzelle f r den F llfaktor iv FF 4 S 2 70 Tre mpp U urP GI 2 7 10 IJse Uoc 0 5 Je dichter der Wert von FF an 1 ist o desto besser ist die Qualit t Ublich 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 sind Werte zwischen 0 75 und 0 85 Zellspannung in V U upp 31 2Allgemeines ber Photovoltaik 2 7 5 Das Verschattungsproblem Eines der Hauptprobleme die Verschattung 4 S 3 30ff einzelner Bild 2 7 10 Bypassschaltung mit zwei Dioden 4 S 3 31 Solarzellen f hrt y T dazu dass die o abgeschattete Zelle 4 y a zum Verbraucher wie ein Widerstand wird In dieser Zelle wird kein Strom mehr erzeugt Die Strom flussrichtung kehrt sich um Die anderen beleuchteten Zellen treiben den Strom durch die ver schattete Zelle Der h chstm gliche Strom ist der Kurzschlussstrom Wenn der Strom zu hoch wird
36. nicht geht Deshalb werden D nnschichtzellen die die diffuse Strahlung besser auswerten k nnen immer wichtiger Die Winkeldefinition Bild 2 7 13 Winkeldefinitionen in F r den Standort eines der Solartechnik 4 S 2 17 4 EEE IE ii Solargenerators sind zwei a Azimut des PV Generators Winkel zur Sonne i Neigung des PV Generators ausschlaggebend der T e ie E A en rE Azimutwinkel der horizontale Winkel und PV Generator der Sonnenh henwinkel West 90 ni an a der vertikale Winkel c pe Nicht nur der Standaort selbst hat bestimmte mm CER ioo Winkel zur fixen Sonne Sn sondern auch der s d 0 Generator vor Ort Seine Ausrichtung wird meist so ia angepasst dass man zu jeder Zeit die nn Winkeldefinitionen in h chstm gliche Energieausbeute erh lt 2 ern NASE Ost 90 Das ist keine leichte Aufgabe gerade wenn der Solargenerator nicht nachgef hrt wird In den meisten F llen sind die Generatoren fest montiert Hier sind Kenntnisse der geografischen Winkeldaten ber einen Tag einen Monat ber das ganze Jahr wichtig W hrend der Horizontwinkel Azimutwinkel i i j AJ Eee T tageszeitabh ngig ist ist der S Sonnenh henwinkel jahreszeit und Loe breitengradabh ngig siehe auch unter 2 7 2 W oea In der Solartechnik wird der S den mit dem Azimutwinkel a 0 bezeichnet Nach Osten hin werden die Winkel negativer Osten 90 5 i 33
37. von dem Abstand a Bevor man die Einstrahlst rken an verschiedenen Punkten messen kann muss man den Zusammenhang zwischen dem Abstand der Lichtquelle und dem Modul kl ren Das ist wichtig weil das Messinstrument f r die Einstrahlst rke immer ein H henma hat In beiden Diplomarbeiten 6 und 7 wird der Abstand E a beschrieben Das ist soweit richtig solange von einem Punktstrahler ausgegangen wird Bei ihm nimmt die Einstrahlst rke mit zunehmenden Abstand quadratisch ab Bei dem vorhandenen Lichtfeld kann man nicht davon ausgehen genauso wenig bei der echten Sonne Da beim Sonnensimulator die Lampen dicht bei einander angeordnet sind bzw die echte Sonne als relativ unendlich weit weg gedacht werden kann muss man von einer parallelen Lichtquelle ausgehen Zun chst war es nur eine Vermutung die aber durch Messungen der Einstrahlst rke in Abh ngigkeit vom Abstand real wurde Vermutung E a Als Messstelle wurde die Modulmitte gew hlt Sehr wichtig ist dass die Auflagefl che des Messinstrumentes genau gerade ist ortogonal zum Licht Um das sicherzustellen wurde ein Adapterblech hergestellt das anstelle des Moduls gelegt wurde Denn man musste zun chst mit einer schweren Wasserwaage hantieren die das Modul h tte besch digen k nnen Au erdem braucht man das Adapterblech auch sp ter um das Lichtfeld auszumessen Das Einstrahlmessger t muss an allen Punkten genau ortogonal liegen Beim Originalmodul als Auflagefl che war
38. zweiter Temperaturf hler in der Modulkammer verlegt der mit der LOGO SPS direkt zusammenarbeitet 76 3Umsetzung der Aufgabenstellung Anzeige Modulspannung Die Modulspannung wird aus einem 999kR 1kQ Spannungteiler gewonnen Anzeige Modulstrom Es wird der flie ende Modulstrom angezeigt dessen Messspannung aus einem 100mQ Messshunt direkt gewonnen wird Der Strom f r die Normierung wird aus einem extra Strom Spannungswandler gemessen der unabh ngig von der Anzeige der Frontplatte ist Die Versorgung des Lampenfeldes Bild 3 8 3 Stellspartrafo als Um die Lampen berhaupt zum Leuchten zu ELLE ER SB SU Bene veranlassen ist eine extra gef hrte einstellbare ZZ Drehspannung notwendig Das erfolgt ber den einstellbaren Stellspartrafo rechts im Bild Er ist mit dem Sonnensimulator bereits ber Steckverbinder verbunden Der Versorgungsteil f r das Lampenfeld befindet sich im r ckw rtigen Teil des Sonnensimulators Die Lampenspannung wird grunds tzlich von Null an hochgeregelt Ein Einschalten der Lampen mit voll eingestellter Spannung f hrt dazu dass der eingebaute flinke Sicherungsautomat f llt Au erdem f llt der Sicherungsautomat im hinteren Teil des Sonnensimulators Wird die Lampenspannung versehentlich viel zu hoch eingestellt ber 291V f llt ein berspannungsschutz der quittiert werden muss Erst wenn die Trafospannung auf mindestens 59V wieder abgesenkt ist kann der berspannungsschutz r ckgesetzt qui
39. 0701 sehr hnelt Die Pr fung besteht grunds tzlich aus drei Teilen die in der richtigen Reihenfolge erledigt werden m ssen Der erste Teil besteht aus der Schutzleiterpr fung Dabei wird die Verbindung und der Widerstandswert des Schutzleiters gemessen Nur wenn diese Pr fung mit einem Wert von h chstens 300m bestanden wurde 13 5 107 kann die Pr fung fortgesetzt werden Erst dann erfolgt der zweite Schritt die Isolationsmessung der aktiven Leiter gegen Erde H tte man einen gebrochenen Schutzleiterverbindung ignoriert w rde man eventuell einen unzul ssigen Phasenschluss bei der Isolationsmessung nicht bemerken Die Isolationsmessung ist in diesem Spannungsbereich mit mindestens 500V Gleichspannung durchzuf hren Der Isolationswiderstand von 0 5MQ 13 S 109 eines Schutzklasse I Ger tes ist nicht zu unterschreiten Als Letztes 13 S 111 112 wird der Schutzleiterstrom und Ber hrstrom gemessen Der Schutzleiterstrom darf 3 5mA nicht berschreiten der Ber hrstrom nicht 0 5mA Alternativ zu diesen unpraktischen Messungen kann man den Ersatzableitsrom der 3 5mAeff nicht berschreiten darf messen Die Kombinationsmessger te haben oft nur diese Ersatzableitstrommessung Diese Strommessung ist ein Ma inwieweit ein Ger t Str me zum Geh use PE ableitet Zusammengefasst Schutzleiterwiderstand Isolation Ersatzableitstrom lt 300m gt 0 5MQ lt 3 5mA Der Stellspartrafo Schutzleiterwidersta
40. 1 Modul 2 Ua in V UpminV IscinA Rsin Ua in V UpminV IssinA Rsin 22 625 20 75 0 492 3 81 22 3 20 75 0 482 3 22 Die Dunkelkennlinie des zweiten Moduls sowie s mtliche mit dem Schreiber aufgezeichneten Kennlinien mit Auswertungen sind auch vollst ndig auf der Anhang CD vorhanden Grunds tzlich kommen Dunkelkennlinienmessungen in der Praxis nicht so h ufig vor besonders nicht bei gro en Photovoltaik Anlagen Denn f r eine Dunkelkennlinienmessung muss eine Hilfsspannungsquelle vorliegen die etwas mehr Leistung erzeugt wie die Anlage selbst Das ist bei Gro anlagen teuer Diese bung zeigt dass der Serieninnenwiderstand auch ohne Sonne gemessen werden kann Durchbruchspannung einer einzelnen Zelle U pm U eo DZ 36Zellen GI 3 8 2 Modul 1 und Modul 2 Upz 0 576V 3 8 3 2 Aufnahme der Hellkennlinien Zum Messen der Hellkennlinien sollten die Lampen schon ca 20 Minuten warm gelaufen sein Die unterschiedlichen Einstellungen sowie die Bedienung des Sonnensimulators siehe Abschnitt 3 8 2 Bedienungsanleitung Nach jeder Messung muss unmittelbar danach die Lamellen geschlossen werden Aufnahme der I U Kennlinien und der P U Kennlinien Im fr heren Praktikum war es blich die gesamte Kennlinien Schar in einem Blatt aufzuzeichnen Je nachdem ob die neuen Erkenntnisse ber den Serieninnenwiderstand mit in das Praktikum aufgenommen werden ist es mehr oder weniger sinnvoll Will man die verschi
41. 173m Verwendete Messger te 1 Oszilloskop LeCroy wafeSurfer 424 200Mhz Messbereich Ger t aus dem EA Labor Nr 02 Teilungsverh ltnis C2 100 2 Stromzange Fluke Typ 80i 110s AC DC mit 10mV A INV Nr 1241 Aus dem Oszilloskopbild 3 5 11 erkennt man wie gering der Brummstrom ist Isrs 173mA Bei 5 833A Nennstrom sind es 2 96 Das unten stehende Bild 3 5 12 zeigt im Gesamtbild Ein C1 rigger Bild 3 5 11 Einstrahlung Brummstrom und i 2 me 5 00 mac Normal 22 spannung bei Lampennenndaten 10 0 KS 200 kSss Flanke ositiv 2 mW Uglnenn 288V Igl 5 833A o r0 w 1 130 w yay EREFEN und Lampenstrom bei Nenndaten in der M3 Schaltung Verwendete Messger te 1 Oszilloskop LeCroy wafeSurfer 424 200Mhz Messbereich Ger t aus dem EA Labor Nr 02 46 3Umsetzung der Aufgabenstellung Teilungsverh ltnis C1 200 C2 100 2 Stromzange Fluke Typ 80i 110s AC DC mit 10mV A INV Nr 1241 3 Trennverst rker SI 9000 im Teilungsverh ltnis 1 200 4 Einstrahlsensor SIO1 TC Mencke amp Tegtmeyer Die Schwankungen von Strom und Spannung liegen prozentual in der derselben Gr enordnung Zwar liegen die Werte h her als bei der B6 Br cke Usrss bei rechnerisch 1 43 aber die beseitigten Probleme mit berspannung bei zu hohem Aufdrehen des Stellspartrafos rechtfertigen diese kleine Einbu e allemal Um gar keine Schwankungen zu haben k nnte man ja in Zukunft ber eine einstrahlst rkeabh ngige Regelung
42. 2 C 0 4 2 0 nm lt 10 lt 10 A ist die h chste Klasse C die ung nstigste Dieses ist nur eine Kurzbeschreibung der Anforderungen Weitere Einzelheiten stehen in DIN EN 60904 9 Entwurf Beim bearbeiten Sonnensimulator ist die spektrale Anpassung nicht festgestellt die Ungleich m igkeit der Einstrahlst rken mit Mittelwertbildung und Abweichung vom Mittelwert auf ca 17 beziffert mit der DIN EN 60904 Formel oben auf 15 37 Die zeitlichen Ungleichm igkeit zu ermitteln war mit vorhandenen Mitteln nicht m glich 4 3 Messen der photovoltaischen I U Kennlinien gem DIN EN 60904 1 Die DIN EN 60904 1 erst seit 2006 g ltig beschreibt die allgemeinen und simulatorspezifischen Anforderungen zur Messung von I U Kennlinien Auch hier sei nur das Gr bste beschrieben 1 Die Messung der Bestrahlungsst rke muss entweder mit einem Pyranometer oder einer kalibrierte PV Referenzeinrichtung erfolgen Idealerweise haben Pr fling und Referenzeinrichtung die gleiche spektrale Empfindlichkeit Verkapselung und Zellen beschaffenheit In der bearbeiteten Anlage haben die Module eine Plastikabdeckung und die Referenzeinrichtung eine Scheibe aus Glas Da das neuere Ger t defekt war und das ltere kein Datenblatt hatte kann keine Aussage ber die Eigenschaften des benutzten Einstrahlmessers Referenzeinrichtung getroffen werden Nur kann man sagen dass beides aus polykristallinen Silizium gefertigt sind 2 Di
43. 5 62 1172 285 5 62 284 5 58 1000 268 5 44 266 5 38 900 257 5 32 255 5 28 800 245 5 18 245 5 15 700 233 5 04 232 5 01 600 220 4 89 219 4 85 500 206 4 72 205 4 68 400 190 4 51 189 4 48 300 171 4 27 171 4 25 200 150 3 98 149 3 96 100 120 3 54 120 3 52 50 98 3 18 97 3 16 Die obenstehende Tabelle zeigt die Werte aufgenommen mit den ABB Mulitimetern und die Werte die direkt von den Anzeigen in der Frontplatte entnommen sind Im Spannungsbereich gibt es Abweichungen bis maximal 2V wenn man die verschiedenen Anzeigen Multimeter Frontanzeige vergleicht Das ist bezogen auf den Nennspannungswert der Lampen 288V eine Abweichung von 0 69 Im Strombereich gibt es eine maximale Abweichung der verschiedenen Anzeigen von maximal 0 04A Das entspricht einer Abweichung von 7 06 Darstellung in Kennlinienform Emod f Lampenstrom 5 5 4 5 Lampenstrom in 3 5 50 150 250 350 450 550 650 750 850 950 1050 Einstahlst rke in W m 51 3Umsetzung der Aufgabenstellung Emod f Lampenspannung 300 280 260 240 220 200 180 Lampenspannung in 160 140 120 100
44. 6 14 Ux U I I e GI 2 6 16 U l U I pmax Pra 6 450 r 3 417 7 4 422 GI 2 6 17 Ise oc 0C SC Approximationsfunktion f r die Steigung M im Leerlaufpunkt Die Gleichung 2 6 17 f r M ist unabh ngig vom Material der Solarzellen bzw des Moduls und hat eine Genauigkeit von 1 Damit kann man die Steigung M im Leerlaufpunkt f r x beliebige Solarzellen bzw Module berechnen Diese Berechnungen sind vor allem Grundlage um MPP Regelungen MPP Punkt maximaler Leistung zu berechnen oder alle Punkte der Kennlinien zu berechnen 20 2Allgemeines ber Photovoltaik 2 6 8 Die Hellkennlinienmessung Um diese Kennlinie zu erhalten legt man selbstverst ndlich keine externe Spannung an wie bei der Dunkelkennlinienmessung sondern im beleuchteten Zustand wird ein Widerstand langsam ver ndert vom Kurzschlussstrom bis hin zur Leerlaufspannung Idealerweise eignet sich eine Schaltungsanordnung mit einem Kondensator der Solarzelle parallelgeschaltet der dann ber eine gewisse Zeit aufgeladen die Kennlinie durchf hrt Den ver nderlichen Widerstand bildet ein Elko Wird Kr geschlossen wird das Solarmodul kurzgeschlossen Ke1 und Ke2 sind offen und der Elko l dt sich bis zur Leerlaufspannung auf In dieser Zeit erfolgt die Kennlinienaufnahme mit z B einem x y Schreiber Nach der Messung muss der Schutzdiode Kondensator wieder entladen werden Das erfolgt in zwei Stufen Erst wird Ke1 geschlossen und der Elko ent
45. Besten Da ja kein Kurzschluss vorliegt k nnte zumindest der Einbau von tr geren Schmelzsicherungen der Baureihe Neozed das leichte Ausl sen verhindern Die Verwendung der M3 Schaltung in der Praxis Mit der Faustformel die schon f r die B6 Br cke angewandt wurde wird noch einmal grob die zu erwartende Brummspannung berechnet I _ 5 833 A ed ae BrsS C f 4700uF 150Hz un Bezogen auf die Nenngleichspannung Uginenn Macht dies rechnerisch einen Prozentatz von 2 87 aus Es wurden mit dem Oszilloskop zur berpr fung zun chst die Brummspannung aufgenommen Bild 3 5 10 Brummspannung bei Teilbasis 0 0 ms Trigger Lampennenndaten 5 00 ms div Normal UgInenn 288V IgI 5 833A 10 0 KS 200 kS s f Flanke Positiv In der Praxis wird eine Brummspannung von 7 17V festgestellt Das entspricht 2 48 Der Brummanteil ist also noch etwas geringer Verwendete Messger te 1 Oszilloskop LeCroy wafeSurfer 424 200Mhz Messbereich Ger t aus dem EA Labor Nr 02 Teilungsverh ltnis C1 200 2 Trennverst rker SI 9000 im Teilungsverh ltnis 1 200 Da davon ausgegangen wurde dass die Einstrahlung proportional zum Lampenstrom ist siehe auch Messungen aus 11 5 62 wird noch die Messung des Brummstromes im folgenden Bild 3 5 11 dargestellt 45 3Umsetzung der Aufgabenstellung Bild 3 5 11 Brummstrom bei Zeitkasis _ 0 Ums 5 00 midis f Mormal Lampennenndaten ae a a a EN UgInenn 288V Igl 5 833A Ay
46. EM Wandler liefert 0 0 625V f r den eingestellten Strombereich 0 2A Erst das IC1_A12 verst rkt die Spannungen von maximal 0 625V auf 0 75V Die Schaltung war vor der Bearbeitung des Sonnensimulators so entworfen worden dass eine Messspannung von 0 0 75V zur Verf gung stehen sollte in Anlehnung an den anderen Sonnensimulator von 1996 Einstellvorschrift f r den Subtrahierer Bild 3 7 5 Einstellung Subtrahiererschaltung Messger te P lt 2 ABB M2036 i Er so Eo ooo Stromvorgabe 0 2A wWAlandlor vvandle S ar A w4 d E Konstanter mit UB bis zu 2V Zur Einstellung des Subtrahierers muss ein Strom von 0 2A vorgegeben werden Hierzu wird ein Konstanter mit niedriger Spannung bis 2V und ein 5 6Q Widerstand in Reihe zum Strompfad geschaltet Ganz vorsichtig wird der Konstanter von Null an h her geregelt und somit der Strom bis zu 2A eingestellt Zun chst wird sichergestellt dass die Null Linie eingestellt wird Ohne Strom durch den LEM zu schicken wird Vsub am Pin 6 des IC2_A12 gemessen Vsub muss genau OV betragen Sind es keine OV kann man mit dem Trimmpoti P2_A12 die Referenzspannung korri gieren Zus tzlich wird Vimod am Pin 6 des IC1_A12 berpr ft Trotz Verst rkung muss auch hier OV anliegen Danach werden 2A durch den LEM geschickt Nun m ssen Vsub 0 625 und Vimod 0 75V betragen Ist der Wert von 0 75V nicht korrekt kann man die Verst rkung des 67 3Umsetzung der Aufgabens
47. Elektrotechnik Die DIN EN 60904 Normen existieren erst seit etwa 1994 Erst allm hlich mit Fortschreiten der Photovoltaik entstanden die DIN EN 60904 Normen DIN VDE und DIN EN Normen k nnen Gesetzescharakter erreichen wie z B die DIN VDE 0100 allgemeine Vorschriften m ssen es aber nicht Ein Sonnensimulator gem DIN EN 60904 9 Entwurf hat unter anderem drei Hauptanforderungen 1 Es muss eine spektrale Anpassung stattfinden in DIN EN 60904 3 die Abweichung vom Referenzsonnenspektrum AM 1 5 Solarmodule sollen unter STC hergestellt bwz gepr ft werden Der AM1 5 geh rt zu den STC Es sind sechs Wellenl ngenbreiche zu untersuchen f r die prozentualen Anteile der Gesamtbestrahlungsst rke Tabelle 1 in DIN EN 60904 9 S 4 Zur Anwendung sind Spektroradiometer Gittermonochomator ladungsgekoppelte Bauelemente CCD Fotodiodenanordnungen Mehrfachempf nger mit Bandpassfiltern oder Einzelempf nger mit mehreren Bandpassfiltern Solche Messungen sind im Rahmen dieser Abschlussarbeit nicht ohne weiteres m glich Auf weitere Einzelheiten der spektralen Anpassung wird hier auch nicht eingegangen 2 Erfassung der Ungleichm igkeit der Bestrahlungsst rke in der Pr febene Die vorgesehene Pr ffl che ist hier in 64 gleich gro e B cke zu unterteilen Die maximale Gr e des Kontrollempf ngers muss 1 64 der vordefinierten Pr ffl che haben aber nicht gr er als 400cm Idealerweise ist am Sonnensimulator au en eine Tabelle vor
48. Emod f Kurzschlussstrom Modul 1 500 450 400 350 200 150 Modulkurzschlussstrom Isc N N oO 100 Bild 3 8 1a Isci f Emodi 50 150 250 350 450 550 650 750 850 950 1050 Einstrahlst rke E in W m Emod f Kurzschlussstrom Modul 2 500 450 350 300 250 200 Modulkurzschlussstrom Isc in 150 100 50 Bild 3 8 1b Isc2 f Emod2 50 150 250 350 450 550 650 750 850 950 1050 Einstrahlst rke E in W m Oben sind die Modulkennlinien die die Abh ngigkeit von Einstrahlung und Kurzschlussstrom zeigen Die Funktionen E f Isc1 und E f Isc2 sind proportional Die Kennlinien sind in Serienschaltung aufgenommen Nur in dieser Schaltung wird das Praktikum durchgef hrt Die Verwendung in Parallelschaltung der Module macht nderungen in der Sonnensimulatoranlage notwendig 74 3Umsetzung der Aufgaben
49. Faktor 27 und hat die Aufgabe die noch invertierte Spannung wieder positiv zu machen Die Trimmpotis P1_A13 und P2_A13 sind zur Einstellung des Offsets in der Schaltung In der Praxis stellte sich heraus dass die Beseitigung des Offsets am besten funktionierte ohne zu messenden Strom und Spannung bei laufender Schaltung in Feineinstellung mit einem Oszilloskop Bis auf ca 20 40mV lie sich der Offset beseitigen In der Theorie sollte man die Eing nge des OP Verst rkers jeweils kurz schlie en Die dann noch entstehende Spannung am Ausgang w re dann mit den Trimmpotis auf Null einzustellen Funktion der Normierung im Spannungszweig Hier ist der gesamte Schaltungsaufwand wesentlich einfacher Es sind wieder zwei Verst rkerstufen hintereinander geschaltet Die erste Stufe mit IC3a_A13 hat eine einstellbare Verst rkung mit P4_A13 von 0 1 Die zweite invertiert nur noch einmal die von der ersten Stufe invertierte Spannung zur ck ins Positive mit der Verst rkung von 1 Die Modulspannung wird direkt gemessen und als Umod auf A13 geschaltet Zun chst wurde so eingestellt dass 20V als 10V normierte Spannung an Pin 14 des IC3b_A13 erscheint Sp ter wurde sich f r die Skalierung 25V entspricht 10V normiert bzw 20V entspricht 8V um entschieden weil das Modul bis zu 22V erzeugt Das bedeutet aber normierte Spannung bis zu 11V F r eventuellen Anschluss an nachfolgende Messkarten d rfen 10V nicht berschritten werden Der Multiplizierbaust
50. Idealzustand eines Atomes die so genannte stabile Edelgaskonfiguration Durch Licht oder W rme also Zufuhr von Energie k nnen Valenzelektronen aus dem stabilen Gef ge heraus gebrochen werden Die freien Elektronen hinterlassen dann L cher Dieser Vorgang wird Eigenleitung genannt 4 S 2 27ff Valenzelektron 1 Elektronenpaar cD bindung Bild 2 2 1 Eigenleitung 4 S 2 27 2 Silizium Atom Allerdings l sst sich mit Eigenleitung kein vern nftiger Strom erzeugen Dieses Gebilde wird mit St ratomen versehen entweder mit einem freien Elektron mehr 5 Valenzelektronen z B Phosphor oder einem weniger 3 Valenzelektronen z B Bor Bei Zusatz von z B Phosphor hat man dann zus tzliche freie Elektronen bei Zusatz von z B Bor hat man zus tzliche freie L cher Diese Ladung die nur zur Zeit nach innen hin wirkt hat aber noch keine Richtung siehe Bild 2 2 2 Erst wenn man positiv dotierte p Halbleiter und negativ dotierte n Halbleiter Schichten aufeinander legt entsteht die Diffusionsladung wie bei Dioden Denn hier ist es das gleiche Funktionsprinzip einer Siliziumdiode Eine Solarzelle ist nichts weiter als eine bestrahlte Diode 2Allgemeines ber Photovoltaik p Halbleiter n Halbleiter Bild 2 2 2 DI 4 Sa ee St rstellenleitung bei n gt und p dotierten Halbleitern 4 S 2 27 Bor Atom d Silizium Atom Phosphor Atom Die L cherleitung bzw Elektronenleitung nennt m
51. Inhaltsverzeichnis Einleitung und Autsabenstellung sa 3 IVE le HEUT en ee ee ee 3 1 2Aufgabenstellung zur Steuerung eines Sonnensimulators zur Ermittlung der Kennlinien von Solarmodulen gt da8 L stenhett u a ar een 3 2AllSemeines uber PHo vollalk une ee ee N 4 2 1 Woner Kommt Pholovollaik oar een eur a a 4 22 FUnKOONSPrINZIP ener Solarzellen i E e a O T TE 4 2 SAulbauseiner SOl Ze E iea O E 6 ATA ANE ES a ee Eee else el 7 2 5Herstellung von kristallinen Solarzellen ssssssssssssnsssssssseeneneeeeeneennnnnnnnnnnnnnnnnnnnn J 2 5 1M6h6ktistalline Solarzellen ass ie 9 2 93 2POlyktistalline Solarzellen nen in 9 2 523 Dunnschicht Zellenieehn0l0Sie aaa kann bass ba 10 ASAE mige Dunnschiehtzellen tten nee an 11 2 6Die Visitenkarte einer Solarzelle Die Kennlinien und Kennwerte nen 14 2 6 1Die Rennwerteeiner S0larze Mena He 14 2 6 2D s Scha ltzeichen der S larzelle a ea E EEO 15 203 Die D nke kenn Nie ns een teten 15 2 6 4Das Ersatzschaltbild einer unbeleuchteten Solarzelle 2000000000nnnnnnnn 16 2 6 3 Messung der DunkelKk miles ee 16 20 0DIe TI Ike nn ne ee et 17 2 6 7Das Ersatzschaltbild einer bestrahlten Solarzelle 2222220000000eeenennnennnnn 18 2 6 8Die Hellkennlinienmessuns anne ee een 21 2 0 9Das Ermitteln des Serienwiderstands esse u ea 22 2 6 10Das Ermitteln des Parallelwiderstandes 22020022222200000eeeeeee
52. Kennlinie bei nachgeschalteter Betriebsmittel ppi o stante n i 2 Einstrahlung berschreiten gerade bei 4 S 3 28 Reihenschaltung von Modulen zu 0 h heren Spannungen 0 oe 22030 Unpp Bereich Modulspannung in V 30 2Allgemeines ber Photovoltaik Die Berechnung des Temperaturkoeffizienten Die Werte des Kurzschlussstromes und der Leerlaufspannung des Moduls werden bei der Temperatur von 25 C als 100 angenommen Die sich ergebenden Werte bei ge nderter Temperatur werden prozentual zu den 100 Werten berechnet Da die nderung der Temperatur linear zur nderung von Kurzschlussstrom bzw der Kurzschlussspannung ist gilt dann n herungsweise f r Temperaturen zwischen 25 C und 75 C 8 5 17 I inProzent yes cinProzent er g 0 25 C Einheit C oder K c1 2 7 8 TK neu wobei J 7j3 5 ec 100Prozent U inProzent UgpensscinProzent TK ooo ec Einheit C oder K 61 2 7 9 wobei Unpersoc 100Prozent Man kann die Temperatur in C auch in Kelvin K angeben Es kommt hier auf eine Temperaturdifferenz 40 an Dann wird der Sen Temperaturkoeffizient in K m angegeben Dieses ist meist bei En Datenbl ttern der Fall Das Diagramm rechts Bild 2 7 72 kann zur Bestimmung der Kennwerte herangezogen werden 4 S 3 28 wobei prozentual die nderungen der Kennwerte angegeben sind zur nderung der Temperatur 30 Bild 2 7 7a Temperaturabh
53. OGO SPS dieses vertr gt Es wird hier nur die Durchlasskennlinie des Moduls aufgenommen Der Anschluss Q5 Q5_LOGO der Platine wird solange die DKL Messung bereit ist und auch l uft mit dem Modul ber Solar verbunden D h Das Modul ist solange verbunden wie der Vorwahlschalter in Stellung DKL ist 66 3Umsetzung der Aufgabenstellung 3 7 5 Strommessung mit einem LEM Stromwandler und einer Subtrahierschaltung Platine A12 Am Solarmodul wird zweimal unabh ngig voneinander Strom gemessen Zum einen ber einen 100mQ Messshunt A11 f r die Stromanzeige in der Frontplatte zum anderen durch einen Strom Spannungswandler der Firma LEM Stromerfassung und die daraus gewandelte Spannung sind potentialgetrennt Da hier der Strom im Plus Zweig gemessen wird ist diese Tatsache sehr sinnvoll Der LEM Wandler ist f r den 0 2A Bereich mit einer Genauigkeit von mindestens 0 7 geschaltet Als Betriebsspannung ben tigt er 5V Die Null Linie der gemessenen Spannung ist allerdings bei 2 5V Da aber Spannungen von 0 10V als Messlatte ben tigt werden muss k nstlich eine Null Linie geschaffen werden Deshalb war die schon in der Anlage vorhandene Platine A12 bestimmt Eine fest einstellbare Referenzspannung ber P2_A12 von 2 5V wird gegen die 2 5V die der LEM liefert subtrahiert ber IC2_A12 Vorher wird die Referenzspannung mit IC3_A12 als Impedanzwandler abgekoppelt so dass die folgende Schaltung keine Belastung darstellt Der L
54. Photovoltaik Mit Co legt man bei einer gew nschten Messzeit eine optimale Kapazit t des Ladekondensators fest 1 S 61 Bei der Entladezeit ist die Kapazit t dann festgelegt womit nur noch mit R die Entladezeit eingestellt wird Als Entladezeit in der ersten Stufe KE1 geschlossen wird T tau so gew hlt dass nach T der Kondensator nur noch 37 Restladung hat d h t tau R C c 2 6 22 6 2 6 9 Das Ermitteln des Serienwiderstandes SR Wenn man ein Solarmodul betreibt dann w nscht man nat rlich dauerhaft gleich guten Ertrag Deshalb ist es wichtig die Voraussetzungen daf r stets zu berwachen Denn der serielle Widerstand Rs der durch Kontakte haupts chlich entsteht ver ndert sich mit der Zeit wenn durch Korrosion die bergangswiderst nde und somit auch Rs ndert Von Zeit zu Zeit sollte der Wert des seriellen Widerstandes berpr ft werden In allen Ersatzschaltbildern kann keine explizite Berechnung des Rs gefunden werden entweder man hat keine explizite L sung f r die Modulspannung Standardmodell oder Zweidiodenmodell keine hinreichende Genauigkeit einfaches Modell oder Rs kommt gar nicht erst in der Formel vor effektives Modell Diese Verfahren sind auf Solarzellen sowie auch auf ganze Module anwendbar Zur Zeit sind vier Verfahren bekannt Ermittlung von Rs in Anlehnung an DIN EN 60 891 Es m ssen zwei Kennlinien bei unterschiedlicher I Bestrahlung bei konstanter Temperatur 2 C und bei g
55. Schreiber Bild 3 8 5 Bedienfeld des X Y Schreibers En 3Umsetzung der Aufgabenstellung scharf bereit unmittelbar zum Schreiben Will man die Achsen zeichnen dr ckt man zuerst PEN und dann AXES Wenn nur die normierten Werte gemessen werden haben sich folgende Einstellungen als optimal herausgestellt Bei HKL Messung PEN1 SPAN auf 0 2V cm ZERO auf 5 CHART SPAN auf 0 2V cm ZERO auf 9 4 DKL Messung PEN1 SPAN auf 0 2V cm ZERO auf 5 CHART SPAN auf 0 2V cm ZERO auf 9 4 Der ZERO Bereich hat nichts mit der Taste ZERO zu tun sondern ist die Stelle wo der Schreiber auf dem Papier seinen Nullpunkt hat Dieser Wert wird ber die Taste NEXT eingestellt Diese Einstellungen werden bei nicht scharf gestellten Schreiber get tigt Der Ablauf der Messungen Die Dunkelkennlinienmessung Nachdem die Voreinstellungen oben beschrieben vorgenommen wurden kann folgender Messablauf bernommen werden 1 Lampen unbedingt ausschalten 2 Vorwahlschalter am Simulator auf DKL Messung 3 Papier und Stift einlegen 4 Stift absenken Schreiber scharf stellen und Achsen schreiben lassen Jetzt hat der Schreiber seinen Nullpunkt 5 Am Simulator den Taster Messung Start bet tigen Messzyklus beginnt 6 Sofort nach Zeichnen der Kennlinie den Stift mit PEN am Schreiber anheben sonst saust der Stift mit h sslicher Linie quer ber das Papier zur ck 7 Nach insgesamt 16 Sekunden le
56. Trg startet die Zeit f r die EV Q schaltet nach Ablauf der eingestellten Zeit T ein wenn Trg noch auf 1 ist Ausschaltverz gerung AV Bei einem Wechsel von 1 auf O am Eingang Trg wird die Zeit T f r die AV gestartet ber R wird die Zeit T zur ckgesetzt und Q auf 0 gesetzt Q wird auch nach Ablauf der Zeit T auf 0 gesetzt Wischrelais Impulsausgabe ber den Eingang Trg wird die Zeit T gestartet Q ist f r die Dauer der Zeit T geschaltet solange Trg auf 1 ist und f llt danach auf O zur ck So erh lt man einen Impuls von einstellbarer Zeitl nge R nicht gezeichnet setzt das Wischrelais zur ck Analogkomperator Es werden an den Eing ngen Ax und Ay Analog signale angelegt deren Differenz ausgewertet werden soll Verwendbar sind All bis AI8 AM1 bis AM6 und AQ1 AQ2 analoge Ausg nge Parameter A Verst rkung Gain B Nullpunktverschiebung Offset On Einschaltschwelle 20 000 Off Ausschaltschwelle 20 000 P Anzahl der Nachkommastellen Q wird in Abh ngigkeit der eingestellten Schwellwerte von Ax und Ay gesetzt oder zur ckgesetzt Es wird die Differenz der Aktualwerte Ax und Ay gebildet und ausgewertet Aktualwert Ax Ax Gain Offset Aktualwert Ay Ay Gain Offset Bei der Verwendung des PT100 wird der Offset 0 25 und Gain 50 automatisch gesetzt Rechenvorschrift Q wird auf 1 gesetzt falls Aktualwert Ax Aktualwert Ay gt On Q wird auf O gesetzt
57. a a cenaaenanene aaa 8l 3 8 3 2Aulmahme der Hellkennlinien sn ee 82 3 8 3 3Abschlie ende Beurteilung des Praktikums 222200000sssnnnennnnnnnnnnnnnnnnnenen 91 3 8 3 4E1ne IHleressanls ZusalzaU 1830 ee needed 91 SIE DICK ee ee esse Bene 93 4 1 N erDesserungen tur die Zuk nt na E E 93 4 2 Anforderungen an einen Sonnensimulator gem DIN EN 60904 9 Entwurf 94 4 3Messen der photovoltaischen I U Kennlinien gem DIN EN 60904 1 neen 95 3Danksasuns he 97 6l terat rverzeichnis und Anhanp usa Ein zn 98 FV ersicheruns uber die Selbststandiekeit san u a a 100 lEinleitung und Aufgabenstellung 1 Einleitung und Aufgabenstellung 1 1 Einleitung Aufgrund der steigenden Nachfrage im Bereich Photovoltaik m chte die HAW Hamburg auch dem Geist der Zeit folgen und die Ausbildung zuk nftiger Ingenieure innen mit einem Praktikum dieser Technik bereichern Vor ca 10 Jahren wurden Photovoltaik Praktika eingef hrt aber auch im Laufe der Zeit wieder eingestellt Die HAW verf gt ber zwei Sonnensimulatorschr nke Einer davon funktioniert gut eine fr here Diplomarbeit aus dem Jahr 1996 Der andere Schrank funktioniert nur unzureichend Es ist eine Aufgabe f r diejenigen die die elektrische Praxis und die Photovoltaik lieben Es ist die ganze Bandbreite der Elektrotechnik gefragt Messtechnik Programmieren Leistungselektronik praktisches Arbeiten ect 1 2 Aufgabenstellung zur Ste
58. ahl der Eing nge der SPS Steuerung festzulegen Um den genaueren Funktionsablauf zu bestimmen wurde an der lteren Sonnensimulatoranlage siehe 6 ein Photvoltaik Praktikum durchgef hrt Die SPS Steuerung muss mit der Hell und Dunkelkenn linienplatine zusammenarbeiten Nach Durchf hrung des Praktikums konnte man eine Aussage ber die Anzahl von Ein und Ausg ngen der SPS treffen Der hier bearbeitete Sonnensimulator hatte schon zu Anfang eine Hellkennlinienplatine ein paar Bedienelemente und ein halbfertiges SPS Programm bernommen wurde die Hellkennlinieplatine deren Messprinzip unter 2 6 8 erkl rt ist Bekannt war auch aus 6 die Schaltung der Dunkelkennlinieplatine Diese war in diesem Sonnensimulator aber weder aufgebaut noch getestet In der Sonnensimulator Anlage 6 hatte sich aber die Schaltung der Dunkelkennlinienplatine bew hrt so dass die Schaltung auch bernommen wurde und neu aufgebaut wurde Au erdem gab es noch L fter auf dem Dach des Sonnensimulators die bei der Anzahl der Ausg nge eine Rolle spielten da sie auch von der SPS aus angesteuert werden sollten Die Temperaturerfassung machte noch zus tzliche Eing nge notwendig Anzahl der Eing nge 6 digitale Eing nge f r Schalter Taster 2 analoge PT100 Eing nge f r Temperaturerfassung Anzahl der Ausg nge 8 Relais Aug nge davon 3 f r Hellkennlinenmessung 2 f r Dunkelkennlinienmessung 2 f r Meldung Messungen bereit 1 f r die Ansteuerung der L ft
59. ampen wurde die berspannungsabschaltung aber beibehalten weil sich der Stellspartrafo immerhin noch auf bis zu 324V Gleichspannung stellen lie 42 3Umsetzung der Aufgabenstellung 3 5 5 Die Anwendung der M3 Schaltung Der Sinneswandel f r die Anwendung hat nat rlich Folgen Es war notwendig sich ber die Theorie der M3 Schaltung die Auswirkung auf die verwendeten Bauteile klar zumachen Die M3 Schaltung in der Theorie F r den Betrieb der M3 Schaltung ist ein Trafo mit Mittelpunktanschluss notwendig Da unsere Versorgung mit einem Stellspartrafo mit Neutralleiter als Mittelpunkt beginnt war dies kein Problem Die untere Tabelle zeigt nun bei welchen u Winkeln welches Ventil leitet U Di leiten Winkel Ugl Ugl ULampen des Ventil Bild 3 5 8 M3 ampen D1 0 120 Un 0 Uun aa d D2 120 240 Ur 0 Un ia D3 240 360 U3 0 UB UL ampen Anhand der Tabelle sieht man schon dass das Minuspotential der Gleichspannung dem Neutralleiter entspricht Die Ventile D1 bis D3 sind abwechselnd f r 120 leitend 9 S 124ff Aufgrund der Symmetrie des Drehspannungssystems sind die Effektivwerte der drei Phasenspannungen gleich U Li U U Bild 3 5 9 Gleichspannungs bildung bei der M3 Schaltung 9 5 129 Der nat rliche Wechsel der Ventile erfolgt unter Einfluss der Phasenspannungen Uu bis UL3 im Schnittpunkt der Spannungen mit einer Frequenz von 150Hz mit d
60. ampenfeld befindet sich extra in einem Raum unter den Lampenl ftern und oberhalb mit einer Glasscheibe getrennt der Modulkammer Die L fter k hlen zur Zeit nur durch Absaugen der warmen Luft je vier aus der Modulkammer und vier aus dem Raum f r die Lampen Die Glasscheibe dient dem Trennen der Modulkammer von dem Lampenraum Nebenbei bleibt Schmutz aus der Modulkammer fern Direkt unter den Lampen befindet sich Lammellen die sich ffnen und schlie en lassen Damit kann sich das Modul nach den Kennlinienaufnahmen schnell wieder abk hlen Denn die Lampen produzieren W rme ohne L ftung bis zu 65 C Bei ge ffneten Lamellen stehen die Lamellen genau zwischen den Lampen so dass keine es Verschattungen gibt 3 4 Das Lampenfeld Bereits vorhanden und eingebaut war dieses Lampenfeld im Bild 3 4 1 rechts Es besteht aus 48 Halogen lampen zu je 12V 35W wovon je 24 St ck in Reihe j geschaltet sind und diese zwei Reihen zu einer Parallelschaltung zusammengefasst sind Daraus ergeben sich folgende Nenn betriebsdaten FR U 24 12V 288V P I 2 5 833 A gt U 15 srt Se a A u z A aE au S EN x Pr i L Bild 3 4 1 Lampenfeld mit 48 Lampen zur Bestrahlung des Solarmoduls 36 3Umsetzung der Aufgabenstellung Diese Daten bilden die Grundlage f r die Auslegung der Lampenversorgung In diesem Sonnensimulator ist nicht bekannt welche Farbtemperatur bei den Lampen vorliegt die wichtig f r das erzeugte Lic
61. an St rstellenleitung Die Zone bei der p dotierte und n dotierte Schichten an einander liegen nennt man auch p n Ubergang Beim Diffundieren der Elektronen bzw L chern entsteht eine Raumladungszone 4 S 2 28 p Gebiet Raumladungszone n Gebiet Bild 2 2 3 Raumladungszone beim p n Ubergang freie L cher freie Elektronen 4 S 2 28 Im n Gebiet bleiben positive Dotieratome und im p Gebiet bleiben negative zur ck Beim Diffundieren entsteht ein entgegen gerichtetes elektrisches Feld Es stellt sich dann ein Gleichgewicht ein Je nachdem wie hoch die Dotierungen der n bzw p Zonen sind stellt sich dann ein entsprechend gro es elektrisches Feld ein Die Diffusion ist beendet wenn die Spannung im elektrischen Feld die der Diffusionsspannung entspricht Bei Lichtzufuhr werden Photonen aus dem Licht in den Elektronen absorbiert Dadurch werden die Elektronenverbindungen aufgebrochen Jetzt wandern Elektronen durch das elektrische Feld in das positive n Gebiet und die L cher wandern umgekehrt durch das elektrische Feld in das negative p Gebiet Geht diese Diffusion bis zu den Anschlusskontakten der Solarzelle kann man die Leerlaufspannung an der Zelle messen Wird die Zelle kurzgeschlossen was bei Solarzellen keine Gefahr darstellt flie t hier der Kurzschlussstrom Einige Elektronen erreichen gar nicht die Kontakte und rekombinieren Sie dienen nicht mehr der 2Allgemeines ber Photovoltaik Stromerzeugung Die L nge der Raumla
62. anden sein um die Temperatur zu berwachen gem den allgemeinen Anforderungen siehe oben unter v2 Der Sonnensimulator muss mindestens die Klasse BBB haben gem DIN EN 60904 9 Die festgelegte Messfl che muss mindestens so gross sein wie die des Pr flings Ein Bestrahlungssensor der die Messung fortw hrend und linear aufzeichnet soll installiert sein Es soll ein Spektralradiometer verwendet werden dass die Spektralstrahlen des Sonnenlichts im Bereich der Spektralempfindlichkeit des Pr flings und der Referenzeinrichtung entspricht Von diesen spezifischen Anforderungen zur I U Kennlinienmessung ist unser Sonnensimulator noch entfernt Fazit Auch wenn unser Sonnensimulator nicht der DIN EN60904 Norm entspricht ist es kein Grund zum Verzweifeln Hier wird nur ein Praktikum zum besseren Verst ndnis der Photovoltaik damit absolviert Daf r reicht unser Sonnensimulator allemal Viel wichtiger ist das der Betrieb der Anlage den allgemeinen Regeln der Elektrotechnik DIN VDE 0100 DIN VDE 0701 gen gt damit ein sicherer Betrieb gew hrleistet ist 96 5Danksagungen 5 Danksagungen An dieser Stelle m chte ich mich bei allen bedanken die mich bei meiner Diplomarbeit unterst tzt haben Dank an meinen betreuenden Prof Dr Ing Reinhard M ller Ich freue mich sehr dass er mir dieses klasse Thema gegeben hat Es war eine klar definierte praxisnahe Aufgabenstellung und das noch in meinem Lieblingsthema gan
63. ange der Kontakt Q1 der Platine an Q1 der m AT a SR RNER SPS geschlossen ist wird der Kondensator ber 7 gt die Diode aufgeladen Nach Trennung des Moduls von der Platine Q1 ge ffnet wird die Verbindung Q2 1 und Q2 2 ber den SPS Ausgang Q2 geschlossen Damit wird der Kondensator ber R 4309 f r 2 Sekunden vorentladen Nach Ablauf der Zeit wird der Kondensator ber den Kontakt Q2 1 und dem Ausgang Q3 der SPS mit Masse verbunden In 2 Sekunden wird der Kondensator dann vollst ndig entladen Die Platine A15 war bereits in der Anlage enthalten und konnte funktionsf hig bernommen werden Bild 3 7 4a Platine A15 f r die Hellkennlinien messung Die optimale Ladezeit in der Theorie Laut 1 S 61 l sst sich die optimale Ladezeit mit den gegebenen Gr en finden U Mit C GI 2 6 20 unter Abschnitt 2 6 8 kann man t bestimmen SC 21 57 er S gt Ca 1 457 s In der SPS wurde um den praktizierenden Studenten in der Zukunft etwas mehr Zeit zu geben eine Reaktionszeit mit eingeplant So ist eine Aufladezeit von 5 Sekunden entstanden 65 3Umsetzung der Aufgabenstellung 3 7 4 Die Dunkelkennlinienmessung mit der Platine A14 Zu Beginn war nur ein Schaltplan aus der anderen Sonnensimulatoranlage von 1996 vorhanden nach der eine Dunkelkennlinien Messplatine aufgebaut war Da die Schaltung sich schon bew hrt hatte wurde diese neu auf der jetzigen Platine A14 aufgebaut X2 ADESOLA 2 X2 11 Q i So
64. ar sind also standardisierte Werte Als Werte wurden 1000uF 2200uF 4700uF 10000uF und 22000uF gew hlt Die folgende Tabelle zeigt eine Gegen berstellung von Kapazit t Brummspannung und Brummstrom CL in uF Usrss in V IBrss n A 1000 13 2 0 26 2200 6 3 0 13 4700 3 06 0 0641 10000 1 42 0 0288 22000 0 569 0 0145 In der Pspice Simulation benutzte man 120V Uphase Mp nicht wie berechnet 123 17V Bei der Simulation kamen leicht zu hohe Werte f r den Gleichstrom und der Gleichspannung heraus Da es hier nur auf die gleichgerichtete Seite ankam wurden die Phasenspannungswerte dem angepasst Die Dioden die in Pspice nur einige Standardmodelle enthalten wurden nach dem Ron aus dem Datenblatt der 26MT80 Br cke angepasst Die Wahl eines Gl ttungskondensators ist auch eine finanzielle Frage Je mehr Kapazit t die angelegte Spannung am Kondensator und die gew nschte Brummspannung desto teurer ist der Kondensator Es fiel dann die Wahl auf den 4700uF Kondensator kostet 90 Euro Mit ihm hat man theoretisch 1 06 Brummspannung Zum Vergleich wird nun die Brummspannung mit der oben genannten Gleichung berechnet l 5 833 A U ass E e EAA BrSS C f 4700uF 300Hz en Man sieht dass die Gleichung wohl nur eine grobe Richtschnur sein kann 40 3Umsetzung der Aufgabenstellung Zur berpr fung wurde sp ter in der laufenden Schaltung die Gleichspannung und der Gleichstrom berpr ft
65. as Modul Er hat mir alle seine Ideen immer nett erkl rt Dank an den Elektomaschinenbaumeister Herrn Suchan Als ich gravierende Probleme mit den Anzeigen in der Lampenversorgung hatte hatte er eine gut funktionierende Idee eines typischen Praktikers Au erdem brachte die fachliche Diskussion mit ihm mich dazu nochmal ber die Verwendung einer B6 Br cke genauer nachzudenken 97 6Literaturverzeichnis und Anhang 6 Literaturverzeichnis und Anhang Nr Titel Verfasser Verlag Aufl Jahr 1 Photovoltaik Engineering Andreas Wagner Springer Verlag Berlin 2 2006 2 Stromversorgung mit Solarzellen Hans K K the Franzis Verlag 4 1994 3 Solarantriebe in der Praxis Hans K K the Franzis Verlag 1994 Haselhuhn Hartmann DGS Deutsche 4 Photovoltaische Anlagen Gesellschaft f r Solarenergie 3 2005 5 Praxis mit Solarzellen Urs Muntwyler Franzis Verlag 6 1993 Diplomarbeit Aufbau eines Messplatzes zur Untersuchung und Simulation von Arne Schimnick und 6 Solarzellen Thomas Aul 1996 Diplomarbeit Neugestaltung der Praktikumsaufgabe Photovoltaik mit Anwendung des Simulationsprogramm Matthias Hahn und 7 PSpice J rg Kunde 1996 Vorbereitungsskript f r das 8 Photovoltaikpraktikum FH Hamburg Hahn Kunde 1996 9 Grundkurs Leistungelektronik Joachim Specovius Vieweg 2003 10 LabView f r Studenten Janal Hagestedt Pearson Studium 4 2004 11 Tabellenbuc
66. ass der Lampenversorgungsteil und der Steuerungsteil r umlich getrennt sein sollten Die Lampenversorgung hat eine eigene Drehstromeinspeisung die wie eine Fremdspannung zu betrachten ist Auch bei ausgeschaltetem Schalter Anlage EIN kann die Drehspannung noch im Schaltschrank vorhanden sein Diese wird extra ausgeschaltet bzw herunter gedreht Durch die Trennung ist im Schaltschrank vorn Steuerung jetzt keine Fremdspannung mehr vorhanden Bei der urspr nglichen Ausf hrung gab es das Problem der Fremdspannung nicht weil es nur eine Einspeisung gab Der angenehme Nebeneffekt ist mehr Platz im vorderen Schaltschrank gewonnen zu haben Die Frontplatte Die eingebauten Elemente arbeiten auch mit verschiedenen Spannungen Die Anzeigen Lampen strom und Lampenspannung werden als einziges von der R ckseite der Anlage versorgt und bedient Die Leitungsf hrung ist direkt ohne Zwischenklemmen im vorderen Steuerungsschalt schrank Ansonsten sind 240V 24V 9V normierte Spannungen 0 10V und Solarmodulspannung an der Frontplatte vorhanden Da auch die gef hrliche 240V Wechselspannung anliegt muss die Frontplatte geerdet sein Die Erdung im Sonnensimulator PE Gem DIN VDE 0100 und im Besonderen gem DIN VDE 0100 723 sollen alle ber hrbaren leitf higen und fremden ber hrbaren leitf higen Teile geerdet sein Die Schaltungen vorn wie hinten sind auf einer Metallplatte aufgebaut Diese sind mit dem Schutzleiter PE gr n ge
67. auch die M glichkeit geben unter freiem Himmel zu messen 1 S 48 Das kann er auch beide Kennlinien m ssen innerhalb einer Minute gemessen werden Damit hat er nahe zu gleiche Messbedingungen Um eine andere Einstrahlst rke zu erhalten legt er einen Filter ber das zu messende Modul ein sogenanntes Fliegengitter F r Gro anlagen ist aber diese Art und Weise zu m hsam Ermittlung von Rs mit Messung aus nur einer Kennlinie Auch bei der Messung aus einer es Kennlinie werden zwei gebraucht Die zweite wird nicht gemessen Degen vasas a a fo s m a en Anne sondern simuliert 1 S 49ff Dazu 084 wird folgende Annahme getroffen der Kurzschlussstrom Isc und der 5 0 7 m I Strom Ipmax verringern sich um den TES gleichen Faktor fi Gem DIN EN en 60 891 ist dieser Faktor fi frei 5 I ST w hlbar Um systematische Fehler fi 044 und Wiederholungsmessungen zu E 03 vermeiden w hlt man den Verringerungsfaktor fi in 024 Abh ngigkeit vom F llfaktor FF wie in Bild 2 6 17 rechts dargestellt F r FF gr er oder gleich w hlt man 0 pe den FF 1 5 50 F r kleinere FF 03 04 05 06 07 08 09 1 f r FF siehe unter 2 7 3 gilt Bild 2 6 17 Ver nderungsfaktor in BE Abh ngigkeit des FF 1 S 49 f 23 2 10 e c 26 27 Weiterhin wird angenommen das sich Uoc und Upmax um den gleichen Faktor fu verringern Die Verringerung liegt im Bereich von 1 so dass fu 1 definiert wird
68. b 18 c 0 45 II a 18 5b 18 5 c 0 432 II a 19b 19 c 0 4 II I IV 0 55 18 25c 0 018 III II V 0 55 18 75c 0 032 V IV 0 5 c 0 014 c 0 028 c in IV eingesetzt 0 5b 18 25 0 028 0 018 0 5b 0 511 0 018 b 0 986 c und b in I eingesetzt a 18 0 986 324 0 028 0 45 a 17 748 9 072 0 45 a 8 226 S V B A a 8 22 b 0 986 7 c 0 028 77 b vb 3 a c 3 c U sip 0 986 V0 986 3 8 226 0 028 _ e U I u 8 226 0 986 18 0511 0 028 18 051 1 0 4488 A Werte des Lieferanten Umpp 17 5V Impp 0 55A F r Modul 1 wurden folgende Werte gew hlt U in V 18 18 5 19 IinA 0 45 0 432 0 4 Mit dem gleichen Rechenverfahren erhielt man u yV u A a 7 506 A b 0 874 7 c 0 024 77 U um 18 704 V I 0 4451 A Mpp Mpp Werte des Lieferanten UMpp 17 36V IMpp 0 55A 92 4Ausblick 4 Ausblick 4 1 Verbesserungen f r die Zukunft Die Entwicklung einer Anlage h rt nie wirklich auf Es gibt immer noch etwas zu verbessern 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Die Temperaturmessung ist zur Zeit zweierlei Einerseits befindet sich eine Temperaturanzeige in der Frontplatte die v llig allein und unabh ngig arbeitet Andererseits ist die Temperaturanzeige im Display des SPS Basismoduls dazugekommen die genauer arbeitet Vielleicht kann man beim Einbau einer neuen Frontplatte einen Teil davon mit Plexiglas versehen so
69. ch und nach 2 6 2 Das Schaltzeichen der Solarzelle Bild2 6 1 Schaltzeichen einer Solarzelle im Vergleich mit einem Diodenschaltzeichen 4 S 3 24 und 4 S 2 63 Solarzelle Dieses Schaltzeichen rechts erinnert ein wenig an eine Diode Auch bei dem Originalschaltzeichen ist das Dreieck die Anode die Plusseite der Diode 2 6 3 Die Dunkelkennlinie Da eine Solarzelle unbeleuchtet wie eine Diode funktioniert hat ihre Dunkelkennlinie auch den Charakter einer Diodenkennlinie 4 S 2 63 Durchlass oder Schwellspannung gt 3 z 2 Der y y erna w e er eb TEEN RT Fios EAN SETEFELIRBER DEE er Se era AE EASA A EE EEO gen rege ne ee ine Bild2 6 2 Dunkelkennlinie einer Solarzelle Strom und Spannungskennlinie 4 S 2 63 15 2Allgemeines ber Photovoltaik Oben ist ein Beispiel Bild 2 6 2 einer Kennlinie einer monokristallinen unbeleuchteten Solarzelle Die Durchlassspannung liegt bei etwa 0 5V wobei die Durchbruchspannung 12 50V betr gt je nach Ausf hrung der Zelle 2 6 4 Das Ersatzschaltbild einer unbeleuchteten Solarzelle Die unbeleuchtete Solarzelle kann man sich in diesem Ersatzschaltbild Bild 2 6 3 unten vorstellen Rs stellt den seriellen Verlustwiderstand dar stellvertretend f r Verluste an den Metall Halbleiter Kontakten Widerstand des Halbleitermaterial und den Zuleitungen Der Wert des seriellen Widerstandes liegt bei einigen Milliohm bis Ohm Der parallele z ar Widers
70. chenbar sein sowie die Kennlinien Parameter aus den vom Hersteller vorgegebenen Kennwerten Isc Uoc Ipmax und Upmax Au erdem sollte die Genauigkeit dem Stand der Technik mit 1 auch gegeben sein Das effektive Modell i Das effektive Modell beinhaltet ein fiktives Bild 2 6 13 effektive Modell FR gt photovoltaisches Bauelement den Rpv Dieser Wert m kann negativ werden und entspricht nicht dem Serienwiderstand Rs Es dient nur als R Rechenmodell Der echte Serienwiderstand wird entweder zeichnerisch oder wenn man es ganz korrekt machen will rechnerisch und zeichnerische gem IEC 60 891 ermittelt dazu aber sp ter Dieses Modell hat Strom und Spannung als explizite L sung auf deren Grundlage man die Steigung der Kennlinie M die Leistung und die Steigung der Leistung errechnen kann sowie die Gleichungsparameter Rpv UT Io und Iph Es sind nun die wichtigsten Formeln zusammengestellt 1 Seite38 19 2Allgemeines ber Photovoltaik Kennliniengleichungen Gl 2 6 12 Steigung der Leistung Gleichungsparameter Man ben tigt zur Berechnung der I Gleichungsparameter die Kennwerte des Herstellers Isc Uoc Ipmax Upmax Zum Verst ndnis ist eine Prinzip darstellung einer Solarkennlinie mit den eingetragenen Kennwerten Es gibt 5 Formeln f r die Berechnung 1 Seite 42 Isc pmax di M 44 Bild 2 6 14 Prinzipkennlinie mit Kennwerten 1 S 39 Upmax Uoc U GI 2 6 13 GI 2
71. dass man die SPS Anzeige direkt ablesen kann Der Messort der des Temperaturf hler s ist noch nicht optimiert Die Temperaturmessung ist idealerweise in der gleichen Ebene wie die Moduloberfl che Au erdem w re der Wert realistischer wenn Modulfl che und Thermometer auf gleichem Untergrund montiert w ren thermische Kopplung Die h chste Temperatur wird in der Mitte der Modulfl che sein Ein entsprechender Einbauort des Temperaturf hlers w re sinnvoll ist aber nicht so einfach Es k nnte auch noch sp ter gepr ft werden ob es in der LOGO SPS Familie eine externe Anzeige f r Temperatur als Fronteinbauelement gibt teure L sung Das Einstrahlfeld ist nicht 100 ig homogen weil die Lampen nicht 100 gleich sind Au erdem sind zur Zeit aus finanziellen Erw gungen nicht die Masterline Philips Halogenlampen eingebaut die das Farbspektrum von 3200K garantieren Kostenpunkt 250 Euro W hrend der Messungen des Einstrahlfeldes sind immer sich ndernde Bedingungen aufgefallen Schwankungen im Netz die schwer zu beherrschen sind Vielleicht ist eine sp tere Regelung des Lampenstromes in Abh ngigkeit der Einstrahlst rke eine Idee Diskussion mit dem freundlichen Assistenten Die Lamellen schlie en nicht gut Es gibt immer noch Licht bei geschlossenen Lamellen Die ganze Lamellenkonstruktion ist etwas wackelig St rkeres Blech und etwas mehr Breite der Lamellen w re sinnvoll Die Breite darf aber nicht so gro sein das der
72. den Ventile gleichzeitig leitend eine in der oberen Br ckenh lfte Pluspotential Ugl und eine in der unteren Br ckenh lfte Minusklemme Ugl 9 S 140 Es handelt sich um eine ungesteuerte Br ckenschaltung mit 0 Die Umschaltung der Dioden bzw Ventile erfolgt jeweils im Schnittpunkt der Phasenspannungen Das Ventil mit der h chsten momentanen Phasenspannung leitet Leitendes Ventil Winkel Ugl Ugl ULampen D1 D2 0 bis 60 UL1 UL3 UL1 L3 D2 D3 60 bis 120 UL2 UL3 UL2 L3 D3 D4 120 bis 180 UL2 UL1 UL2 L1 D5 D4 180 bis 240 UL3 UL1 UL3 L1 D5 D6 240 bis 300 UL3 UL2 UL3 L2 Di D6 300 bis 360 UL1 UL2 UL1 L2 37 3Umsetzung der Aufgabenstellung l 2 3 4 5 6 Lampeni FIN FAN U Lampeni wt p4 x d i i z Pr Mr Br i U RE Ei Eu 60 Neutralleiterpotential ne i U Lampen2 PR u ae Fe Pu iin Fa Pi S rg Sr g SE a Pi Fi i h wt U Lampen2 Ugl EEE nn U i mpen Fa 1 f f Pr f x U Lampen S F 7 dh y N iR Pi 7 R Fi y Ja N 7 f ki 4 Y p A f i i Bild 3 5 2 Spannungsverl ufe der B6 Br cke 9 S 141 i Die Leitzust nde der Ventile in der oberen bzw unteren Br ckenh lfte berlappen sich um 60 9 5 140 Folgende Tatsache ist aber bei dieser Darstellung nicht so recht erkennbar Da die B6 Br cke aus zwei M3 Schaltungen zusammengesetzt ist und ein Spartrafo zur Lampenversorgung verwendet wi
73. den um bequem und schnell das gew nschte Programm zu erstellen Zu den Bausteingruppen z hlen die Grundfunktionen nur FBD Editor die Sonderfunktionen und Konstanten Des weiteren gibt es 58 3Umsetzung der Aufgabenstellung Bearbeitungstools z B selektieren verbinden texten simulieren und Online Test Mit Hilfe des Online Tests kann man einzelne Verbindungen im laufenden Programm unter echten Bedingungen verfolgen und eventuelle Fehler suchen um sie dann zu beheben 3 Symbolleiste Simulation Bevor man das Programm unter echten Bedingungen in eine Anlage implementiert kann man als Trocken bung das Programm am Computer simulieren Manchmal findet man auf diese Weise gef hrliche Zust nde bevor sie in einer Anlage zum Tragen kommen Auch wenn Anlage und Erstellung Programmierer und Kunde weit auseinander liegen ist die M glichkeit der Simulation sehr n tzlich Allerdings muss letztendlich das Programm immer in der gew nschten Anlage endgetestet sein Hierbei gibt es Schalter und Taster Merker Ausg nge als L mpchen oder angezeigte Analogwerte Aktualwerte Es werden so viele Elemente angezeigt wie programmiert worden sind Ein Infofenster zeigt den Verlauf von Vorg ngen an die sich auf die Zusammenarbeit von PC und eingebauter SPS in der Anlage beziehen z B bertragung des LOGOI Programmes vom PC zur LOGO Die Grundbestimmung der LOGO sind Anwendungen f r Kleinsteuerungen Die LOGO verf gt ber die Konta
74. den Messstart freigibt findet erst nach der Vorwahl Hell KL f r 2s eine Anfangsentladung ber B011 B009 und Q3 des Messkondensators auf der Platine A15 ber Masse statt um sicherzugehen dass der Kondensator zu Messbeginn keine Spannung f hrt Wenn an B002 nun die eigentliche Messung begonnen hat verl uft der Messablauf in vier Zeitstufen Solange das Wischrelais BOO3 gesetzt ist 5s schlie t der Ausgang Q1 auf der Platine A15 den Messkondensator mit dem ber Km bereits kurzgeschlossene Modul zusammen Innerhalb dieser 5s muss die Aufzeichnung der Hellkennlinie erfolgen Danach wird das Modul von der Platine A15 getrennt Q1 geht auf 0 B004 wertet die fallende Flanke von Q1 aus und leitet die n chste Zeitstufe B023 mit einer kurzen Totzeit 0 5s ein Diese Totzeit ist nur eine Vorsichtsma nahme um das Modul sauber von der Platine zu trennen und die Entladung des Messkondensators einzuleiten Die folgende Zeitstufe in Zusammenarbeit mit B005 2s Q2 und B008 l sst den Messkondensator auf A15 ber einen Widerstand vorentladen Nach Ablauf der 2s an B005 beginnt die vollst ndige Entladung des Messkondensators ber Q3 der f r 2s von B007 gesetzt bleibt B006 erfasst wenn alle Zeitstufen abgelaufen sind und der Eingang I2 Vorwahl Hell KL auf 1 ist Dann erst wird der Ausgang von BO06 auf 1 gesetzt und mit B010 l uft eine Bereitstellungszeit von s f r eine neue Messung Nach Ablauf dieser Bereitstellungszeit wird Q6 som
75. der Aufgabenstellung Beurteilung Die meisten Abweichungen liegen unter 0 03V entsprechen unter 0 905 Nur in einem Ausreisserfall bei 0 307 entspricht 9 2 Man kann davon ausgehen dass der AD534KD berwiegend genau arbeitet Die Abweichungen der gerechneten Normleistungen aus den Messwerten zu denen die vom AD534KD errechneten sind gr er nicht extra in der Tabelle ausgewiesen Das ist den Toleranzen der Messger te f r Strom und Spannung die benutzt wurden zuzurechnen sowie auch den Bauteiletoleranzen der Normierungsschaltungen Zwar soll der AD534KD bis zu 0 5 genau sein so sind aber bis zum Erreichen des Pnorm noch Subtrahierer und Normierungs schaltungen zwischen Umodul bzw Imodul Mit insgesamt unter 1 Toleranz kann man zufrieden sein Benutzte Messger te 1 ABB Metrawatt M2036 f r Strom und Spannungsmessung 2 Laborkonstanter Typ NGT 20 1x20V 1x6V 3 7 8 Die Pr fung des Steuerungsteils nach DIN VDE 0701 hnlich wie in Abschnitt 3 5 6 wurde der Steuerungsteil des Sonnensimulators nach nderung bzw Instandsetzung einer Anlage gem DIN VDE 0701 gepr ft Hierbei wurden die elektronischen Komponenten herausgelassen Die SPS Steuerung und das Modul werden mit Schutzkleinspannung betrieben dass hei t die ber hrbaren Spannungen liegen im zul ssigen Bereich F r Gleich spannung bedeutet dieses bis zu 120V und Wechselspannung bis zu 50V 13 5 51 Bei Nenn spannungen ber 25V Wechsel oder 60V Gleic
76. dungszone bzw Diffusionsl nge ist materialabh ngig Innerhalb der Raumladungszone sind so gut wie keine Rekombinationen aber au erhalb In Richtung der Kontakte steigt die Wahrscheinlichkeit der Rekombination mit dem Abstand zur Raumladungszone an 2 3 Aufbau einer Solarzelle negative Elektrode Im _ n dotiertes Silizium Bild 2 3 1 Aufbau einer Siliziumsolarzelle 1 Ladungstrennung 2 Rekombination 3 ungenutzte Photonenenergie a 4 Abschattung und positive Reflexion an den Elektrode Astlartee Frontkontakten Silizium 4 S 2 29 Auf der oberen Seite der sonnenzugewandten Seite befindet sich das mit Phosphor n dotierte Silizium Unten ist die mit Bor p dotierte Siliziumschicht Dazwischen liegt die Grenzschicht an der sich das elektrische Feld durch Diffusion bildet Um Strom aus der Solarzelle entnehmen zu k nnen m ssen oben und unten Kontakte aufgebracht sein Diese werden meist mit Siebdrucktechnik aufgebracht Die sonnenabgewandte Seite ist nicht so problematisch wohl aber die Sonnenseite Hier k nnen die Kontakte nur als feines lichtdurchl ssiges Gitter angebracht werden Dadurch entstehen Reflexionen und Abschattungen und damit Verluste Zur Verringerung der Reflexionen wird auf der Oberseite eine hauchd nne Antireflexionsschicht aus z B Siliziumnitrid oder Titandioxid aufgebracht 4 S 2 29 Bei 100 iger Sonnenstrahlung ergeben sich folgende Verluste 3 durch Reflexionen und Abscha
77. dunkelgr n spiegelnd bis schwarz 2 6 Die Visitenkarte einer Solarzelle Die Kennlinien und Kennwerte 2 6 1 Die Kennwerte einer Solarzelle 2Allgemeines ber Photovoltaik zwischen 0 75 und 0 85 Kenngr e Formelzeichen Einheit Spannungen Solarzellenklemmspannung U V Diodenspannung Up V Temperaturspannung UT V Mn spam aa Une oder Um Leerlaufspannung een odul ohe Un oder Uw Standardbedingungen STC Str me Solarzellenklemmstrom I A Diodenstrom ID A Sperrstrom Io A S ttigungssperrstrom Is A MPP Strom PV Strom im MPP Impp Oder Tomax A Punkt Nennstrom Kurzschlussstrom Strom wenn ESE ist unter Ik Isc 5 Standardbedingungen STC Photostrom vom Licht erzeugt Iph A Strom durch den Ip A Parallelwiderstand Widerst nde Parallelwiderstand Rp Q Serienwiderstand Rs Q Faktoren Beleuchtung Koeffizienten Einstrahlst rke E W m2 Koeffizient des Photostromes CO m2 V Diodenfaktor optional m keine F llfaktor f r Solarzellen meist FF Fans 2Allgemeines ber Photovoltaik Die Kennwerte sind aus 4 S 2 36 und S 2 40 entnommen Kenngr e Formelzeichen Einheit Leistungen Wirkungsgrad Verh ltnis der von der Zelle abgegebenen Leistung zur Solarstrahlung MPP Leistung maximale Leistung bei PMPpp Wp peak Standardbedingungen STC Anwendungen in Formeln folgen na
78. e Temperatur von Pr fling und Referenzeinrichtung ist mit einer Genauigkeit von 1 C und einer Reproduzierbarkeit von 0 5 C zu messen Falls die zu messende Temperatur der Referenzeinrichtung um mehr als 2 C abweicht muss sie kalibriert werden mit Ausnahme eines Pyranometers Die Einstrahlmessungen fanden bei stets voller Beleuchtung statt 95 3 4 4Ausblick wobei im Fall unseres Sonnensimulators die L fter nicht auf 25 C herunter k hlen konnten sondern g nstigtenfalls auf 35 C Der Pr fling aber wird nur f r die Dauer der Messung beleuchtet was ein Halten auf 25 C Modultemperatur m glich macht Die aktive Pr ffl che soll nicht mehr als 2 in der Ebene abweichen von der Ebene der Referenzeinrichtung Hier sind die Einstrahlmessungen des Lichtfeldes genau in der Ebene des Pr flings Spannungen und Str me sind mit einer Genauigkeit von 0 2 zu messen wobei die Vier leitertechnik anzuwenden ist Die Vierleitertechnik wurde ab der Klemmleiste X2 realisiert Die Genauigkeit von 0 2 ist nicht zu versprechen da schon die abgelesenen Messger te mindestens 0 5 Toleranz ABB Metrawatt M2036 haben Dieses waren die vier wichtigsten Punkte der allgemeinen Anforderungen F r Messungen im simulierten Sonnenlicht gilt au erdem 1 2 3 4 Die PV Referenzeinrichtung soll ber die Bereiche der Bestrahlung spektralen Verteilung und Temperaturen dem Pr fling angepasst sein Es m ssen Messmittel vorh
79. e das Ss Modul immer in nd 2 7 4 Darstellung des MPP diesem Punkt l Punkts in der P U Kennlinie und der T I U Kennlinie eines 50W betreibt dann erh lt monokristallinen Moduls 4 S 3 25 man den gr tm glichen s m Modulstrom inA Modulleistung P in W 5 Us 20 25 Ertrag Dieser Punkt Moduispannung 4 in V ist einstrahlabh ngig und temperaturempfindlich Im Herstellungsprozess wird der MPP unter Standardbedingungen nach DIN EN 60904 3 gemessen Unter Standardbedingungen gemessen nennt man PmpP auch die Peakleistung Die Standard Bedingungen STC sind W Bestrahlungsst rke bei E 1000 77 Zellentemperatur bei T p727 Sonnenspektrum im Air Mass bei AM 1 5 Der Air Mass ist ein Ma f r das einfallende Sonnenspektrum Zum Vergleich AMO bedeutet extraterrestisches Spektrum AM1 bedeutet k rzester Weg durch das Spektrum einen Sonnenh henwinkel von Ys 90 AM 1 5 tritt auch hier in Mitteleuropa an klaren Tagen zu bestimmten Uhrzeiten auf Der AM h ngt vom Sonnenh henwinkel ys ab Deshalb ist auch in den Standard bedingungen Bid 2 7 42 Air Massin lt N P der AM von 1 5 festgelegt In Bild Abh ngigkeit zum 2 7 4a ist die Abh ngigkeit des Air Mass Pe ne AA vom Sonnenh henwinkel dargestellt 4 5 2 y Der Sonnenh henwinkel ist jahreszeitlich e D R a abh ngig und vom Breitengrad des 1 608 41 8 30 30 1 13 11 Standortes 4 S 2 18f m p 19 5 l en GI 2 7 1 u Ys AM4 y 14 1
80. edenen Messmethoden darstellen ist es aus bersichtlichkeitsgr nden auch sinnvoll die I U und die P U Kennlinien in getrennten Bl ttern darzustellen Bei getrennter Darstellung fiele auch der nicht zu beseitigende Offset der Messplatine A13 nicht mehr auf Vorteil Benutzt man den Spannungsma stab immer gleich kann man direkt vom Mpp aus der Leistungskennlinie die entsprechenden Umpp und IMpp leicht ermitteln An beiden Modulen besonders an Modul 1 waren Knicke bei den h heren Einstrahlst rken feststellbar Diese Knicke sind verursacht durch Fehlanpassung Mismatching der Solarzellen unter einander Unten das Bild 3 8 7 zeigt nur beispielhaft die Kennlinienschar Weitere Bilder befinden sich in der Anhang CD Hier sind die I U und die P U Kennlinien in einem Blatt zusammengefasst 82 3Umsetzung der Aufgabenstellung Messungen bei f nf verschiedenen Bestrahlungsst rken E 200 400 600 800 und 1000W m2 bei einer Temperatur von 25 C Ermitteln der Kennwerte Rs und Rp aus den Kennlinien am Modul 1 A d 188 j vor 1394 11 O 7 l 49 _ 0 234 r A ie GMJ Z4 HA J2 Bild 3 8 7 Hellkennlinien Schar von Modul 1 CX 4 4 EN Vy a u A Bestimmung der Werte Is FF Uoc Isc und PMpp aus den Kennlinien Gl 3 8 5 15 Er A i i i ATTI t iy ar aliz nr GC ba 2 aty N AV vAAY Is S ttigungsstrom N Anzahl der Zellen UT 25 69mV bei 25 C thermische Spannung
81. eeenennnnnnnnnnnnnnnnnennn 25 2 7Das Verschalten der Solarzellen zu Modulen 2222222222000000seeeeeeeessnnnnnnnnnennnennnn 26 2 4 1 Kenneroben 701 Modulen en 21 2 72 Der Punkt max maler Leis ms MPP reset T TA 28 2 7 3Der Einfluss von Temperatur und Einstrahlung auf das Solarmodu 30 2 PAD Ulak nes ee Der 31 2o Das Verschattung sHroDIE Nese aa a iE A a 32 2 7 6Die Relevanz des Einstrahlwinkels auf ein Solarmodul 2200202222222eeeeeeeeeeeens 33 3Umserzunsder Aufsabenstelluns une 35 3 1 Die Erste HSCHT I a ee ee 35 3 2Der 2roBe AIDES p iaia Desire Dee 35 3 Der Sonnen inula torse DANK ra ee er elle 36 BL BEIGE 2 11012200 1 1 1 ANEURNREER SINE E EA E IE KEN HRARRENEETEHELNENEERENEENERTEN 36 33Die Versorgung des L mpenteldesar ae ee 31 33 1 Der B6 Halbleiterpaustein aan 39 3 3 2Berechnunsaes Kuhlkotpet a 39 33 3 Die Glattung Simulation mie Pspiee ac eu 40 3 5 4Die LCD Anzeigen Lampenspannung Lampenstrom ucessssesennnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 41 32 Die Anwendune der M3 2Sch ltuns 2 2 ee 43 3 3 0E in Paar Aspekte zur SICherkil an 47 VODAS Eiche ld u nee fees 49 3 6 1D e Abh ngigkeit der Einstrahlst rke E von dem Abstand a nen 49 3 6 2D e Abh ngigkeit der E instrahlst rke von Lampenspannung und Lampenstron 51 3 6 3D e Bestimmung der Einstrahlst rken des Lichtfeldes 2222220000000enne
82. ein AD534 h tte It Datenblatt die Spannungs berschreitung bis zur Versorgungsspannung von 15V vertragen 68 3Umsetzung der Aufgabenstellung Einstellvorschrift f r die Platine A13 Normierung Nachdem f r 2A 0 75V auf der Subtrahiererplatine A12 eingestellt wurde kann man zur Einstellung der Normierung bergehen Die Platinen werden jetzt bestimmungsgem verbunden siehe Schaltpl ne in der Anhang CD Gemessen wird die normierte Spannung am Punkt Inorm an IC1_A13 Pin 6 Eingestellt wird diese am Trimmpoti P3_A13 Wenn am LEM Wandler 2A flie en dann sollen an IC1_A13 Pin 6 genau 10V anliegen Auch die Platine A13 siehe Bild 3 7 6 unten war bereits vorhanden Diese sollte berpr ft und ggf eingestellt werden P3_A1S 100k 27Ok m 10k TLOS4CN INORM a IC1_A13 OV 10k IC2_A13 5e e N 10k Vimod pe OPO CP R6_A13 15V m nm 5 x C4 RE x iad ol l GS SE ne gLI1S T 25k P2_A13 O da OV P4 A13 10K D Z oO 1 3 E an a 5 D O E UMOD UMOD 2 4 D 12 7 Uu Uu 5 3 R10 A13 a R11 A13 pF En O ee 10k TLO84CN ADS34 Bild 3 7 6 Multiplziererschaltung analonar ultipiizierer PNORM normierte Leistung H 15V 15V Die Spannungsnormierung war einfach einzustellen Legt man 20V mit einem Konstanter an UMod an m ssen am Ausgang 10V herauskommen bzw nach endg ltiger berlegung 20V entsprechen 8V Es stand nur ein 20V Konstanter zur Verf
83. er 3 7 1 Aufbau der Steuerung Die SPS Steuerung Die vorhandene LOGO SPS wurde mit 24V betrieben was die Auswahl von Erweiterungen auf 24V Versorgungsspannung festlegt Das LOGO Basismodul das nur zu Anfang vorhanden war musste aufgrund der ben tigten Anzahl der Ausg nge erweitert werden Eine zus tzliche Erweiterung wurde notwendig f r die Verarbeitung der gemessenen bzw vorgegebenen Temperatur Zur Versorgung des Basismoduls war ein 650mA Netzger t extra montiert Da aber f r die Dunkelkennlinienmessung zun chst von ca 800mA Kurzschlussstrom des Moduls ausgegangen worden war wurde ein 24V 2 5A Netzteil perfekt passend zur LOGO SPS Familie eingebaut Die SPS Komponenten wurden mit Klick Schnapp Technik aneinander und auf einer Hutschiene montiert Nur das Netzger t wurde nebenbei montiert Tats chlich liefert das Netzger t 22 8V bis 26 8V Dieser Umstand stellte sich sp ter als gl cklich heraus Der detaillierte Schaltplan der Steuerung befindet sich in der beigef gten Anhang CD 56 3Umsetzung der Aufgabenstellung Folgende Siemens LOGO Komponenten wurden ausgew hlt 1 2 3 4 Basismodul 6ED1 052 1 MD00 0BA5 war bereits vorhanden 8 Eing nge davon 2 analog digital und 6 digital 4 Relais Ausg nge LCD Display Erweiterungsmodul LOGO DM8 24R 4 Relais Ausg nge Erweiterung AM2 PT100 mit 2 analogen PT100 Eing ngen war bereits im EA Labor vorhanden Netzteil LOGO Power 24V 2 5A Das untere
84. er automatisch zur ckgesetzt 59 F Zu ll f Gad SWL F ER Win DICH 3Umsetzung der Aufgabenstellung Fester Pegel Immer wenn an einem Eingang der Zustand 1 anliegen soll verwendet man den Baustein hi Analoger Eingang Verarbeitet werden AI von den Basismodulen 12 24RC sowie 12 24RCo mit je 2 St ck die auch als digitale Eing nge genutzt werden k nnen I7 und 18 Die LOGO SoftComfortV5 stellt bis zu 8 AI zur Verf gung Die Erweiterungsmodule AM2 12 24 und AM2 PT100 verarbeiten auch die analogen Eingangssignale ber die Block parametrierung stellt man die Zuweisung ein und beim AM2 PT100 auch welche Art des Sensors verwendet wird AND Der Ausgang am AND nimmt nur dann den Zustand 1 an wenn alle Eing nge auf 1 sind Ein unbenutzter Eingang wird automatisch auf 1 gesetzt Will man einen Eingang negieren so doppelklickt man direkt am gew nschten Eingang AND mit Flankenauswertung Damit der Ausgang Q auf 1 geht m ssen alle Eing nge auf 1 sein wovon mindestens ein Eingang im vorigen Programmzyklus auf 0 war Ein unbenutzter Eingang gilt als 1 Es wird dabei nur die positive Flanke ausgewertet NAND mit Flankenauswertung Der Ausgang Q nimmt nur den Zustand 1 an mindestens ein Eingang den Zustand 0 hat und im vorigen Programmzyklus alle Eing nge auf 1 waren Der Ausgang bleibt dann genau einen Zyklus auf 1 Bevor er wieder auf
85. er dreifachen Netzfrequenz W hrend der Sperrzeiten eines Ventils wird jedes Ventil mit einer verketteten Spannung belastet Diese Spannung ist viel h her als bei der B6 Br cke Diese Tatsache macht noch einmal eine 43 3Umsetzung der Aufgabenstellung genaue Betrachtung des schon verwendeten B6 Halbleiterbauteiles notwendig bzw das genaue Studium des Datenblattes Denn hat man die Sperrspannung des Halbleiterbauteils gerade passgenau ausgew hlt w rde beim Umbau von B6 Br cke auf M3 Schaltung diese jetzt sofort zerst rt werden Spitzenventilspannung M3 US penti U Lampen 2 09 228V 2 09 601 92 V lt 1 3 5 9 12 Im Vergleich ist hier noch einmal die Spitzenventilspannung der B6 Br cke gezeigt US venti TU tampen 1 05 228V 1 05 302 5V 1 3 5 3 12 Man sieht hier dass bei der M3 Schaltung die Spitzenventil sperr spannung fast doppelt so hoch ist Zum Gl ck ist unser eingesetzte Halbleiterbaustein f r 800V Spitzensperrspannung ausgelegt Die Betrachtung des Ventilstromes ergab nichts Neues Er ist mit der B6 Br cke identisch Effektiver Ventilstrom M3 und B6 7 ven L Lampen 958 5 833 A 0 58 3 383 A G1 3 5 4 12 Die M3 Schaltung erzeugt im Vergleich zur B6 Br cke die H lfte der Gleichspannung bei gleicher effektiver Strangspannung Oder Man braucht die doppelte Strangspannung bei der M3 Schaltung zur Erzeugung der gleichen Gleichspannung wie bei der B6 Br cke Genau aus diesem Grunde wurde haupts chlich von der
86. ertetabelle mit Werten aus nur einer abgedunkelten Zelle an Modul 1 Modul 2 Pmax in W UocinV IscinA FF Pmax in W UocinV IscinA FF 2 2 21 125 0 472 0 2206 1 8 21 375 0 46 0 183 Zum Vergleich ohne Verschattung Modul 1 Modul 2 Pmax in W UocinV IscinA FF Pmax in W UocinV IscinA FF 8 4 21 5 0 492 0 794 8 2 21 625 0 482 0 787 Bei Abschattung von nur einer Zelle kann man deutliche Leistungseinbu en feststellen kleine Ursache gt gro e Wirkung Es ist f r den Betrieb einer Solaranlage wichtig Verschattungen fern zu halten 86 3Umsetzung der Aufgabenstellung Aufnahme der Kennlinien bei E 1000W m2 25 C bei verschiedenen Drehwinkeln A En Rs P 3 Kennlinie bei verschiedenen Drehwinkeln a 0 30 60 und 90 wiA E Alan Bild 3 8 9 Moduli W y TIIA I U Kennlinie und p A P U Kennlinie mit verschieden PP 0402 Drehwinkeln IE 04 ik 7 le 0 30 60 90 el P A F 2 EIBOSA E4 F IN z pZ 0m L 7 a nI 4 y S ar u AM pE j i f I j PE 5 2 ZER 5 H d f R Sf Ri a a EZ 5 e aR U BB 15 a TIME 1 D i B U F C 5 Ao Die Aufgabe dieser bung liegt darin dass die Kurzschlussstr me bei den verschiedenen Winkel zun chst in eine Relation mit einer ver nderten Einstrahlst rke zu bringen Die ver nderte Einstrahlung kommt nicht zustande durch Verstellen derse
87. f eine Fehlersuche bez glich der reduzierten Verschaltung verzichtet Die Parallelschaltung kommt auch nicht in Frage weil bei der Hellkennlinien messung der Kondensator C1 1 C1 2 vergr ert werden m sste bzw ein stellbar und bei der Dunkelkenn Bild 3 8 1 Modul 1 m Sau er Y EH linienmessung die Messspannung zu hoch f r die 7V Fodern mit 26V ist Auch diese m sste einstellbar sein Es sind beide Nemsmann Module ausgemessen worden Die Kennlinien befinden sich in der Anhang CD Im Folgenden sind die von Nemsmann gemessenen Kennwerte dargestellt Modul 1 Serie Uoc in V Isc in A Umpp in V IMpp in A PMpp in W Tk bei Uoc in C Tk bei Isc in C Cr 21 23 0 59 17 50 0 55 9 53 0 32 0 06 0 77 Modul 1 parallel Uoc in V Isc in A Umpp in V Impp in A Pmpp in W Tk bei Uoc in C Tk bei Isc in C Cr 7 30 1 76 5 78 1 62 9 37 0 32 0 06 0 73 Modul 2 Serie Uoc in V Iscin A Umpp in V Impp in A Pmpp in W Tk bei Uoc in C Tk bei Isc in C Cr 21 20 0 59 17 36 0 55 9 52 0 32 0 06 0 76 Modul 2 parallel Uoc in V Isc in A Umpp in V IMpp in A PMpp in W Tk bei Uoc in C Tk bei Isc in C Cr 7 32 1 79 5 97 1 64 9 82 0 32 0 06 0 75 Die Werte f r Einzelstr nge reduzierte Schaltung und Anschlussplan siehe Anhang CD 73 3Umsetzung der Aufgabenstellung
88. feat EAN Gain 1 0 Offset gt D0 aa an Paint 1 B020 und B026 726 _ Minimal 500 Maximal 2000 Ei B027 AM2 gt gern Gain 2 5 Offset 500 J A gt JA Temperatur Einst C x0 1 ge ain Sa a E 4 Be I 4 Offset 500 Gain 1 0 a re Offset 0 roint H Foint ng B021 und B027 Temperaturen Sensor 0 10V Minimal 0 Maximal 1000 Gain 1 00 Offset 0 IBDZ1 Ax FO L fter ber die Einschaltverz gerung B032 das Selbsthalterelais B029 B022 und Ausgang Q8 einzuschalten Der Abschaltepunkt soll sein wenn der Temperaturwert erreicht wurde Das wird durch das R cksetzen des Selbsthalterelais B029 ber den Analogkomperator B028 und die Ausschaltverz gerung B033 realisiert Ein Vorwahlschalter an den Eing ngen 14 und 15 l sst die L fter Q8 direkt einschalten bzw mit Temperaturregelung betreiben Die gemessene und die eingestellte Temperatur werden mit den Analogverst rkern B020 B021 bzw B026 B027 und den analogen Merkern AM1 AM2 zur LCD Anzeige im Basismodul gebracht Zur direkten Ansteuerung der LCD Anzeige wird der Meldetext B024 eingesetzt Zur Herabsetzung der Empfindlichkeit der Analogkomperatoren wurden B032 Einschaltverz gerung und B033 Ausschaltverz gerung eingesetzt Das macht sich besonders im Punkte der erreichten Temperatur bemerkbar wenn die Anlage nicht wei L fter an oder L fter aus So verhindert man st ndiges Ein und Ausschalten der L fter Anmerkung Erst beim Testen der SPS Steuer
89. gung so dass 25V nicht angelegt wurden Mit P4_A13 wurde die normierte Spannung eingestellt 69 3Umsetzung der Aufgabenstellung 3 7 7 Leistungmessung mit einer Multipliziererschaltung Plat A13 Zur Leistungsbildung auf der Platine A13 ist ein analoger Multiplizierer AD354KD eingesetzt worden Ohne externen Abgleich wird eine Toleranz beim Typ KD mit 0 5 angegeben An den Eing ngen X Y und Z sind 2mV Offset und eine Drift von 50uV C an X Y und 100uV C benannt Laut Datenblatt hat der Multiplizierer folgende bertragungsfunktion X X Y Y2 2 10 Z Gl 3 7 1 Da in der Schaltung X2 Y2 und Z2 gemeinsam auf Masse gelegt wurden ergibt sich eine reduzierte Ubertragungsfunktion XY OO Z out GI 3 7 2 Der Eingang Y ist um den Faktor 10 niedriger als X F r Anwendungen mit kritischer Nullpunkt unterdr ckung ist es It Datenblatt ratsam Y zu verwenden In der angewandten Schaltung ist der Eingang Y1 mit dem Strompfad beaufschlagt mit dem man tats chlich Offsetprobleme hat Die unkritischere Modulspannung an Eingang X1 Das Produkt von X1 und Y1 erscheint wieder mit einer Skalierung von 0 10V an Ausgang Zi out Es ergibt sich aufgrund der angelegten Werte ein Bereich von 50W entsprechend 10V normiert berpr fung des AD534KD Zur berpr fung wurde eine Messwertetabelle angelegt um die Arbeitsweise des AD534KD zu berpr fen Messung der Normwerte mit Variation der Modulspannung
90. h Friedrich 1993 12 Skript aus Vorlesung Prof Vaupel HAW Hamburg 2004 200 Leistungselektronik 5 13 Seminar Messpraktikum zur BGV A2 Henning Rosenberg ca 2003 Elektrische Anlagen und Betriebsmittel 14 Handbuch f r LOGOISoft Comfort Siemens ca 2005 15 Praktikumsaufgabe und HAW Hamburg 02 2002 Vorbereitungsskript 16 DIN EN 60904 Teil 1 9 DIN VDE 1994 bis 2006 17 DIN EN 60891 DIN VDE 1996 98 6Literaturverzeichnis und Anhang Verzeichnis der verwendeten Software Nr Programm Version 100 LOGO SoftComfortV5 Entwicklungsumgebung f r kleinere SPS Steuerungen 5 0 101 Pspice Schaltplan Simulationssoftware 9 1 102 WSCAD51Schule Schaltplanerstellungsprogramm 5 1 103 OpenOfficeOrg2 1 Writer zur Erstellung des Diplomarbeitstextes 2 1 104 Pdf Creator zur Umwandelung in pdf Dateien 105 IrfanView zum Scannen der Grafiken 106 Zoom BrowserEx zur Bearbeitung der Grafiken 107 Paint Exel Office 2000 109 EAGLE 4 16r2 zur Erstellung von Schaltpl nen der Platinen 2000 110 MathCAD f r die Simulation von Kennlinien in der Anhang CD 2001 Der Anhang dieser Arbeit befindet sich innen im Deckblatt hinten als CD Es sind alle relevanten Unterlagen und Messung zum Sonnensimulator enthalten 99 7Versicherung ber die Selbstst ndigkeit 7 Versicherung ber die Selbstst ndigkeit Hiermit versichere ich dass ich die vorliegende Arbeit im S
91. handen die das gemessene Bestrahlungsst rkemuster enth lt So kann sich ein sp terer Anwender eine bevorzugte Stelle innerhalb der Pr ffl che suchen An jeder Pr fposition muss mindestens eine Bestrahlungsst rkemessung erfolgen Nach Austausch von Lampen kann sich das Bestrahlungsst rkemuster ndern Die r umliche Innomogenit t ist nach folgender Gleichung zu bestimmen 94 4Ausblick MAX Einsmohtw re MN Emurahtr ne 1 OOProzent Ungleichm igkeit Prozent max Einstrahlst rke m n Einstrahlst rke Der Kontrollempf nger zur Ausmessung der Pr ffl che muss eine simulatorgeeignete spektrale Empfindlichkeit aufweisen des Weiteren soll Linearit t und Zeitverhalten dem Simulator entsprechen 3 Es ist die zeitliche Instabilit t der ermittelten Datens tze Bestrahlungsst rke Strom Spannung w hrend einer Messung wobei der ung nstigste Fall angenommen wird Kurzzeitinstabilit t F r die Dauer einer gesamten Kennlinienaufnahme wird die Langzeit instabilit t ermittelt mit Max Einstrahlst rke m n Einstrahlst rke Zeitliche Instabilit t Prozent 100Prozent Max Einstrahlst rke min Einstrahlst rke Es gibt eine Klasseneinteilung f r Sonnensimulatoren nach folgender Tabelle Klassifikation Spektrale Anpassung Ungleichm igkeit Ungleichm igkeit an alle Intervalle der der Bestrahlungsst rke Bestrahlungsst rke A 0 75 1 25 nm lt 2 lt 0 5 B 0 6 1 4 nm lt 5 lt
92. hatte eine gr ere Einstrahlfl che Die Ausmessung des Lichtfeldes an m glichst allen Punkten der Modulfl che ist die Berechnungs grundlage f r die Tabelle die vorn an der Frontplatte klebt nach der man den Lampenstron einstellt um eine gew nschte durchschnittliche Einstrahlst rke zu erhalten Das Bild unten zeigt die Verteilung der Einstrahlung im Modulbereich mit M3 Schaltung Bild 3 6 2 Verteilung der Einstrahlung in der Modulkammer Verteilung der d Einstrahlung auf dem Modul gemessen mit der M3 Schaltung R3 R2 R1 a m900 950 950 1000 01000 1050 01050 1100 1100 1150 E11150 1200 1200 1250 O 1250 1300 Hier sieht man dass an den R ndern links oben und links unten die geforderten Einstrahlst rken von 1000 W m unterschritten werden Die Messungen wurden bei Lampennenndaten vorgenommen Eine Erh hung der Lampenspannung kam zugunsten der Lampenlebensdauer nicht in Betracht Allerdings misst man fast berall sonst Werte die die 1000 W m leicht erreichen bzw auch berschreiten Um die praktikumsfreundliche Einstrahlst rke Lampenstrom Tabelle zu berechnen braucht man aber einen Einstrahlwert nach dem man sich richten kann Aus der obigen Verteilung ist nun eine brauchbare Messvorschrift zu entwickeln die auch zu handhaben ist Umrechnung vom Einstrahlmessger t zur Modulfl che Da nun feststeht dass E a ist ist jetzt die Umrechnung von der gemessenen zur tats chlichen Einstra
93. hlst rke unter Ber cksichtigung der H he des Einstrahlmessers m glich Dabei gilt zun chst Abstand Modul lt gt Lampen armoa 516mm H he Einstrahlmesser aeg 35 mm 53 3Umsetzung der Aufgabenstellung Der Grundansatz E A Mod mess __ GI 3 6 1 E Mod Grm d ge Man erh lt die tats chliche Einstrahlst rke am Modul Emod _ sen rm Gr Tag Be 516mm Lua E E 0 9308 61 3 6 2 mess Mess Hier erh lt man die Einstrahlst rke Emess die man messen muss um eine bestimmte Einstrahlst rke Emoa zu erhalten Br 516 E ness E moal rmo n E a 1 074 GI 3 6 3 A ia A I Eau 5l6mm 35 7 mm Bestimmung des arithmetischen Mittelwertes der gemessenen Einstrahlst rken Werte der Einstrahlst rke Verteilung siehe Bild 3 6 2 gemessen 914 991 1032 1072 1077 1052 1033 1115 1169 1200 1203 1096 1061 1154 1196 1228 1227 1104 959 1031 1083 1158 1175 1018 Der Wert Emessm Mit 1198 W m wurde noch zus tzlich in der Modulmitte gemessen gt aller gemessenen Einstrahlst rken Anzahl Die Umrechnung auf den Mittelwert auf der Modulfl che ergibt 1097 833 0 9308 1021 863 W m 1097 833 W Im 61 3 6 4 Berechnung der Abweichungen Abweichung zum h chsten Wert 1228 1097 833 130 167 gt entspricht 11 85 vom Mittelwert Abweichung zum niedrigsten Wert 914 1097 833 183 833 gt entspricht 16 74 vom Mittelwert Anhand der doch rec
94. hspannung m ssen die Bedingungen der Schutzma nahme gegen direktes Ber hren erf llt sein K rper d rfen nicht absichtlich weder mit K rpern noch mit Erde noch mit Schutzleitern anderer Stromkreise verbunden werden Das bedeutet f r den Sonnensimulator dass die metallischen Teile in die das Modul eingebettet sind nicht mit dem Schutzleiter verbunden werden d rfen Aber man br uchte an den Verbindungen zum Solarmodul keine Vorkehrungen treffen um die Kontakte gegen direktes Ber hren zu sichern da die Modulspannung 22V nicht bersteigt Bei der Isolationsmessung wurden alle aktiven Leiter der 240V Stromkreise gegen Schutzleiter gepr ft Messwerte des Steuerungsteiles Schutzleiterwiderstand Isolation 210m gt 310MQ 72 3 8 Das Praktikum mit dem umgebauten Sonnensimulator 3 8 1 Das eingesetzte Solarmodul 3Umsetzung der Aufgabenstellung Als dauerhafter Pr fling f r den Sonnensimulator dienen zwei m gliche Solarmodule gefertigt und geliefert von der Fa System Analysen Entwicklung Ingenieurb ro Dipl Phys Nemsmann Die polykristallinen Zellen sind in Selbstbau geschnitten USE un verbunden worden Datenbl tter befinden sich in der Anhang CD Es ist bei diesen Modulen m glich diese in Serie parallel einzelne Str nge oder reduziert zu schalten wobei die reduzierten Schaltungen nicht einwandfrei funktionierten Da f r das Praktikum nur die Serienschaltung interessant war wurde au
95. ht hohen Abweichungen erkennt man dass das Lichtfeld keineswegs homogen ist Zun chst wird man dass akzeptieren m ssen Ermittlung der Tabelle Einstrahlst rke Lampenstrom Zweckm igerweise sucht man sich jetzt einen Punkt auf der Modulfl che aus der als Referenz punkt betrachtet werden kann Konkret wurde der Punkt M in der Modulmitte gew hlt Diese Einstrahlst rke liegt nat rlich viel h her als der Mittelwert Es gilt nun eine Umrechnung vom Mittelwert zum gew hlten Messpunkt zu bestimmen Emw 1097 833 W m2 E mess 1198 W m2 54 mess E 41 171 1198 1097 833 4 mess E messM messneu E mess E MW GI 3 6 7 GI 3 6 5 3Umsetzung der Aufgabenstellung 1 091 E mag 1 074 1 091 1 3 6 6 Der in GI 3 6 7 ermittelte Emessneu am Punkt M wird eingestellt um die gew nschte Einstrahlst rke am Modul Emoa zu erhalten W hlt man einen anderen Punkt Emessmanaers ndert sich nat rlich der Faktor von 1 171 je nach gew hltem Wert siehe GI 3 6 5 Vorgehensweise zusammengefasst f r den Servicetechniker 1 Lampen bei 288V und 5 67A Nenndaten mindestens 20 Minuten warm laufen lassen 2 Einstrahlmesser auf die Modulmitte legen Punkt M mit Emessm 1198 W m 3 Unterlage muss 100 waagerecht sein Adapterblech verwenden und mit Wasserwaage ausmessen 4 Werte f r Emoa 200 400 600 800 1000 W m ber den Lampenstrom beachten Ver nderung ber den Stellspartrafo 5 Unten
96. htspektrum ist Laut 7 5 43 sollen Lampen f r die Bestrahlung des Modul ber eine Farbtemperatur von 3200K verf gen In 7 wurden Lampen mit einem Abstrahlwinkel von 10 von Philips der Serie Master inePLUS verwendet 3200K ist das dem Tageslicht hnlichsten Spektrum die es als je Lampen gegeben hat Bei diesen Halogenlampen ist es ratsam sie erstmal mindestens 20 Minuten warmlaufen zu lassen Der sich in der Wendel der Lampe befindendliche Wolframfaden arbeitet so richtig optimal bei 1400 C Auch ist erst nach dem Warmlaufen das volle Spektrum entwickelt 3 5 Die Versorgung des Lampenfeldes Am Anfang wurde eine B6 Br ckenschaltung in die Realit t 0 00000000 umgesetzt Die Schaltung wurde gt L r umlich getrennt von der Me Or ee en Steuerung aufgebaut weil durch wa den stellbaren Spartrafo eine wezz Fremdspannung eingespeist wird Der Widerstand R_Lampen entspricht dem Widerstand der 48 Halogenlampen V1 bis V3 besteht aus einem einstellbaren Spartrafo der bis ca 1100Vss im Leerlauf liefert Eingestellt wird er aber so dass sich Bild 3 5 1 o a a O maximal 288V Gleichspannung pnzipschaltung der Sas an den Lampen einstellen Das 00n a o Augenmerk ist nun auf die Auswahl des richtigen Kondensators und des B6 Br cken Halbleiterbausteins zu richten Zuvor aber sind noch einige theoretische Grundlagen zum Thema B6 Br cke zusammengestellt R_Lampen Grundlagen ber die B6 Br cke Es sind immer zwei Dio
97. ibt es gem 1 S 54 die Ermittlung von R aus der Kennliniensteigung an der Stelle Isc Hierbei wird Rs nicht ber cksichtigt Bestrahlung und Temperatur der Zelle des Moduls sind beliebig Das Kennlinienverhalten der Solarzelle wird als nahezu lineare Stromquelle Isc mit dem Verlustwiderstand R angenommen Der Ansatz lautet U U I e und U N I T R P Aus der Kennliniensteigung ergibt sich dann X praktisch wie in Bild 2 6 19 nur ohne Rs Ein weiterer Ansatz zur Ermittlung von R legt nahe dem Kurzschlusspunkt eine Sekante Der Laststrom Ir wird mit 0 99 festgelegt Es ergibt sich der Arbeitspunkt Ur und somit zusammen mit der Sekantensteigung pe SC 25 2Allgemeines ber Photovoltaik 2 7 Das Verschalten der Solarzellen zu Modulen Eine einzelne Solarzelle ist zum Betrieb einer Photovoltaikanlage nicht zu gebrauchen Mit einer Zellenleerlaufspannung von ca 0 6 V kann man nicht viel anfangen Zur Verwendung werden h here Spannungen ben tigt Ein Standardmodul hat ca 17V Leerlaufspannung Diese Spannung ist g ngig zum Laden der 12V Akkumulatoren die eine Komponente in einer Photo voltaikanlage mit Inselbetrieb ist Daf r ben tigt man 36 bis 40 Zellen F r h here Spannungen werden die ganzen Module zu Strings verschaltet Man schaltet die Zellen in Reihe um h here Spannungen zu erreichen siehe Bild 2 7 1 Um einen h heren Zellspannung U in V Strom zu erreichen werden Zellen parallel
98. ill Es muss nun aus den gegeben Daten der K hlk rper Umgebungs Widerstand Rtnka errechnet werden Mit diesem Wert in Kelvin angegeben wird dann in Katalogen auf K hlk rpersuche gegangen Die Angabe in Kelvin ist international gebr uchlich Es kommt meist nur auf den Temperaturunterschied an Bild 3 5 4 W rmewiderst nde zwischen Silizium und K hlk rper 39 3Umsetzung der Aufgabenstellung Die Berechnung AO daraus folgt RR Rp 125K 10W Der resultierende K hlk rper darf keinen gr eren Wert als 10 88 K W haben Beim Beschaffen dieses K hlk rpers stellte sich heraus dass solche in jener Gr enordnung viel zu klein waren um die B6 Br cke darauf zu montieren Letztendlich wurde ein K hlk rper mit ca 3 K W aus dem Werkstattbestand genommen Dieser K hlk rper k hlt so gut dass die B6 Br cke den Strom wohl kaum bemerken d rfte 1 42 KIW 0 2 KIW 10 88 KIW 3 5 3 Die Gl ttung Simulation mit Pspice Um f r das Lampenfeld eine angenehme Gleichspannung zu bekommen ist eine Gl ttung mit einem Gl ttungskondensator unerl sslich In der Literatur 11 S 5 3 fand sich eine N herungsformel f r Gl ttung I U 55 cf GI 3 5 6 11 S 5 3 L rf Da diese Formel im Zusammenhang mit B2 Br cken in der Literatur stand entschloss man sich den Wert des Gl ttungskondensators mit Hilfe einer Pspice Simulation zu finden Die Simulation macht nur Sinn bei Kapazit ten die auch kaufb
99. in Aluminiumrahmen der abgedichtet wird gibt dann schlie lich die Endform Sie sind z B mit den Ma en 1 60m x 0 8m oder auch 2 15m x 1 25m erh ltlich Tedlar Zellen 26 2 7 1 Kenngr en von Modulen 2Allgemeines ber Photovoltaik Kenngr e Formelzeichen Einheit Elektrische Kenngr en Nennleistung Mpp Leistung bei Pmax oder Pn Wp STC Nennstrom Mpp Strom Impp A Nennspannung Mpp Spannung UMPP V Kurzschlussstrom Ik oder Isc A Leerlaufspannung Ur oder Uoc V AA Umax Modulwirkungsgrad N Thermische Kenngr en NOCT Zell Betriebstemp C ren der Mpp Bmpp K a der Mpp y K eistung ne a K Ee IK Maximal zul ssige g oC Modultemperatur Weitere Kenndaten und Eigenschaften Fl chendruck N m2 Feuchtigkeit bei 85 C relativ Hagelschlag Hagelk rner mm2 m s H he x Breite x Dicke mm Gewicht kg Leistungsgarantie a Jahre Schutzklasse I oder II Zulassungen CEC IEC oder UL Die Kennwerte sind aus 4 S 3 26 entnommen NOCT Nominal Operating Cell Temperature bei 20 C 800W m Wind bei 1m s 21 2Allgemeines ber Photovoltaik 2 7 2 Der Punkt maximaler Leistung MPP ee Pupp MPP Punkt der maximalen Impp Leistung Der Punkt maximaler Leistung MPP Punkt ist eine wichtige Kenngr e einer Solarzelle bzw eines Solarmoduls Wenn man die Zell
100. inen Einstrahlwinkel zum bestrahlten Modul gibt Nur selten steht die Sonneneinstrahlung genau gerade orthogonal zum Modul Fl che Der Kurzschlussstrom Z ist direkt proportional zur Einstrahlst rke E geneigte Fl che 34 3Umsetzung der Aufgabenstellung 3 Umsetzung der Aufgabenstellung Zum Beginn war bereits ein Sonnensimulator vorhanden Dieser funktionierte aber nicht vern nftig Es wurden die geforderten Einstrahlst rken nicht erreicht das SPS Programm der LOGO war nur zu weniger als der H lfte da n mlich nur f r die Hellkennlinie ohne Dunkelkenn linienfunktion und ohne irgendwelche Ansteuerung f r die L fter geschweige denn eine Temperaturregelung Es war f r den Benutzer der Anlage nicht zu erkennen wann ein Mess vorgang beginnt und wann er abgeschlossen war Auch die Anbindungen f r den x y Schreiber waren nicht angeschlossen Die Schaltungsunterlagen sind v llig unzureichend Es ist eine totale berarbeitung des Sonnensimulators notwendig bei der man auch noch obendrein damit rechnen muss dass sp ter bei Fortschritt des Umbaus noch unvorhergesehene Probleme auftauchen die am Anfang nicht erkennbar waren 3 1 Die ersten Schritte Zuallererst wurde eine komplette Bestandsaufnahme des vorhandenen Sonnensimulators notwendig Bevor irgendetwas daraus entfernt wurde musste ein Schaltplan durch intensives Besichtigen angefertigt werden Es musste erst klar sein was genau entfernt wird und was bernommen
101. inne der Pr fungsordnung nach 825 4 ohne fremde Hilfe selbstst ndig verfasst und nur die angegebenen Hilfsmittel benutzt habe W rtliche oder dem Sinn nach aus anderen Werken entnommenen Stellen habe ich unter der Angabe der Quellen kenntlich gemacht Hamburg den 23 11 2007 100
102. it auch Km wieder gesetzt und mit Messung Hell KL bereit steht die SPS f r einen neuen Messzyklus bereit Das Wischrelais B007 f r Entladung Elko ber Masse wird zus tzlich dann zur ckgesetzt wenn Vorwahl Dunkel KL an I3 eingeschaltet ist Der Baustein B017 arbeitet als Schalterverriegelung gegen I3 damit nicht beide Vorwahlen der Hellkennlinie und Dunkelkennlinie eingeschaltet werden k nnen Sp ter wurde der Wahlschalter S2 in der Frontplatte auch so gew hlt dass mechanisch nur eine Stellung zur Zeit w hlbar ist Das Programm wurde viel fr her erstellt als die Teile in der Frontplatte zusammengestellt waren Dadurch entstand die doppelte Sicherheit Falls man sp ter auf zwei einzelne Wahlschalter umbauen m chte w rde das Programm dann immer noch funktionieren 62 3Umsetzung der Aufgabenstellung 3 7 2 2 Funktionsbeschreibung der Dunkelkennlinienmessung Messung er S lanke B013 pi gegen 24V f r HKL Aufnahmezeit A Bereit Re Dunkel KL stellung SED 5018 B014 Messung Messur g B012 Q4 DKL Dunkel KL EEE sini B016 Q7 Rem off Nn8 DOs 00D0s i j 0R DUs Bild 3 7 3 Programmteil f r Dunkelkennlinienmessung Yorwah Dunkel KL Anschluss Solarmodu 05 Die Dunkelkennlinienmessung ist programmtechnisch wesentlich einfacher Zun chst verriegelt B018 die Dunkelkennlinienmessung gegen die Hellkennlinienmessung Der Taster an I1 leitet die Messung mit Start Messung ein Schon
103. kann sich die verschattete Zelle so erhitzen dass sich ein Hot Spot hei er Punkt bildet und sie zerst rt werden kann Ist erst mal eine Zelle vorgesch digt so ist der Schaden irreparabel Die Zellen merken sich auch jede Verschattung wobei jedes Mal die Zelle etwas mehr besch digt wird Es ist sehr wichtig darauf zu achten das bei einer Photovoltaikanlage keine Verschattungen auftreten Vor Hot Spot Planung einer Anlage ist eine Verschattungsanalyse ratsam Allerdings sind herabfallende Bl tter auch in einer Bild 2 7 11 Verschattungsanalyse nicht kalkulierbar Zur Vorbeugung von Solarzelle erschattungssch den werden die Module meist mit i D Bypassdioden ausgestattet die die Aufgabe haben im 4 s 3 30 Verschattungsfall den Strom um die verschattete Zelle herumzuleiten Es wird aber nicht um jede Zelle eine Bypassdiode geschaltet Man fasst so ca 18 bis 20 Zellen zusammen siehe Bild HOAS NA 2 7 10 F llt eine Zelle aus werden leider gleich alle 18 bis 20 Zellen funktionslos ohne Verschattung Das f hrt zu einer starken Leistungsminderung Ohne Bypassdiode wird der gesamte Strom durch die Merschattete Zelle bestimmt In Bild 2 7 10 ist eine Bypassschaltung mit zwei Dioden realisiert Um Zelle 19 bis 36 wird der Strom herumgeleitet Wie schon unter 2 5 3 erw hnt ist das Verschattungs 5 10 15 20 problem bei D nnschichtzellen nicht so gravierend Es fallen nicht so wie hier die ganze Zelle bzw der ga
104. ktplan Programmierung Ladder Diagramm LAD und der Programmierung mit Funktionsbausteinen Function Block Diagramm FBD Das Programm ist in FBD erstellt worden schon allein deswegen weil diverse Funktionen nur in FBD programmierbar sind Zwar l sst sich die Programmierart immer umschalten aber bei Bausteinen die nicht in LAD funktionieren macht dies wenig Sinn LAD ist eher f r Programmierer die aus der Installation die Sch tz Kontakt Technik gewohnt sind Die verwendeten Bausteine Es ist nur eine Auswahl der Bausteine vorgestellt die im Programm verwendet werden 14 Kap 5 Digitaler Eingang Die LOGO SoftComfortV5 verf gt ber 24 Eing nge die ber die Blockparametrierung zugewiesen werden k nnen Kommentare k nnen auch eingef gt werden Digitaler Ausgang Es k nnen bis zu 16 Ausg nge verwendet werden Q Diese werden ber die Blockparametrierung zugewiesen sowie die l G l Kommentare Am Ausgang liegt immer der Wert des vorherigen Programmzyklus an Innerhalb eines Programmzyklus wird der Wert nicht ver ndert 14 S 5 2 Merker Es ist ein Speicherbaustein der sich das merkt was an ihrem Eingang anliegt Es gibt 24 digitale Merker und 6 analoge Merker Die Zuweisung geschieht ber die Blockparametrierung Innerhalb eines Programmzyklus wird der Wert nicht ver ndert 14 S 5 4 Der Anlaufmerker M8 wurde hier nicht verwendet Er wird im ersten Programmzyklus gesetzt Nach deren Ablauf wird
105. l dt sich zum Teil ber den Widerstand R KL ist zu diesem Zeitpunkt schon wieder offen Nach einer vorgegebenen Zeit wird wieder umgeschaltet Ke1 ist wieder offen Ke2 f llt in die Ruhelage zur ck geschlossen und entl dt den Kondensator vollst ndig So ist diese Messanordnung zur n chsten Messung bereit Wenn man die Schliess und ffnungszeiten von KL Ke1 und Ke2 flexibel gestaltet so k nnte man verschiedene Module mit verschiedenen Leerlaufspannungen messen F r Leistungsmessung zur gleichen Zeit muss vom Modul die Spannung und der Strom mit Shunt gemessen werden Bild 2 6 15 Prinzipschaltung der Hellkennlinienmessung 8 5 20 Messzyklus f r eine Kennlinienmessung 1 S 59 KL KE1 KE2 Bemerkung Anfangszustand alle K offen X Restentladung des Elkos X X Kurzschluss am Modul nicht gef hrlich X Start des Messvorganges B E z Ende der Messzeit i z X Entladung des Elkos ber R Ruhezustand Die Ladezeit des Elkos richtet sich nach dem Kurzschlussstrom Isc der Kapazit t und der Leerlaufspannung Uoc Zum Zeitpunkt f hat der Ladestrom den halben Wert des Kurzschlussstromes nach 2 7 ist der Kondensator nahezu vollst ndig aufgeladen siehe 1 5 61 Es flie t nur noch der Sperrstrom Es gilt n herungsweise 1 S 61 Uoc I I ag 7 2 7 cl 2 6 19 i l GI 2 6 20 SC Cl Gl 2 6 21 21 2Allgemeines ber
106. larmodul Nur der fr her verwendete Feldeffekttransistor musste durch einen Vergleichstypen ersetzt werden da der BUZ72L nicht mehr hergestellt und verkauft wurde Stattdessen wurde der IRL14 eingesetzt Der Feldeffekttransistor ist ein n Kanal Anreicherungstyp der als steuerbarer Widerstand im ohmschen Bereich benutzt wird Laut Datenblatt betr gt seine Schwellspannung 2V die nicht berschritten werden sollte Die SPS schaltet zu Beginn der Messung die 24V am Eingang mit Q4 zusammen Dabei l dt sich der Kondensator 3C2 langsam ber die Konstantstromquelle LM317 und 3R1 auf Der FET T1 ffnet entsprechend des Ladezustandes des Kondensators 3C2 3R2 dient als Vorwiderstand f r den FET Nach der Aufladung des Kondensators werden die 24V am Eingang wieder getrennt Die Spannung an 3C2 kehrt sich um und entl dt sich ber die parallel geschaltete Freilaufdiode 3D2 Damit ist eine selbstst ndige Entladung des Kondensators f r eine neue Messung sichergestellt Die Diode 3D1 ist als Schutz f r den Fall geschaltet wenn die Spannung am Ausgang des LM317 gr er wird als die am Eingang des LM317 In der Praxis stellte sich heraus dass die vorhandenen 24V nicht ausreichten die Dunkelkennlinie vollst ndig auf das Papier zu zeichnen Daher wurde vorsichtig die Versorgungsspannung die von dem LOGOI Power Netzger t geliefert wird auf 26V hoch gestellt Selbstverst ndlich wurde vorher berpr ft ob die beiden Relais KL und Km und die gesamte L
107. lb verbunden um im Fehlerfall eine schnelle Abschaltung zu erreichen Das Gleiche gilt f r die Frontplatte und die ber hrbaren metallischen Teile in der Modulkammer Die Not Aus Einrichtung Gem DIN VDE 0100 723 f r Labor und Experimentiereinrichtungen soll ein Not Aus Stellglied vorhanden sein Da aber vom Betreiber versichert wurde dass es f r den Notfall bergeordnete Not Aus Einrichtungen im gesamten Labor vorhanden sind wurde explizit beim Sonnensimulator darauf verzichtet Gem VBG1 allgemeine Unfallverh tungsvorschrift und Gummiparagraph darf von den allgemein anerkannten Regeln der Elektro Technik abgewichen werden wenn die Sicherheit auf eine andere Weise genauso hergestellt werden kann 3 7 2 Das LOGO Programm mit der Software LOGO ComfortV5 Um ein SPS Programm zu realisieren ben tigt man eine Entwicklungssoftware Zu diesem Zweck hat Siemens f r den Programmierer die LOGO SoftComfortV5 Software bereit gestellt Die LOGO SoftComfortV5 Software verf gt ber eine Bedienoberfl che 14 mit der man die gew nschten Bausteine anklicken und platzieren kann Anschlie end kann man sie bequem verbinden Es gibt drei Symbolleisten mit denen man arbeiten kann 1 Symbolleiste Standard Diese ist f r bergeordnete Datei Funktionen z B speichern drucken l schen etc Man kann sein Programm hierbei auch in pdf jpg oder bmp Format abspeichern 2 Symbolleiste Werkzeug Es sind alle Elemente vorhan
108. lben sondern durch die Winkeldrehung Es soll mit einer in Deutschland blichen Richtcharakteristik verglichen werden Die Richtcharkte ristik ist eine mit 100Prozent beschriebenen Verlauf an einem Sommertag mit geringer Bew lkung an dem das Verh ltnis der Globalstrahlung zu der extraterristischen Strahlung 66 betr gt 15 Um eine relative Bestrahlungsst rke zu erhalten werden die Kurzschlussstr me die proportional zu der Einstrahlst rke sind ins Verh ltnis gesetzt d h 100 Isc bei 0 0 ist die senkrechte Einstrahlung auf das Modul Modul 1 Modul 2 Winkel in ISC in A Isc in ISC in A Isc in 0 0 492 100 0 49 100 30 0 402 81 71 0 422 86 12 60 0 305 61 99 0 31 63 27 90 0 178 36 18 0 175 35 71 Um mit der Richtcharakteristik Kennlinie vergleichen zu k nnen muss diese erst einmal mit einem Matheprogramm MathCAD konstruiert werden Im Praktikum sind nur 4 Werte gemessen worden F r einen feineren Vergleich br uchte man mehr Werte Aus diesem Grund ist zur Anschauung eine Wertetabelle unten mit Werten und Diagramm 0 bis 90 in 10 Schritten erstellt worden 87 3Umsetzung der Aufgabenstellung Vollst ndiger Vergleich der beiden Module mit der gegebenen Richtcharakteristik Grad in E in Richt E in Modl E in Mod2 0 100 100 100 10 98 937 98 55 96 22 20 95 778 89 69 90 06 30 90 622 85 15 85 09 40 83 623 71 52
109. leiche der verschiedenen Methoden zur Ermittlung des Serieninnenwiderstandes schwierig nicht ohnehin wegen der zeichnerischen Bearbeitung sondern auch der Knicke die die Werte mit Sicherheit verf lschen Die Temperaturmessung an den Modulen ist nicht optimal so dass man verschiedene Kennlinien mit verschiedenen Anzeigen SPS und Frontanzeige erh lt mit verschiedenen Temperaturkoeffizienten Idealerweise misst man die Temperatur da wo sie entsteht direkt thermisch gekoppelt am Modul Vorerst wurde mit Absprache des Labors davon abgesehen die Module anzubohren um die Temperaturf hler an das Modul zu montieren Ideal w re es einen Pr fling zu haben der gerade Kennlinien hat um erst einmal zu sehen wie die verschiedenen Messmethoden des Serieninnenwiderstandes zu beurteilen sind 3 8 3 4 Eine interessante Zusatzaufgabe Die Berechnung des Mpp Punktes aus drei Messpunkten einer I U Kennlinie eines Moduls Sehr interessant ist die Tatsache dass man aus drei Messpunkten einer I U Kennlinie den Mpp Punkt berechnen kann Man w hlt wie in Abschnitt 2 7 2 angegeben drei Messpunkte in der Umgebung des Mpp entweder gemessen oder aus der Kennlinie abgelesen F r Modul 2 wurden folgende Werte gew hlt U in V 18 18 5 19 IinA 0 45 0 432 0 4 Die Spannungswerte sind im gleichen Abstand zueinander gew hlt worden Folgendes Gleichungs system kann aufgestellt werden 91 3Umsetzung der Aufgabenstellung I a 18
110. leicher spektraler rd Al Verteilung der Bestrah nr ear a aaa i lungsst rke gemessen 74 werden 1 S 46ff Aus Al 0 5 den Kennlinien m ssen die 0 4 Arbeitspunkte A und A2 1 ermittelt werden Man geht Ap wie folgt dabei vor aus 0 2 der Kennlinie mit dem niedrigeren Kurzschluss strom gilt 0 7 0 5 10 15 u 20 AI 0 5 1 2 Gl 2 6 23 Bild 2 6 16 Ermittlung des seriellen U ___ U Widerstandes 1 S 46 und 47 y Steht dieser Wert fest ist AP2 mit U2 schon festgelegt Das gleiche AZ wendet man auch bei der ersten Kennlinie mit dem h heren Kurzschlussstrom an Zusammenfassend gilt Arbeitspunkte U U kennir Isc A I Gl 2 6 24 U U keni T se2 A I Gl 2 6 25 U U Serienwiderstand R U I scl sc2 GI 2 6 26 22 2Allgemeines ber Photovoltaik Diese Messvorschrift bezieht sich auf Laborbedingungen mit konstanter Temperatur und k nstlichen Lichtquellen mit gleichem Spektrum Es treten aber hier systematische Messfehler auf weswegen diese Messungen insgesamt dreimal durchgef hrt werden m ssen und anschlie end die Werte von As gemittelt werden Ganz genau gem DIN EN ist das nicht Der Unterschied liegt in der Feststellung der Punkte U1 bzw U2 Nach der DIN EN 60891 wird ein Punkt gesucht der h her liegt als der Umpp Es ist nicht von vornherein die Differenz AI 0 5 Isc2 festgelegt Der Praktiker mit seiner Solaranlage hat selten ein Labor bei sich F r ihn muss es
111. nO wirkt zusammen mit dem Metallkontakt als Reflektor 4 S 2 51 Wirkungsgrad 5 bis 7 stabilisierter Zustand nach 6 12 Monaten wegen Lichtalterung Gr e Standard sind maximal 0 79 x 2 44m 2 Sondermodule bis maximal 2 x 3m Dicke 1 3mm Tr germaterial nicht geh rtetes Glas Metall oder selten Kunststoff mit 0 05mm mit ca 0 001mm 1um Beschichtung davon 0 3 um amorphes Silizium Struktur homogen Farbe r tlich braun bis schwarz oder blau violett Die Kupfer Indium Diselenid Zelle CIS Zelle Bild 2 5 7 Schichtaufbau einer CIS Zelle 4 S 2 52 Das aktive stromerzeugende Halbleitermaterial ist hier das Kupfer Indium Diselenid CIS meist noch legiert mit Gallium und oder Schwefel Diese Schicht ist p dotiert Hier wird das Licht absorbiert Als lichtdurchl ssiger Frontkontakt dient hier n leitendes aluminium dotiertes Zinkoxid ZnO2Al Dieses wird zusammen mit einer i ZnO Zwischenschicht aufgesputtert Kathoden zerst ubung Fehlanpassungen zwischen der CIS Schicht und den ZnO Schichten werden mit einer n leitenden Cadmium Sulfid Schicht CdS ausgeglichen CIS sind nicht so lichtalterungs empfindlich wie die amorphen Zellen Leider ist das Zinkoxid feuchtigkeitsempfindlich Daher muss es sehr gut versiegelt werden Diese Zellen haben unter den D nnschichtzellen den h chsten Wirkungsgrad 4 S 2 52 Wirkungsgrad 9 bis 11 Gr e Standardmodule sind maximal 1 20 x 0 60m Dicke 2 4mm Tr germaterial
112. nach der Vorwahl Dunkel KL an I3 wird das Solarmodul mit der Platine verbunden ber Setzen des Ausganges Q5 Nach dem Starten der Messung l uft die Zeit ber das Wischrelais B012 f r 8s Solange wird das Modul mit einer Fremdspannung ber Setzen von Q4 beaufschlagt In dieser Zeit muss die Kennlinie aufge zeichnet werden Es wird hier nur die Durchlasskennlinie gemessen nicht die Sperrkennlinie Nach Ablauf der Aufnahmezeit B012 wird das Modul von der Fremdspannung getrennt Danach l uft eine Bereitstellungszeit von weiteren 8s In dieser Zeit entl dt sich der Messkondensator auf der Dunkelkennlinienplatine A14 selbstst ndig um nach den 8s ber B016 f r eine neue Dunkelkenn linienaufnahme bereit zu stehen Die Fremdspannung wird von der SPS Versorgung LOGO Power A3 gestellt In der Praxis stellte sich heraus dass bei den vorhandenen 24V die Dunkelkennlinie nicht weit genug mit dem Schreiber gezeichnet wurde Als Abhilfe wurde die Versorgungsspannung der LOGO Power auf 26V gestellt Nat rlich wurde vorher sichergestellt dass gem Datenbl tter der SPS Komponenten die H herstellung zul ssig war Auch die beiden externen Relais Km un KL vertragen diese Ma nahme Ganz wichtig ist es die Lampen herunter zu regeln da die geschlossenen Lamellen nicht ganz die Modulkammer verdunkeln Eine leichte Helligkeit f hrt zu Modulspannungen die dann mit den externen 26V zusammentreffen w rden Au erdem erh lt man keine vern nf
113. nd Isolation Ersatzableitstrom 58m gt 310MQ Der Stellspartrafo wurde getrennt als eigenes Ger t gepr ft Der Schutzleiterwert wurde vom Stecker ber die Anschlussleitung zum Geh use gemessen F r die Isolationsmessung werden schon von Messger t die Phasenleitungen inkl Neutralleiter kurzgeschlossen und dann gegen PE gemessen Schaltschrank Lampenversorgung hinten Schutzleiterwiderstand Isolation Ersatzableitstrom 134m gt 310MQ 0 099MA Bei diesen Stromkreisen wurden die Halbleiterteile vorsichtshalber abgeklemmt um sie bei der Isolationsmessung nicht zu zerschie en Es wurden alle Vebindungen zum Schutzleiter gemessen Bei der Isolationsmessung wurde mit kurzgeschlossen Phasenleitungen und jede der Phasenleitungen gegeneinander gemessen 48 3Umsetzung der Aufgabenstellung 3 6 Das Lichtfeld Die Sonne f r den Sonnensimulator die aus 48 Halogenlampen besteht strahlt in die in Wei gehaltene reflexionsreiche lichtausnutzungsoptimale Modulkammer durch eine Glasscheibe hinein Man versucht Standardbedingungen STC herzustellen 25 C E 1000W m 2 AM 1 5 Aufgabe des Lichtfeldes ist haupts chlich die Einstrahlst rke von mindestens 1000W m2 zu schaffen F r eine optimale Lichtausnutzung des PV Moduls ist ein m glichst homogenes Lichtfeld mit gleichen Einstrahlungsst rken an allen Stellen des Moduls notwendig 3 6 1 Die Abh ngigkeit der Einstrahlst rke E
114. nd bis zu 30cm dick Die Stangen werden entweder rund gelassen was wenig verwendet wird quadratisch oder semiquadratisch abgefast Anschlie end werden etwa 0 3mm dicke Scheiben Wafer geschnitten Die nicht unerheblichen S ge und Abfasabf lle werden wieder eingeschmolzen Die Wafer werden in nach chemischen tz Sp lb dern gereinigt wobei beidseitig 0 01mm weg ge tzt werden Bei den bereits als Rohwafer p dotierten Wafern mit Bohr wird nun die n dotierte Schicht durch Phosphordiffusion aufgetragen Das Phosphorgas diffundiert ca bei 800 C bis 900 C ein wobei die Oberseite nun auch umdotiert wird Damit entsteht der p n bergang das Herzst ck der Solarzelle Die anschlie end aufgebrachte Antireflexionsschicht die die wundersch ne blaue Farbe erzeugt verbessert den Wirkungsgrad Anschlie end werden die Kontakte mit Siebdruckverfahren aufgedruckt ja regelrecht eingebrannt durch die Antireflexionsschicht hindurch An den Kanten werden die Solarzellen abge tzt um die p und n Schicht sauber zu trennen 4 S 2 32 Bild 2 5 2 monokristalline Zellen von links quadratisch semiquadratisch und rund 4 S 2 32 Die runden Zellen sind in der Herstellung am billigsten aber bei den Verwendern am unbeliebtesten Mit runden Ma en lassen sich Fl chen nur unwirtschaftlich nutzen Den meisten Verschnitt beim Abfasen verursachen aber die quadratischen Zellen 4 S 2 32 bliche Gr en sind 10 x 10cm 4 Zoll 12 5 x 12 5cm 5 Zoll
115. ngesetzte B6 Gleichrichter gezeigt Es handelt sich um den Typ 26MT80 Dieser Baustein vertr gt sogar bis zu 800V Ventilsperrspannung und bis zu 25A Ventilstrom Er ist leicht montierbar kompakt und vielseitig verwendbar Einen Baustein mit kleineren Werten gab es auch nicht zu kaufen Die Alternative w re ein diskreter Aufbau mit 6 Dioden gewesen So hat man sich f r diesen montagefreundlichen Baustein entschieden 3 5 2 Berechnung des K hlk rpers Um sicher zu gehen dass die B6 Halbleiterbr cke nicht zu warm beim Betrieb wird werden berlegungen zur K hlung des Bauteils angestellt Grunds tzlich wenn ein Halbleiter mit K hlk rper verwendet wird betrachtet man die Silizium Geh use K hlk rper verschiedenen W rmewiderst nde die zwischen Silizium des Halbleiters und dem K hlk rper in Reihenschaltung liegen Zun chst ermittelt man wieviel Leistung ber den Baustein maximal verbraucht werden k nnten Der Strom wird mit fast 6A angenommen Aus dem Datenblatt lie t man nun heraus dass bei 6A 10W Verlustleistung eintreten bei einer maximalen Halbleitertemperatur von 150 C ohne K hlung Au erdem werden der Geh use Halbleiter RthJC mE Rih KA Widerstand Rtn c 1 42K W und der Geh use A K hlk rper Widerstand Rtnck 0 2K W aus dem a RE RE Datenblatt ermittelt Der Temperaturunterschied RthJC RthCA A 125 C wird angenommen wenn man durch K hlung eine Temperatur des Bauteils von 25 C erreichen w
116. nnnnnen 53 3 1Die Steuenn MI LOGO 56 J ALAUDA dEr Sleue ns nee ee ee ee 56 3 7 2Das LOGO Programm mit der Software LOGO ComfortVS3 eeeseseeeennnnnnnnnnnnnnnnn 58 3 7 2 1Funktionsbeschreibung der Hellkennlinienmessung uussssssssnnnnennnn 62 3 7 2 2Funktionsbeschreibung der Dunkelkennlinienmessung usssssnnnnnenen 63 3 7 2 3Funktionsbeschreibung der Temperaturregelung 222222000000neennnnnnnnnnnnn 63 3 7 3Die Hellkennlinienmessung mit der Platine AlS sssssssessesseseeeeeeeeeeeeeeeeeennnnnnnn 65 3 7 4Die Dunkelkennlinienmessung mit der Platine AlA ssssssssssssnsnssseeeeeeeeennnn 66 3 7 5Strommessung mit einem LEM Stromwandler und einer Subtrahierschaltung Platine U 92 PeR EEE ELTERN LET ELSE ENSIOLCEESEREELIUITEUENNENE NUENLLCHEERNENLSECRELCEENN 67 3 7 6Spannungsnormung von Modulspannung und strom Plat A13 cceeen 68 3 7 7Leistungmessung mit einer Multipliziererschaltung Plat Al3 e 70 3 7 8Die Pr fung des Steuerungsteils nach DIN VDE 0701 2222222222202sseeeeeeeeeeennnnnnnn 72 3 8Das Praktikum mit dem umgebauten Sonnensimulator uuesssesssssnnnnnnnsnnnssnennnnnnennnnn 73 3 8 1D 8 eingesetzte Solar modul E 73 3 8 2Die Bedienungsanleitung des Sonnensimulators uuseeeeesseesnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnn 75 38 DaS ak ke ee ran 8l 3 8 3 1D e Aufnahme der Dunkelkennlinie
117. nter geteilt werden Eine gew hnliche LCD Anzeige vertr gt maximal 200mV F r LCD Anzeigen kommen nur Messbereiche von 200mV 2V 20V 200V 2000V nur in Betracht Infrage kam nur ein ZI em 1 E T 1 d 41 3Umsetzung der Aufgabenstellung Messbereich von 2000V wobei die 2000V nie erreicht werden H tte man 200V gew hlt w re die LCD Anzeige zerst rt worden ber einen 1MOhm Widerstand und einen 1000hm Widerstand wird die Spannung von gedachten 2000V auf 200mV heruntergeteilt Der 1000hm Widerstand besteht auf einer Anordnung von Rx1 Rp und Rx2 Damit werden die 1000hm nicht nur nachgebildet sondern auch die an der Anzeige ankommende Messspannung korrekt fein eingestellt um z B Leitungsl ngen auszugleichen Als Vergleichsger t diente das ABB Metrawatt 2036 ein trms Ger t des HAW Labors Die Berechnung U mess Ry 200mV 1M Q ARE E AAE AA xo y 8 x 2000V 200mV 100 2 Zur Berechnung des 1000hm Messwiderstandes wurde der Vorwiderstand mit 1MOhm gew hlt Die Lampenstrommessung Das Prinzip f r die Wahl des Messshuntes zur ae nero die apen ranes Strommessung ist hnlich wie bei der Spannungs messung Es d rfen 200mV an der LCD Anzeige nicht berschritten werden Der Lampenstrom betr gt maximal 5 833A Somit ergibt sich ein Messbereich von 20A und ein Messshunt von 10mOhm Lamkenstrofm IL Problem Beim Betrieb der Anzeigen gab es schwer beherrschba
118. nze Solarzelle 2 8 Bild 2 7 12 Kennlinienvergleich bei Verschattung 4 S 3 32 Modulspannung in V 32 2Allgemeines ber Photovoltaik Strang aus sondern nur auf dem kleinen verschatteten Teil aufgrund der monolitischen Verschaltung Das obige Bild 2 7 12 zeigt die gravierenden Auswirkungen auf die Kennlinie des Moduls Der Vergleich der Kennlinien mit und ohne Verschattung zeigt deutlich wie leistungs mindernd sich Verschattung auswirkt Mit Bypassdioden ergibt sich die gr ne Kennlinie Dabei geht die MPP Spannung um die H lfte zur ck weil die Modulspannung auf die H lfte sinkt Besonders wirkt sich die Leistungsminderung aus wenn gar keine Bypassdiode eingesetzt wird Im Idealfall h tte jede Zelle gerne seine Bypassdiode Nur ist dieses wirtschaftlich zu aufw ndig 4 S 3 32 2 7 6 Die Relevanz des Einstrahlwinkels auf ein Solarmodul Sehr wichtig f r den Betrieb eines Solargenerators ist der Standort Er soll nicht nur verschattungsfrei sondern optimal zur Sonne gerichtet sein Die optimale Ausbeute des Lichtes erh lt man wenn das Licht orthogonal auf die Solarfl che auftrifft Jede Abweichung davon hat eine geringere Ausbeute zur Folge Die Sonnenstrahlen sind entweder diffus an bew lkten Tagen oder direkt an wolkenfreien Tagen In Deutschland hat man durchschnittlich ca 50 diffuse Strahlung Nur bei direkter Strahlung kann man berhaupt ein Solarmodul nach der Sonne ausrichten was bei diffuser Strahlung
119. ort und automatisch selbst zu entladen Der gesamte Zeitraum sind 16 Sekunden W hrend der gesamten 16 Sekunden bleibt die LED DKL breit dunkel Sobald die LED DKL bereit wieder aufleuchtet kann eine neue Messung gestartet werden Hellkennlinienmessung Bevor man die HKL Messung berhaupt beginnen kann empfiehlt es sich die Lampen schon seit mind 20 Minuten warmlaufen zu lassen um das volle Lampen spektrum zu erhalten und somit eine m glichst optimale Kennlinie W hrend der Aufw rmphase bleiben die umklappbaren Lamellen die zwischen Lampenfeld und Modulkammer liegen 75 3Umsetzung der Aufgabenstellung geschlossen weil sich die Modulkammer nur unn tig aufheizt Die Lamellen werden nur unmittelbar vor jeder Messung ge ffnet und danach sofort wieder geschlossen Auch diese Messung erfolgt vollautomatisch sobald der Vorwahlschalter auf Vorwahl HKL steht und die Messung mit Messung Start begonnen wurde Sobald die LED HKL bereit leuchtet wird das Modul f r den Messbeginn kurzgeschlossen Ein kurzgeschlossenes Modul bedeutet keine Gefahr sondern ist ein normaler Betriebszustand eines Solarmoduls Mit dem Kurzschliessen wird sichergestellt dass die Messung beim Kurzschlussstrom beginnt Um 0 und bei der Leerlaufspannung endet Im 0 Der Messzyklus f r die Hellkennlinie besteht aus drei Abschnitten Das kurzgeschlossene Modul wird an einen Kondensator 20 000uF parallelge schaltet d h im ersten Moment bleib
120. otovoltaisch aktive Fl che die Aperturfl che bezogen Der Vorteil bei D nnschichtzellen liegt darin dass sie nicht so empfindlich gegen Verschattungen sind Bei kristallinen Zellen funktioniert bei Verschattung eines kleinen St ckes der Zelle die ganze Zelle nicht mehr w hrend bei den D nnschichtzellen nur der kleine abgeschattete Bereich unwirksam wird Verschattungsprobleme sind in der Anwendung von Modulen eines der Hauptprobleme Desweiteren haben D nnschichtzellen einen g nstigeren Temperaturkoeffizienten und die F higkeit diffuses und schwaches Licht besser auszunutzen Daher kann die Energieausbeute trotz niedrigem Wirkungsgrad relativ gut sein 4 S 2 49 2 5 4 Einige D nnschichtzellenarten Die amorphe Zelle Licht 1 Glas TTco 2 B SnO ITO oder ZnO i a Si IZnO Bild 2 5 6 Schichtaufbau einer Metallkontakt amorphen Zelle 4 S 2 51 11 2Allgemeines ber Photovoltaik Hinter dem Glas befinden sich zun chst die Frontkontakte aus Zinnoxid SnO2 Indium Zinnoxid ITO oder Zinkoxid ZnO Die p n Schicht zwischen der ein intrinsisches undotiertes Silizium liegt sorgt f r das elektrische Feld Die Zwischenschicht ist notwendig weil das amorphe hydrogenisierte Silizium eine sehr kleine Diffusionsl nge hat und somit freie Ladungstr ger zur Stromerzeugung nicht lang genug leben w rden Genau in dieser Schicht findet die Lichtabsorbtion und Ladungstr gererzeugung statt Die untere Zinkoxidschicht Z
121. peraturen 0 25 C 30 C und 40 C ni Kennlinie bei verschiedenen Temperaturen 8 25 C 30 C und 40 C K rl r Op sA k ASi O a 7 P IA un IYA a pa Bild 3 8 11 Kennlinien von Modul 1 bei drei verschiedenen Temperaturen 1 aaa a i ps i k l PEN 4 SPAN Po Wien ZERO 8B8B5 B AC 20 LD CHART SPAN B 2 U cm ZERO 889 4 Ti IE P r 15 f 7 0 g a ji ti l Solarmodule sind temperaturempfindlich Es ndert sich die Leerlaufspannung der Kurzschlus sstrom und der Mpp Punkt Die Temperaturkoeffizienten die ermittelt werden sollen sind ein Ma f r das Temperaturverhalten der Module Beim Aufbau des Sonnensimulators waren die Anzeigen der Temperatur unterschiedlich Es gab Abweichungen zwischen SPS Anzeige im vorderen Schaltschrank und der Frontanzeige In absehbarer Zeit wird an der Temperaturmessung im Sonnensimulator erstmal nichts ndern Die oben abgebildete Kennlinienschar ist mit Ablesung von der SPS Anzeige aufgenommen Langfristig ist ein Temperaturf hler der thermisch mit den zu messenden Modulen verbunden ist die optimalste Erfassung f r das Temperaturverhalten der Module Au erdem ist anzustreben nur eine Anzeige zu benutzen Die Frontanzeige die zur Zeit eingebaut ist zeigte sich in der Praxis als teilweise zu sprunghaft Die Abweichungen sind tabellarisch festgehalten SPS Anzeige in C Frontanzeige in C 24 23 4 25 25 2 30 36 3 40 47 1 89 3Umse
122. rd liegt der Mp Punkt Neutralleiter potentialm ig genau in der Mitte von Plus und Minus der Spannung ULampen Das f hrte dazu dass die Lampengleichspannung um Mp herumschwingt Erstens hat man auch bei Ugl wie auch bei Ugl bis zu 144V Spannung gegen Erde PE Zweites f hrte es sp ter zu erheblichen Problemen mit den LCD Strom und Spannungsanzeigen f r die Lampen Hier ist nun die Berechnung der Lampengleichspannung V2 O T oT U rampen 3 TU Prasespirze Sin sin 135 1 1975141 v2 Vereinfacht ausgedr ckt mit rem 1 35 betr gt die Lampengleichspannung Un 18 PraseSpitze Mp GI 3 5 2 9 S 141 38 3Umsetzung der Aufgabenstellung 3 5 1 Der B6 Halbleiterbaustein F r das Herzst ck der B6 Br cke den B6 Halbleiterbaustein m ssen die gew nschte Lampen spannung Lampenstrom die Spitzenventilspannung und die Phasenspannungen bekannt sein bevor man den Baustein ausw hlt Die Mindestanforderungen RR P en U 24 12V 288V I E2 5 833 4 Up mn 213 337 U I PhasenSpitze Mp 1 3 5 U nee Mp __ 2 l 3 33 Phasen Mp N 3 Spitzenventilspannung Us penti U Lampen 1 05 228V 1 05 302 5 V 61 3 5 3 12 effektiver Ventilstrom egyeni L Lampen 585 833 A 0 58 3 383 A G1 3 5 4 12 123 17V Zum sicheren Betrieb braucht man eine B6 Br cke die mindestens Bild 3 5 3 302 5V Ventilsperrspannung und 3 383A Ventilstrom vertr gt Im Bild ehe B6 3 5 3 ist der ei
123. re Schwankungen besonders bei der Lampenspannungsanzeige Als Abhilfe wurden direkt vor die Versorgungsleitungen der LCD Anzeigen DC DC Wandler gesetzt die f r eine 100 ige galvanische Trennung von der 9V Versorgung sorgen Diese Versorgungen sind einzeln mit einem Netztrafo und Gleichrichtung auf 9V realisiert Seit dem Einsatz der Wandler blieben die Anzeigen nahezu ruhig Neue Erkenntnis Die heftigen Schwankungen der Anzeigen waren aber Anlass die Verwendung einer B6 Br cke neu zu berdenken Der Neutralleiter der Anzeigenversorgungen ist verbunden mit der Mitte zwischen Plus und Minus der gleichgerichteten Spannung ULampen Man suchte nach einer M glichkeit dass der Minuspol das gleiche Potential wie der Neutralleiter der Anzeigenversorgung hat Dabei fand sich die M3 Schaltung Au erdem war es zu riskant den stellbaren Spartrafo der die regelbare Drehspannung f r die Gleichrichtung liefert berdrehen zu k nnen Zwar gibt es eine berspannungsabschaltung die bei 291V die Lampen wegschaltet aber im Falle eines Versagens w rde eine berspannung bis zu 1000V auch auf den f r 400V ausgelegten Gl ttungs kondensator gelangen Alle berlegungen zusammen f hrten zu einer Gleichrichtung nur mit einer M3 Schaltung Mit der M3 Schaltung lag die einstellbare Spannung f r den Gl ttungskondensator wieder bei unter 400V und der Minuspol der gleichgerichteten Spannung war identisch mit Mp bzw mit dem Neutralleiter N Zum Schutz der L
124. reichen die hier eingebauten L fter nicht aus die sich stark erw rmende Luft in der Modulkammer schnell genug abzutransportieren Buchsen Modulspannung hier kann die Modulspannung direkt mit einem Multimeter wenn notwendig gemessen werden BNC Buchsen Normierte Werte Diese Buchsen stellen die normierten Messspannungen f r Modulspannung 0 25V gt 0 10V Modulstrom 0 2A gt 0 10V und Modulleistung 0 50W gt 0 10V zur Verf gung Hier werden die Messspannungen mit dem X Y Schreiber verbunden Zur Kennlinienaufnahmen werden immer zwei Messspannungen gleichzeitig ben tigt entweder U und I oder U und P entsprechend f r die U I Kennlinie bzw f r die P U Kennlinie Diese normierten Werte k nnen optional f r eine PC gest tzte Weiterverarbeitung z B LabView genutzt werden Anzeige Lampenstrom Es wird der flie ende Lampenstrom angezeigt dessen Messspannung aus einem 10mQ Messshunt direkt gewonnen wird Anzeige Lampenspannung Hier wird die anliegende Lampenspannung die ber dem gesamten Lampenfeld anliegt angezeigt Sie wird aus einem 1M9 1009 Spannungsteiler gewonnen Anzeige Uhrzeit Diese Anzeige ist eher f r den praktikumsgeplagten Studenten damit er wei wieviel Zeit er noch im Photovoltaik Praktikum zur Verf gung hat Es ist eine unabh ngige funkgesteuerte Uhr Anzeige Modultemperatur Die Frontanzeige zeigt nur ungef hr die in der Modulkammer vorliegende Temperatur F r die Temperaturregelung ist ein
125. sgleichsgerade schwarz Die Tendenz siehe schwarze Ausgleichsgerade ist linear Die Schwankungen werden Netzschwankungen zugerechnet die nicht beherrschbar sind Somit ist die Vermutung E a als ein linearer Zusammenhang empirisch bewiesen Diese Erkenntnis ist die Grundlage f r die Umrechnung der gemessenen zur tats chlichen Einstrahlst rke bei den folgenden Ausf hrungen ber das gemessene Lichtfeld Probleme bei diesen Messungen Allerdings muss man zugeben dass diese Erkenntnis nicht sorgenfrei gewonnen wurde Die Messungen wurden mehrfach durchgef hrt auch mit der B6 Br ckenschaltung In der Anhang CD sind dann alle durchgef hrten Messungen dokumentiert Denn die Idee das Adapterblech herzustellen wurde aus den Schwierigkeiten Geraden mit zu gro en Schwankungen zu erhalten geboren Au erdem dauerte es eine Weile bis eine sporadische Macke des neueren Einstrahl messger tes gefunden wurde Erst als die Messunterlage 100 ig gerade war waren die Schwankungen kleiner Diese Messungen und insbesondere jene die der folgenden Seiten beschrieben werden waren sehr zeitaufw ndig 50 3Umsetzung der Aufgabenstellung 3 6 2 Die Abh ngigkeit der Einstrahlst rke von Lampenspannung und Lampenstrom Es soll nun berlegt werden welche einstellbare Gr e zur Ver nderung der Einstrahlst rke zu bevorzugen ist Emessneu UanzinV JanzinA U_MWinV I MWinA 1200 288 5 66 287
126. stehende Tabelle berpr fen Emessneu einstellen dabei vorrangig EMod Emessneu ULMetrawatt ULAnzeige ILMetrawatt ILanzeige 200 234 157 156 4 08 4 08 400 469 200 200 4 65 4 64 600 703 233 232 5 03 5 03 800 938 260 259 5 35 5 34 1000 1172 284 284 5 62 5 61 Verwendete Messger te 1 Multimeter ABB Metrawatt M2036 f r Strom Spannungs und Einstrahlmessung 2 Einstrahlmessger t SI 01 von Mencke amp Tegtmeyer 3 Wasserwaage 55 3Umsetzung der Aufgabenstellung 3 7 Die Steuerung mit LOGO Die wichtigste Komponente f r die Durchf hrung der Kennlinienmessung ist eine funktionierende Steuerung im Hintergrund Gew nscht wurde vom Betreiber HAW Hamburg eine LOGO SPS Steuerung von Siemens zu verwenden Gerade an dieser Stelle wird klar dass man solche wichtigen Fragen fr hzeitig kl rt Eine sp tere nderung der Steuerungsart w rde in der Ausf hrungsphase teuer zu stehen kommen Der Betreiber sollte fr h wissen was die Anlage k nnen soll damit die richtige Steuerung nebst Erweiterungen passgenau ausgew hlt werden kann Aus der Aufgabenstellung siehe unter 1 2 Lastenheft ergibt sich schon was die SPS k nnen soll 1 eine einfache Temperaturregelung f r die L fter in der Modulkammer 2 Steuerung der Dunkelkennlinienmessung 3 Steuerung der Hellkennlinienmessung Zu Anfang war noch nicht klar welche Bedienelemente notwendig sind Denn das muss bekannt sein um die Anz
127. stellung 3 8 2 Die Bedienungsanleitung des Sonnensimulators Frontelemente Lampenspannung U Modulspannung U Normierte Werte Modul spannung 0 25V gt 0 10V Ik mn l Ta Lampenstrom I Temperatur 9 Modulstrom I we Z som s P 2A gt 0 10V al Modul 4 leistung 0 50W gt 0 10V Vorwahl DKL HKL ei 25 C ah TA O P DKL HKL bereit bereit Sollwert L fter Anlage temperatur direkt geregelt Ein 30 C ein Modul spannung Bild 3 8 2 Frontplatte 7 Im vorderen Teil des Sonnensimulators befindet sich die Frontplatte mit den Bedienelementen Anlage ein mit diesem Schalter werden alle Steuerspannungen eingeschaltet und die Versorgungs Drehspannung weiter geschaltet Dunkelkennlinienmessung F r diese Messung bleiben die Lampen unbedingt ganz aus Wird das nicht beachtet werden Modulspannung und die 24V SPS Versorgungspannung zusammen geschaltet Die Messung wird nur m glich wenn DKL Vorwahl bet tigt ist Die LED f r DKL bereit leuchtet nach ca 8 Sekunden auf Die eigentliche Messung wird erst mit dem Bet tigen des Tasters Messung Start begonnen In dieser Zeit wird das Modul langsam mit einer Hilfsspannung bis 26V beaufschlagt Im Aufladezeitraum f r die Hilfsspannung muss die Aufzeichnung mit dem X Y Schreiber erfolgen Direkt nach der Kennlinien Aufzeichnung wird das Modul von der Hilfsspannung getrennt Es beginnt der Kondensator der sich erst langsam aufl dt sich sof
128. t das Modul durch den Kondensator kurzgeschlossen Aber der Kondensator wird in ca 2 Sekunden auf die volle Modulspannung aufgeladen Dabei wird gleichzeitig der Modulstrom immer weniger bis auf Null bzw Spannung erreicht den Wert Modulleerlaufspannung Uoc Nur in dieser Zeitspanne kann die Kennlinie mit dem X Y Schreiber aufgezeichnet werden Nach dem Kennlinien Aufnahme Zeitraum wird der Kondensator vom Modul getrennt und in zwei Stufen entladen zun chst ber einen Widerstand dann ganz gegen Masse kurzgeschlossen Die LED HKL bereit bleibt w hrend des ganzen Vorganges dunkel Erst nachdem auch die Entladezeiten abgelaufen sind ist die Steuerung f r eine neue HKL Messung bereit d h Die LED HKL bereit leuchtet Der gesamte Messzyklus dauert 6 Sekunden L fter direkt ein geregelt Der Sonnensimulator besitzt 8 L fter wobei die vier f r das Lampenfeld unauf llig beim Einschalten von Anlage Ein sofort dauernd l ften und die vier f r die Modulkammer ber den Schalter L fter direkt ein geregelt beaufschlagt werden Will man dauernd l ften schaltet man auf L fter direkt ein Will man eine Temperaturregelung schaltet man auf L fter geregelt Sollwert Temperatur Dieses Drehpoti arbeitet im Zusammenhang mit der L fter Temperatur Regelung Mit ihm gibt man die gew nschte Modulkammertemperatur vor Allerdings funktioniert die Regelung nur mit immer wieder nach Messungen geschlossenen Lamellen Ansonsten
129. talle mit unterschiedlicher Orientierung unterschiedliche Reflexionen des Lichtes Farbe blau mit Antireflexionsschicht silber ohne Antireflexionsschicht Wirkungsgrad 13 bis 16 Bild 2 5 4 texturierte Oberfl che mit Lichtfallen 4 S 2 39 NEE gt gr f Nach Aufbringen der Frontkontakte sorgt eine texturierte Oberfl che aus winzigen Gebirgen f r geringe Reflexionsverluste sogenannte Lichtfallen 4 S 2 39 Mit dieser Oberfl chenstruktur wird der Wirkungsgrad zus tzlich verbessert Das ist auf alle Arten Solarzelle anwendbar texturierte Oberfl che 2 5 3 D nnschicht Zellentechnologie Seit etwa zehn Jahren wird verst rkt an Verfahren gearbeitet um die Herstellung von D nnschichtzellen zu verbessern Es lassen sich photoaktive Halbleiter auf g nstige Tr ger materialien z B Glas auftragen Es kommen als Verfahren infrage z B das Aufdampf Verfahren Sputter Verfahren Kathodenzerst ubung elektrolytische B der Einsetzbar sind amorphes Silizium Kupfer Indium Diselenid CIS und Cadmium Tellurid Diese Materialien haben eine hohe Lichtabsorbtion weswegen relativ niedrige Schichtdicken die kleiner als 0 001mm sind theoretisch ausreichen Die Toleranz f r Verunreinigungen ist h her Die Verarbeitungstemperaturen sind deutlich niedriger mit 200 C bis 600 C Hier liegen enorme Energieeinsparpotentiale ebenso f r Material Hier gibt es f r die Herstellung gro e Automatisierungspotentiale
130. tand Rp stellt Verluste innerhalb der Solarzelle dar z B durch Rekombinationen von Ladungstr gern Kristallfehler und U Dotierung Sein Wert liegt bei gt gt 10 Ohm Ein Ersatzschaltbild hat allgemein das Ziel physikalische Vorg nge mit realen Bauelementen vorzustellen und nachzuahmen Im Idealfall hat die Zelle keine seriellen und parallelen Verluste Schalt bild einer unbel Zelle aus 4 S 2 64 ver ndert 2 6 5 Messung der Dunkelkennlinie Bild 2 6 4 Schaltung zur 7 Messung f r die BE a nn Durchlasskennlinie s ee 2 S 44 Um die Dunkelkennlinie zu f r die BL 5 erhalten legt man an die Sperr kennlinie Anschl sse und eine ver nderliche externe _ Spannung an Entweder erh lt man die Durchlasskennlinie 4 gt P 5 wenn man die Zelle auch wie in Bild 2 6 4 in Durchlass Solarzelle verschaltet oder wie in Bild 2 6 5 in Sperrrichtung Durch langsames Ver ndern der extern angelegten Spannung ber einen Widerstand werden dabei die Kennlinien durchfahren so wie man es bei der Messung von Diodenkennlinien auch durchf hrt Ist eine Zelle verdunkelt oder auch verschattet wirkt sie wie ein Verbraucher Das Verschattungsproblem und deren Folgen m ssen bei Solarzellen und Solarmodulen sehr ernst genommen werden Dazu wird aber sp ter mehr erkl rt Die ideale Kennlinie einer unbeleuchteten Solarzelle entspricht der Shockley Kennlinie einer Diode 2 5 44
131. tellung IC1_A12 mit dem Trimmpoti P1_A12 verstellen bis der Wert stimmt Wertetabelle Strom Vsub und Vimod IinA 0 0 2 0 4 0 662 1 008 1 506 2 005 Vsub in V 0 0 0632 0 1244 0 2064 0 3152 0 4721 0 626 Vimod in V 0 0 0747 0 1481 0 2474 0 3775 0 5654 0 7520 Vimod Vsub 0 1 1896 1 1905 1 1986 1 1976 1 1976 1 2013 Vimod Vsub theoretisch 1 2 Man erkennt dass der theoretische Wert der Verst rkung am besten am Messbereichsende eingehalten wird Die mittlere Abweichung betr gt 0 3 Die Voreinstellung hier am Subtrahierer ist Grundvorraussetzung f r die nachfolgende Normierung des Stromes auf Platine A13 Multi plizierer 3 7 6 Spannungsnormung von Modulspannung und strom Plat A13 Um letztendlich Kennlinien aufnehmen zu k nnen oder um die gemessenen Werte allgemein verarbeiten zu k nnen werden die Messwerte genormt Auch eine sp tere PC gest tzte Weiter verarbeitung ist jetzt m glich da viele Messkarten nur 0 10V vertragen Funktion der Normierung von A13 im Stromzweig Die dem Modulstrom entsprechende Messspannung Vimod UI_mod wird in eine zwei stufige Verst rkerschaltung gegeben Es sind jeweils invertierende Verst rker die schon allein deswegen zwei Stufen erforderlich machen da sonst die normierte Spannung negativ w re Der Trimmpoti P3_A13 ber IC2_A13 macht die Verst rkung des gesamten Stromzweiges einstellbar Die Schaltung um IC1_A13 verst rkt die Spannung fest um den
132. tige Dunkelkennlinie Eine elektrische Blockierung der Dunkelkennlinien messung bei eingeschalteten Lampen w rde mehr Sicherheit schaffen 3 7 2 3 Funktionsbeschreibung der Temperaturregelung Der dritte SPS Programmteil die Ansteuerung der L fter und Temperaturerfassung mit Regelung wird haupts chlich mit Analogwertverarbeitung realisiert Die Erweiterung AM2 PT100 besitzt zwei analoge Eing nge die auf den Temperaturf hler PT100 einstellbar sind Der eine Eingang ist die Istwerterfassung Es wird die Temperatur in der Modulkammer gemessen Der zweite Eingang ist die Einstellung der gew nschten Temperatur der Sollwert Mit einer Widerstandskombination die die Widerstandswerte 109 733 25 C 115 539 40 C der interessierenden Temperaturen widerspiegeln wird der SPS vorgegaukelt es mit einem zweiten PT100 zu tun zu 63 3Umsetzung der Aufgabenstellung haben Diese Werte werden stets verglichen und ausgewertet Die beiden Widerstandsf hler sind mit AI3 Sollwert und AI4 Istwert verbunden Diese Eing nge sind mit Analogkomperatoren B019 bzw B028 verschaltet B019 ist daf r zust ndig bei 2 Grad Ubertemperatur die Temperatur Sollwert etgleich Bild 3 7 4 Programmteil f r Temperaturregelung Al gemessene Temperatur Sans Ald i L fter Al 5 ein BO gt S 28 L fter mit x Temperatur gt 1 regelung 14 L fter direkt ein E BJ20 E024 AMi B019 Ein 2 Aus 0 er E Te ANC Temoerstur Beide Gain 0 25 Offset 50
133. ttiert werden Also muss auch in diesem Fall f r erneutes Einschalten der Trafo erst ganz auf Null gestellt sein Im Praktikum werden verschiedene Einstrahlst rken E ben tigt Die Variation wird mit dem Verstellen des Lampenstromes zweitrangig mit der Lampenspannung realisiert ber der Frontplatte befindet sich eine kleine Tabelle die die Lampendaten in Abh ngigkeit mit der Einstrahlst rke zeigen _ d Emod in W m ULanz in V ILanz in A 200 156 4 08 400 200 4 64 600 232 5 03 800 260 5 34 1000 284 5 61 Das Lampenfeld Die k nstliche Sonne besteht aus 48 Halogenlampen die bis zu 288V Lampenspannung und 5 833A Lampenstrom ben tigen Es wird versucht mit den Halogenlampen ein tageslicht hnliches Lichtspektrum zu erzeugen Farbtemperatur 3200K Es sind zwei parallel geschaltete mit je 24 Lampen in Reihe geschaltete Str nge F llt eine Lampe aus fallen alle 24 Lampen dieses Stranges aus Beim Wechsel der Lampen ist h chste Vorsicht geboten weil sich erst der Gl ttungskondensator entladen haben mu bevor man an das Lampenfeld geht F r Studenten ist das Auswechseln der Lampen absolut verboten 71 3Umsetzung der Aufgabenstellung Die Modulkammer Modulkammer Nicht am Mandrad drehen Dient nur als Anzeige 0 C Be Hr _ u _ n Anzeige Winkelverstellung Zu Bild 3 8 4 Modulkammer seitlich links ii Die weisse Modulkammer die das Licht optimal ausnutzt
134. ttung an den Frontkontakten 23 zu geringe Photonenenergie durch langwellige Strahlungen 32 zu viel Photonenenergie durch kurzwellige Strahlungen 8 5 durch Rekombination 20 Potenzialgef lle besonders in der Raumladungszone 0 5 Serienwiderstand Stromw rmeverluste Resultierend erh lt man etwa 13 Wirkungsgrad aus einer Solarzelle 2Allgemeines ber Photovoltaik 2 4 Zellarten 2 4 Zellarten Zellarten Kristalline Silizium Zellen D nnschicht Zellen Monokristalline Zellen gt Polykristalline Zellen Amorphe Silizium Zellen gt Kugelzellen Polykristalline Band Zellen m gt KupferIndiumDiselenid 3 EFG String Ribbon APex Zellen CIS Cadmiumtellurid Zellen CdTe Hybride HIT Zellen Bild 2 4 1 Zellarten 4 S 2 30 Es gibt haupts chlich zwei Zellarten kristalline Siliziumzellen und D nnschichtzellen Bei der Kristallinen Zellart findet man noch zwei ma gebliche Unterarten monokristallin einkristallin und polykristallin mehrkristallin Bei den D nnschichtzellen findet man mehrere Unterarten wobei die bekannteste die armorphe gestaltlos Siliziumzelle ist Im Folgenden werden einige Beispiele n her erl utert Zun chst wird die Herstellung von kristallinen Solarzellen erl utert Diese Kristallform wird h ufig verwendet da sie zur Zeit am g ngigsten ist 2 5 Herstellung von kristallinen Solarzellen Als Hauptmaterial wird das unbegrenzt vorhandene Silizium verwendet Es
135. tzung der Aufgabenstellung Im Folgenden sind die aufgenommenen Werte bei den unterschiedlichen Anzeigen und Temperaturen dargestellt Mit Frontplatten Anzeige Modul 1 Modul 2 IscinA Iscin UocinV Uocin Oin C IscinA Iscin UocinV Uocin Pin C 0 49 100 21 625 100 25 0 486 100 21 6 100 25 0 485 98 98 21 3 98 5 30 0 482 99 18 21 25 98 38 30 0 485 98 98 21 97 11 40 0 484 99 59 20 625 95 49 40 Mit der SPS Anzeige Modul 1 Modul 2 IscinA Iscin UocinV Uocin Oin C IscinA Iscin UocinV Uocin Pin C 0 488 100 21 5 100 25 0 488 100 21 38 100 25 0 492 100 82 20 85 96 989 30 0 484 99 18 20 83 97 42 30 0 5 102 5 20 93 02 40 0 5 102 5 20 93 55 40 Zur Berechnung der Temperaturkoeffizienten sind die Formeln aus dem Abschnitt 2 7 3 bzw dem Praktikum von 1996 benutzt worden wobei wobei 0 0 I kpeinsec 1V0ProZent neu U gpersec 100Prozent neu 25 C Ipe inProzent pa25 c inProzent U wex inProzent U preis 0c inProzent 25 C Einheit C oder K G1 2 7 8 Die berechneten Temperaturkoeffizienten in C sind in unten stehender Tabelle zusammengefasst mit Frontplatten Anzeige Einheit C oder K c1 2 7 9 Modul 1 Modul 2 TK1_ISC TK2_ISC TK1_U0C TK2_uoc TK1_ISC TK2_ISC TK _uoc TK2_uoc 0167 0 068 0 3 0 193 0 164 0 0273 0 324 0 301
136. uchtet die LED am Simulator DKL bereit f r eine neue Kennlinienaufnahme Die Hellkennlinienmessung Nachdem die Voreinstellungen oben beschrieben vorgenommen wurden kann folgender Messablauf bernommen werden 1 Lampen m ssen ca 20 Minuten warm gelaufen sein 2 Vorwahl am Simulator auf HKL Messung wenn die LED HKL bereit aufleuchtet ist das Modul kurzgeschlossen und zur Messung bereit 3 Papier und Stift einlegen 4 Stift absenken Schreiber scharf stellen und Achsen schreiben lassen jetzt hat der 79 5 6 7 8 9 3Umsetzung der Aufgabenstellung Schreiber seinen Nullpunkt Allerdings ist bei der Strommessung der Stift nicht ganz auf Null weil es einen minimalen ca 40mV Offset gibt und auch die Lamellen in Dunkelstellung die Modulkammer nicht ganz verdunkeln Diese Tatsache macht sich besonders dann bemerkbar wenn die I U Kennlinie und die P U Kennlinie auf einem Blatt Papier gezeichnet werden Stift ist abgesenkt Lamellen ffnen und am Simulator den Taster Messung Start bet tigen Messzyklus beginnt Sofort nach Zeichnen der Kennlinie den Stift mit PEN am Schreiber anheben sonst saust der Stift mit h sslicher Linie quer ber das Papier zur ck Lamellen sofort wieder schlie en Nach insgesamt 6 Sekunden leuchtet die LED am Simulator HKL bereit f r eine neue Kennlinienaufnahme 80 3Umsetzung der Aufgabenstellung 3 8 3 Das Praktikum Das Praktik
137. uerung eines Sonnensimulators zur Ermittlung der Kennlinien von Solarmodulen das Lastenheft Aufgabe ist einen Sonnensimulatorschrank mit einer Steuerung zu versehen um damit Hell und Dunkelkennlinienmessungen durchf hren zu k nnen Dabei sind folgende Unteraufgaben zu erledigen 1 Die vorhandenen Lampen 48 x 12V 35W simulieren die Sonnenstrahlung Zu Beginn sind diese mit einer B2 Br cke versorgt Mit dieser Br cke werden aber nicht die geforderten Einstrahlst rken von E 1000 W m erreicht Es wird eine B6 Br cke f r 3 phasige Einspeisung mit Hilfe eines verstellbaren Spartrafos gew nscht 2 Es fehlt vollst ndig eine Schaltung f r die Messung der Dunkelkennlinie Hier ist noch eine Platine zu fertigen die zusammen mit der SPS eine Dunkelkennlinienmessung erm glicht 3 Das vorhandene Siemens LOGO SPS Programm ist unvollst ndig Es bearbeitet keine Dunkelkennlinienmessung Das SPS Programm muss also entsprechend erweitert werden so dass eine Hellkennlinienmessung und eine Dunkelkennlinienmessung m glich ist 4 Es fehlen auch die entsprechenden Bedien und Meldeelemente in der Frontplatte Es fehlt an der geordneten Bedienf higkeit der beiden unterschiedlichen Messabl ufe 5 Au erdem wird eine Realisierung zur Ansteuerung der L fter mit der LOGO SPS gew nscht die sowohl direkt einschaltbar sind als auch temperaturgeregelt 6 Im vorhandenen Sonnensimulator befinden sich noch weitere Platinen die zur Messung
138. um ist mit dem umgebauten Sonnensimulator und den selbstgefertigten Modulen der Fa System Analysen Entwicklung nachempfunden Zus tzlich werden die neuen Erkenntnisse ber die Messung des Serieninnenwiderstandes mit implementiert Der Skript des Praktikums wird hier nicht neu geschrieben da es sp ter dem Anwender frei stehen soll neue Erkenntnisse zu verarbeiten oder nicht Diese Diplomarbeit ist nur eine Anregung daf r dass das Praktikum in Einheit einer neuen Vorlesung ber regenerative Energien in der Zukunft berarbeitet wird 3 8 3 1 Die Aufnahme der Dunkelkennlinie Dunkelkennlinie des Modul 1 03 1 Bild 3 8 6 Dunkelkennlinie von Modul 1 O Vr em LERO 80 B9 4 TE A 1807 U 22 625V AS 20 x U 20 75V q NS i Das Praktikum verlangt dass aus der Dunkelkennlinie der Serieninnenwiderstandes des Modul entnommen wird An der Stelle des Kurzschlussstromes bei E 1000W m die sp ter ermittelt werden wird in der Auswertung hier durch Lot an der Kennlinie die entsprechende Spannung ermittelt Es ist nur vorgesehen die Durchlasskennlinie aufzunehmen Bild 3 8 6 oben zeigt exemplarisch die wichtigsten Punkte mit Ua notwendige Spannung der Hilfsspannungsquelle f r die Aufnahme der Kennlinie und Upm Durchbruchspannung des ganzen Moduls U Uoc a 3 8 1 15 81 Wertetabelle von Modul 1 und Modul 2 3Umsetzung der Aufgabenstellung Modul
139. ung wurde klar dass die vorhandenen L fter im Modulkammer bereich falsch ausgelegt waren Sie reichten gar nicht aus die Temperatur vern nftig zu senken Zus tzlich wurden die L fter die alle 8 zusammen geschaltet waren f r Lampen und f r Modulkammer elektrisch getrennt W hrend die Lampenl fter dauernd und unauff llig laufen 64 3Umsetzung der Aufgabenstellung werden nur die Modulkammerl fter temperaturgeregelt Es macht keinen Sinn die Lampenl fter mit auszuschalten wenn doch nur in der Modulkammer die Temperatur erreicht ist Au erdem liegen die Temperaturen die ohne L ftung in der Lampenkammer erreicht werden bei ca 65 C Das ist zu warm f r den Dauerbetrieb der Lampen so dass jetzt die dauergel fteten Lampen auch eine erh hte Sicherheit darstellen Leider funktioniert die Temperaturregelung NUR im Zusammenhang mit immer wieder geschlossenen Lamellen sofort nach jeder Kennlinienmessung Eine Dauersonne in der Modulkammer f hrt dazu dass die Temperatur weg l uft und sich bei ca 35 C einstellt Wollte man die Temperatur bei st ndig voller Bestrahlung in der Modulkammer regeln m sste man gr ere leistungsf higere luftzuf hrende L fter einbauen 3 7 3 Die Hellkennlinienmessung mit der Platine A15 Zur Messung ist nicht nur ein Steuerungsablauf mit der SPS notwendig sondern ein langsames sich aufladendes Bauteil Die Platine enth lt einen Kondensator C der in dem Messzeitraum aufgeladen wird Sol
140. von Modulspannung Modulstrom und Modulleistung gedacht waren Es ist zu Beginn fraglich inwieweit diese funktioniert Es ist notwendig diese zu berpr fen und gegebenenfalls zu ndern 7 Da die Schaltungsunterlagen unvollst ndig sind m ssen diese auf den neuesten Stand gebracht werden Die Schaltplanerstellung wird in WSCAD5 1 Schulversion gew nscht 2Allgemeines ber Photovoltaik 2 Allgemeines ber Photovoltaik 2 1 Woher kommt Photovoltaik Bereits 1876 wurde von William Gryll Adams und Richard Evans entdeckt dass Selen bei Licht Strom flie en lie 1885 baute Charles Fritts mehrere Selen Platten zu einem Solarmodul zusammen um mehr Leistung zu erhalten Seit 1920 nannte man die Umwandlung vom Licht in Strom photovoltaischen Effekt wobei der italienische Physiker Alessandro Volta der Namensgeber der Einheit der Spannung war Volt 1953 wurde entdeckt dass Silizium eine viel h here Lichtausbeute als Selen besa 1945 wurde von Person Fuller und Chapin die erste praktische anwendbare Siliziumsolarzelle pr sentiert 1 S 1ff 2 2 Funktionsprinzip einer Solarzelle F r die Herstellung einer Solarzelle ist hochreines Silizium notwendig das eine hohe Kristallreinheit ben tigt Siliziumatome besitzen jeweils 4 Valenzelektronen auf der u eren Schale ihres Atoms Dadurch bilden sie jeweils mit ihren Nachbaratomen eine Paarbindung So erh lt jedes Atom scheinbar 8 Elektronen auf der Au enschale den angestrebten
141. werden soll Eine sogenannte Schaltschrankforschung wurde durchgef hrt Die HAW verf gt ber zwei Sonnensimulatoren Der andere mit analoger Steuerung versehen diente als Vorbild um den Funktionsablauf zu finden Es wurde ein Praktikum wie es die Studierenden fr her ausf hrten durchgef hrt Au erdem fand sich in dieser Anlage ein Vorbild f r die Dunkelkennlinienplatine Hellkennlinienplatine und die Normierungsplatinen jetzt A12 und A13 Diese wurden zun chst bernommen 3 2 Der grobe Arbeitsplan F r die Lampenversorgung die B6 Br cke 1 Planung der Komponenten f r die Versorgung der Lampen Bestellung der fehlenden Bauteile 2 R umliche Auftrennung der Lampenversorgung gegen ber der Steuerung aus Platzgr nden und wegen der Fremdspannung durch den Stellspartrafo 3 Mechanische Vorarbeiten f r die zweite Montageplatte Kabelkan le Klemmen Hutschienen etc 4 Neuverdrahtung der Lampenschaltung Anzeigen f r Lampenstrom und spannung neu berdenken Funktionstest 5 Pr fung der Schaltung gem DIN VDE 0701 6 Neuausmessen von Lampenstrom und spannung bei verschiedenen Einstrahlst rken gem Praktikumsversuch F r die Steuerung 1 Planung der Komponenten f r die LOGO SPS Steuerung Bestellung der fehlenden Bauteile Einarbeitung in Siemens LOGO SPS 2 Mechanische Vorarbeiten f r Montageplatte vorn Kabelkan le Klemmen Hutschienen etc 35 3Umsetzung der Aufgabenstellung 3
142. z nach meinem Geschmack Ich hatte viel Platz f r eigene Ideen Das machte den Wohlf hlfaktor recht gro Auch muss er in seiner Abteilung in Bezug auf meine Diplomarbeit so gute Vorgaben gemacht haben dass ich die beste Hilfe rundherum bekommen habe Dank an den Koreferenten Prof Dr Ing Heinrich Baumann Er hat mich in mehreren F chern durch das Studium begleitet und sich als Koreferent meiner Diplomarbeit zur Verf gung gestellt als ich ihn fragte Sein liebstes Motto Die Hoffnung stirbt zuletzt Dank an den Buchautor des Buches Photovoltaik Engineering Prof Dr Ing Andreas Wagner Als ausgewiesener Solarfachmann stand er mir f r fachliche Diskussion per E Mail besonders bei dem Thema Messung des Serieninnenwiderstandes einer Solarzelle zur Verf gung Au erdem widmete er mir ein Exemplar seiner Lieblingsb cher Dank an den betreuenden Assistenten Herrn Ing Frank Korpel Er war stets ansprechbar hatte alle meine Ideen ernst genommen Bauteile Ger te Unterlagen Handb cher zur Verf gung gestellt um diese umzusetzen Auch f r die stets nette Betreuung und fachlichen Diskussionen bedanke ich mich Er hat vor Beginn meiner Arbeit meinen Diplomarbeitsplatz prima eingerichtet Dank an den Maschinenbaumeister Herrn Ammann Er hat mir alle mechanischen Arbeiten sauber schnell und kompetent abgenommen mit vielen guten mechanischen Ideen Besonders genial war die einfache aber klasse Winkelverstellung f r d

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