Hallo zusammen,
ich habe neulich gelesen, dass es Möglichkeiten gibt eventuell
Wirkungsgrade über 50% zu erreichen.
Nun steh ich etwas auf dem Schlauch, denn die maximale Leistung die ich
einer Quelle entnehmen kann, liegt bei Leistungsanpassung vor (RL = RI).
Das bedeutet aber, dass die Hälfte der Leistung im Innenwiderstand der
Quelle verbraten wird. Demzufolge kann eine Solarzelle doch gar nicht
mehr als 50% Wirkungsgrad haben, da bei idealer Anpassung immer die
Hälfte der elektr. Leistung im Innenwiderstand der Solarzelle verheizt
wird.
Bitte klärt mich auf, wo liegt mein Denkfehler?
lg
dummi
Der Wirkungsgrad einer Solarzelle ist in der Tat nicht so trivial. Das
Sonnenlicht hat ein spektrum von 400-irgendwas Nanometer. Das Integral
drueber und skaliert als leistung ergibt bei uns etwa 1000W/m^2. Mit
einem thermisch schwarzen Koerper koennte man in der Tat soviel
bekommen. Nun haben Halbleiter zur Stromerzeugunhg eine Bandluecke, die
einer Wellenlaenge entspricht. Das bedeutet das Laengerwellige bringt
nichts, auf die andere Seite ist die Spannung proportional der Frequenz,
dh fuer 1200nm(infrarot) bekommt man 1V, fuer 600nm(rot) 2V, fuer
400nm(blau) 3V, theoretisch. Optimalerweise haette eine Solarzelle
mehrere Schichten, die das kurzwellige zuerst wandeln, in einer tieferen
Schicht laegerwelliges, usw. Es gibt solche Ansaetze. Die Realitaet ist
dass die heutigen Zellen eine Bandluecke im langewelligen haben, und
daher die zusaetzlich moegliche hoehere Spannunge des kuerzerwelligen
Lichtes verschenken, dafuer aber einen groesseren Bereich des Spektrums
nutzen.
und skaliert als leistung ergibt bei uns etwa 1000W/m^2.
Nehmen wir an die Solarzelle wandelt diese 1000W photonische Leistung in
elektrische Leistung um, dann kann ich davon jedoch nur 500W nutzen,
wenn ich ideal anpasse.
Das war doch der Punkt der mich irritiert hat. Man kann grundsätzlich
nur 50% der Sonnenenergie nutzen, ganz gleich wie toll die Solarzelle
aufgebaut ist.
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Dein Fehler ist, dass du dir nicht angeschaut hast, wie in diesem Fall
"Wirkungsgrad" überhaupt definiert wird.
--------
Das Dämmert mir auch so langsam :)
Offensichtlich ist der Wirkungsgrad nicht als Nutzbare Leistung /
Lichtleistung definiert. Wenn dem so wäre, ginge es nicht über 50%.
richtig?
So eine Solarzelle ist ein extrem nichtlineares Teil; ich glaube nicht,
dass du da die einfachen Formeln zur Leistungsanpassung verwenden
kannst.
Siehe Stichwort Maximum Power Point Tracking.
dummi schrieb:> denn die maximale Leistung die ich> einer Quelle entnehmen kann, liegt bei Leistungsanpassung vor (RL = RI).> Das bedeutet aber, dass die Hälfte der Leistung im Innenwiderstand der> Quelle verbraten wird.
Quatsch. Schau dir die Kennlinie einer Solarzelle an.
Am MPP ist die Klemmenspannung so bei 80-85% der Leerlaufspannung. In
deinem einfachen Modell wären es bei Leistungsanpassung genau 50%.
Quatsch. Schau dir die Kennlinie einer Solarzelle an.
Am MPP ist die Klemmenspannung so bei 80-85% der Leerlaufspannung. In
deinem einfachen Modell wären es bei Leistungsanpassung genau 50%.
Der dynamische Widerstand am MPP liegt dann aber bei RL oder nicht?
dummi schrieb:> Der dynamische Widerstand am MPP liegt dann aber bei RL oder nicht?
Es gibt keinen RL im klassischen Sinne, weil man da eine intelligente
Regelung verwendest.
Deine Vorstellungen sind da etwas zu einfach.
ev. hat mir auch die Hitze das Hirn geplättet, aber ich stehe auf dem
Schlauch. Meines Erachtens spielt es gar keine Rolle ob das Bauteil
nichtlinear ist oder nicht. Wenn die Solarzelle in einem bestimmten
Arbeitspunkt betrieben wird, ist der Innenwiderstand der Quelle konstant
und es gilt auch hier Leistungsanpassung. Wie die Klemmenspannung im
Leerlauffall ist, interessiert dann überhaupt nicht
Es gibt keinen RL im klassischen Sinne, weil man da eine intelligente
Regelung verwendest.
die Regelung verwendet, weil die Solarzelle keinen konstanten Ri hat.
Aber das ist doch Nonsens, denn für den Zeitraum delta t ist Ri konstant
und für diesen Zeitraum muss Leistungsanpassung gelten...
hehe,
aber das MPP Verfahren macht doch nichts anderes, als den RL so zu
variieren, als dass Leistungsanpassung vorliegt. Um die
Leistungsanpassung kommt man nicht herum und somit auch nicht um das
eingangs erwähnte Problem, dass immer die Hälfte der Leistung am Ri
verbraten wird ;)
zitat wikipedia:
Dieses iterative Verfahren führt ein Mikroprozessor ständig aus, sodass
auch bei wechselnden Bestrahlungsverhältnissen (Faktor >10 zwischen
bewölktem Himmel und Sonne) immer Leistungsanpassung vorliegt.
Zitat Wiki:
Unter Leistungsanpassung von elektrischen Geräten versteht man die
optimale Leistungsübertragung von Signalen oder Energie und das
bedeutet, dass an den Endverbraucher die maximal mögliche Leistung
abgegeben wird. Hierzu ist es erforderlich, dass der Innen- und
Außenwiderstand den gleichen Betrag aufweisen. Der Wirkungsgrad beträgt
50 %, d. h. nur maximal die Hälfte der erzeugten Leistung wird zum
Endverbraucher übertragen.
Der Knackpunkt ist, dass eine Solarzelle sich nicht wie ein ohmscher
Widerstand verhält, sondenr eine nichtlineare Kennlinie besitzt (sieht
man ja, wenn man sich die mal anschaut).
dummi schrieb:> eine nichtlineare Kennlinie bedeutet ja nun nicht, dass die Regel der> Leistungsanpassung ausgehebelt würde.
"Die Regel" der Leistungsanpassung ist ein Spezialfall für ohmsche
Widerstände.
Nimm eine U-I-Kennlinie einer Solarzelle und lege dir mal die U-I
Kennlinie eines Widerstandes rein. Wenn du es dann noch nicht verstanden
hast, können wir dir hier wahrscheinlich auch nicht weiterhelfen.
"Die Regel" der Leistungsanpassung ist ein Spezialfall für ohmsche
Widerstände.
Ist eine Diode etwa kein Ohmscher Widerstand? Auch bei der Diode handelt
es sich um einen ohmschen Widerstand, weil auch er warm wird, wenn Strom
fließt ;) Oder fließt da etwas Blindstrom?
dummi schrieb:> Ist eine Diode etwa kein Ohmscher Widerstand? Auch bei der Diode handelt> es sich um einen ohmschen Widerstand, weil auch er warm wird, wenn Strom> fließt ;) Oder fließt da etwas Blindstrom?
Du hast noch viel zu lernen... Wieso glaubst du, wieso es Dioden gibt...
genau, weil es eben kein ohmscher Widerstand ist.
... Du hast noch viel zu lernen... Wieso glaubst du, wieso es Dioden
gibt... genau, weil es eben kein ohmscher Widerstand ist ...
Das klingt einfach nur arrogant. Im Sinne Dummis würde ich von einem
dynamischen Ri sprechen - an dem Rl angepasst wird.
Das klingt einfach nur arrogant. Im Sinne Dummis würde ich von einem
dynamischen Ri sprechen - an dem Rl angepasst wird.
Genau das habe ich doch oben schon geschrieben!
Es mag arrogant klingen, es ist aber nur ein gut gemeinter Rat.
Eine Diode ist einfach kein Ohmscher Widerstand mehr. Egal wie man sich
das als dynamischer Widerstand oder was auch immer veranschaulichen
möchte.
Und es gibt tatsächlich keinen 4 Widerstand mehr. Es gibt nur jene drei
die ich aufgezählt habe. Das diese drei veränderlich sein können, jeh
nach Arbeitspunkt ist doch vollkommen egal für den physikalischen
Vorgang der Leistungsumwandlung!
auch ein Drahtwiderstand ist dynamisch, weil er sich mit der Temperatur
ändern kann. Er ist dennoch ohmisch. Bei der Diode ist es eben der
Strom, welcher den ohmschen Widerstand verändert und nicht die
Temperatur wie bei einem Drahtwiderstand.
Eine Diode ist einfach kein Ohmscher Widerstand mehr.
Das stimmt eben nicht! Sie ist ein Ohmscher Widerstand, der sich in
Abhängigkeit des Stromes verändert. Es gibt aber jede Menge ohmsche
Widerstände, die sich in Abhängigkeit irgendeiner physikalischen Größe
verändern. Das tut aber nichts zu Sache
dummi schrieb:> jeh> nach Arbeitspunkt ist doch vollkommen egal für den physikalischen> Vorgang der Leistungsumwandlung!
Eben nicht!
dummi schrieb:> Das stimmt eben nicht! Sie ist ein Ohmscher Widerstand, der sich in> Abhängigkeit des Stromes verändert. Es gibt aber jede Menge ohmsche> Widerstände, die sich in Abhängigkeit irgendeiner physikalischen Größe> verändern. Das tut aber nichts zu Sache
Das sind zwei völlig unterschiedliche Dinge.
Eben nicht!
Doch! den Elektronen ist das vollkommen wurscht ob sie in einer Diode
durch Zusammenstöße in Wärme gewandelt werden oder in einem
Drahtwiderstand.
Beide Vorgänge sind absolut identisch!
Das die Nichtlinearität dazu führt, dass man Leistungsanpassung auf
aufwändige Weise durchführen muss (beispielsweise durch MPP, weil Ri
sich dauernd ändert) steht doch auf einem anderen Blatt.
Schau dir mal den Aufbau der Sperrschicht einer Diode an und erkläre,
was das noch mit einem Ohmschen Widerstand zu tun hat.
Zweite Übung: Bestimme den Maximum Power Point einer idealen Diode.
Bestimme den Maximum Power Point einer idealen Diode.
es gibt keinen MPP einer idealen Diode. Der MPP ist variabel und hängt
von x Faktoren ab. Zudem muss die Sperrschicht auch noch von Licht
bestrahlt werden, damit es da überhaupt ne abgegebene Leistung geben
kann.
Schau dir mal den Aufbau der Sperrschicht einer Diode an und erkläre,
was das noch mit einem Ohmschen Widerstand zu tun hat.
es gibt freie Ladungsträger und Hindernisse, an dem sich die
Ladungsträger stoßen können --> ohmscher Widerstand.
Wie gesagt: es spielt keine Rolle, dass die Ladungsträgerzahl in der
Sperrschicht variabel ist. Die grundsätzlichen Physikalischen
eigenschaften sind ohmscher Natur und führen zum Resultat Wärme.
Du kannst ja mal eine Diode nehmen und lässt einen bestimmten Strom
fließen und misst die dazugehörige Spannung. Dann multiplizierst du
beides und misst die Wärmeleistung, die von der Diode ausgeht.
Beide Werte sind identisch --> ohmscher Widerstand
Zur ersten Frage poste ich einfach mal ein zitat aus wiki:
Der Maximum Power Point ist der Punkt des Strom-Spannungs-Diagramms
einer Solarzelle, an dem die größte Leistung entnommen werden kann, d.h.
der Punkt, an welchem das Produkt von Strom und Spannung sein Maximum
hat.
Er ist nicht konstant, sondern hängt von der Bestrahlungsstärke, der
Temperatur und dem Typ der Solarzellen ab.
--> also vollkommen richtig beantwortet. Der MPP ist nicht konstant.
was den ohmschen widerstand betrifft:
eine Diode wird nicht umsonst "stromabhängiger Widerstand" genannt. Das
ändert aber nichts daran, dass er ohmisch ist. Steht auch alles so im
Physikbuch.
... Eine Diode ist einfach kein Ohmscher Widerstand mehr. Egal wie man
sich das als dynamischer Widerstand oder was auch immer veranschaulichen
möchte. ...
Noch einmal: die Darstellung Dummis ist nicht von der Hand zu weisen.
Dazu ein kleines Experiment:
Du hast einen Zweipol mit den Informationen
- es liegt eine Gleichspannung von 0,65 V über dem Bauteil
- durch das Bauteil fließt ein Strom von 10 mA
Frage: was für ein Bauteil ist dieser Zweipol?
Martin ist wohl der Zweitname von dummi.
Martin schrieb:> - es liegt eine Gleichspannung von 0,65 V über dem Bauteil> - durch das Bauteil fließt ein Strom von 10 mA>> Frage: was für ein Bauteil ist dieser Zweipol?
Das kann alles mögliche sein. Ein Widerstand, eine Diode, ein
entsprechend verschalteter FET oder irgendeine andere beliebige
Schaltung. Anhand eines Arbeitspunktes kann man das nicht bestimmen.
Schau dir mal die Definition vom Ohmschen Gesetz an. Wenn die nicht
einmal sitzt, sollte man sich nicht so weit aus dem Fenster lehnen.
Stefan L. schrieb:> Schau dir mal die Definition vom Ohmschen Gesetz an. Wenn die nicht> einmal sitzt, sollte man sich nicht so weit aus dem Fenster lehnen.
Stefan, du redest die ganze Zeit am Thema vorbei, es geht hier nicht
darum dass du mit dem URI Satz deine Spannungen Ströme und Widerstände
berechnen kannst, dass ist hier allen klar!
Fakt ist aber, dass sich die Art der Leistungsumwandlung an dem Bauteil
wie ein ohmscher Widerstand verhält.
Insofern ist das Zweipolbeispiel vollkommen zielführend, anhand der
charakteristik, die dargestellt wurde, kann es sich nur um einen
Ohmschen Verbraucher handeln, bei induktiver Leistungsumwandlung würde
der Strom irgendwann steigen, wenn das Feld gesättigt ist, bei
kapazitativer umwandlung irgendwann gegen Null gehen, weil die maximale
Ladung aufgenommen wurde.
--Man kann auch maal über folgende Frage nachdenken:
Wird ein Kraftwerk mit Leistungsanpassung betrieben ?--
Du musst bedenken, dass ein Kraftwerk regulieren kann wieviel Kohle es
verbrennt oder auch wieviel Kernmaterial gespalten wird. Bei der
Solarzelle fällt immer eine unbeeinflussbare Menge an Energie auf die
Solarzelle, von der ich möglichst viel nutzen will --> Ergo benötige ich
Leistungsanpassung womit wir bei dem eingangs erwähnten Problem stehen.
--Insofern ist das Zweipolbeispiel vollkommen zielführend, anhand der
charakteristik, die dargestellt wurde, kann es sich nur um einen
Ohmschen Verbraucher handeln, bei induktiver Leistungsumwandlung würde
der Strom irgendwann steigen, wenn das Feld gesättigt ist, bei
kapazitativer umwandlung irgendwann gegen Null gehen, weil die maximale
Ladung aufgenommen wurde.--
Ist es dann korrekt, dass eine Solarzelle niemals mehr als 50% der
photonischen Energie an den Verbrauer liefern kann? Diese Frage ist
bislang noch nicht beantwortet worden.
dummi schrieb:> Ist es dann korrekt, dass eine Solarzelle niemals mehr als 50% der> photonischen Energie an den Verbrauer liefern kann? Diese Frage ist> bislang noch nicht beantwortet worden.
Hmm, dass kann ich leider nicht beantworten ...
Die Frage ist dabei für mich ob diese Form der Leistungsanpassung beim
MPP tatsächlich so ausgeführt wird, würde man dies dann auch so machen,
wenn man möglichst viel Saft aus einer Batterie ziehen müsste?
Da käme man definitiv nicht hin, weil man sicher beim entladen eines
Akkus nicht die hälfte der Leistung am Innenwiderstand verbrät und bei
der Solarzelle müsste auch eine recht hohe Wärmeentwicklung stattfinden,
würde dies tatsächlich so sein
--Hmm, dass kann ich leider nicht beantworten ...
Die Frage ist dabei für mich ob diese Form der Leistungsanpassung beim
MPP tatsächlich so ausgeführt wird, würde man dies dann auch so machen,
wenn man möglichst viel Saft aus einer Batterie ziehen müsste?
Da käme man definitiv nicht hin, weil man sicher beim entladen eines
Akkus nicht die hälfte der Leistung am Innenwiderstand verbrät und bei
der Solarzelle müsste auch eine recht hohe Wärmeentwicklung stattfinden,
würde dies tatsächlich so sein--
Man kann das nicht miteinander vergleichen, weil ich mir bei einer
Batterie aussuchen kann in welchem Zeitraum ich die Energie aus der
Batterie sauge (idealerweise mache ich das mit einem möglichst großen
Lastwiderstand, da dann weniger Leistung am Ri verbraten wird). Bei der
Solarzelle steht mir eine bestimmte photonische Leistung zur Verfügung
und ich muss zusehen, dass ich auch die maximale Leistung an meinem
Verbraucher habe, denn ansonsten verschenke ich photonische Energie -->
also Leistungsanpassung
Könnt ihr mal bitte vernünftig zitieren? Sonst muss man immer raten,
welche Sätze nun von euch stammen, und welche irgendwo schonmal im
Thread geschrieben wurden!
dummi schrieb:> Man kann das nicht miteinander vergleichen, weil ich mir bei einer> Batterie aussuchen kann in welchem Zeitraum ich die Energie aus der> Batterie sauge (idealerweise mache ich das mit einem möglichst großen> Lastwiderstand, da dann weniger Leistung am Ri verbraten wird). Bei der> Solarzelle steht mir eine bestimmte photonische Leistung zur Verfügung> und ich muss zusehen, dass ich auch die maximale Leistung an meinem> Verbraucher habe, denn ansonsten verschenke ich photonische Energie -->> also Leistungsanpassung
Aber wenn die Leistungsanpassung so funktioniert würde dieses Problem
bei jedem Fall der Leistungsanpassung auftreten. Und wenn ich zu einem
beliebigen Zeitpunkt die maximale Leistung aus dem Akku rausholen wollen
würde, wäre das doch der selbe Fall, wie bei der Solarzelle ...
Ich denke die Modellbauer, die Hunderte Ampere aus ihren LiPos in 5min
Flugzeit ziehen, sind da nicht so weit von entfernt, aber dann müssten
dien Akkus ziemlich schnell in die Luft gehen ...
http://de.wikipedia.org/wiki/Elektrischer_Widerstand
----
Ein ohmscher Widerstand ist ein elektrischer Widerstand, dessen
Widerstandswert im Idealfall unabhängig von der Spannung, der
Stromstärke und der Frequenz ist. An einem solchen ohmschen Widerstand
gilt das ohmsche Gesetz für beliebige Spannungen, Ströme und Frequenzen.
----
Wo genau ist das jetzt bei der Diode der Fall? Folglich ist eine Diode
kein ohmscher Widerstand.
dummi schrieb:> ohmisch
Es heißt OHMSCH.
... Schau dir mal die Definition vom Ohmschen Gesetz an. Wenn die nicht
einmal sitzt, sollte man sich nicht so weit aus dem Fenster lehnen. ...
Ich geb' es auf; du hast einfach einen zu eingeschränkten Horizont.
Allein dein schiefer Vergleich (siehe oben) zeigt schon, dass du nicht
einmal im Ansatz die Argumention von Dummi & mir verstehst.
EOT
http://av8n.com/physics/resistance.htm#eq-ohmic
> Folglich ist eine Diode> kein ohmscher Widerstand.
Wir können uns ja darauf einigen, dass die Diode ein ohmscher Widerstand
ist, dessen Widerstandswert sich in Abhängigkeit des Stromes ändert.
Wären wir dann im Konsens?
Für die Ausgangsfrage spielt das aber letztlich gar keine Rolle, denn
zum Zeitpunkt x ist die Solarzelle eine Spannungsquelle mit einem
bestimmten Innenwiderstand Ri (an dem Leistung verbraten wird) und einem
Lastwiderstand RL an dem im Idealfall bei einer Leistungsanpassung genau
die Hälfte der Leistung abfällt, welche am Ri abfällt.
Das ist ja das worauf ich hinauswollte und die Frage die ich in den Raum
warf.
lg
dummi
Der Innenwiderstand der Solarzelle ist nicht direkt ein ohmscher
Widerstand, der Leistung in der Solarzelle umsetzt, sondern hängt auch
mit der Lichtquelle zusammen. Man muss hier also den gesamten
Energiefluss von der Quelle (also der Sonne) bis zur Last betrachten.
Das ist ähnlich bei einer (Empfangs-)Antenne für elektromagnetische
Wellen, die hat zum Beispiel eine Impedanz von 50 Ohm. Wenn man die
Antenne mit 50 Ohm belastet, so dass Leistungsanpassung vorliegt, wird
nicht die gleiche Verlustleitung in der Antenne entstehen wie im
Abschlusswiderstand.
Die Energiequelle mit dem "ohmschen" Widerstand ist nämlich außerhalb
der Antenne, die Antenne wandelt einfach nur die elektromagnetischen
Wellen in einen Strom und eine Spannung um, die über ein Kabel abgegeben
wird.
Bei Solarzellen ist das so ähnlich, eine ideale Solarzelle, die auf den
absoluten Nullpunkt abgekühlt wird, könnte theoretisch das Sonnenlicht
komplett ohne eigene Verluste in elektrische Leistung umwandeln und hatt
dann trotzdem noch einen Innenwiderstand, der von außen wie ein ohmscher
Widerstand aussieht.
> Das ist ähnlich bei einer (Empfangs-)Antenne für elektromagnetische> Wellen, die hat zum Beispiel eine Impedanz von 50 Ohm. Wenn man die> Antenne mit 50 Ohm belastet, so dass Leistungsanpassung vorliegt, wird> nicht die gleiche Verlustleitung in der Antenne entstehen wie im> Abschlusswiderstand.
Noch ne Anmerkung
Allerdings handelt es sich dort um den Wellenwiderstand. Ich glaube
nicht, dass eine Solarzelle einen Wellenwiderstand aufweist und man so
argumentieren kann, wenn reiner Gleichstrom vorliegt. ;) Ich glaube das
sind zwei paar Schuhe.
Versuchs mal so rum:
Eine Reihenschaltung aus idealer Solarzelle, ihrem Widerstand Ri und dem
Verbraucher Rl.
U von der idealen Quelle sei 11V, Ri sei 1Ohm und Rl sei 10Ohm.
Somit fließt somit ein Strom von 1A.
P(Ri) = 1W
P(Rl) = 10W
Angenommen die ideale Solarzelle hat einen Wirkungsgrad von 90%. Sie
gibt an das System aus Ri und Rl eine Leistung von 11W ab. Somit fallen
12,22W auf die Solarzelle als reine Lichtleistung ein. Nur 90% gelangen
als Strom in den Stromkreis, darin wird noch mals 1W als Verlust
verbraten (nochmals 8,18% Verlust in der Zelle). Somit gelangen von den
100% Lichtleistung (12,22W) noch 81,82% zum Verbraucher.
ihr vermuscht da auch etwas. ohmscher verbraucher heißt nicht
automatisch, dass dieser über das ohmsche-gesetz
definierbar/beschreibbar wäre. ohmsch heißt lediglich, dass es eben
keine Blindströme/phasenverschiebungen gibt (respektive
einschwingvorgänge und dergleichen bei gleichströmen).
und die r=u/i-geschichte ist lediglich eine mathematische beschreibung
für die kennlinie eines speziellen ohmschen verbraucher, nämlich eines
einfachen widerstands. und das auch nur in erster näherung. wenn man es
genau betrachtet gibt es da auch parasitäre komponenten..
und das mit der leistunganpassung und nur 50% wirkungsgrad gilt genauso
bei allen anderen kraftwerksanlagen (außer kraft-wärme-kopplung). ich
vermute mal die angestrebten >50% wirkungsgrad gelten für den
zusammenhang eingestrahltes licht und in freie elektronen umgesetzte
energie...
Hi Fisch,
Du gehst hier aber einfach davon aus, dass die Quelle in der Lage ist
mit einem Wirkungsgrad von 90% ihre Leistung an diese Reihenschaltung
abzugeben. Aber genau hier stellt sich doch sofort wieder die Frage von
oben, nur das aus meinem obigen RL nun eine Reiheinschaltung aus deinem
Ri+RL geworden ist.
:(
@ wirres zeug,
genauso ist auch meine Vermutung, aber ich wollts nun halt mal ganz
genau wissen, weil ich mir jedes mal blöd vorkomme wenn ich diesen
gedanken habe und mich kaum traue ihn auszusprechen ;)
@dummi:
Das ist aber genau das was bei der ganzen Leistunganpassungsgeschichte
auch gemacht wird: Man sieht die gesamte Quelle als eine Reihenschaltung
aus idealer Quelle und einem Widerstand der ihrer Verluste darstellt.
Die Diskussion kommt irgendwie nicht vom Fleck. Eine Solarzelle ist eine
Stromquelle. Die maximale Leistung zieht man bei der maximalen Spannung,
bevor der Strom einsackt, im MPP.
> Allerdings handelt es sich dort um den Wellenwiderstand. Ich glaube> nicht, dass eine Solarzelle einen Wellenwiderstand aufweist und man so> argumentieren kann, wenn reiner Gleichstrom vorliegt. ;) Ich glaube das> sind zwei paar Schuhe.
Ich denke du machst den Denkfehler, dass du davon ausgehst, das Licht
kommt ohne einen Innenwiderstand zur Solarzelle. Wenn das so währe,
könnte die Solarzelle unendlich viel Leistung von der Sonne ziehen und
die Leistung am Ausgang der Solarzelle ist nur durch den Innenwiderstand
der Solarzelle begrenzt.
Es ist aber so, dass da Licht, was von der Sonne auf die Solarzelle
einfällt, eine bestimmte Leistungsdichte hat und wenn die Solarzelle gar
keine eigenen Verluste macht, also keinen ohmschen Innenwiderstand hat,
wird trotzdem die Spannung absinken, wenn der Laststrom ansteigt.
Man sieht also aus Sicht der Last einen Innenwiderstand, der aber nicht
von der Solarzelle kommt, sondern von der Lichtquelle.
In der Realität hat die Solarzelle noch zusätzlich einen
Innenwiderstand, so dass man in der Zelle natürlich trotzdem noch
Verluste hat.
Bei einer bestimmten Sonneneinstrahlung kann die Solarzelle aufgrund von
Verlusten (Reflektion, Erwärmung etc.) nur einen Teil der gesamten an
ihrer Oberfläche ankommenden Bestrahlungsleistung in elektrische
Leistung umwandeln. Das ist der publizierte Wirkungsgrad, der evtl. bald
50% überschreiten soll.
Dass dananch nur mit der optimalen Anpassung die maximale elektrische
Leistung aussen wirksam wird liegt an weiteren Faktoren:
Es gibt tatsächlich einen Innenwiderstand der Zelle, wie schon erwähnt
an den man sich anpassen muss.
Schwerer wiegt aber die Beeinflussung der oben genannten Verluste (das
etc. sozusagen) durch die Belastung der Zelle.
Es gibt also einen optimalen Belastungspunkt, bei dem der oben genannte
Wirkungsgrad sein ungefähres Maximum erreicht. Die Leistungsanpassung an
den Innenwiderstand ist davon nur ein kleiner Anteil.
Ich lehne mich mal ganz weit aus dem Fenster und gehe davon aus dass
jemand noch mehr dazu sagen kann:
Die ankommenden Photonen erzeugen leichter einen Elektronenüberschuss
und somit Strom wenn die Spannungsverhältnisse ihnen nicht
entgegenwirken. Ergo würde man gerner jedes freigeschlagene Elektron so
schnell wie möglich abmarschieren lassen - maximale Stromentnahme also.
Da jedoch auch ein Innenwiderstand existiert, ist die entstehende Kurve
für die entnehmbare Leistung die Kombination der beiden Effekte, die
irgendwo zwischen 0V und der Leerlaufspannung der Zelle liegt (viel
näher an der Leerlaufspannung als an 0V).
Also ich glaube, das ihr hier etwas grundlegendes vergesst. Der
Wirkungsgrad der Solarzelle ist nicht konstant, er hängt von der
Belastung ab. Je mehr Strom fließt, desto mehr Verlustleistung entsteht
im Innenwiderstand der Zelle (dieser macht jedoch nicht die gesamten
Verluste aus).
Das Gedankenspiel funktioniert auch, wenn man die ganzen komplizierten
Zusammenhänge weglässt, wie ich oben vorgerechnet habe.
Also kann ich mir aussuchen, ob ich Leistungsanpassung habe (ich bekomme
den größtmöglichen Teil der elektrischen Leistung aus der Zelle, der
Wirkungsgrad ist aber nicht so optimal, da die Verluste am
Innenwiderstand ebenfalls hoch sind).
Oder ich verzichte auf die Leistunganpassung und gehe in Richtung
Spannungsanpassung. Ich bekomme einen geringeren Prozentsatz der
elektrischen Leistung. Allerdings ist der Gesamtwirkungsgrad jetzt
besser, da weniger Strom fließt und somit weniger Verluste am
Innenwiderstand entstehen. Somit bekomme ich im Endeffekt mehr
elektrische Leistung aus der gleichen Zelle.
dummi schrieb:>> Folglich ist eine Diode>> kein ohmscher Widerstand.>> Wir können uns ja darauf einigen, dass die Diode ein ohmscher Widerstand> ist, dessen Widerstandswert sich in Abhängigkeit des Stromes ändert.> Wären wir dann im Konsens?
Nein, weil dann obige Gleichung nicht mehr stimmt.
Diese besagt, dass der Strom durch einem Widerstand sich
umgekehrt-proportional mit dem Widerstandswert verhält. Also R = U *
1/I.
Wenn R aber wiederum wieder von I abhängt, muss dieser Zusammenhang
nicht unbedingt mehr gelten (zB wenn R = I² * [Ohm/A]).
Das was du meinst wird "differentieller Widerstand" genannt.
http://de.wikipedia.org/wiki/Diode#Differentieller_Widerstand
Und dessen Definition ist etwas anders als die vom ohmschen Widerstand.
dummi schrieb:> Hallo zusammen,>> ich habe neulich gelesen, dass es Möglichkeiten gibt eventuell> Wirkungsgrade über 50% zu erreichen.>> Nun steh ich etwas auf dem Schlauch, denn die maximale Leistung die ich> einer Quelle entnehmen kann, liegt bei Leistungsanpassung vor (RL = RI).> Das bedeutet aber, dass die Hälfte der Leistung im Innenwiderstand der> Quelle verbraten wird. Demzufolge kann eine Solarzelle doch gar nicht> mehr als 50% Wirkungsgrad haben, da bei idealer Anpassung immer die> Hälfte der elektr. Leistung im Innenwiderstand der Solarzelle verheizt> wird.>> Bitte klärt mich auf, wo liegt mein Denkfehler?
Hallo dummi, hallo alle anderen!
Das ist eine interessante Frage/Diskussion. Wie nun schon mehrmals
geschrieben wurde, ist eine Solarzelle alles andere als linear, mit
Abhängigkeiten von Umwelteinflüssen, Belastung, usw.
Vielleicht wird das Problem klarer, wenn mit etwas "Greifbarerem"
gerechnet wird: Ein Windrad mit einem Gleichstromgenerator dran.
Angenommen, der Wind erzeugt im Windrad eine mechanische Leistung von
10W. Der Generator verhalte sich dabei wie eine Spannungsquelle mit
Uq=10V und einem Innenwiderstand von 0.1R. Jetzt kommst du und sagst:
Wir ziehen maximale Leistung, nehmen also einen Lastwiderstand von
ebenfalls 0.1R. Der Stromkreis umfasst nun also 0.2R, was bei 10V in
einem Strom von 50A resultiert. Die gesamte Leistung des Generators
müsste dann also bei satten 500W liegen. Was wird bei dieser Last also
passieren? Die Klemmenspannung am Motor wird sich reduzieren (Im
Idealfall auf U=sqrt(P*Rg)=sqrt(10W*0.2R)=1.4V). Das passiert aber nicht
durch den Innenwiderstand (U_Ri=U/2=0.7V), sondern weil schlicht und
einfach die Drehzahl und damit die Generatorspannung absäuft.
Um effektiv den besten Wirkungsgrad zu erreichen, sollte der
Lastwiderstand also so gewählt werden, dass die gesamte verfügbare
Leistung verwendet wird. Das wären hier 10W, bei 10V Ausgangsspannung
müsste Also ein Strom von 1A fliessen. Macht ein Lastwiderstand von 10R
(Ok, eigentlich 9.9R). Der Innenwiderstand nimmt für sich dann gerademal
noch 1% der abgegebenen Leistung, der Generator hätte also einen
Wirkungsgrad von 99%.
Dein Denkfehler liegt also ganz einfach darin, dass du vor deinem
Innenwiderstand keine ideale Quelle hast, sondern eine Quelle mit einer
definierten Maximalleistung. Im Solarzellenbeispiel wären das dann also
die 1000W/m^2.
Ich hoffe, die Beschreibung passt so und ist nachvollziehbar :)
Viele Grüsse,
Philipp
EDIT: Noch was zur Diskussion um den "ohmschen Widerstand". Ich kann
zwar nachvollziehen, auf was die verschiedenen Poster rauswollen, doch
ich finde die Bezeichnung etwas unglücklich gewählt. Für mich is ein
"ohmscher Widerstand" eben ein Widerstand, der sich gemäss den Regeln
des ohmschen Gesetzes verhält. Das ist sowohl beim differentiellen
Widerstand eine Solarzelle, wie auch bei Spulen/Kondensatoren der Fall.
In letzterem Fall aber natürlich nur bei komplexer Rechnung. dummi (und
einige andere) wollte(n) hier wahrscheinlich eher darauf hinaus, dass
der Widerstand eben Wirkleistung umwandelt. Und das macht ein
"normaler" Widerstand genau so wie eine Solarzelle, nicht jedoch eine
Induktivität/Kapazität. Ich würde dafür daher die Bezeichnung
"Wirkwiderstand" oder von mir aus "realer Widerstand" (da nicht komplex)
vorziehen.
In der Tat ist das Windrad auch ein gutes Beispiel:
Die Aufnahmefähigkeit für die Energie des Windes variert mit der
Drehzahl.
Sie Propellerformel.
Dieses völlig nichtlineare Gebilde hat an irgendeiner Stelle eben ein
Leistungsentnahmemaximum, in welches per Formel nur zum Teil die
Anpassung an einen (übrigens ebenfalls dynamischen) Innenwiederstand
eingeht.
Wenn Du die 230V Steckdose mit dem Innenwiderstand des Netzes belastet,
übertrags Du die maximale Leistung - mit 50% Verlust.
Weicht der Innenwiderstand von deinem Lastwiderstand ab, kriegst Du
nicht die maximal mögliche Leistung für dein RL(aber fast...), mit
weniger Verlust.
(Wobei ich funktionierende Solarzellen, die einen besseren Wirkungsgrad
als Blattpflanzen haben sollen, für unrealistisch halte).
Ich halte 50% für unrealistisch. Hier wird von viel weniger gesprochen.
http://www.solarserver.de/lexikon/wirkungsgrad.html
Die Vertreter, welche Solaranlgen verkaufen wollen, werden ihren Kunden
natürlich den höchsten Wert einreden.
>(Wobei ich funktionierende Solarzellen, die einen besseren Wirkungsgrad
als Blattpflanzen haben sollen, für unrealistisch halte).
Ich nicht. Eine Solarzelle besteht nicht aus rezyklierbarem Biomaterial
und muss auch nicht innerhalb ein paar Monaten ein Vielfaches der
eingesetzen Energie produzieren. Bei gleichen Bedingungen wird es
schwierig. Aber,
durch diese geaenderten Anforderungen sollte es moeglich sein etwas
Besseres zu finden.
Ohne eine Konzentration des Lichtes, oder wenigstens eine spezielle
Richtungsabhängigkeit gibt es schon aus Gründen der Thermodynamik eine
Grenze von rund 50% für Solarzellen. Real wird man das aber nicht
erreichen. Nicht umsonst werden die besten Werte nur für Konzentriertes
Licht erreicht.
Besser als eine Blattpfanze sollte kein Problem sein. So gut sind die
Pflanzen nicht, nur halt billig im Vergleich zu einer Solarzelle.
Zum Problem mit der Leistungsanpassung:
Für die Leistungsanpassung ist der differentielle Widerstand am MPP
wesentlich. Dieser Differentiell Widerstand ist aber bei der
nichtlinearen Kennline keine realer Ohmscher Widerstand als Teil der
Solarzelle, sondern einfach nur eine Rechengröße. Es entstehlt also
keine Verlustleistung in der Solarzelle entsprechend des differentiellen
Widerstandes.
> Wobei ich funktionierende Solarzellen, die einen besseren Wirkungsgrad> als Blattpflanzen haben sollen, für unrealistisch halte
Also der photochemische Wirkungrad, bei dem ein Photon eingefangen wird
und ein Molekül in einer Verbindung daraufhin umgebaut wird, liegt bei
98%.
Da sind Solarzellen weit von entfernt.
Der restliche Wirkungsgrad der Biomasse ist aber mieserabel, so 0.01%
Es muss uns also gelingen, die photochemische Umsetzung direkt zu nutzen
in möglichst kostengünstiger Apparatur. Ein Beispiel sind Algen, die
Zucklerwasser zu Benzin verwandeln in dem einfach ein grosser See unter
der Sonne liegt und am Rand das leichtere Benzin abgeschöpft wird.
So wäre Solarenergie sinnvoll.
Hallo,
ich verstehe das Problem nicht.
Hier wird davon ausgegangen das eine Solarzelle bei gegeben
Umweltbdeingen aus einer idealen Spannungsquelle und einen
Reihenwiderstand dargestellt werden kann. Das ist aber nicht Richtig.
Der Widerstand ist auch abhängig vom Strom der fliest. R = f(I) oder
überlicherweise U = f(I). Typische Strom-Spannungsverläufe sehen so aus:
U
|---------\
| \
| |
___________|I
Bei dieser leicht idealiserten Kennlinie hast du zu beginn keinen
Innenwiderstand. Ab einen Bestimmten Strom wird der Widerstand schnell
größer und geht dann gegen unendlich. Die Kennline gilt so bei einer
spezellen Umweltgedingung! Der differenzelle Widerstand ist auch vom
entnommen Strom abhängig.
Mfg Michael
Hi,
Vielen Dank für die super Erläuterungen! Nun habe ich noch eine Frage:
Wie sähe die Kennlinie einer Solarzelle aus, welche 100% Wirkungsgrad
hat und wo läge dort der MPP?
Diese Frage ist mir noch wichtig, weil der MPP ja keinesfalls dort
liegen darf, wo Uklemme/I genau dem RL entspräche, welchen ich anklemmen
muss um am MPP zu operieren. Denn dann wäre der MPP "zufällig" genau
dort, wo RL = Ri ist.
nachtrag: mit 100% Wirkungsgrad meine ich das Verhältnis aus
photonischer Energie zu insgesamt freigesetzter elektrischer Energie
(also auch der Energie im Innenwiderstand).
dummi schrieb:> Diese Frage ist mir noch wichtig, weil der MPP ja keinesfalls dort> liegen darf, wo Uklemme/I genau dem RL entspräche, welchen ich anklemmen> muss um am MPP zu operieren. Denn dann wäre der MPP "zufällig" genau> dort, wo RL = Ri ist.
Da bestand fast Hoffnung, dass du es verstanden hast, und jetzt so
etwas...
Einen hochintelligenten DC-DC-Wandler zu einem Widerstand zu degradieren
ist einfach Quark.
Das Diagramm ist fast das gleiche MMP beim Kreuz
U
|--------X
| |
| |
_________|__I
Ri ist dort noch 0 (in Realität nicht möglich) aber der Strom maximal.
Mfg Michael
Noch ein kleiner Nachtrag wie moderne Solarzellen (in der Forschung)
höhere Wirkungsgrade (bei elektrooptischen Bauelementen oft das
Verhältnis aus Anzahl von Photonen / Anzahl erzeugter Elektronen)
erreichen: Wie bereits oben erwähnt haben herkömmliche Solarzellen mit
einem PN-Übergang, dass sie nur Photonen mit dem Bandgap entsprechender
Energie wandeln können. Somit wird nur ein minimaler Teil des Spektrums
wirklich gewandelt. Besser sind Zellen mit meheren PN-Übergängen mit
verschiedenem Bandgap. Diese sind noch recht teuer herzustellen und das
Licht müsste idealerweise beim Durchgang durch die erste Schicht am
besten keine Absoprtion erfahren, nicht reflektiert werden usw. Dadurch
lässt sich der Wirkungsgrad wieder erhöhen. Der aktuelle Trick ist der
Einsatz von Bandgap-Engineering mit Quantum-Wells. Hier können sehr
effiziente Zellen hergestellt werden, welche einen großen Teil des
Spektrum wandeln. Jedoch sind diese Strukturen noch sehr in der
Forschung und weit weg von fertigen Produkten.
lukas schrieb:> Wie bereits oben erwähnt haben herkömmliche Solarzellen mit> einem PN-Übergang, dass sie nur Photonen mit dem Bandgap entsprechender> Energie wandeln können.
Nein. Es können auch Photonen mit höherer Energie (bis zu einer gewissen
Obergrenze) gewandelt werden, da es sich nicht um diskrete
Energieniveaus handelt, sondern um (wie der Name schon sagt) Bänder. Ein
Elektron vom unteren Ende des Valenzbandes zum oberen Ende des
Leitungsbandes zu heben braucht eine erheblich höhere Energie als die
Bandlücke, deshalb können auch höherenergetische Photonen genutzt
werden.
lukas schrieb:> Besser sind Zellen mit meheren PN-Übergängen mit> verschiedenem Bandgap.
Das hat einen anderen Hintergrund: die gewonnene elektrische Energie
pro angeregtem Elektron entspricht exakt der Bandlücke, selbst dann,
wenn das anregende Photon eine höhere Energie hatte, die
Überschussenergie wird in kürzester Zeit in Wärme umgewandelt. Deshalb
kann man mit kleiner Bandlücke auch längerwellige Photonen nutzen (ergo
viele Elektronen), verschenkt aber bei kurzwelligeren dann einen Teil
der Energie. Eine breite Bandlücke produziert weniger Elektronen (da
weniger Photonen ausreichend Energie haben), aber die nutzbare Energie
pro Elektron ist höher.
Deshalb die mehrschichtigen Zellen, da ist die oberste Schicht dann mit
breiter Bandlücke und kann so nur kurzwelliges Licht absorbieren, dieses
aber dann besser ausnutzen. Die folgenden Schichten haben dann immer
kleinere Bandlücken, so dass immer größere Wellenlängen absorbiert
werden können.
Andreas
> Wie sähe die Kennlinie einer Solarzelle aus, welche 100%> Wirkungsgrad hat
Genau dort, wo das Ergebnis der Division durch 0 ist.
Es gibt einen Wirkungsgrad von 100% aus genau dem Grund nicht,
weil er zu unmöglichen Betriebszuständen führen würde.
Sicher ist der Innenwiderstand eine effektiven Solarzelle möglichst
niedrig.
@dummi:
Leistungsanpassung wird in solchen Fällen (Energieversorgung jeglicher
Art) natürlich nicht angewandt und angestrebt! Das wäre völlig
sinnlose Energieverschwendung! Auch z.B. in Leistungsverstärkern für die
Audio-Technik wird selbstverständlich keinerlei Leistungsanpassung
betrieben, auch wenn das immer wieder behauptet wird.
In all diesen Fällen ist der Innenwiderstand der Quelle viel kleiner als
der Widerstand der Verbraucher, und das ist gut so.
Ach ja, und das mit den verschiedenen "Arten elektrischer Widerstände"
ist auch nicht ganz korrekt.
Es gibt in der Elektrotechnik einen Widerstand, und der besitzt die
Einheit "Ohm". Bei elektrotechnischen Berechnungen wirst Du niemals
einen anderen Widerstand entdecken können als das gute alte Ohm. Und
selbstverständlich ist auch der (differenzielle) Widerstand einer Diode
ein ohmscher Widerstand.
Was sonst? Wärmewiderstand, akustischer Widerstand, Luftwirderstand
kommen wohl kaum in Frage.
