Hi Leute,
kann mir jemand sagen, wie ich am besten ein Solarpanel emu/simuliere?
Da ich das simulierte Panel mit ein paar kHz kurzschließe, würde ich das
nur ungern mit einem linearen Labornetzgerät "so ohne weiteres" machen
wollen.
Es muss noch nicht mal mit variablen Einstellungen daher kommen - ich
würde mich auch mit festen (eignenen) Werten zufrieden geben ;-)
Ich habe wohl gesehen, das Croma oder Keysight solche
Emulatoren/Simulatoren anbieten, doch die sind zum frickeln doch arg
teuer :-/
Am einfachsten aber recht ungenau geht es mit 20..22V und einem 5..10
Ohm Widerstand. Das ist keine exakte Nachbildung eines Solarmoduls, aber
man kann damit einen MPP-Tracker testen oder mit ein paar kHz
kurzschließen üben.
Wieso eigentlich mit ein paar kHz kurzschließen? Halte ich für Unsinn,
eine Ladeschaltung (wieso sonst kurzschließen) zur Begrenzung des
Ladestromes so schnell zu takten. Kommerzielle Lösungen arbeiten mit
etwa 5Hz. Außerdem ergeben ein paar kHz schnell ein sehr nerviges
Fiepsen.
Es soll ein getakteter Shunt Regler getestet werden. Der schließt bei
"Überschuß" das Pannel Kurz und lässt die Energie im Panel in Wärme
umsetzten, statt an einem Transistor o.Ä.
Einfach ausgedrückt:
Ein Photovoltaik-Modul im Leerlauf kann keine elektrische Leistung
abgeben.
Ein kurzgeschlossenes verbrät die elektrische leistung am eigenen
Innenwiderstand.
Beide verhalten sich thermisch gleich, die gesamte ankommende Strahlung
wird in Wärme umgewandelt.
Irgendwie hat sich das Kurzschließen als Standard herausgebildet.
Mögliche Erklärung: Ein durchgehender Transistor schließt das Modul
dauerhaft kurz, dem schadet das nicht (siehe oben).
Sonst würde bei durchgehendem Transistor keine Lade-Abschaltung mehr
möglich sein und die Batterie zu Tode gekocht.
Einzig dem Modul die maximale elektrische Listung entnehmen und woanders
verbraten (wenns die Batterie nicht mehr aufnehmen kann) würde die
Module etwas kühler halten.
Warum man mit mehr als auch nur 1Hz kurzschließen muß, erschließt sich
mir abr auch nicht. Und gleich kHz??
Wie ich schon schrieb, ein Takten des Reglers mit "ein paar kHz" ist
völlig unnötig und verursacht nur Probleme und Störungen. 5Hz sind
genug, evtl. noch 10Hz zur Beruhigung des Gemüts, aber mehr macht keinen
Sinn.
Das Kurzschließen hat sich eingebürgert, weil die Schaltung so herrlich
einfach ist. Die Sperrdiode (damit kein Strom aus dem Akku zum
Solarpanel zurückfließen kann) braucht man sowieso und vor dieser Diode
reicht ein einfacher gegen Masse gesteuerter N-FET, um etliche Ampere
nahezu verlustfrei zu kontrollieren. Verwendet man einen
Logic-Level-FET, brauchen die meisten eingesetzten µCs dank der geringen
Frequenz nicht einmal eine Treiberstufe, um den FET zu steuern.
Bei Kurzschluß verheizt das Solarmodul die erzeugte Leistung am eigenen
Innenwiderstand und im Leerlauf beginnen die Solarzellen als Dioden zu
leiten, was ebenfalls 100% Verlustleistung bedeutet. Für die Erwärmung
des Solarmoduls macht das keinen Unterschied.
Jetzt bin ich nochmal per email nach der Erwärmung gefragt worden, und
denke, wir diskutieren das hier nochmal weiter, ok?
Also, rein von der Logik her, gibt es also die zwei Zustände, bei denen
alle ankommende Strahlungsleistung im Modul verbleibt, abgesehen von der
eigenen Abstrahlung, Wärmeleitung und Konvektion. Sei es nun durch
Verbraten der elektrischen Leistung am eigenen Innenwiderstand oder
schlichtweg die Tatsache, daß ohne Stromfluß keine elektrische Leistung
erzeugt werden kann.
Dann gibt es den Fall der elektrischen Leistungsabgabe oder gar deren
Maximum (MPP). Da wird also Leistung wegtransportiert, also bleibt das
Modul kühler, oder? Sind wir da alle d'accord?
Natürlich ist das ein bißchen akademisch, denn: Wenn der Solarregler das
Modul abschaltet ODER kurzschließt ODER die Leistung in einen externen
Widerstand statt in die Akkus schickt, dann braucht man in dem Moment
eben keine Leistung und dann ist es auch egal, daß ein kühleres Modul
mehr Wirkungsgrad hätte.
Man könnte aber noch darüber diskutieren, ob ein durch Leistungsentnahme
kühleres Modul weniger altert...
Kristalline Solarzellen degradieren nicht so sehr durch die Hitze,
sondern durch die Lichteinwirkung, durch welche die
Ladungsträgerlebensdauer signifikant sinkt. Dadurch verlieren die
Solarzellen in 20 Jahren 15..20% ihrer Anfangsleistung.
Daneben gibt es noch eine spannungsinduzierte Degradation, welche durch
besonders bei hohen Systemspannungen gegen Erde entstehenden Leckströme
hervorgerufen wird. Dieser Effekt wird durch hohe Temperaturen und hohe
Luftfeuchtigkeit begünstigt. Der Leistungsverlust kann bis zu 30%
betragen.
> Beide verhalten sich thermisch gleich, die gesamte ankommende> Strahlung wird in Wärme umgewandelt.
Das kann nicht sein, wo kommt dann die Energie für den Strom her?
Nur im Kurzschlussfall wird die ganze Energiemenge von der Solarzelle in
Wärme umgesetzt. Im Normalbetrieb wird ein Teil der Energie vom
Verbraucher umgesetzt (in Licht, Wärme, Bewegung, ... was auch immer).
> Für die Erwärmung des Solarmoduls macht das keinen Unterschied.
Ja, die haben sowieso nur einen geringen Wirkungsgrad, das meisste ist
Abwärme.
> Dann gibt es den Fall der elektrischen Leistungsabgabe oder gar deren> Maximum (MPP). Da wird also Leistung wegtransportiert, also bleibt das> Modul kühler, oder? Sind wir da alle d'accord?
Ja, allerdings nur ein kleines bisschen. Bei 20% Wirkungsgrad kann der
Unterschied logischerweise auch nicht mehr als 20% sein.
Wenn das bisschen Wärme problematisch wäre, würde man die Solarzellen
auf den Dächern der Stadt alle mit Wasser kühlen.
Selbstverständlich reden wir nur von dem 20%-Anteil der eingefangenen
Strahlung, die als elektrische leistung aus dem Modul woanders
hingeschickt werden kann. Aber 20% sind doch was - da könnte ein Modul
doch z.B. nur 70°C statt 85°C heiß werden - wobei die Temperaturen von
mir völlig aus der Luft gegriffen sind.
Und dieser Temperaturunterschied könnte ja mit einem Knick in der Kurve
zusammenpassen, daß zum Beispiel ein Modul ab 80°C besonders schnell
altert...
Aber gut, zum Mechanismus der Alterung hat ja Ben schon was geschrieben.
Also Fazit:
Ja, der Effekt ist da.
Aber erstens gering, weil nur die 20% abtransportiert werden können.
Zweitens unwichtig, weil man in dem Moment die elektrische Leistung ja
gerade nicht mehr abnehmen will, egal ob mit hohem Wirkungsgrad
(kühleres Modul) oder niedrigerem Wirkunggsgrad.
Drittens unwichtig, weil die reine Temperatur auf die Alterung der
Module wohl keinen Effekt hat.
Übrigens wurde mir von Leuten erzählt, die ihre (netzeinspeisenden)
Solarmodule auf dem Dach mit einem Wasserumlauf aus der
Regenwasserzisterne kühlen. Ob sichs unterm Strich rechnet, weiß ich
nicht. Sie sind jedenfalls mächtig stolz auf die Idee...
Die Solarzellen zu kühlen bringt schon etwas, weil dadurch ihre
MPP-Spannung ansteigt und darüber eine höhere Leistung erreicht wird.
Aber ob das die zusätzliche Verlustleistung durch die zusätzliche
Zirkulationspumpe kompensiert?
Davon ausgehend, daß 20% der eingestrahlten Energie in elektrischen
Strom umgesetzt und vielleicht 10% reflektiert werden, erzeugt eine
3kWp-Dachanlage grob überschlagen etwa 10kW Wärme. Da braucht man schon
eine verdammt große Regenwasserzisterne, um einen nennenswerten Effekt
zu erzielen. Sonst heizt sich das Wasser viel zu schnell auf.
Stefan U. schrieb:> Nur im Kurzschlussfall wird die ganze Energiemenge von der Solarzelle in> Wärme umgesetzt. Im Normalbetrieb wird ein Teil der Energie vom> Verbraucher umgesetzt (in Licht, Wärme, Bewegung, ... was auch immer).
Nicht nur im Kurzschlussfall, sondern auch im Leerlauffall wird die
ganze Leistung in Wärme umgesetzt, denn sie kommt ja nicht raus. Ich
vermute mal, dass durch die Entstehung von Strom aus dem umgewandelten
Teil der eingestrahlten Leistung sich keine Wärme mehr entwickeln kann.
Wenn im Leerlauf kein Strom entstehen kann, wird daraus dieselbe
Wärmemenge im Panel, wie wenn der Strom kurzgeschlossen wird.
Wenn die erzeugte Leistung aber an einem externen Widerstand verbraten
wird, bleibt das Panel kühler.
Vom Grundaufbau her sind Solarzellen (Silizium-) Dioden. Im Leerlauf
steigt die durch den photoelektrischen Effekt erzeugte Spannung auf/über
die Flußspannung der Diode und diese beginnt zu leiten. Dadurch wird die
Leerlaufspannung begrenzt und der erzeugte Strom wird an der Diode
verheizt. Damit erklärt sich auch die starke Temperaturabhängigkeit des
MPP, da die Flußspannung der Diode mit steigender Temperatur absinkt.
Stefan U. schrieb:> Bei 20% Wirkungsgrad kann der Unterschied logischerweise auch nicht mehr> als 20% sein.
Im Wirkungsgrad stecken die Reflektionsverluste mit drin, d.h. der
Unterschied ist etwas größer, weil die Reflektionsverluste gleich
bleiben.
Beispiel:
1kW Einstrahlung -> 200W Peak elektrisch
Bei 10% Reflektionsverlust kommen die 200W aus 900W absorbierter
Einstrahlung. Der Unterschied für die Wärmeleistung im Panel beträgt
also bei dieser Annahme 700W vs. 900W oder 22.2%
