Fotovoltaikanlage

Foto­voltaik : Die Solarzelle


Quellen:
U. Tietze, Ch. Schenk, Halbleiter – Schaltungstechnik, Springer-Verlag, Berlin, 2002
J. Grehn, J. Krause, "Metzler-Physik", Schroedel Verlag, 2002
P. Horowitz, W. Hill, The art of electronics, Cambridge University Press, 2005

Fotovoltaikmodule bestehen aus vielen einzelnen Solarzellen. Sie wandeln Licht in elektrische Energie um.

In diesem Artikel wird erklärt, wie eine Solarzelle funktioniert, wie sich deren U-I-Kennlinie durch Lichteinfall verschiebt, welchen Einfluss Hitze auf den Wirkungsgrad der Fotovoltaikanlage hat und wie man aus einzelnen Solarzellen ein Fotovoltaikmodul aufbaut.

Die Solarzelle - Aufbau, Funktion und U-I-Kennlinie



Aufbau einer Solarzelle
Abb. 1: Aufbau einer Solarzelle.

Die Solarzelle ist eine Si-Diode die in Rückwärts­rich­tung betrieben wird. Der p-n-Übergang befindet sich unmittelbar unter der Oberfläche. Bei Lichteinfall werden die Ladungsträgerpaare erzeugt, welche dann als elektrische Energie zur Verfügung stehen.

Bei Lichteinfall verschiebt sich die U-I-Kennlinie proportional zum Lichteinfall parallel nach unten (s. Abb. 2). Mit Hilfe von $P=U_D\cdot I_D$ kann man die elektrisch generierte Leistung berechnen. Dabei ist die Leistung im Spannungsbereich von 0 V und 0,75 V negativ.

Hier berechnet sich die maximal abgegebene Leistung zu:

$$P_{max}=U_{APmax}\cdot I_{APmax}$$

In unserem Beispiel beträgt $P_{max}=0,65~V \cdot (-1,9~A)=-1,24~W$.

<i>U-I</i>-Kennlinie der Solarzelle
Abb. 2: Spannungs-Strom-Kennlinie der Solarzelle.

Leistung und Modul­aufbau - Arbeitspunkt maximaler Leistung



untergehende Sonne
Abb. 3: Untergehende Sonne.

Bei höherer Temperatur verschiebt sich die U-I-Kennlinie nach links. Nehmen wir bspw. an, dass durch starke Sonneneinstrahlung die Kennlinie um 0,05 V nach links verschoben wird. Dadurch verringert sich die maximale Leistung auf$P_{max}=0,6~V \cdot (-1,9~A)=-1,14~W$.

Um den Arbeitspunkt maximaler Leistung stabil zu halten, muss der abgegebene Strom geregelt werden. In Wechselrichtermodulen wird abgegebene Strom über die Höhe der Ausgangsspannung mit einem Schaltnetzteil geregelt.

Fotovoltaikmodule werden immer nach dem selben Schema in Abb. 4 aufgebaut. Es werden so viele Dioden in Reihe geschaltet, dass eine Isolationsspannung von 1000 V nicht überschritten wird. Die einzelnen Reihen werden dann parallel geschaltet.

Wenn einzelne Zellen verschattet sind wird der Stromkreis unterbrochen. Damit trotzdem Energie generiert werden kann, wird über eine gewisse Anzahl an Solarzellen eine Bypass-Diode geschaltet.

Gesamtspannung des Moduls:

$$U=n \cdot U_{APmax}$$

Schaltung von Fotovoltaikmodulen
Abb. 4: Zusammenschalten von Solarzellen zu einem Fotovoltaikmodul.

Aufgabe 1 Welche Aussage ist wahr?

Wähle die korrekten Aussagen aus.

Nenne die Richtung in welcher eine Solarzelle zum Einsatz kommt. Wähle eine Antwort.

  1. vorwärts
  2. rückwärts
  3. seitwärts
  4. aufwärts


Was wird in der Solarzelle bei Lichteinfall erzeugt?
Wähle eine Antwort.

  1. ein Magnetfeld
  2. freie Ladungsträger
  3. eine Currywurst
  4. Rotationsenergie



Nenne die Richtung, in die sich die U-I-Kennlinie bei Lichteinfall verschiebt. Wähle eine Antwort.

  1. nach oben
  2. nach rechts
  3. nach unten
  4. nach links


Bestimme die Richtung, in die sich die U-I-Kennlinie bei steigender Temperatur verschiebt. Wähle eine Antwort.

  1. nach oben
  2. nach rechts
  3. nach unten
  4. nach links


Bestimme die elektrische Größe die sich bei einer Reihenschaltung von Solarzellen ändert. Wähle eine Antwort.

  1. Ladungsmenge
  2. Induktivität
  3. Strom
  4. Spannung


Bestimme den Zweck von Bypassdioden.
Wähle eine Antwort.

  1. sie leiten die Energie bei Regen um
  2. das Modul liefert bei teilweiser Beschattung Energie
  3. das Modul liefert bei kompletter Beschattung Energie
  4. sie leiten die Energie bei Schneefall um

Aufgabe 2 Solarzelle

U-I-Kennlinie einer Solarzelle

Ein Fotovoltaikmodul besteht aus einzelnen Zellen mit einer U-I-Kennlinie bei maximaler Sonneneinstrahlung wie in der Abbildung.

  1. Zeichnen Sie den Kennlinienverlauf ohne Licht.
  2. Berechnen Sie für mindestens 7 Punkte die Leistungskennlinie. Zeichnen Sie diese in das Diagramm.
  3. Berechnen Sie die maximale Leistung Pmax welche eine Solarzelle abgeben kann.
  4. Wie viele Zellen dürfen für U = 1000 V maximal in Reihe geschaltet werden?
  5. Wie viele Zellen dürfen für I = 4 A maximal parallel geschaltet werden?
  6. Berechnen Sie die Gesmatleistung des Moduls.
  1. U-I-Kennlinie mit und ohne Lichteinfall
    U-I-Kennlinie Solarzelle mit und ohne Licht
  2. Leistungskennlinie bei Lichteinfall
    U-I-Kennlinie Solarzelle mit und ohne Licht
  3. Maximale Leistung: $P_{max}=U_{APmax}\cdot I_{APmax}=0,62~V\cdot (-1,5~A)=-0,93~W$

  4. Maximale Anzahl an Zellen: $n_{reihe}=U/U_S=1000~V/0,7~V=1388,9$, also $1388$

  5. Parallel: $n_{parallel}=4~A/1,5~A=2,67$, also $2$.

  6. Gesamtmodulleistung: $P_{ges}=P_{max}\cdot n_{reihe} \cdot n_{parallel}=-2581,7~W$

Aufgabe 3 Fotovoltaikmodul

Für ein Einfamilienhaus mit einer Dachfläche von 170 m2 soll eine Fotovoltaikanlage geplant werden. Jedes Panel wird flach hingelegt und hat eine Fläche von 1,2 x 0,6 m2. Jedes Panel setzt sich wiederum aus einzelnen Zellen mit 10 x 10 cm2 zusammen, welche in Reihe geschaltet sind und im Arbeitspunkt maximaler Leistung eine Spannung von 0,62 V und 2 A haben.

  1. Berechne die Spannung, den Strom und die Leistung eines Panels.
  2. Berechne die maximale Gesamtzahl der Panele für die Anlage.
  3. Wie müssen die Panele verschaltet werden (Reihe/Parallel), damit die Gesamtspannung möglichst nah an 1000 V heran reicht und die höchstmögliche Anzahl an Panele auf dem Dach installiert wird?
  4. Berechne die maximale Leistung Pmax der Anlage.
Fotovoltaikmodule

  1. Spannung: $U=n\cdot U_{Zelle}=72\cdot 0,62~V$$=44,64~V$

    Strom: $I=2A$

    Leistung: $P_{Panel}=U\cdot I=44,64\cdot 2 $$= 89,28~W$

  2. Gesamtzahl der Panele: $n=170m^2/(1,2\cdot 0,6~m^2)=236$

  3. Anzahl der Panele in Reihe: $n_{Reihe}=1000~V/44,64~V=22$

    Anzahl der Panele in Parallel: $n_{Parallel}=236/22=10$

    Gesamtzahl der Panele: $n=n_{Reihe}\cdot n_{Parallel}=22\cdot 10=220$

  4. Gesamtmodulleistung: $P_{ges}=P_{Panel}\cdot n = 89,28~W \cdot 220 $$= 19,64~kW$

Aufgabe 4 Welche Aussage ist wahr?

Wähle die korrekten Aussagen aus.

Fotovoltaikmodule

Für ein Einfamilienhaus mit einer Dachfläche von 120 m2 soll eine Fotovoltaikanlage geplant werden. Jedes Panel wird flach hingelegt und hat eine Fläche von 1,2 x 0,6 m2. Jedes Panel setzt sich wiederum aus einzelnen Zellen mit 10 x 10 cm2 zusammen, welche in Reihe geschaltet sind und im Arbeitspunkt maximaler Leistung eine Spannung von 0,6 V und 2 A haben.

Berechne die Spannung, den Strom und die Leistung eines Panels.
Wähle eine Antwort.

  1. 0,6 V; 72⋅2 A; 84,4 W
  2. 72⋅0,6 V; 2 A; 86,4 W
  3. 0,6 V; 2 A; 1,2 W
  4. 12⋅0,6 V; 2 A; 14,88 W


Berechne die maximale Anzahl der Panele für die Anlage.
Wähle eine Antwort.

  1. n = 120 m2/(1,2⋅0,6 m2) = 166
  2. n = 170 m2/(1,2⋅0,6 m2) = 200
  3. n = 12 ⋅10 = 120
  4. n = 120 m2/(10⋅6 m2) = 144



Berechne die Anzahl der Panele in Reihe, und deren Leistung damit die Gesamtspannung möglichst nah an 1000 V heran reicht. Wähle eine Antwort.

  1. nReihe = 1000 V/0,6 V = 1666 und PReihe = 143942,4 W
  2. nReihe = 1000 V/230 V = 4 und PReihe = 345,6 W
  3. nReihe = 1000 V/43,2 V = 23 und PReihe = 1987,2 W
  4. nReihe = 1000 V/43,2 V = 24 und PReihe = 2073,6 W


Berechne die Anzahl der parallel geschalteten Panele, so dass eine Leistung von 10 kW peak nicht überschritten wird. Wähle eine Antwort.

  1. nParallel = 14,3942/10 = 1
  2. nParallel = 10/2,0732 = 4
  3. nParallel = 10/1,9872 = 6
  4. nParallel = 10/1,9872 = 5