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Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Fakultät Technik und Informatik Department Informations- und Elektrotechnik

Labor für elektrische Antriebe und Leistungselektronik

REP1-Photovoltaik.docx Seite: 1

Studiengruppe: Eingegangen am: Protokollführer:

Übungstag: Weitere Teilnehmer:

Professor:

REP1 Photovoltaik 05/2011

1 Einleitung Dieser Versuch soll ihnen die grundlegenden Eigenschaften eines Solarmoduls mit Hilfe eines Hardware-Simulationsmodels und eines Software-Simulationsmodels darlegen. Informieren Sie sich vor der Versuchsdurchführung an Hand dieser Versuchsbeschrei-bung, der Vorlesungsunterlagen sowie des zusätzlichen Vorbereitungsskriptes (abgelegt auf der Webpage des AL-Labors) über die Grundlagen der Photovoltaik, den Versuchs-aufbau und die Simulation mit PSpice.

2 Versuchsdurchführung In der unteren Tabelle befinden sich die Einstellwerte für das Lampenfeld des Hardware-Simulators, die während des Versuches eingestellt werden sollen. Um die Bestrahlungs-stärke einzustellen, stellt man mit Hilfe des speisenden Transformators den entsprechen-den Lampenstrom IL ein. Laut Tabelle entsprechen Ee = 1000 W/m2 etwa einem Lampen-strom von IL = 5,51 A.

Lampenspannung UL in V Lampenstrom IL in A Ee in W/m2

246 5,51 1000

226 5,26 800

202 4,96 600

175 4,61 400

140 4,09 200




2.1 Aufnahme der Dunkelkennlinie Nehmen Sie die Dunkelkennlinie des abgedunkelten Solarmoduls mit dem XY-Recorder auf. Die Spannung wird an dem „Channel“-Kanal des XY-Recorders angeschlossen und der Strom am „Chart“-Eingang des XY-Recorders. Nehmen Sie bitte die Dunkelkennlinie und Hellkennlinie zusammen auf einem DIN A3 Blatt auf. Für die Aufnahme der Dunkel-kennlinie bleiben die Lampen ausgeschaltet und die Lamellen geschlossen. Durch Betäti-gen der Starttaste beginnt der XY-Recorder mit der Aufnahme der Kennlinie, d.h. erst nach dem Justieren des Blattes, der Einstellung des X-Kanals und des Y-Kanals und nach Absetzen des Schreiberstiftes betätigen Sie bitte den Taster. Eine Leuchtdiode zeigt die Zeit des Vorganges an. Nach Beendigung der Kennlinienaufnahme geht die Leuchtdiode wieder aus. Setzen Sie bitte den Schreiberstift wieder hoch, wenn die Kennlinie fertig gezeichnet wurde, d.h. bevor die Leuchtdiode wieder ausgeht.

• Stellen Sie die Dunkelkennlinie I = f(U) in einem Diagramm dar. • Ermitteln Sie den seriellen Widerstand RS aus der Kennlinie wie im Vorbereitungs-

skript beschrieben. • Ermitteln Sie die Durchlassspannung einer einzigen Zelle. Recordereinstellungen: Spannung U: 1 V/cm Strom I: 0,8 V/cm = 60 mA/cm

2.2 Aufnahme der Hellkennlinien Bevor Sie die Hellkennlinien aufnehmen, müssen die Halogenlampen etwa 10 Minuten „warmlaufen“, um die Betriebstemperatur zu erreichen (IL = ILmax). Dunkeln Sie nach jeder Kennlinienaufnahme das Solarmodul sofort ab und öffnen sie die Lamellen erst kurz bevor die Kennlinienaufnahme beginnt, damit sich das Modul nicht unnötig lange aufheizt, so dass Sie jede Messung bei ϑ = 25°C beginnen können. Die Messungen beginnen aus messtechnischen Gründen erst bei einer Modulspannung von ca. 0,5 V (Die Kennlinien müssen auf U = 0 V extrapoliert werden).

2.2.1 Strom-Spannungsabhängigkeit des Solarmoduls von der Bestrahlungsstärke Nehmen Sie die Strom-Spannungs-Kennlinien I = f(U) bei einer Modultemperatur von ϑ = 25°C und unterschiedlichen Bestrahlungsstärken auf. Beginnen Sie die Messung bei einer Bestrahlungsstärke von Ee = 1000 W/m2.

• Stellen Sie I = f(U) für alle fünf Bestrahlungsstärken in einem Diagramm dar. • Notieren Sie U0 und Ik für die fünf Bestrahlungsstärken. • Zeichnen Sie die Leistungshyperbel in das Diagramm. Ermitteln sie bei Ee = 1000 W/m2 folgende fünf Parameter, die Sie für die PSpice-Simulation später benötigen. • Serienwiderstand Rs • Parallelwiderstand Rp • Kurzschlussstrom Ik • Leerlaufspannung U0 • Sättigungsstrom Is




2.2.2 Leistungsabhängigkeit des Solarmoduls von der Bestrahlungsstärke Nehmen Sie die Leistungs-Spannungs-Kennlinien P = f(U) bei einer Modultemperatur ϑ = 25°C und unterschiedlichen Bestrahlungsstärken auf. Beginnen Sie die Messung bei einer Bestrahlungsstärke von Ee = 1000 W/m2.

• Stellen Sie P = f(U) für alle fünf Bestrahlungsstärken in einem Diagramm dar. • Ermitteln Sie die Punkte maximaler Leistung für jede Bestrahlungsstärke und

zeichnen Sie die Leistungshyperbel in das Diagramm. • Berechnen Sie ebenfalls die Füllfaktoren bei den unterschiedlichen Bestrahlungs-

stärken.

2.2.3 Leistungsabhängigkeit des Solarmoduls von der Abschattung einzelner Zellen Es wird angenommen, dass eine Zelle durch ein Blatt eines Baumes abgedunkelt wurde. Dafür wird die Zelle vorne links auf dem Modul vollständig durch ein Plastikstück abge-deckt. Nehmen Sie die Strom-Spannungs-Kennlinien I = f(U) und die Leistungs-Spannungs-Kennlinien P = f(U), bei einer Modultemperatur ϑ = 25°C und einer Bestrah-lungsstärke Ee = 1000 W/m2 auf.

• Stellen Sie I = f(U) und P = f(U) für Ee = 1000 W/m2 in einem Diagramm dar. • Vergleichen Sie den MPP und den Füllfaktor mit denen unter 2.2.2 ermittelten

Werten und erläutern Sie gegebenenfalls die Auswirkung auf die Benutzung von Solarmodulen.

2.2.4 Leistungsabhängigkeit des Solarmoduls vom Einstrahlungswinkel Es wird angenommen, dass der Sonnenstand und damit der Einstrahlungswinkel auf das Solarmodul variabel sind. Nehmen Sie die Strom-Spannungs-Kennlinien I = f(U) und die Leistungs-Spannungs-Kennlinien P = f(U), bei einer Modultemperatur ϑ = 25°C und bei einer Bestrahlungsstärke Ee = 1000 W/m2 mit verschiedenen Drehwinkeln des Solarmo-duls auf. Das Solarmodul wird hierbei von der waagerechten Lage ausgehend unter vor-gegebenen Winkeln gedreht. Es werden vier Stellungen (0°, 30°, 60° ,90°) des Moduls zum Lampenfeld eingestellt. Die Winkel werden über einen Taster eingestellt. Eine Digital-anzeige zeigt den aktuellen Drehwinkel des Moduls an. Dabei entsprechen 0° einer rech-twinkligen Einstrahlung des Sonnenlichts auf das Modul (d.h. der Sonnenhöhenwinkel γS beträgt dann 90°).

• Stellen Sie I = f(U) und P = f(U) für Ee = 1000 W/m2 in einem Diagramm dar. • Ermitteln Sie die Punkte maximaler Leistung für jeden Drehwinkel und zeichnen

Sie in das Diagramm die Leistungshyperbel. Vergleichen Sie die Leistungshyper-bel mit der unter 2.2.2 ermittelten. Welche Konsequenz ergibt sich aus diesem Vergleich für den praktischen Umgang mit Solarmodulen?

• Kontrollieren Sie, ob die Kurzschlussströme auf der Richtcharakteristik des Moduls liegen. Die Richtcharakteristik befindet sich im Vorbereitungsskript.

Recordereinstellungen: Spannung U: 1 V/cm Strom I: 0,8 V/cm = 60 mA/cm Leistung P: 0,8 V/cm = 1,2 W/cm




2.2.5 Leistungsabhängigkeit des Solarmoduls von der Temperatur Es wird angenommen, dass die Sonneneinstrahlung und damit die Modultemperatur va-riabel sind. Nehmen Sie die Strom-Spannungs-Kennlinien I = f(U) und die Leistungs-Spannungs-Kennlinien P = f(U), bei unterschiedlichen Modultemperaturen ϑ = 25°C, 30°C und 40°C und bei einer Bestrahlungsstärke Ee = 1000 W/m2 auf. Die erste Kennlinie wird bei ϑ = 25°C aufgenommen. Die Lüfter sollten langsam laufen. Die Lamellen bleiben ge-öffnet und das Modul erwärmt sich. Beim Erreichen der entsprechenden Modultemperatu-ren können die Kennlinien aufgenommen werden.

• Stellen Sie für alle drei Temperaturen I = f(U) in einem Diagramm dar. • Berechnen Sie aus I = f(U) die Temperaturkoeffizienten TKIk und TKU0, die Sie

später für die Simulation mit PSpice benötigen.




3 Simulation des Solarmoduls mit PSpice Die Simulationsaufgaben werden mit dem Programm PSpice Schematics Evaluation V9.1 durchgeführt. Das Programm und die benötigten Schematics-Dateien und Bibliotheken können Sie sich zuvor vom Labormitarbeiter aushändigen lassen. Unter PSpice besteht die Möglichkeit, ein Modell für jedes beliebige Bauelement zu kreie-ren. Das 10W - Solarmodul NT122 von der Firma SHARP, das im Labor eingesetzt wird, wurde hierbei zugrunde gelegt. Die Parameterwerte der/s Solarzelle/-moduls für die Diode und die Widerstände müssen aus den vorangegangenen Messungen bestimmt werden und in das Ersatzschaltbild übertragen werden. Dabei wurde das Zwei-Dioden-Ersatzschaltbild einer kristallinen pn-Solarzelle zugrunde gelegt (Abb.1.1). Unter PSpice stellt die Diode D_NT122 diese zwei Dioden dar. Auf die-ses Modell mit der neu geschaffenen Diode D_NT122 sind die hier verwendeten Solarmo-delle, außer in Aufgabe 1, zurückzuführen. In dieser Aufgabe wird auf ein vereinfachtes Solarmodell aufbauend auf dem Eindiodenmodell (Shockley-Modell) zurückgegriffen (Abb.1.2), um den Messaufwand am Solarmodell zu minimieren. Diese Modelle sind dazu geeignet, experimentelle Ergebnisse zum Vergleich nachzufah-ren, Abhängigkeiten der unterschiedlichsten Parameter aufzuzeigen und das Betriebsver-halten bei größeren Anlagen durch Verschaltung der einzelnen Module zu untersuchen. Beim Aufbau der Simulationsschaltung wird der Widerstand RL als Belastungsparameter verwendet anstatt des im Versuch verwendeten Kondensators. Unter PSpice bekommt der Anwender beim Einsatz eines Kondensators nur bei der Transient-Analyse die erwarteten Ergebnisse. Der Kondensator ist ein ideales Bauelement mit Ri = 0Ω. Demzufolge würde bei der DC-Analyse I(CL) = 0A sein. Abb.1.1 Zweidioden-Modell Abb.1.2 Eindioden-Modell

Rs

Rp

I D1 I D2

I PhotI P

I

U

Rs

U

Rp

I D1

I PhotI P




Grundeinstellungen Nach jedem Neustart von Schematics muss die Nominaltemperatur des Programms auf 25°C eingestellt werden.




3.1.1 Einstellung eines PSpice-Simulationsmodells (ABM-Modell) des Solarmoduls aus den praktisch ermittelten Werten

Das Ersatzschaltbild des Solarmoduls wird mit einem Analog Behavior Model (ABM/1) aufgebaut. Dieses Model stellt eine Stromquelle ohne Eingangsgrößen dar, deren Aus-gangsgrößen vorgegebenen Gleichungen folgen. Dadurch ist es möglich, Bauteile oder Elemente selbst zu definieren, ohne gleich die Schaltung aus den Bauelementen aufbauen zu müssen. Die hier zur Anwendung kommende Schaltung beschreibt das Solarmodul durch das Eindioden-Ersatzschaltbild. Die Temperaturabhängigkeit der Kennlinien wird durch Temperaturkoeffizienten beachtet, die durch Linearisierung ermittelt werden. Mit dieser einfachen Schaltung ist nun möglich, aus den gemessenen Werten der Solarzelle bei Standardtestbedingungen ein Simulationsmodel zu erhalten.

UT-25: Thermische Spannung bei 25°C UT: Thermische Spannung N: Dioden im Modul TK_U0: Temperaturkoeffizient der Leerlaufspannung. TK_IK: Temperaturkoeffizient des Stromes Ip_grund: Hilfsfaktor zum Angleichen an dem realen Kurzschlussstrom Iphot_25: Strom in Abhängigkeit von der Einstrahlung Iphot: „Realer“ Photostrom, den Bedingen angepasst

Die zwei Stromkomponenten des Ersatzschaltbildes, Photo- (Iphot) und Sperrsättigungs-strom (IS), werden hierbei vollständig durch die Gleichung des ABM/1-Blocks ausgedrückt. Nur die auf der rechten Seite stehenden Parameter dürfen verändert werden. Die im prak-tischen Versuchsteil ermittelten Ergebnisse sollen nun in den „Parameters“ Block einge-geben werden.




3.1.2 Abhängigkeit von der Bestrahlungsstärke (Die Datei „D:\PSpice-Solar\ABM_1DM.SCH“ beinhaltet die benötigten Modelle für diese Aufgabe.) Tragen Sie hierfür die Parameter wie unten gezeigt in die Masken ein.

• Stellen Sie I = f(U) und P = f(U) bei unterschiedlichen Bestrahlungsstärken dar. • Beschriften Sie die Punkte für die maximale Leistung. • Beschriften Sie die Punkte für Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung. • Vergleichen Sie die simulierten mit den gemessenen Kennlinien! Welche Unter-

schiede sind festzustellen und worauf sind sie zurückzuführen?

Weisen Sie jeder Größe I = f(U0) und P = f(U0) eine Y-Achse zuweisen und stellen Sie die Achsen ohne Nullpunktunterdrückung dar.




3.1.3 Abhängigkeit von der Temperatur (Die Datei „D:\PSpice-Solar\ABM_1DM.SCH“ beinhaltet die benötigten Modelle für diese Aufgabe.) Für die Darstellung der Temperaturabhängigkeit werden unter DC Nested Sweep die fol-genden Eintragungen verändern. Die Temperatur in der Setup-Maske ist hierbei abzu-schalten.

• Stellen Sie I = f(U) und P = f(U) bei einer Bestrahlungsstärke Ee = 1000 W/m² und

unterschiedlichen Temperaturen dar. • Beschriften Sie die Punkte für die maximale Leistung. • Beschriften Sie die Punkte für Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung. • Vergleichen Sie die simulierten mit den gemessenen Kennlinien! Welche Unter-

schiede sind festzustellen und worauf sind sie zurückzuführen?

Weisen Sie jeder Größe I = f(U0) und P = f(U0) eine Y-Achse zuweisen und stellen Sie die Achsen ohne Nullpunktunterdrückung dar.




3.2 Kennlinien des Solarmoduls NT122 Das Simulationsmodell Wi_SM1 wurde speziell auf das verwendete Modul NT122 zuge-schnitten. Zugrunde gelegt wurde das Zweidiodenmodell. Dieses Modell erzeugt Kennli-nien, die denen des realen Solarmoduls NT122 sehr genau entsprechen.

Wie bei den vorangegangenen Aufgaben ist es möglich, die Bestrahlungsstärken- und Temperaturabhängigkeiten darzustellen. Außerdem können Auswertungen der Kennlinien und Zusammenhänge dargestellt werden. Dies erfolgt mit der Parameter-Analyse.




3.2.1 Abhängigkeit vom Einstrahlungswinkel α (Die Datei „D:\PSpice-Solar\WI_SM1.SCH“ beinhaltet die benötigten Modelle für diese Aufgabe.)

• Stellen Sie in einem Diagramm U0 = f(α), Ik = f(α) und Pmax = f(α) dar.

Stellen Sie die Parameter wie folgt ein:

Hierbei deaktivieren Sie im Untermenü die Nested Sweep Funktion.




Starten Sie die Simulation und aktivieren Sie über das Menü -Trace-, -Performance Analy-se- die Darstellung über den Winkel.

• Stellen Sie mit Hilfe der vorhandenen Marcos in einem Diagramm die Kurven

U0 = f(α), Ik = f(α) und Pmax = f(α) dar. Macros: MPP = max(V(out)*(I(RL)) IK = max(I(RL)) U0 = max(V(out))

Weisen Sie jeder Größe MPP, IK und U0 eine Y-Achse zu und stellen Sie die Achsen ohne Nullpunktunterdrückung dar.




3.2.2 Abhängigkeit vom der Bestrahlungsstärke Ee (Die Datei „D:\PSpice-Solar\WI_SM1.SCH“ beinhaltet die benötigten Modelle für diese Aufgabe.) Hierbei wird anstatt des Einstrahlungswinkels die Bestrahlungsstärke variiert. Stellen Sie die Parameter in wie folgt ein.

Starten Sie die Simulation und aktivieren Sie über das Menü -Trace-, -Performance Analy-se- die Darstellung über die Bestrahlungsstärke.

• Stellen Sie in einem Diagramm U0 = f(Ee), Ik = f(Ee) und Pmax = f(Ee) dar. Macros: MPP = max(V(out)*(I(RL)) IK = max(I(RL)) U0 = max(V(out))

Weisen Sie jeder Größe MPP, IK und U0 eine Y-Achse zu und stellen Sie die Achsen ohne Nullpunktunterdrückung dar.




3.2.3 Einfluss der parasitären Widerstände Rs und Rp. (Die Datei „D:\PSpice-Solar\WI_SM1.SCH“ beinhaltet die benötigten Modelle für diese Aufgabe.) In diesem Fall sind die Abhängigkeiten der Ausgangskennlinien von den Innenwiderstän-den des Moduls zu untersuchen. Rs und Rp werden unter „Nested Sweep“ als globale Parameter mit den folgenden Werten eingetragen.

• für die Serienwiderstand Rs = 5Ω, 1Ω, 1mΩ • für die Parallelwiderstände Rp = 1MΩ, 380Ω, 100Ω

Für diese Versuche schalten Sie im Setup „Parametrics“ ab

• Stellen Sie die Kennlinien I = f(U0) und P = f(U0) dar. • Beschriften Sie die Punkte maximaler Leistung auf den Kennlinien. • Beschriften Sie die Punkte für Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung.

Weisen Sie jeder Größe I = f(U0) und P = f(U0) eine Y-Achse zu und stellen Sie die Achsen ohne Nullpunktunterdrückung dar.




3.2.4 Abhängigkeit von der Temperatur (Die Datei „D:\PSpice-Solar\SM1.SCH“ beinhaltet die benötigten Modelle für diese Aufga-be.) Da unter PSpice Temperaturanalysen etwas problematischer sind, wurde ein spezielles Modell entwickelt. Dieses Modell ist in der Bauteilbibliothek SOLAR.slb unter dem Namen NT122_Te zu finden. Das Bauteil wird gegen das bisher verwendete Bauteil Wi_SM_NT122 ausgetauscht. Außerdem müssen alle Parameterwerte außer RL entfernt werden. (Falls unter Macros die Werte MPP, Ik und U0 nicht zu finden sind, dann können diese von der Datei Wi_sm1_prb mit geladen werden.)

Schalten Sie für diesen Versuch im Setup „Nested Sweep“ und „Temperature“ ab. Der Lastwiderstand RL wird als „Global Parameter“ in „DC-Sweep“ unverändert gelassen und geben Sie in „Parametric“ folgende Werte ein.

• Stellen Sie die Kennlinien U0 = f(ϑ),Ik = f(ϑ) und MPP = f(ϑ) dar.

Macros: MPP = max(V(out)*(I(RL)) IK = max(I(RL)) U0 = max(V(out))

Weisen Sie jeder Größe MPP, IK und U0 eine Y-Achse zu und stellen Sie die Achsen ohne Null-punktunterdrückung dar.




3.2.5 Auswirkungen von Abschattungen (Die Datei „D:\PSpice-Solar\SM2.SCH“ beinhaltet die benötigten Modelle für diese Aufga-be.) In der Praxis werden mehrere Solarmodule zusammengeschaltet. Bauen sie mit dem Simulationsmodell Wi_SM_NT122 eine Reihenschaltung von 6 Modulen auf. Es soll die Veränderung des Ertrages durch Abschattung (bei Ee = 400 W/m2) oder Ausfall (Ee 0 W/m2) eines Moduls gezeigt werden. Alle anderen fünf Module werden mit Ee = 1000 W/m2 betrieben. Die entsprechenden Werte von Ee werden direkt einem Modul zugeordnet.

Die Parameter werden wie folgt eingestellt:




• Stellen Sie die Kurven I = f(U0) und P = f(U0) dar. • Beschriften Sie die Punkte maximaler Leistung auf den Kennlinien. • Welche Möglichkeiten bestehen, um den Totalausfall der Anlage zu vermeiden?

Weisen Sie jeder Größe I = f(U0) und P = f(U0) eine Y-Achse zu und stellen Sie die Achsen ohne Nullpunktunterdrückung dar.

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