Wechselnden Verhältnissen gewachsen Netzunabhängige PV-Anlagen

Solarzellen haben im Hinblick auf Wirkungsgrad und Kostenstruktur ein Niveau erreicht, dass sie sich auch für den Einsatz in tragbaren Geräten, netzunabhängigen Straßenbeleuchtungen, zur Stromversorgung entlegener ländlicher Gebiete, entfernt gelegener Mobilfunk-Basisstationen und Anwendungen auf Land- und Wasserfahrzeugen eignen. Leider entstehen bei solchen Anwendungen infolge ungleichmäßiger Einstrahlung und wechselnd auftauchender Hindernisse Verluste. Dieser Beitrag analysiert das Anforderungsprofil eines für solche Anwendungen optimierten PV-Systems und stellt einen entsprechenden Solar-Laderegler vor.

Das wachsende Bewusstsein, dass sich die Produktion von Elektrizität aus fossilen Brennstoffen negativ auf die Umwelt auswirkt, sowie die steigenden Kosten der Energieerzeugung sind der Anlass dafür, dass in der Wissenschaft bemerkenswert viel Kapital und Engagement in erneuerbare Energien investiert wird.

Dass die Photovoltaik (PV) zu den vielversprechendsten neuen Technologien gehört, liegt an ihren geringen Auswirkungen auf die Umwelt, ihrer hohen Zuverlässigkeit, am Fehlen beweglicher und damit verschleißanfälliger Teile und ihrer Eignung für die dezentrale Energieerzeugung.

Der letztgenannte Aspekt macht diese Technik für die Versorgung ländlicher Regionen der Entwicklungsländer interessant, in denen ein Anschluss an das öffentliche Stromnetz zu teuer wäre oder gänzlich unmöglich ist. Netzunabhängige Installationen sind derzeit noch ein Nischenmarkt, da das öffentliche Stromnetz in den entwickelten Ländern für kleine Produzenten hinreichend weit ausgebaut und zuverlässig ist. Mit dem Vormarsch der PV-Anlagen in die ländlichen Regionen der Entwicklungsländer allerdings könnte das Segment der netzunabhängigen PV-Anlagen (Bild 1) aus ihrem Schattendasein heraustreten.

Eine netzunabhängige PV-Anlage, auch als Inselanlage bezeichnet, soll entlegene Häuser oder andere Verbraucher mit Energie versorgen, ohne zusätzliche Energie aus dem öffentlichen Netz zu beziehen. Eine solche Anlage besteht aus einem oder mehreren PV-Panels, einem Laderegler und einem Batteriesatz.

Um die Anforderungen zu verstehen, die an ein für mobile Anwendungen optimiertes netzunabhängiges PV-System gestellt werden, ist es sinnvoll, sich mit der vereinfachten Ersatzschaltung einer PV-Zelle auseinanderzusetzen und die Techniken kennenzulernen, mit denen sich ein Maximum an Energie aus einem PV-Panel herausholen lässt.

Charakteristik einer PV-Zelle

Typische Spannungs-Strom- (V-I) und Spannungs-Leistungs-Kennlinien (P-V) einer PV-Zelle sind in Bild 2 dargestellt. Die Leerlaufspannung (Open-Circuit Voltage, Voc) beträgt bei einer kristallinen PV-Zelle etwa 0,6 V und ist weitgehend unabhängig von der Stärke der Sonneneinstrahlung.

Wie viel Strom die Zelle liefert, hängt von der Einstrahlungsstärke, der Umgebungstemperatur, der Zellenfläche und der Spannung ab, mit der die Zelle betrieben wird.

Der »Maximum Power Point« (MPP) ist jener Betriebspunkt, an dem die maximale Leistung erzielt wird, an dem also das Produkt aus Zellenstrom (Imp) und Spannung (Vmp) ein Maximum erreicht.

Die Spannung am MPP beträgt ungefähr 80% von Voc. Ein PV-Modul besteht aus Reihenschaltungen mehrerer Zellen, so genannten Strings.

Jeder dieser Strings wird durch eine Bypass-Diode geschützt, um Schäden infolge Überhitzung zu verhindern, wenn eine oder mehrere Zellen verschattet oder defekt sind.

Die Strings wiederum werden zu Serien- oder Parallelschaltungen verbunden, um entweder mehr Spannung oder einen höheren Strom zu erhalten.

Unter idealen Bedingungen, also wenn die Einstrahlungs- und Temperaturbedingungen für alle Panels gleich sind, ähneln die V-I- und V-P-Kennlinien eines Moduls denen einer einzelnen Zelle, vom abweichenden Skalenfaktor einmal abgesehen.

Allerdings beeinflussen mehrere Faktoren die Energieausbeute eines PV-Moduls, nämlich der Zellenwerkstoff, die Intensität der Sonneneinstrahlung, die Zellentemperatur, der Lastwiderstand und die Fehlanpassung, beispielsweise hervorgerufen durch Verschattung einzelner Zellen:

  • Intensität: Wie schon erwähnt, ist der Ausgangsstrom einer PV-Zelle proportional zur Intensität der Sonneneinstrahlung, der sie ausgesetzt ist. Bild 3 zeigt V-I-Kennlinien bei verschiedenen Einstrahlungsstärken und Zellentemperaturen.
  • Zellentemperatur: Die MPP-Spannung (Vmp) sinkt mit zunehmender Temperatur, folglich rückt die gesamte V-I-Kennlinie bei steigender Temperatur nach links. Die Nennleistung eines Moduls wird deshalb unter standardisierten Prüfbedingungen ermittelt, die unter anderem eine homogene Einstrahlungsstärke von 1000 W/m2 und eine Temperatur von +25 °C vorsehen.
  • Lastwiderstand: Wenn das PV-Modul in netzunabhängigen Anwendungen direkt an eine Batterie angeschlossen ist, bestimmt die Batterie die Betriebsspannung des Moduls. Der Vmp-Wert des Moduls sollte hier deshalb höher sein und möglichst nah an der maximalen Betriebsspannung der Batterie liegen.
  • Fehlanpassung: Die von Fehlanpassung hervorgerufenen Verluste entstehen durch das Verbinden von Modulen, die unterschiedliche Eigenschaften aufweisen oder die unterschiedlichen Bedingungen (z.B. Einstrahlungsunterschiede durch Verschattung einzelner Zellen) ausgesetzt sind. Solch Verluste sind unter bestimmten Umständen ein gravierendes Problem in PV-Modulen und -Arrays, denn der Energieertrag des gesamten PV-Moduls bei Worst-Case-Bedingungen wird durch die Zelle mit dem niedrigsten Energieertrag bestimmt.

Wie sich Verschattung auswirkt

Da sämtliche Zellen eines Moduls in Reihe geschaltet sind, fließt in ihnen der gleiche Strom. Leider ist es damit aber auch die Zelle mit der geringsten Einstrahlungsstärke, die den Strom auch für alle anderen Zellen festlegt.

Hieraus erklärt sich, dass sich der Energieertrag eines Moduls dramatisch verschlechtert, auch wenn es nur teilweise verschattet ist. Wie extrem sich die Verschattung einer einzigen Zelle eines monokristallinen Moduls ohne interne Bypass-Diode auf das gesamte Modul auswirkt, zeigt Bild 4.

Eine einzige vollständige verschattete Zelle reduziert den Energieertrag des gesamten Moduls um 75 Prozent.

Bild 5 gibt die I-V-Kennlinie von zehn in Reihe geschalteten Zellen wieder, von denen nur eine einzige teilweise verschattet ist (rote Kurve).

Schwarz dargestellt ist die I-V-Kennlinie der Serienschaltung aus verschatteten und nicht verschatteten Zellen. Wie man sieht, kann der Strom aller Zellen zusammen nicht größer sein als der Kurzschlussstrom der verschatteten Zelle.

Bei niedriger Spannung teilen sich die Verluste durch den zusätzlichen Strom der nicht verschatteten Zellen nicht auf alle PV-Zellen gleichmäßig auf, sondern werden fast ausschließlich in der verschatteten Zelle »verbraten«.

Ein Hot-Spot entsteht. Parallelgeschaltete Bypass-Dioden zwischen den Zellengruppen dämpfen die Auswirkungen solcher Fehlanpassungen und vermeiden die destruktiven Auswirkungen lokaler Hot-Spots.

Bild 6 zeigt die V-I-Kennlinie mit einer verschatteten Zelle, wenn sich Bypass-Dioden zwischen den Zellengruppen befinden. Die Bypass-Dioden der nicht verschatteten Zellen sind in Sperrrichtung vorgespannt, sodass sie sich nicht auswirken. Anders bei der Diode der verschatteten Zelle: Sie erhält von den nicht verschatteten Zellen eine Spannung in Durchlassrichtung und ist deshalb leitend. An der verschatteten Zelle liegt eine Sperrspannung, die jedoch nur etwa -0,5 V beträgt.

Wie sich partielle Verschattung auf den Energieertrag auswirkt, lässt sich nicht mit einfachen Berechnungen vorhersagen, denn hier wirken sich viele Faktoren aus, wie etwa die interne Verschaltung der Zellen in einem Modul, die Ausrichtung des Moduls, die Struktur der Serien- und Parallelverbindungen im PV-Modul und die technischen Daten des Solar-Ladereglers.

Verschiedene Arten von PV-Controllern

Netzunabhängige PV-Anlagen erfordern besondere Solar-Batterieladegeräte zwischen den PV-Panels und der Batterie (Bild 1). Die Hauptaufgabe des Ladereglers in einer solchen PV-Anlage besteht darin, den Ladezustand der Batterie hoch zu halten und gleichzeitig ein Überladen zu verhindern, das zum Zersetzen des Elektrolyts mit entsprechender Gasbildung führen kann.

Verschiedene Arten von Ladereglern kommen in Betracht. Neben einfachen Lösungen mit den beiden Betriebszuständen »ein« und »aus« gibt es Regler, die mit einer Pulsbreitenmodulation (PWM) arbeiten. Diese laden die Batterie mit konstanter Spannung oder - was in PV-Anlagen am häufigsten vorkommt - mit konstantem Strom. Eine dritte Controller-Art sind die MPPT-Regler, die auch am teuersten sind. Sie eignen sich vorzugsweise für große Anlagen, in denen sich ein so teurer Regler schnell bezahlt macht.

Welche Vorteile ein MPPT-Regler tatsächlich bringt, richtet sich nach der Betriebstemperatur des PV-Moduls, dem Ladezustand der Batterie und der möglichen verschattungsbedingten Fehlanpassung der PV-Anlage. Um die Batterie zu laden, muss das PV-Modul eine Spannung erzeugen, die größer ist als die Maximalspannung der Batterie.