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Die richtige Belastung fürs Solarmodul! – Grundlagen Teil 3

MPPT Arbeitsbereich

Wie ein Solarpanel aufgebaut ist und wie es funktioniert, habe ich in den vorherigen Artikeln behandelt. Wird das fertige Solarpanel nun der Sonnenstrahlung ausgesetzt, ist es in der Lage eine Spannung zu erzeugen und über eine angeschlossene Last einen Strom fließen zu lassen. Da es aber nicht so einfach ist wie es sich anhört, gibt es ein paar Dinge zu beachten. Lasst und gleich voll ins Thema einsteigen mit der Frage: Was muss denn beachtet werden? Dazu schauen wir uns auch gleich die erste Möglichkeit an, wie der Strom aus unserem Solarpanel genutzt werden könnte. Viel Spaß beim Lesen!

Inhalt

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Die Last direkt am Modul anschließen?

Diese Anwendung ist absolut nicht gebräuchlich aber sollte dennoch einmal betrachtet werden, da sie uns einen Aufschluss gibt, wie die heutige Technik entstanden ist: Der direkte Anschluss eines ohmschen Verbrauchers an die Ausgangsanschlüsse des Solarpanels.

Wie aus den Grundlagen der Physik bekannt, kommt hier das ohmsche Gesetz zum Tragen und besagt folgendes:

Die Größe des angelegten Widerstandes und die Größe der vom Solarmodul erzeugten Spannung bestimmen die Höhe des Stromflusses. Hier ergibt sich allerdings folgendes Problem: Die Spannung U ist nicht konstant. Nimmt die Einstrahlung der Sonne ab, sinkt die Leistungsfähigkeit des Solarmodul.

Dabei passiert folgendes:
Wenn die einfallende Photonenstrahlung der Sonne abnimmt, verringert sich die Elektronenmenge die im p-n-Übergang aus ihrer Verbindung gelöst wird (siehe dazu auch das Kapitel „Aufbau einer Photovoltaik-Zelle“ aus meinem Artikel „Photovoltaik Grundlagen Teil 1“). Ab einem gewissen Punkt, der abhängig von der Höhe des angelegten Widerstandes und des dadurch fließenden Stromes ist, sind nicht mehr genug Ladungunterschiede an den Außenseiten der Siliziumplatten vorhanden. Die Spannung würde einbrechen und somit auch der Stromfluss.

Durch diese Abhängigkeiten kann in dieser Variante nicht das volle Leistungspotential ausgeschöpft werden, da immer mit Verschattungen durch Wolken oder Gebäude gerechnet werden muss.

Da die erzeugte Spannung des Solarpanels die Grundlage für einen Stromfluss bildet, müsste sie so konstant wie möglich gehalten werden. Dabei haben die Hersteller der Solarpanele diverse Versuche und Messungen durchgeführt und konnten einen optimalen Arbeitspunkt bestimmen. Dieser wird als Maximum Power Point, nachstehend als MPP, bezeichnet. Was sagt dieser aus und wo ist er zu finden?

Maximum Power Point (MPP)

Da der MPP von Modul zu Modul unterschiedlich ist, hilft hier der Blick ins Datenblatt des Hersteller. Ich möchte das am Beispiel meiner Panels einmal aufzeigen. Bei mir sind die Module JW-D72N-410 der Firma Jollywood in Betrieb. Bei einem Blick ins Datenblatt trifft man auf der zweiten Seite auf folgende Ansicht:

Datenblatt Solar Panel JW-D72N Series Page 2

Um den MPP nun genauer zu betrachten sind diese Tabelle:

Und diese Strom-Spannung (I-U) Kennlinie wichtig:

Der Hersteller gibt für das 410er Modul eine MPP Voltage und einen MPP Current an. Da es zwei wichtig Verfahren (STC und NOCT) gibt, um den MPP zu benennen, sind diese hier auch hinterlegt. Zur Erklärung nehme ich aber Bezug auf die STC-Tabelle.
Die MPP-Voltage beträgt 42,1 Volt und der MPP-Current 9,74 Ampere. Würde man die Punkte auf der I-U-Kennlinie einzeichnen, sieht das ganze so aus:

MPP Maximum

Der optimale Arbeitspunkt für dieses Modul liegt im oberen Kurvenbereich, und zwar 500mA bevor der Kurzschlussstrom (10,24 Ampere) erreicht ist. Des weiteren fällt auf, dass die Kurven in den jeweiligen Leistungsabstufungen relativ parallel über einander verlaufen. Würde man die Arbeitspunkte gemäß den jeweiligen Abstufungen, in Anlehnung an die maximale Leistung, nun Eintragen sehe das so aus:

MPP in den einzelnen Leistungsstufen

Dabei fällt auf das sich bei den Leistungen eine recht konstante und nahezu rechtwinklige Linie bei der Spannung (Zeichnungs Toleranzen sind vorhanden) abzeichnet und sich nur der Strom reduziert. Somit ist zu Erkennen, das bei einem optimalen Betrieb der Solarpanels die Betriebsspannung nahezu gleich bleibt. Um das zu erreichen müsste also der angeschlossene Widerstand veränderbar sein und die Erzeugerspannung von der Verbraucherspannung entkoppelt werden. Da es sich um eine reine Gleichspannung handelt würde sich ein DC/DC Wandler oder Gleichspannungswandler anbieten.

DC/DC Wandler

Ein Gleichspannungswandler hat die Aufgabe eine Eingangsspannung U1 in eine Ausgangsspannung U2 zu transformieren oder zu invertieren. Das Schaltbild dazu sieht so aus:

In der Anwendung mit Solarmodulen soll der Gleichspannungswandler die Erzeugerspannung möglichst konstant halten und den Modulstrom so regeln, dass sich ein möglichst effektiver Arbeitspunkt einstellt, der sehr nahe am MPP ist. Und wie oben bereits erwähnt schafft er das nur, indem sich der Widerstand am Eingang des Wandlers verändert. Daher kann der Spannungswandler auch als Impedanzwandler gesehen werden, da er auf die gleiche Weise funktioniert.

Betrachtet man die Technik hinter solchen Gleichspannungswandlern und die Vielzahl an Schaltungen, sind zwei Schaltungen für den Einsatz mit Solarpanelen sehr interessant: Der Abwärtswandler und der Aufwärtswandler.

Abwärtswandler; Wdwd, Buck converter, CC BY-SA 3.0
Aufwärtswandler; Wdwd, Boost converter, CC BY-SA 3.0

Beide Schaltungen sind vom Prinzip fast gleich aufgebaut. Der Unterschied liegt darin, dass beim Abwärtswandler die Ausgangsspannung U2 kleiner als die Eingangsspannung U1 (Solarpanel). Beim Aufwärtswandler ist es andersrum: U2 ist größer als U1. Dadurch kommt eine kleine Änderung der Bauteilanordnung zustande.

 

Zur Funktion: in beiden Schaltungen befindet sich ein Schaltelement, dass über eine Taktung die Eingangsspannung U1 schaltet. Das Prinzip, dass sich dahinter verbirgt, nennt sich Puls-Weiten-Modulation (PWM). Es wird dabei eine feste Periodendauer T festgelegt und die Einschaltdauer, oder die Puls-Weite, TE variiert. Das sieht in einem Spannungs-Zeit-Liniendiagramm wie folgt aus:

Die Periodendauer T ist mit 1 Mintue in diesem Beispiel festgelegt, Die Puls-Weite TE variiert.

Durch die Bauteilanordnung entstehen nun an dem Ausgang eine höhere oder niedrigere Spannung als an U1. Wer sich hier für die genaueren Details interessiert, kann mich gerne Anschreiben.

Es lässt sich nun über die Modulation der Puls-Weite die Ausgangsleistung regeln. Da dies in der Schaltung so noch nicht vorgesehen ist, wird nun eine Regeleinheit benötigt, die diesen Part übernimmt. Da kommt der MPP-Tracker, nachstehend MPPT, ins Spiel

Wichtig!

Bei dem Teil „DC/DC-Wandler“ handelt es nicht um die Technik die bei PWM-Regler zum Einsatz kommt. Geräte die mit einem PWM-Regler verkauft werden, funktionieren nochmal anders und sind vom Wirkungsgrad etwas schlechter.

MPP-Tracker (MPPT)

Wer sich schonmal nach Wechselrichtern oder Ladereglern für Photovoltaik-Anwendungen umgeschaut hat, dem wird der Begriff MPPT regelrecht ins Gesicht gedrückt. Was steckt dahinter?

Beim MPPT wird am Ausgang des Gleichspannungswandlers die aktuelle Leistung gemessen. Der MPPT macht nun nichts anderes als die Leistung durch ständige Anpassungen der Puls-Weite zu erhöhen, bis das Maximum erreicht ist und die Leistung wieder kippen würde. Dies lässt sich anhand einer weiteren Kurve, die aus dem Datenblatt des Solarpanels kommt, veranschaulichen:

MPPT Arbeitsbereich
Hier in Grün eingezeichnet der Arbeitsbereich des MPPT auf der 1000W/m2 Kennlinie

Der MPPT arbeitet demnach immer im Bereich der Spitze und regelt je nach Verhältnis und aktuellem Wert vor und zurück. Das macht er kontinuierlich. Er findet somit zwar nicht den exakten Punkt des MPP, befindet sich mit dem eingestellten Arbeitspunkt aber immer in dessen unmittelbarer Nähe. Dabei handelt es sich um das sogenannte „Suchschwingverfahren“ oder „Perturb and Observe“. Es gibt auch andere Entwicklungen diesbezüglich, aber dieses Verfahren scheint das Gebräuchlichste zu sein. Damit ist der MPPT in der Lage zum einen das Maximum aus dem Solarpanel rauszuholen und auf Änderungen durch Verschattungen zu reagieren. Je nach Zustand der einfallenden Sonnenstrahlung arbeitet der MPPT immer die bestmöglichen Arbeitspunkte heraus.

Zusammenfassung

Mit dieser technischen Entwicklung können heutige Solarmodule ziemlich effizient genutzt werden und machen den Ertrag schon sehr rentabel. Der MPPT bildet dabei quasi die aktive Regelung, die auf den DC/DC-Wandel einwirkt, um das bestmögliche Ergebnis zu erzielen. Der Strom aus dem Solarmodul ist damit also schonmal stabilisiert und auf das Maximum ausgerichtet. Wie geht es nun weiter? Hier kommt, meiner Meinung nach, der interessante Teil in einer Solaranlage, da hier die meisten Möglichkeiten vorhanden sind. Freut euch also schon auf den nächsten Artikel. Bis dahin bleibt gesund!

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