PV-Simulatoren Die Forschung und Entwicklung von Solaranlagen beschleunigen

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Solarstrom zur Energiegewinnung hat mittlerweile weltweit große Bedeutung erlangt, das Potenzial der Technologie ist jedoch noch lange nicht ausgeschöpft.

Die elementaren Bauelemente einer Photovoltaikanlage (PVA) sind die Solarzellen, mit denen das Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Je nach Anwendungszweck, Bauform und Größe werden verschiedene Herstellungsverfahren angewandt. Die am meisten verwendeten Solarzellen werden im Dickschichtverfahren hergestellt. Als Ausgangsmaterial dient meist ein mono- oder polykristalliner Siliziumblock, der in dünne, als Wafer bezeichnete Scheiben geschnitten wird.

Die Wafer haben einen Durchmesser zwischen 15 bis 30 Zentimetern und eine Dicke von etwa 200 µm. Bei der weiteren Verarbeitung werden diese gereinigt und poliert, um eine Oberfläche zu erhalten, die frei von Verunreinigungen und Kratzern ist. Ein wichtiger Arbeitsgang ist das Dotieren des Halbleitermaterials mit Fremdatomen. Damit wird die Leitfähigkeit des Ausgangsmaterials erhöht.

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Beim Dotieren unterscheidet man zwei Arten:

• n-Dotierung: Die dem Licht zugewandte Seite der Solarzelle wird mit fünfwertigem Material, z. B. Phosphor oder Brom angereichert.

• p-Dotierung: Die Rückseite wird mit einem dreiwertigen Material angereichert. Bevorzugte Materialien sind hier Bor, Indium oder Gallium. Der Einfachheit halber erfolgt die p-Dotierung oft auch schon bei der Herstellung des kristallinen Siliziumblocks.

Nach dem Dotieren sind zwei Schichten mit unterschiedlichen Ladungsträgern vorhanden, die an der pn-Übergangszone durch ein elektrisches Feld getrennt sind. Bei Sonneneinstrahlung bildet sich durch den Photoeffekt ein Potenzialunterschied, der als elektrische Spannung abgegriffen werden kann (Bild 1).

Aufgrund physikalischer Gesetze kann eine Solarzelle lediglich Gleichspannung erzeugen. Die Ausgangsspannung liegt zwischen 0,5 und 0,8 V und hängt im Wesentlichen von der Reinheit des Ausgangsmaterials und dem Dotierungsgrad ab.

Nach Anbringen der Anschlusselektroden können mehrere Zellen zu einer größeren Einheit, dem sogenannten Solarmodul zusammengefügt werden. Ein Metallrahmen mit integrierter Glasscheibe und Schutzschicht an der Oberseite sorgt für mechanische Stabilität und verhindert gleichzeitig das Eindringen von Staub und Wasser. An der Unterseite des Moduls sind die Solarzellen in Kunststoff oder Harz eingebettet. Je nach gewünschter Ausgangsspannung U_a werden unterschiedlich viele Module in Stränge (engl.: String) hintereinandergeschaltet. Zur Leistungssteigerung sind auch Kombinationen aus Reihen- und Parallelschaltung möglich. Mehrere Strings miteinander verschaltet bilden letztendlich den Solargenerator (Bild 2).

Komponenten einer Photovoltaikanlage

Die wirtschaftliche Nutzung einer Solaranlage hängt von vielen verschiedenen Faktoren ab, wie zum Beispiel der Größe, dem Standort der Solaranlage sowie der gewünschten Leistung. Daher ist es wichtig, die verschiedenen Komponenten entsprechend ihrem Verwendungszweck sorgfältig auszuwählen und zu installieren.

Wechselrichter (Inverter)

Wechselrichter dienen dazu, Gleichstrom in sinusförmigen Wechselstrom umzuwandeln. In der Energietechnik werden sie beispielsweise zur Netzankopplung eingesetzt, um elektrische Energie in ein Wechselstromnetz einzuspeisen.

• Modulwechselrichter: auch Mikrowechselrichter genannt, werden direkt an den Solarmodulen einer Solaranlage installiert, d. h. jedes Modul hat seinen eigenen Wechselrichter. Sie finden hauptsächlich Verwendung bei Mini-Solaranlagen oder Balkonkraftwerken.

• Stringwechselrichter: werden für Solaranlagen verwendet, die aus mehreren Strängen bestehen. Jeder Strang hat seinen eigenen Wechselrichter. Der Vorteil ist, dass sie eine höhere Effizienz und Flexibilität bieten, da sie an die Leistung jedes Strangs angepasst werden können.

• Multistringwechselrichter: unterscheiden sich von einem Stringwechselrichter dadurch, dass sie in der Lage sind, die Gleichspannung von mehreren Strängen gleichzeitig in Wechselspannung umzuwandeln. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Solaranlage aus sehr vielen Modulen besteht, die in mehreren Strängen zusammengefasst sind.

• Zentralwechselrichter: werden meistens für große Photovoltaikanlagen auf Freiflächen mit hoher Leistung eingesetzt. Die Stränge aller Module werden zentral auf nur einen Wechselrichter zusammengeführt. Unter homogenen Bedingungen für das gesamte System hinsichtlich Ausrichtung, Sonneneinstrahlung usw. überzeugen Zentralwechselrichter mit einem besonders hohen Wirkungsgrad.

Leistungsoptimierer

Leistungsoptimierer sind in der Regel an der Unterseite von Solarmodulen angeschlossen. Durch regelmäßige Messungen wird die Leistungskurve des Moduls analysiert. Ergeben sich Leistungseinbrüche z. B. wegen temporär wiederkehrenden Verschattungen, verursacht durch Bäume oder Gebäude, wird die Leistungskurve angepasst, damit das Modul immer am Maximal-Leistungspunkt (MPP, Maximal Power Point) arbeitet. Zudem übertragen moderne Optimierer drahtlos die Leistungsdaten des entsprechenden Moduls an eine Datenerfassungseinheit. Dadurch können Unregelmäßigkeiten im System durch kontinuierliche Fernüberwachung frühzeitig erkannt werden.

Schnellabschalt-Module

Bei Abschaltmodulen handelt es sich um Schalter, die es ermöglichen, Solarstromanlagen zu Wartungsarbeiten oder in Notfällen schnell vom Stromnetz zu trennen. Bislang sind noch nicht alle Solaranlagen mit einer Schnellabschaltung ausgestattet. Es ist jedoch davon auszugehen, dass die Umsetzung von Sicherheitsmaßnahmen mit fortschreitender Technologie immer mehr an Bedeutung gewinnt.

Energiespeicher

Einfache Energiespeicher aus einem Akku und einem Laderegler. Der Akku speichert den Gleichstrom, der von den Solarmodulen erzeugt wird. Der Laderegler steuert den Lade- und Entladevorgang des Akkus und schützt ihn vor Überladung oder Tiefentladung. Am bekanntesten ist der Bleiakkumulator, der aber wegen seines hohen Gewichts und verhältnismäßig geringer Energiedichte immer mehr von Lithium-Ionen-Speichern verdrängt wird. Lithium-Ionen-Akkus sind außerdem weniger wartungsintensiv und zeichnen sich durch eine höhere Lebensdauer aus. Bei größeren Anlagen, die aus mehreren Speichermodulen bestehen, kommt zusätzlich ein Batterie-Management-System (BMS) zum Einsatz, mit dem weitere Parameter wie Temperatur, Lade- und Entladezyklen usw. überwacht und gesteuert werden können.

Verkabelung, Steckverbindungen (IEC 62852; IEC 61730)

Kabel und Stecker verbinden die einzelnen Komponenten untereinander. Sie sorgen dafür, dass die elektrische Energie sicher und effizient transportiert wird und müssen für den Außenbereich geeignet sein. Insbesondere müssen sie den geltenden Normen und Vorschriften entsprechen, um Überlastungen, Kurzschlüsse, Brände und elektrische Schläge zu verhindern. Die Auswahl der richtigen Verkabelung hängt von verschiedenen Faktoren ab, z. B. der Art und dem Umfang der elektrischen Anwendung, der Spannung, dem Strom, der Feuchtigkeit, der Umgebungstemperatur und dem Schutzgrad.

Der Einsatz von Simulatoren in der Forschung und Entwicklung

Die Integration von PV-Technologien in Gebäuden, Verkehrswegen sowie an Plätzen des öffentlichen Lebens und ihre Einbindung in Agrar- und Wasserflächen erschließt enorme Ertragsflächen mit einem hohen wirtschaftlichen Potenzial. Simulatoren tragen bei der Entwicklung und Forschung dazu bei, innovative und nachhaltige Lösungen bei erneuerbaren Energien voranzutreiben.

Der Solar-Array-Simulator IT-N2100 von Itech ist eine Hochleistungs-Gleichstromquelle mit speziellen Funktionen zum Testen und Nachbilden der Ausgangs-Charakteristik von Solaranlagen und deren Komponenten. Verschiedenen Einflussfaktoren wie Temperatur, Licht oder Verschattung lassen sich präzise und wiederholbar simulieren. Der IT-N2100 hat eine geringe Restwelligkeit und Rauschen und unterstützt synchrone Mehrkanalsteuerung. Somit eignet er sich besonders zum Test von Mikrowechselrichtern, Leistungsoptimierern, Energiespeicher, Satellitenstromsystemen usw. Nun die Funktionen im Einzelnen:

Nachbildung der I/U-Kennlinie

Die I/U-Kennlinie beschreibt das Verhältnis zwischen dem elektrischen Strom I und der elektrischen Spannung U einer Solarzelle oder Solarmoduls abhängig von der Beleuchtungsstärke, der Temperatur und dem Lastwiderstand. Die Kennlinie zeigt, wie sich die Leistung in Abhängigkeit von der Spannung ändert. An dem Punkt, an dem das Produkt aus Strom und Spannung maximal ist, wird die maximale Leistung erreicht. Dieser Punkt heißt Maximum Power Point (MPP). Anhand der I/U-Kennlinie von Solarzellen können Photovoltaikanlagen dimensioniert und optimiert werden.

Mit der MPP-Tracking-Funktion wird der Wirkungsgrad anhand bekannter Kenndaten des Prüflings überprüft. Dazu werden die zu erwartenden Werte mit den gemessenen Werten verglichen, d. h. es findet ein Soll/Istwert-Vergleich statt. Mittels der Software können Prüfstandards wie Sandia oder EN50530 ausgewählt werden. Die I/U-Kurve wird aus bis zu 4.096 Datenpunkten gebildet. Der im Test ermittelte Wirkungsgrad wird im automatisch generierten Testbericht dokumentiert. Abweichungen vom Sollwert weisen darauf hin, dass das betreffende Bauteil entweder defekt, verschattet oder verschmutzt sein könnte.

Integrierte PV-Modi

Das Gerät IT-N2100-Serie verfügt über fünf integrierte Modi, welche die I/U-Kennlinien von Mikrowechselrichtern, Leistungsoptimierern und anderen Komponenten sehr schnell simulieren. Weitere Geräte-Kenndaten können über einen USB-Anschluss importiert werden.

Datenaufzeichnung und Anzeige in Echtzeit

Sofort nach dem Einschalten des Prüflings werden Spannungs-, Strom- und Leistungskurven auf dem Display angezeigt. Alle Prüfdaten können in Echtzeit auf einem USB-Stick abgespeichert werden. Mit den verfügbaren Dateiformaten .csv und TDMS (Technical Data Management Streaming) sind die Daten einfach analysierbar und leicht weiter zu verarbeiten.

Integrierte Software zur Simulation von Solaranlagen

Es können verschiedene komplexe Wetterbedingungen bzw. durch internationale Normen definierte Testmuster geladen oder nachgebildet werden. Mit Hilfe der PV-Software können 20 Kanäle synchron gesteuert werden, die sich für die Prüfung von Mikrowechselrichtern und Leistungsoptimierern eignen.

Schnittstellen

Alle Geräte der Serie IT-N2100 verfügen über USB- und LAN-Schnittstellen mit SCPI-Protokoll (Standard Commands for Programmable Instruments), die zur Kommunikation mit der PC-Software und Fernsteuerung verwendet werden können. Über die USB-Schnittstelle an der Vorderseite können Testdaten importiert und exportiert werden.

PV-Simulatoren werden verwendet, um die Qualität und Zuverlässigkeit von Bauelementen zu untersuchen und um Probleme zu identifizieren. Zukünftig werden sie eine noch wichtigere Rolle spielen, weil neue Materialien vorab erforscht werden und sich daraus ganz neue Perspektiven für die Photovoltaik eröffnen.

Vertriebspartner von Itech in Deutschland ist LXinstruments. (tk)

* Winfried Puschmann arbeitet als technischer Redakteur im Marketing bei LXinstruments.

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