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Maximum-Power-Point-Management - Facharbeit

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Maximum-Power-Point Management (MPP) - Wie
bekommt man die größte Leistung aus einer Solarzelle?
Verfasser:
Stephanie Mandern
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bekommt man die größte Leistung aus einer Solarzelle?
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TWG Facharbeit Maximum-Power-Point Management (MPP) - Wie bekommt man die größte Leistung aus einer Solarzelle? Verfasser: Stephanie Mandernach Lara Weller Kurs: Seminarfach Fachlehrer: Herr Scheunert Abgabetermin: 28/06/2021 Inhaltsverzeichnis 1. Erneuerbare Energien 1.1 Vor- und Nachteile erneuerbarer Energien 2. Solarenergie 2.1 Warum sollte man Solaranlagen verwenden? 2.2 Aufbau und Funktion 3. Maximum Power Point Management (MPP) 3.1 Diagramm 4. Versuch - Den Maximum-Power-Point unserer Solarzelle finden 4.1 Material 4.2 Versuchsaufbau und Durchführung 4.3 Ergebnisse 5. Das größte Solarkraftwerke der Welt 5.1 Noor Abu Dhabi 5.2 Grober Aufbau und Funktion eines Solarkraftwerkes 6. Fazit 7. Quellenverzeichnis 7.1 Bildverzeichnis 1 T~ ~ ~ 3500 600 000 1 2 2 2 7 7 8 8 9 9 1. Erneuerbare Energien 12Unter erneuerbarer Energie, auch regenerative Energie genannt, versteht man Energieträger/Energiequellen, die unendlich zur Verfügung stehen beziehungsweise praktisch unerschöpflich sind und sich verhältnismäßig schnell erneuern. Sie sind der Gegensatz zu fossilen Energieträgern wie Erdgas und Kohle, welche endlich sind oder sich erst über den Zeitraum von Millionen Jahren regenerieren. ERNEUERBARE ENERGIE LOWAS BIOENERGIE WASSERKROFT WASSLARAM of WINDENERGIE SOLARENERGIE 1.1 Vor- und Nachteile erneuerbarer Energien 3Erneuerbare Energien bringen sowohl Vor- als auch Nachteile mit sich. Einerseits sind sie in ihrer Nutzung umweltfreundlich, da sie keinen Verbrauch natürlicher Ressourcen benötigen und die Anlagen haben eine lange Lebensdauer. Andererseits jedoch hat die Nutzung auch große Eingriffe in Lebensräume, Überstauung von großen Flächen und hohe Investitionen zu Folge. Trotzdem haben sie sehr hohes Zukunftspotenzial, da sie gesellschaftlich schon heute am Liebsten gesehen werden. 1 https://www.next-kraftwerke.de/wissen/erneuerbare-energien 2 3 https://www.co2online.de/klima-schuetzen/energiewende/erneuerbare-energien/ https://de.m.wikipedia.org/wiki/Erneuerbare Energien Seite 1 Abbildung 1 2. Solarenergie 4Das Wort Solar stammt von dem...

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lateinischen Wort "solaris" ab, welches übersetzt "die Sonne betreffend" bedeutet. Als Sonnenenergie oder Solarenergie bezeichnet man die Energie der Sonnenstrahlung, die in Form von elektrischen Strom, Wärme oder chemischer Energie technisch genutzt werden kann. 2.1 Warum sollte man Solaranlagen verwenden? Die Verwendung einer Solaranlage steigert beispielsweise den Wert einer Immobilie. Außerdem stecken attraktive Fördermöglichkeiten dahinter. Es gibt niedrigere Heizkosten durch geringeren Verbrauch von Energieträgern wie Öl oder Erdgas. Die Umwelt wird durch weniger CO2-Emission als Beitrag zum Klimaschutz entlastet. Ebenso steigt der Komfort und die Effizienz mit moderner Anlagentechnik. 2.2 Aufbau und Funktion 56Solarzellen wandeln das eintreffende Sonnenlicht sofort in elektrische Energie um. Sie bestehen aus einem Material, das Silizium heißt und auf unserer Erde sehr häufig vorkommt, beispielsweise in ganz normalem Sand. In diesem Silizium sind winzig kleine Teilchen die sogenannten Elektronen. Wenn sie von den Strahlen der Sonne getroffen werden, bewegen sie sich. In den zwei Siliziumschichten passiert folgendes: Wenn Licht auf die obere Schicht (n-Schicht) trifft, dann werden frei bewegliche Elektronen in die untere Schicht (p-Schicht) verlagert. Durch die dadurch entstandene Spannung, die auf einen gewünschten Wert erhöht wird, kann die elektrische Energie sofort genutzt werden. --> Die Umwandlung von Licht in Strom nennt man auch 'Photoeffekt'. Deshalb heißen Solaranlagen auch Photovoltaikanlagen. 4 https://www.google.de/amp/s/kinder.wdr.de/tv/neuneinhalb/mehrwissen/lexikon/s/lexikon- solarenergie-100.amp 5 https://heizung.de/solartechnik/wissen/kurz-erklaert-die-solarzelle-und-ihr-aufbau/ 6 https://www.kesselheld.de/aufbau-solarzelle/ Seite 2 Aufbau einer Solarzelle n-dotiert Grenzschicht p-dotiert Metallkontakt Metallkontakt Leitbahn O + Ⓒ++ + Verbraucher Abbildung 2 In der n-dotierten Schicht sind frei bewegliche Elektronen in einem positiven Raum (Kristall). In der p-dotierten Schicht befinden sich positive Ladungen, auch Löcher genannt, in einem negativen Kristall. In der Grenzschicht sind Löcher und Elektronen, welche sich hintereinander festhalten und sich rekonstruieren. Aus reinen Elektronen werden gebundene Elektronen. Voraussetzung dafür ist, dass Licht auf die Grenzschicht trifft. Die gebundenen Elektronen werden durch Lichtenergie getrennt und dann anschließend wieder zum vorherigen Platz zurückkatapultiert. Solange Licht auf die Zelle strahlt, setzt sich der Kreislauf fort. Seite 3 3. Maximum Power Point Management (MPP) 78910Der Maximum Power Point auch MPP genannt, beschreibt den sogenannten Betriebspunkt, an dem die höchste Leistung der Solarzelle erzielt wird. Übersetzt ins Deutsche bedeutet es „Maximal-Leistungspunkt-Suche". Bei Solarzellen ist dieser optimale Betriebspunkt nicht konstant, sondern hängt unter anderem von der Bestrahlungsstärke, der Temperatur am Solarmodul und dem Typ der Solarzellen ab. Die Leistung der Solarzelle wird durch die Einstrahlungsstärke enorm beeinflusst. Scheint die Sonne von einem wolkenlosen Himmel, trifft mehr Strahlung auf die 7 https://photovoltaiksolarstrom.com/photovoltaiklexikon/maximum-power-point-mpp-tracking/ 8 https://www.zolar.de/blog/maximum-power-point-tracker 9 https://photovoltaiksolarstrom.com/photovoltaiklexikon/maximum-power-point-mpp-tracking/ 10 https://www.photovoltaik.org/photovoltaikanlagen/solarzellen/maximum-power-point einzelnen Solarmodule als an einem bewölkten Tag. Jedoch ändert sich die Bestrahlungsstärke im Laufe eines Tages mehrmals. So ist die Bestrahlungsstärke um die Mittagszeit am höchsten, zu Tagesbeginn, beziehungsweise zu Tagesende, nimmt sie ab. Die Stromstärke ,,I" steigt mit der Sonneneinstrahlung an. Außerdem wird die Leistung ebenfalls von der Temperatur des Solarmoduls beeinflusst. Diese ist abhängig von der Umgebungstemperatur und entsprechend in kalten Monaten niedriger als in warmen. Bei einer erhöhten Temperatur des Moduls, sinkt die Spannung "U" innerhalb der Solarzellen ab. Die größte Mögliche Leistung kann aus einer elektrischen Quelle entnommen werden wenn das Produkt von elektrischen Strom und elektrischer Spannung (U) sein Maximum erreicht hat. Man kann also sagen, dies entspricht dem Fall, dass der Innenwiderstand der Quelle gleich dem externen Lastwiderstand ist. Dieser Betriebspunkt wird allgemein als Leistungsanpassung (englisch Maximum Power Point, MPP) bezeichnet. Wie schon erkannt ist der Innenwiderstand oder der optimale Betriebspunkt mit maximaler Leistungsabgabe bei einer Solarzelle nicht konstant. Denn es hängt besonders von externen Faktoren wie der momentanen Bestrahlungsstärke und der Temperatur des Moduls ab. Dadurch wird der Lastwiderstand des Solarmoduls durch eine elektronisch gesteuerte Schaltung so beeinflusst, dass der Lastwiderstand laufend so eingestellt und nachgeführt wird, dass er fast exakt gleich dem momentanen Innenwiderstand der Solarzelle ist. Diese Ausführung ist dafür da, damit die Leistungsabgabe des Solarmoduls unter verschiedenen Betriebsbedingungen immer maximal ist. In der Praxis erfolgen die Einstellung des optimalen Betriebspunktes und dessen laufende Nachführung durch eine elektronische Schaltung, das MPP-Tracking. Das MPP- Tracking ist im Prinzip ein speziell auf diese Aufgabe optimierter Gleichspannungswandler. Dieser wird auf seiner Eingangsseite mit der Solarzelle verbunden, die bei veränderlichem Innenwiderstand durch den MPP- Trackinglogarithmus stets mit Leistungsanpassung betrieben wird. Seite 4 3.1 Diagramm 11Der Maximum Power Point der PV-Anlage wird in der Regel in einem Diagramm dargestellt. Dabei werden den Achsen die Werte I (Stromstärke) und U (Spannung) zugeordnet. Durch die Multiplikation beider Werte errechnet man das größte Produkt - den MPP. I P 0,1 0,2 0,3 0,4 11 https://de.wikipedia.org/wiki/Maximum_Power_Point_Tracking Seite 5 Abbildung 3 MPP 0,5 4. Versuch - Den Maximum-Power-Point unserer Solarzelle finden In einem Versuch haben wir versucht den Maximum-Power-Point unserer eigenen Solarzelle zu finden. Dazu haben wir mit zugehörigem Fachmaterial die benötigten Werte gemessen und berechnet. U 4.1 Material Für den Versuch benötigt man zwei Multimeter, mit denen einmal die Spannung und einmal die Stromstärke gemessen wird. Ebenso ein Potentiometer, mit welchem man den benötigten Widerstand einstellen kann und zuletzt eine kleine Solarzelle, sowie eine Lichtquelle, welche in unserem Fall eine Lampe ist. 4.2 Versuchsaufbau und Durchführung Die Lichtquelle, also die Lampe, ist an das normale Stromnetz angeschlossen und leuchtet auf die Fläche der Solarzelle. Die Solarzelle ist mit beiden Multimetern vernetzt, welche wiederum mit dem Potentiometer verkabelt sind, um unterschiedliche Widerstände einstellen und wirken zu lassen. Das Ziel unseres Experiments ist es den Maximum-Power-Point zu finden, also sprich der Innenwiderstand muss gleich dem externen Widerstand sein. Um den benötigten externen Widerstand rauszufinden haben wir den Widerstand mithilfe des Potentiometer in hunderter Schritten bis Tausend reguliert und mit den Multimetern die dazu passende Spannung und Stromstärke gemessen. Die beiden Werte, Spannung U und Stromstärke I, haben wir dann multipliziert und somit die elektrische Leistung P erhalten. Das Ergebnis mit dem höchsten Wert entspricht somit der bestmöglichen elektrischen Leistung. Von der Widerstandsskala von 100-1000 2 (in hunderter Schritten) hat in unserer Durchführung der Widerstand von 600 die bestmögliche elektrische Leistung P mit 45,24 mW erreicht (s. Tabelle 1). Um einen exakteren Wert zu finden haben wir uns nochmal in zehner Schritten an die 6000 angenähert. Dieser Vorgang hat uns zu dem Ergebnis gebracht, dass unsere Solarzelle die bestmögliche elektrische Leistung P mit 46, 11mW bei einem externen Widerstand von 6100 erreicht (s. Tabelle 2). 4.3 Ergebnisse Tabelle 1 Wider 100Ω 200Ω stand R Spann 1,0 V ung U Strom stärke I Solarzelle Elektri 9,7 mW sche Leistu ng P (U*I) 1,9 V 3000 2,8 V Lichtquelle (Lampe) 18,43 26,32 mW mW 400Ω 3,7 V 500Ω 4,4 V Potentiometer 5,2 V Seite 6 Multimeter Abbildung 4 600Ω 70022 5,6 V 34,04 38,72 45,24 44, 24 mW mW mW mW 80002 900Ω 5,9 V 9,7 mA 9,7 mA 9,4 mA 9,2 mA 8,8 mA 8,7 mA 7,9 mA 7,3 mA 6,7 mA 6,3 mA 6,1 V 43,07 mW 100022 40,87 mW 6,4 V 40, 32 mW Tabelle 2 Widerstand R Spannung U Stromstärke I Elektrische Leistung P (U*I) 590Ω 4,9 V 8,2 mA Abbildung 5 40,8 mW 5. Das größte Solarkraftwerke der Welt 600Ω 5,2 V 8,7 mA 45,24 mW betrieb-gegangen/ arabischen-emiraten-news36875 610Ω 5,3 V 8,7 mA 46,11 mW 5.1 Noor Abu Dhabi 1213Saudi-Arabien hat sich für die nächsten Jahre das Ziel gesetzt sich komplett selbst mit Sonnenenergie zu versorgen, wofür sie 200 Milliarden US-Dollar für einen Solarpark mit 200 Gigawatt Leistung einsetzen. 620Ω Erst im Jahr 2019 hatten die Vereinigten Arabischen Emirate (VAE) das aktuell noch weltgrößte Solarkraftwerk Noor Abu Dhabi in Betrieb genommen. Das neue Solarkraftwerk Noor Abu Dhabi befindet sich in der sonnenreichen Wüste der Vereinigten Arabischen Emirate (VAE) und soll künftig 90.000 Menschen mit sauberem Strom versorgen. Die 1.177 Megawatt (1,18 GW) Energie, die das Solarkraftwerk künftig produzieren soll, reduzieren nach Berechnungen die CO2-Emissionen Abu Dhabis um eine Millionen Tonnen. Das entspricht dem Kohlendioxidausstoß von ca. 200.000 Autos. Der Standort des Solarkraftwerkes befindet sich in Sweihan in Abu Dhabi auf einer Fläche von etwa 8 km2, wo rund 3,2 Millionen Solarmodule verbaut wurden. 5,5 V Seite 7 8,3 mA 43,99 mW 12https://www.iwr.de/news/weltgroesstes-solarkraftwerk-mit-2-000-mw-entsteht-in-den-vereinigten- 13 https://www.energiezukunft.eu/erneuerbare-energien/solar/weltgroesstes-solarkraftwerk-in- 14Mit den 3,2 Millionen installierten Solarmodulen in der arabischen Wüste, löst das Projekt den Longyangxia-Solarpark in China als bislang größtes Solarkraftwerk der Welt ab. Der bisherige Spitzenreiter hat eine Kapazität von 850 MW. In diesen Größenordnungen für einzelne Solarkraftwerke spielt Deutschland nicht mit. Denn der größte Solarpark steht in Brandenburg (Deutschland) mit einer Leistung von 145 MW. Wobei ein weiterer Solarpark in Brandenburg mit einer Kapazität von 175 MW in Planung ist. 5.2 Grober Aufbau und Funktion eines Solarkraftwerkes Thermische Solarkraftwerke erzeugen mithilfe der Sonne indirekt Strom. Die Sonne scheint auf große Spiegel, womit eine Flüssigkeit erwärmt wird. Diese erwärmte Flüssigkeit treibt eine Turbine an oder erzeugt direkt über einen angeschlossenen Generator der Mitte Strom. Die entstandene Wärme dient gleichzeitig noch für den Betrieb von Heizungen. Abbildung 6 6. Fazit Die Solarenergie ist einer der größten zukünftigen Hoffnungsträger in Bezug auf Energiegewinnung und Stromerzeugung. Die Menschheit hat mit der Solarenergie einen nahezu unerschöpflichen Energieträger, welcher zudem die Umwelt kaum belastet. Besonders mit der Erkenntnis des Maximum-Power-Point, mit welchem man die bestmögliche elektrische Leistung aus der Solarzelle nehmen kann, sind wir auf einem guten Weg die Umwelt zumindest in Bezug auf Energiegewinnung so gut wie möglich zu schonen. 14 https://www.wiwo.de/technologie/wirtschaft-von-oben/wirtschaft-von-oben-11-abu-dhabi-so- schnell-baute-abu-dhabi-das-groesste-solarkraftwerk-der-welt/24978528.html Seite 8 7. Quellenverzeichnis https://www.next-kraftwerke.de/wissen/erneuerbare-energien https://www.google.de/amp/s/kinder.wdr.de/tv/neuneinhalb/mehrwissen/lexikon/s/ lexikon-solarenergie-100.amp https://www.co2online.de/klima-schuetzen/energiewende/erneuerbare-energien/ https://de.m.wikipedia.org/wiki/Erneuerbare Energien https://www.kesselheld.de/aufbau-solarzelle/ https://heizung.de/solartechnik/wissen/kurz-erklaert-die-solarzelle-und-ihr-aufbau/ https://de.wikipedia.org/wiki/Maximum_Power_Point_Tracking https://www.zolar.de/blog/maximum-power-point-tracker https://photovoltaiksolarstrom.com/photovoltaiklexikon/maximum-power-point- mpp-tracking/ https://www.photovoltaik.org/photovoltaikanlagen/solarzellen/maximum-power- point https://www.iwr.de/news/weltgroesstes-solarkraftwerk-mit-2-000-mw-entsteht-in- den-vereinigten-arabischen-emiraten-news36875 https://www.energiezukunft.eu/erneuerbare-energien/solar/weltgroesstes- solarkraftwerk-in-betrieb-gegangen/ https://de.wikipedia.org/wiki/Maximum_Power_Point_Tracking 7.1 Bildverzeichnis Abbildung 1............ Abbildung 2... Abbildung 3............... https://de.wikipedia.org/wiki/Maximum_Power_Point_Tracking Abbildung 4............. Abbildung 5... den-vereinigten-arabischen-emiraten-news36875 https://www.iwr.de/news/weltgroesstes-solarkraftwerk-mit-2-000-mw-entsteht-in- Abbildung 6.......... dhabi-so-schnell-baute-abu-dhabi-das-groesste-solarkraftwerk-der-welt/ .3 .5 24978528.html .6 https://www.wiwo.de/technologie/wirtschaft-von-oben/wirtschaft-von-oben-11-abu- Seite 9 .8 Selbstständigkeitserklärung Hiermit erklären wir, Stephanie Mandernach und Lara Weller, dass wir die vorliegende Facharbeit selbstständig und ohne fremde Hilfe verfasst und keine anderen Hilfsmittel als die angegebenen verwendet habe. 27/06/2021 Insbesondere versichern wir, dass wir alle wörtlichen und sinngemäßen Übernahmen aus anderen Werken als solche kenntlich gemacht haben. Weller S. Mandernach Dillingen, den 27.06.2021 L. Weller, S. Mandernach