Tagchen, Da mein aktuelles Projekt eine Solarzelle beinhalten soll, habe ich mich etwas über deren Funktion informiert, jedoch noch Verständnislücken. Elektrische Eigenschaften: Nennspannung 4 V Leerlaufspannung 4,8 V Nennstrom 80 mA Ich stelle mir gerade die Strom-Spannungs-Kennlinie vor, bei der bei einer bestimmten Spannung die maximale Leistung aus dem Modul generiert wird. Wahrscheinlich ist die Nennspannung und Nennstrom genau dieser punkt, sehe ich das richtig? Bei höherer Spannung würde der Strom signifikant sinken, bis schlussendlich kein Strom mehr fließt bei 4,8V. Richtig? Im Umkehrschluss bedeutet dass, dass eine Last genau R = U/I = 4/0,08 = 50Ohm haben sollte, damit die maximale Leistung aus dem Modul fließt. Ein niedrigerer Widerstand würde bedeuten, dass dennoch 80mA fließen, aber eine geringere Spannung abfällt. Auch richtig? Habe ich nun einen 100Ohm widerstand, würde der Spannungsabfall für 80mA 8V betragen, der Strom würde also sinken, bis er sich irgendwo zw. 4 und 4,8V einpendelt, z.B. bei 45mA @ 4,5V. Ebenso richtig? Solange also der Spannungsabfall unter 4V bleibt, habe ich grob gesagt einen konstanten Strom (Temperaturveränderungen etc. unbeachtet). Möchte ich nun also einen Akku laden, so habe ich mit einem Solarmodul eine Konstatnstromquelle, die den Akku kontinuierlich lädt, solange die Spannung des Akkus unter 4V bleibt? (Unbeachtet ob der Akku nun überhaupt soweit geladen werden darf). Es geht mir nur um das prinzipielle Verständnis :). Grüße und danke schonmal!
Sieh dir am Besten mal die Kennlinie einer Solarzelle an. Die müsste sogar bei Wikipedia auffindbar sein. Diluvian schrieb: > Im Umkehrschluss bedeutet dass, dass eine Last genau R = U/I = 4/0,08 = > 50Ohm haben sollte, damit die maximale Leistung aus dem Modul fließt. Nur bei der Normeinstrahlung vom 1000 W/m^2. Denn das ist der Normwert. Wäre ja blöd, wenn die Hersteller realistische Werte angeben müssten. Diluvian schrieb: > Ein niedrigerer Widerstand würde bedeuten, dass dennoch 80mA fließen, > aber eine geringere Spannung abfällt. Mehr. Bei der maximalen Leistung ist der Strom schon etwas abgefallen. Diluvian schrieb: > Solange also der Spannungsabfall unter 4V bleibt, habe ich grob gesagt > einen konstanten Strom Unter vielleicht 3,5 V bleibt der Strom ganz gut konstant.
Hi Dussel, danke für die Rückmeldung. Das mit dem konstanten Strom war vllt. zu sehr hervorgehoben. Also es wandert eben entlang der Stromkennlinie, das hab ich denk ich verstanden :-). Ich habe das aber richtig verstanden mit dem Akku oder? Die Akkuspannung steigt je länger der Strom hineinfließt, irgendwann ist die Akkuspannung so hoch, dass die Solarzelle in den Bereich kommt, bei dem die Solarzelle kein Strom mehr liefert (4,8V) und es ist kein weiteres Laden mehr möglich (ohne Hochsetzsteller oder andersweitige Schaltungen)(Ich gehe jetzt davon aus, dass der Akku mehr als 4,8V aushält).
Diluvian schrieb: > Da mein aktuelles Projekt eine Solarzelle beinhalten soll, habe ich mich > etwas über deren Funktion informiert, jedoch noch Verständnislücken. Frag mal Einstein. Der hat für diese Erfindung den Nobelpreis bekommen. :-)
> Bei höherer Spannung würde der Strom signifikant sinken, > bis schlussendlich kein Strom mehr fließt bei 4,8V. > Richtig? Du hast Ursache und Wirkung vertauscht. Die Spannung hängt vom Strom ab, nicht umgekehrt. Wenn kein Strom fließt, erreicht die Spannung ihr Maximum. > dass eine Last genau 50Ohm haben sollte, damit die > maximale Leistung aus dem Modul fließt. Ja. > 100Ohm widerstand .. bis er sich irgendwo zw. 4 und 4,8V > einpendelt, z.B. bei 45mA @ 4,5V. Ja. > Solange also der Spannungsabfall unter 4V bleibt, > habe ich grob gesagt einen konstanten Strom Nein, keinesfalls. Der Strom, den eine Solarzelle liefern kann, hängt stark vom Lichteinfall ab und nur wenig von der Spannung. Hauptsache, der Akku hat weniger Spannung, als die Solarzelle - sonst fließt je nach Solarzelle entweder gar kein Strom oder er fließt in die falsche Richtung (der Akku wird entladen). Für Motorräder eignet sich ein 18V 40mA Modul (z.B. von Conrad) mit einer Diode in Reihe ohne Laderegler. Die Spannung bricht von ganz alleine aufgrund des Stromes ein. Wichtig ist, dass entweder a) der Ladevorgang bei Erreichen der Ladeschluss-Spannung beendet wird, oder b) der Ladestrom gering genug ist, dass Dauerladen der Batterie nicht übermäßig schadet.
Stefan U. schrieb: > Du hast Ursache und Wirkung vertauscht. Die Spannung hängt vom Strom ab, > nicht umgekehrt. Wenn kein Strom fließt, erreicht die Spannung ihr > Maximum. Strom fliesst im Leerlauf schon, und zwar innerhalb der Solarzelle. Das ist ja schliesslich eine Stromquelle mit einem Strom direkt abhängig von der Helligkeit, in der intern dummerweise Dioden in Leitrichtung geschaltet sind. So kann man aussen nur Strom abzweigen, wenn die Spannung am äusseren Verbraucher kleiner ist als die Leitrichtungsspannung der Dioden. Nein, das sind nicht immer 50 Ohm weil die Sonne nicht immer mit 1000W/m2 scheint sondern die optimale Belastung hängt von der Helligkeit ab.
Nennspannung und Nennstrom haben nicht direkt mit den optimalen Werten der Zellenbelastung zu tun. Nennspannung sagt etwas über die Zahl der Zellen und ihren Innenaufbau aus: soundsoviel U liefert die Zelle im Leerlauf. Nennstrom sagt etwas aus, wie die Zuleitungen aufgebaut sind, also wann der maximal mögliche Entnahmestrom überschritten wird oder wieviel Strom bei 1kW/m² erzeugt wird. Zusätzlich kommt dazu dann die Tatsache, dass der Strom durch Photonen erzeugt wird, also direkt mit der Lichtintensität zusammenhängt. Deshalb ist eine Solarzelle in erster Näherung eine Konstantstromquelle: Was durch das Licht an freien Elektronen erzeugt wird, ist nicht abhängig von der Spannung an der Zelle sondern von der Beleuchtung und den dabei wirksamen Photonen. Wird die Zelle zu niederohmig belastet, sinkt die Spannung schlagartig und damit die abgegebene Leistung, denn mehr als den Photostrom kann die zelle nicht liefern. Es entsteht als Kennlinie annähernd ein Rechteckkurve und der optimale Arbeitspunkt ist in etwa in der Ecke dieser Kurve. Eine Solarzelle hat nicht nur eine Kennlinine, sondern zu jeder Beleuchtungsstärke eine andre. Dazu gehört dann auch zu jeder Beleuchtung ein andrer Belastungswiderstand. Der Regler sollte also bei Entladung die Spannung überwachen und beim Unterschreiten einer Spannungsgrenze die Belastung entsprechend zurücknehmen. Anders gesagt: Bei Unterschreiten einer vernünftigen Grenze ändert der Regler den Belastungswiderstand auf einen höheren Wert.
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Im Klartext: Unter realistischen Bedingungen hier in Deutschland oder auch gesamten Mittel- und Nordeuropa sind portable Größen von Solarmodulen fast als Selbstverars... zu werten. Ein "olles" Portables Solarmodul mit einer Leistung von z.B. 10W (Hersteller/Verkäuferangabe)ist schon groß und unhandlich. Wenn dann die bei "uns" durchschnittlich unter realen Einsatzbedingungen mögliche betrachtet wird kann man nur noch laut lachen. Photovoltik ist leider nur sehr begrenzt sinnvoll wenn man künstliche Tricks wie Förderung, Ökostrompreise etc. mal außer acht lässt. Weitab von Stromnetzen Einrichtungen und Gebäude mit relativ geringen Energiebedarf im unteren kW Bereich mögen die Ausnahme sein. Schaut auch mal an wie groß und teuer ein Solarmodul sein müsste um zu garantieren das ein Notebook oder auch nur ein Smartphone ohne Zugang zum Stromnetz oder großen Akkus (Auto) bei "normaler" Nutzung zu jeden Zeitpunkt sicher betrieben zu können - dafür braucht der (nachgeladene) Geräteakku nicht mal 100% voll sein - und trotzdem wird es mit tragbaren Modulgrößen unter in der Realität nie funktionieren (Schlechtwetter, Suboptimale Ausrichtung usw.) Praktiker
Praktiker schrieb: > Schaut auch mal an wie groß und teuer ein Solarmodul sein müsste um zu > garantieren das ein Notebook oder auch nur ein Smartphone ohne Zugang > zum Stromnetz ... Als Kind (Schüler) hatte ich ein Siclair C5 https://de.wikipedia.org/wiki/Sinclair_C5 mit dem ich in die Schule gefahren bin. Der Schulweg war hin und zurück ca. 4 km lang. Geladen wurde ein KFZ-Akku mit einer Solarzelle auf dem Garagendach. Das KFZ-Akku stand in der Garage. Mit dem Strom aus diesem Akku habe ich dann NiCd-Akkus geladen (4 Packs mit je 12V / 4.000 mAh) und mit diesen den C5 angetrieben. Mit den NiCd lief der C5 viel besser, die konnten den Anfahrstrom besser ab. Das hat ausgereicht. Auch fürs Einkaufen fahren oder mit dem RC-Boot an den See war noch genug Energie übrig. Die Solarzellen waren monochristalline. Die Grösse war so zwischen 1,5 und 2 qm. Weiss ich nicht mehr so genau, ist schon lange her. Und als Kind kommen einem manche Dinge viel grösser vor als sie sind ;-) Die Zellen wurden irgendwann vom Hagel zerschlagen. Da war ich aber schon nicht mehr in der Schule und der C5 eingemottet. Finanziell hat es sich wahrscheinlich nicht gelohnt. Ich sehe heute noch das Gesicht meines Vaters als wir die Solarzelle kauften und er den Preis erfuhr. Aber ich konnte damals (1980-1985) sagen ich fahre mit Sonnenkraft. Zusätzlich wurde die Garagenbeleuchtung noch aus dem KFZ-Akku betrieben. Im Sommer hatte ich Strom im Überfluss. Im Winter war es meist knapp. Ausserdem war es im Winter wichtig, den Schnee von der Solarzelle zu kehren (ja, damals gab es im Winter noch Schnee). Wenn ich dazu keine Lust hatte, dann wurden die NiCds eben am Netz geladen. Praktiker schrieb: > ... in der Realität nie funktionieren (Schlechtwetter, > Suboptimale Ausrichtung usw.) Kurz gesagt: Es hat schon vor 35 Jahren funktioniert. Ulli Nachtrag: > ...sind portable Größen von Solarmodulen fast War portabel gefordert?
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Praktiker schrieb: > Unter realistischen Bedingungen hier in Deutschland oder auch gesamten > Mittel- und Nordeuropa sind portable Größen von Solarmodulen fast als > Selbstverars... zu werten. Willkommen in der Welt des Ökostroms.
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Um einige der Eigenschaften einer Solarzelle leichter nachvollziehen zu können, kann man sie sich – wie oben von MaWin erwähnt – modellhaft als Parallelschatung einer Konstantstromquelle mit einer gewöhnlichen Diode vorstellen. Je nach Spannungsabfall am Verbraucher fließt dann ein Teil des Photostroms durch die Diode, d.h. er geht als Rekombinationsverlust verloren. Ich habe das mal in LTspice simuliert. Die Konstantstromquelle liefert einen Strom, der proportional zur Bestrahlungsstärke bezogen auf die Zellenebene ist. Die Simulation wird mit sechs unterschiedlichen Strömen (5mA, 10mA ... 30mA) durchgeführt. Als Diode wird eine gewöhnliche PN-Si-Gleichrichterdiode genommen, die aber – gemessen an den Photoströmen – sehr groß ist (4A Dauerstrom), was die Großflächigkeit realer Solarzellen widerspiegelt. Der Spannungsabfall am Verbraucher wird durch eine variable Spannungsquelle repräsentiert. Für die folgenden Erläuterungen seien die Diagramme auf der rechte Seite von oben nach unten von 1 bis 5 durchnummeriert. Auf der x-Achse aller fünf Diagramme ist der Spannungsabfall am Verbraucher aufgetragen. Diagramm 1 zeigt die von der Konstantstromquelle erzeugten Photoströme, die naturgemäß unabhängig von der anliegenden Spannung sind. Diagramm 2 stellt die I(U)-Kennlinie der parallelgeschalteten Diode dar. Diagramm 3 zeigt den Strom durch den Verbraucher, d.h. die Differenz der Kurven in Diagramm 1 und Diagramm 2. Für höhere Spannung fällt der anfänglich konstante Strom ab, bis er schließlich zu 0 wird. Diejenige Spannung, für die I=0 ist, ist die Leerlaufspannung. Für U=0 fließt der Photostrom vollständig aus der Solarzellen heraus, weswegen der Kurzschlussstrom gleich dem Photostrom ist. Diagramm 4 zeigt den Spannungsabfall am Verbraucher. Da dieser ja bereits durch die x-Werte repräsentiert ist, ist diese Kurve einfach eine Gerade mit der Steigung 1. Diagramm 5 zeigt die vom Verbraucher aufgenommene Leistung, also das Produkt aus den Diagrammen 3 (Strom) und 4 (Spannung). Jede dieser Kurven hat ein Maximum im Bereich von etwa 400mV bis 500mV, die genaue Position des Maximums ist aber vom Photostrom und damit von der Bestrahlungsstärke abhängig. Je höher die Bestrahlungsstärke, umso höher ist auch der optimale Spannungsabfall am Verbraucher. Es ist nun die Aufgabe eines nachgeschalteten DC/DC-Wandlers oder Wechselrichters, den Betriebspunkt immer auf diejenige Spannung einzuregeln, bei der die Leistungsausbeute am größten ist. Da die Leistungskurven rechts des Maximums steiler abfallen als links davon, wird man den Regler so auslegen, dass eventuelle Regelfehler in der Spannung eher nach unten als nach oben zeigen. Wie man aus Diagramm 3 erkennt, hängt nicht nur der Strom, sondern auch die Leerlaufspannung von der Bestrahlungsstärke ab, was bei einem direkt angeschlossenen Akku und abnehmender Bestrahlungsstärke zu einer Umkehr des Stromflusses führen kann, was den Akku entlädt und die Solarzelle schädigen kann. Um diesen Rückfluss zu verhindern, sollte zwischen Solarzelle und Akku immer eine Diode oder ein Mosfet-Schalter eingebaut werden. Unter der Annahme, dass der Photostrom von 30mA (das ist die gelbe Kurve in allen Diagrammen) der als Referenz dienenden Bestrahlungsstärke von 1000 W/m² entspricht, hätte diese hypothetische Solarzelle also folgende Daten:
1 | Kurzschlussstrom: 30.0 mA |
2 | Leerlaufspannung: 633 mV (Nulldurchgang in Diagramm 3) |
3 | Nennspannung: 509 mV (x-Koordinate des Maximums in Diagramm 5) |
4 | Nennstrom: 27,2 mA (y-Koordinate in Diagramm 3 an der Nennspannung) |
5 | Nennleistung: 13,8 mW (y-Koordinate des Maximums Diagramm 5) |
In der Praxis verwendet man meist keine einzelnen Solarzelle, sondern Solarmodule, in denen mehrere Einzelzellen in Serie geschaltet sind, um die Spannung zu erhöhen. Neben den Rekombinationsverlusten (hier durch die Diode modelliert) gibt es weitere Verlustarten, die z.T. durch zusätzliche ohmsche Widerstände modelliert werden können. Hier gibt es die entsprechenden erweiterten Ersatzschaltbilder, : https://de.wikipedia.org/wiki/Solarzelle#Vereinfachtes_Ersatzschaltbild
Hi, Ich hatte nun mal wieder Zeit vorbei zu schauen und siehe da, hier gab es ja nochmal einige Kommentare und Hilfe! Danke euch dafür. Was ich noch sagen möchte ist, dass mir natürlich klar ist, dass der Quellstrom aus dem Solarmodul von der Lichtstärke abhängt. Ich hab mich relativ allgemein ausgedrückt und wollte nicht sämtliche Eventualitäten beachten (Zumindest hier bei meiner Verständnisfrage nicht). @Yalu, genau im selben Stil hatte ich angefangen, mir die Funktionalität der Solarzelle verständlich zu machen, ich hab mir ein Ersatzschaltbild aus dem Internet angeschaut und es in ltspice nachgebastelt. Deine Erläuterung zu den technischen Daten stimmen mit meinen Vermutungen überein. Danke dennoch für die ausführliche Erklärung! Mich wundert es aber an dieser stelle, das nicht doch wieder jemand fehlende Parallel und Serienwiderstände an deiner Schaltung bemängelt hat ;-) (Welche fürs prinzipielle Verständnis jedoch unnötig sind). Danke euch für eure Hilfe.
Nochwas. die Zellenspannung haengt dann auch noch von der Temperatur ab. Bei tiefen Temperaturen kommt mehr Spannung. Signifikant mehr Spannung. Zumindest fuer eine direkt angeschlossene Batterie. Daher nie Batterien direkt an Solarzellen. >> Unter realistischen Bedingungen hier in Deutschland oder auch gesamten > Mittel- und Nordeuropa sind portable Größen von Solarmodulen fast als > Selbstverars... zu werten. Nee. Sie haben eine Charakteristik, die man kennen muss. Moeglicherweise werden diese Dinge im der Oeffentlichkeit nicht genau kommuniziert. Zumindest in den Alpen erntet man im Winter signifikant mehr. Zum Ersten steigt die Spannung von der Physik des Halbleiters her, zum Zweiten ist der Nebel und die Wolken weg, und drittens hat man mehr Strahlung dank dem Schnee auf den Oberflaechen rund herum. Dazu muss man allerdings den Neigungswinkel anpassen. Nebel weg bedeutet nicht nur leangere Sonnenscheindauer, sondern auch mehr Leistung vom blauen Teil des Himmels.
Da schlussendlich die Spannung gewissermaßen auch den Ladezustand eines Akkus repräsentiert (z.B. Li-ion, ich spreche hier von groben Ladungszuständen), kann man spätestens bei der Ladeschlussspannung die Solarzelle vom Akku trennen. Das ist zumindest mein Plan.
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