Aufbau und Funktionsweise eines Solar-Akkuladers mit Überladeschutz


Seminararbeit, 2007
37 Seiten

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1. Einleitung

2. Theorie
2.1. Halbleiter
2.2. Fotodiode
2.3. Solarzelle
2.3.1. Wirkungsungsgrad
2.3.2. Anwendungen
2.4. Akkumulatoren
2.4.1. Kenndaten
2.4.2. Nickel-Cadmium
2.4.3. Nickel-Metallhydrid
2.4.4. Anwendungen
2.5. Bauteile
2.5.1. Halbleiterdioden
2.5.2. Transistoren

3. Schaltung
3.1. Einleitung
3.2. Aufbau
3.3. Funktionsweise
3.4. Solarmodulmessungen
3.4.1. Wirkungsgrad
3.4.2. Innenwiderstand des Solarmoduls
3.4.3. I-U-Kennlinie

4. Ausblick

5. Zusammenfassung

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

2.1. Aufbau und Funktion der Solarzelle .

2.2. Nutzbarer Wellenlängenbereich

2.3. Globalstrahlung Deutschland

2.4. Weltweiter Energieverbrauch

2.5. Entwicklung der Solarstromerzeugung in Deutschland

2.6. Entladekurve Akkus und Batterie

2.7. Metall-Halbleiter-Übergang

2.8. Strom-Spannungs-Kennlinie

2.9. NPN Aufbau

2.10. PNP Aufbau

3.1. Schaltplan

3.2. Funktionen

3.3. Versuchsaufbau

3.4. Messergebniss solare Einstrahlung . .

3.5. 13.06.2007

3.6. 17.06.2007

3.7. 18.06.2007

3.8. Versuchsaufbau Labor

3.9. Messergebnisse Wirkungsgrad

3.10. Verlauf der Leistungskurve

3.11. Messergebnisse U-I

3.12. I-U-Kennlinie

Tabellenverzeichnis

2.1. Elektrische Größen Akku 10

2.2. Kennwerte NiCd Akku 11

2.3. Kennwerte NiMH Akku 12

2.4. Technische Daten BC328 17

2.5. Technische Daten BC548B 17

3.1. Verwendete Bauteile 19

3.2. Messergebnisse Labor 24

1. Einleitung

Im Rahmen des Studiengangs zum Diplom-Wirtschaftsingenieur an der Wirtschaftsakademie Kiel, dient diese Semesterarbeit als Leistungsnachweis für das Fach Elektrotechnik im 4. Se- mester.

Ziel der Semesterarbeit ist es, der Studiengruppe BA 105T, Herrn Prof. Dr. Abke, sowie allen weiteren Interessierten den Aufbau und die Funktionsweise eines Solar-Batterieladers näher zu bringen und an diesem qualitative und quantitative Messungen deren Deutungen durchzu- führen.

Ein weiteres, ganz persönliches Ziel ist für mich das Erstellen dieser Semesterarbeit mit dem Textsatzprogramm LATEX(gesprochen „Latech“).

LATEX ist Programm, mit welchem an vielen naturwissenschaftlich-technischen Hochschulen gearbeitet wird, um Semester-, Diplom- und Habilitationsarbeiten zu erstellen.

Es ist ein Softwarepaket, welches die Benutzung des Textsatzprogramms TEX (gesprochen „Tech“, 1977 an der Stanford Universität entwickelt) mit Hilfe von Makros vereinfacht. Es beinhaltet vorgefertigte Layout Elemente und logische Dokumentenstrukturen und ermöglicht so einer breiten Anwenderschicht die Nutzung des TEX-Systems. Die Erstellung von LATEX Dokumenten ist nicht visuell orientiert wie das zweifelsohne bekannteste Textbearbeitungsprogramm M icrosof t W ord©.

LATEX arbeitet mit einem im Textformat erstellten Quelldokument (oder mehrer) welche erst von einem Compiler in das gewünschte Format gebracht werden. Das Quelldokument wird in einer Markup Sprache geschrieben, welche ich im nächstes Semester meinen Komilitonen einführend vermittelt möchte.

In nun folgender Ausarbeitung wird das Thema: „Solar-Lader mit Akkuschutz“ zuerst in seine Komponenten zerlegt, diese werden theoretisch betrachtet und anschließend wird die Schal- tung zusammengeführt und an den Komponenten Messungen durchgeführt und die Ergebnisse gedeutet.

2. Theorie

2.1. Halbleiter

Halbleiter sind Festkörper welche Aufgrund von beweglichen Ladungsträgern eine mehr oder weniger große Leitfähigkeit haben. Die Leitfähigkeit ist abhängig vom Aufbau, der Gitterstruktur und der Temperatur des Materials.

Halbleitermaterialen sind u.a. Silizium (Si), Germanium (Ge) und Galliumarsenid (GaAs). Bei Si und Ge handelt es sich um 4-wertige Atome, welche 4 Valenzlektronen aufweisen (IV. Gruppe). Bei einem idealen Si/Ge Kristall gibt es keine frei beweglichen Ladungsträger, da sämmtliche Valenzelektronen an die Gitteratome gebunden sind. In diesem Zustand kann der Kristall auch als Isolator bezeichnet werden.1 Da die elektrische Leitfähigkeit von Halblei- tern aber mit steigender Temperatur zunimmt, gehören sie zu den Heißleitern. Weiterhin lässt sich die Leitfähigkeit durch gezieltes Einbringen von Fremdatomen (Dotieren) der III. Grup- pe (Akzeptoren) oder V. Gruppe (Donatoren) beeinflussen. Der Halbleiter wird also entweder p-leitend oder n-leitend. Die Halbleitereigenschaften sind maßgeblich durch die Sperrschicht an den pn-Übergängen gegeben2

Der Ladungstransport in einem Halbleiter geschieht durch Elektronen und deren positivem Gegenstück: Defektelektronen. In der Elektronik und Mikroelektronik bilden Halbleiter die Grundlage für Bauelemente und Schaltkreise.

In der Halbleiterindustrie hat sich Silizium als der wichtigste Werkstoff durchgesetzt. Die Eigenschafen sind nahezu ideal:

- Schadenfreie Betriebstemperatur bis 150◦C.
- Ein Höherer Bandabstand und ein höherer spezifischer Widerstand führen zu einem geringem Sperrstrom.
- Praktisch unbegrenzter Rohstoff auf der Erde.3

2.2. Fotodiode

Fotodioden (FD) sind aus Silizium hergestellte Dioden, welche beim Eindringen von Licht- quanten mit ausreichender Energie (kurzwelliges Licht) einen Stromfluss aufweisen. Durch Lichtphotonen werden innerhalb des Halbleiters in der Raumladungszone Elektron-Lochpaare erzeugt, welche eine Trennung der Ladungspaare verursacht, als Ergebnis fließt im äußeren Stromkreis Strom.

Dieses Phänomen wird auch innerer Fotoeffekt genannt. Der Zusammenhang zwischen der Wellenlänge λ und der Enthaltenen Energie des Photons E ist druch das Plansche Wirkungsquantum h in folgender Gleichung gegeben: E = h · f gegeben.

Die Leerlaufspannung UL steigt logarithmisch mit der Beleuchtungsstärke an und erreicht bei Siliziumdioden bei 1000lx einen Wert von ca. 0, 5V . Dieser Vorgang ist unabhängig von der Diodenfläche, wohingegen der Kurzschlussstrom IK proportional zur Beleuchtungsstärke und zur Fläche ist.

Die maximale Leistung, welche aus der FD entnommen werden kann liegt bei UL · IK , dem entsprechend muss der Lastwiderstand für die Entnahme der maximalen Leistung in der Größenordnung von UL/IK liegen.4

2.3. Solarzelle

Solarzellen sind die kleinsten Bestandteile eines Solarmodules und werden aus mono- oder polykristallinem Silizium gefertigt (z.T aus Abfällen der Halbleiterelektroindustrie).Im Prinzip handelt es sich um eine großflächige Fotodioden aus Silizium. Der einfachste Aufbau der Solarzelle besteht aus zwei wenigen Millimeter dünnen Siliziumschichten und ein die Oberfläche schützendes Glas-Substrat. Die lichtabsorbierende Si-Schicht ist n-dotiert, darunter liegt die p-dotierte Schicht. Genau wie in einer Diode entsteht in der Solarzelle ein p-n-Übergang und die Ausbildung einer weitreichenden Raumladungszone.5

Abbildung in dieser eseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1.: Aufbau und Funktion der Solarzelle

Quelle: Eigene Zeichnung

Durch den Einfall von Lichtphotonen werden in der Raumladungszone Elektronen-Loch- Paare erzeugt. Die Elektronen sammeln sich auf der n-dotierten Oberseite und die Löcher in der p-dotierten Schicht. Gleichzeitg rekombinieren ein geringer Anteil der Ladungsträger und die Energie wird in Form von Wärmeenergie abgegeben. Die restliche Energie steht durch Abgriff über metallische Elektroden an beiden Schichten zur Verfügung.

Die Leerlaufspannung der Solarzelle beträgt etwa 0, 5 V und ist wie bei der Fotodiode Abhängig von der Beleuchtungsstärke.

Bei einem Solarmodul beschreibt die Spitzenleistung kWp die optimale Leistung unter genormten Testbedingungen (1000\1m2,25 ◦CModultemperatur,1,5 AirMass)

Air Mass

Air Mass (AM) ist Faktor, welcher angibt wie lang der Weg der Sonnenstrahlung durch die Erdatmosphäre im Verhältnis zur Atmosphärendicke ist. Somit gibt der Faktor die Abschwächung der Strahlung durch die Atmosphäre (durch Reflexion und Absorption) an. Für den senkrechten Sonnenstand ergibt sich AM = 1 (AM1). Bei AMx wird der x-fache Weg von AM1 durchquert. Es gilt:

Abbildung in dieser eseprobe nicht enthalten

Der wichtigste Standardwert in der Solartechnik ist der Wert AM1,5. Dies entspricht der globalen Strahlungsleistung von 1000\1m2.6

2.3.1. Wirkungsungsgrad

Der Wirkungsgrad wird allgemein definiert als:

Abbildung in dieser eseprobe nicht enthalten

Im Bezug auf die Solarzelle ergibt sich der theoretische Input aus der Globalstrahlung der Sonne und der Output aus der elektrischen Leistung7.

Abbildung in dieser eseprobe nicht enthalten

Allgemein gilt, dass der maximale theoretische thermodynamische Wirkungsgrad der Ener- giegewinnung aus Sonnenlicht (gesamter Wellenlängenbereich) ca.85% beträgt. Das die So- larzelle allerdings nur ein Teil des Wellenlängenbereichs nutzt, reduziert sich der theoretische Wert auf 29%8.

Abbildung 2.2.: Nutzbarer Wellenlängenbereich

Quelle: Vgl.[T] Veränderte Zeichnung

- Solarzellen aus monokristallinem Silizium haben im Labor einen Wirkungsgrad von η = 24% und in der Produktion von η = 14 − 17% erreicht.

- Solarzellen aus polykristallinem Silizium liegen bei η = 18% im Labor und η = 13 − 15% in der Produktion.9

Solarkonstante

Als Solarkonstante bezeichnet man in der Wärmelehre die durchschnittliche auf der der Erde auftreffende Strahlungsleistung pro Quadratmeter.

Abbildung in dieser eseprobe nicht enthalten

Es handelt sich um einen empirisch ermittelten Wert, welcher allerdings nicht die Abschwächung durch die Erdatmosphäre berücksichtigt.10

Globalstrahlung

Die Globalstrahlung bezeichnet die von der Sonne ausgestrahlte Solarenergie, welche die Erdoberfläche durch die Atmosphäre erreicht. Gemessen wird die Globalstrahlung in der Einheit der Bestrahlungsstäke11, welche wie folgt definiert ist:

Abbildung in dieser eseprobe nicht enthalten ,Strahlenfluss:[Φe]=W,BestrahlteFläche:[AE]=m2.

Die Globalstrahlung wird lokal gemessen und auch als solare Strahlung bezeichnet. Für Mit- teleuropa ergibt sich im Sommer ein Mittelwert von 1000\1m2.DiesolareStrahlungkannmit einem Pyranometer gemessen werden und wird von Meterologischen Instituten aufgezeich- net.12

Die Globalstrahlung bezeichnet die geamte ausgestrahlte Solarenergie, dabei ist für die Solarzelle zu berücksichtigen, dass wieder nur ein Teil des Wellenlängenbereiches in elektrische Energie umgewandelt werden kann.

Eine Aufzeichnung der Globalstrahlung der Bundesrepublik Deutschland im Zeitraum von 1981 bis 2000 vom Deutschen Wetterdienst.

Abbildung in dieser eseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3.: Globalstrahlung Deutschland

Quelle:[Q]

2.3.2. Anwendungen

Solarmodule finden ihre Hauptanwendung in Photovoltaikanlagen zur Stromerzeugung aus Solarenergie. Durch den weltweit steigenden Energiebedarf wird diese Form der Energiegewinnung zunehmend wichtiger.

Abbildung in dieser eseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4.: Weltweiter Energieverbrauch

Quelle: Vgl. [V]

Trotz des derzeit geringen Marktanteils der Photovoltaik am gesamten Volumen der regene- rativen Energien und der hohen Preise verzeichnet die Photovoltaik weltweit jährliche Zu- wachsraten von 30%. Zur Zeit sind kristalline Silizium Solarmodule mit 80% noch marktbe- herrschend, allerdings wird in Zukunft mit der Marktreife der Dünnschicht Solarzelle und der damit verbundenen Kostenreduktion ein weiterer Wachstumsimpuls eingeleitet13.

Die Dünnschicht Technologie ermöglicht das Aufbringen einer weniger als zwei Mikrometer dünnen Siliziumschicht direkt auf einem Glasträger. Nach einer Wärmebehaldlung weist die Siliziumschicht eine kristalline Struktur auf. Dieses Verfahren nennt sich CSG (Crystalline Silicon on Glass) und ermöglicht eine Vielzahl an Anwendungen.

Es gibt Dünnschichtzellen, welche sich in Hausdächer und Fassaden integrieren lassen. Der Witterungsschutz wird durch eine Kunststofffolie gegeben. Die Dünnschichtzellen haben im Labor einen Wirkungsgrad von η = 10, 5% erreicht.14

Lebensdauer von Photovoltaikanlagen

Die durchschnittliche Lebensdauer von Photovoltaikanlagen beträgt 30-40 Jahre. Die Anlagen sind störungs- und wartungsarm. Die Hersteller von Solarmodulen bieten inzwischen Garantien zwischen 10 und 25 Jahren. Die Solarmodule erfahren allerdings über ihre Lebensdauer den Effekt der Degradation, d.h. der Wirkungsgrad verringert sich mit zunehmendern Nutzungsdauer. Der Wirkungsgradrückgang nach 25 Jahren beträgt etwa 10-13%15.

Potential

Laut Erhebung der Fachzeitschrift Photon wurden 2005 ca. 0,26 % der deutschen Stromerzeugung aus Solarenergie gewonnen. Bei starkem Wachstum der Branche gehen verschiedene Prognosen von 0,45 bis 1,0 %im Jahre 2010 aus. Im Jahr 2020 sollen schon 1,5 % aus Photovoltaikanlagen gewonnen werden.16

Abbildung in dieser eseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.5.: Entwicklung der Solarstromerzeugung in Deutschland

Quelle:[CC]

In Deutschland wurden im Jahr 2006 ca.175 000 Solaranlagen installiert. Bis Ende 2005 zähl- te der Bundesverband Solarwirtschaft (BSW) rund eine Million Systeme. Der Großteil der Systeme wurde im Süden Deutschlands installiert, da dort die Globalstrahlung am höchs- ten ist (Siehe 2.3). In unseren Breitengraden kann mit einer 1 kWp-Photovoltaik-Anlage (ca. 8 − 10 m2 ) ungefähr 700 bis 900 kWh Strom pro Jahr erzeugt werden. Ein Vier-Personen- Haushalt verbraucht durchschnittlich 4000 kW h pro Jahr.17

[...]


1 Vgl. [O]

2 Vgl. [Kli04], [Dub06 V14]

3 Vgl. [Kli04 Seite 15]

4 Vgl. [Kli04], [Bre05]

5 Vgl. 0,[E], [Man04], [Elektor Seite 26], [F], [Dub06 V15]

6 Vgl. [U],[W], [Z]

7 Vgl. [S]

8 Vgl. [T]

9 Vgl. [S]

10 Vgl. [Kuchling Seite 265] , [Dub06 L16]

11 Vgl. Kuchling Seite 405

12 Vgl. [H], [G]

13 Vgl. [X]

14 Vgl. [Y]

15 Vgl. [E]

16 Vgl.[BB]

17 Vgl.[DD], [EE]

Ende der Leseprobe aus 37 Seiten

Details

Titel
Aufbau und Funktionsweise eines Solar-Akkuladers mit Überladeschutz
Hochschule
Berufsakademie Schleswig-Holstein Kiel
Autor
Jahr
2007
Seiten
37
Katalognummer
V200432
ISBN (eBook)
9783668438736
ISBN (Buch)
9783668438743
Dateigröße
1776 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Solar-Akkulader, Solar, Akkulader, Überladeschutz, Halbleiter
Arbeit zitieren
Andreas Hoppe (Autor), 2007, Aufbau und Funktionsweise eines Solar-Akkuladers mit Überladeschutz, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/200432

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