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Maximaler Spannungsunterschied bei Parallelschaltung von Phtovoltaik-Modulen

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Eingestellt 22, Aug 2013 in Photovoltaik von Anonym

Wie gross darf der Spannungsunterschied in einer Paralleschaltung von Modulen maximal sein?

Ich möchte meine bestehende Anlage (6x80W (poly) 12V (Voc 21.3//Vmpp 17.1) Panel zu 3x24V geschaltet) erweitern. Wie gross darf bei einer Parallelschaltung der Module der Spannungsunterschied maximal sein, damit es zu keinem bzw. nur leichten Mismatch - Verlusten kommt? Ist es grundsätzlich möglich auch Panel mit größerer Wattzahl 160 ... 200W zu benutzen, bzw. 24 Volt Panel zu integrieren?

   

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Beantwortet 10, Sep 2013 von Eberhard Waffenschmidt (18 Punkte)

Parallelschaltung von PV-Panels: Um diese Frage zu beantworten, muss man sich zunächst einmal anschauen, wie sie die jeweiligen Ströme in zwei parallelgeschalteten PV-Panels einstellen. Das lässt sich recht einfach mit Hilfe der U-I-Kennlinien bestimmen. Die sollten daher für die einzelnen Panels bekannt sein. Die U-I-Kennlinien beschreiben die Abhängigkeit des Stroms (auf der vertikalen Achse) von der Spannung (auf der horizontalen Achse) am Panel. Meist sind mehrere Kurven für verschiedene Beleuchtungsstärken angegeben. Die Kurve beginnt bei einem bestimmten Strom, dem Kurzschlussstrom Ik an der vertikalen Achse, dort, wo die Spannung U = 0V ist. Nach rechts, mit steigender Spannung, bleibt die Kurve meist ziemlich horizontal, d.h. der Strom ändert sich zunächst kaum mit zunehmender Spannung. Ab einer bestimmten Spannung macht die Kurve einen Bogen nach unten, d.h. wenn sich die Spannung weiter erhöht, nimmt der Strom ab. Bei einer bestimmten Spannung Voc schneidet die Kurve die horizontale Achse. Das ist die Leerlaufspannung, die man messen kann, wenn an das Panel keine Last angeschlossen ist. Dort ist der Strom I = 0. Wenn die Spannung weiter erhöht wird, geht die Kurve unterhalb der horizontalen Achse weiter. Dort wird der Strom negativ. Das bedeutet, dass das Panel keinen Strom mehr abgibt, wenn man diese Spannung anlegt, sondern es fließt Strom verkehrt herum in das Panel hinein. Das ist zunächst nicht weiter schädlich, solange der verkehrt herum fließende Strom geringer als der Kurzschlussstrom bleibt, für den das Panel ja ausgelegt ist. Dieser Teil der Kennlinie ist nicht immer angegeben, denn er ist für die „normale“ Betriebsweise nicht so interessant. Wenn man jedoch die Kurve mit der Steigung, welche die Kurve am Schnittpunkt mit der Achse hat, weiterzeichnet, hat man zumindest eine ungefähre Vorstellung von dem, was passiert (genau genommen folgt die Kurve einer Exponentialfunktion, die mit einer linearen Funktion überlagert ist und um den Kurzschlussstrom verschoben ist). Wenn man nun zwei Panels parallelschaltet, muss man die U-I-Kennlinien von beiden Panels addieren, am besten in einem einzigen Diagramm. Dann erhält man eine neue U-I-Kennlinie, die weitgehend oberhalb der beiden einzelnen Kennlinien verläuft. Das heißt, aus der Parallelschaltung kommt bei der gleichen Spannung mehr Strom raus, was ja logisch ist. Der Bogen der neuen Kurve verläuft dann zwischen denen der einzelnen Kurven, und der Schnittpunkt mit der horizontalen Achse, also die Leerlaufspannung, liegt irgendwo zwischen den beiden einzelnen Leerlaufspannungen. Wenn man an das Panel eine Last anschließt, stellt sich irgendein Arbeitspunkt auf der neuen U-I-Kennlinie ein. Man kann an diesem Punkt die Spannung und den Gesamtstrom, der aus der Gesamtanordnung herausfließt, ablesen. Bei den einzelnen Panels liegt genau dieselbe Spannung an. Bei dieser Spannung kann man nun auf den Kennlinien der einzelnen Panels den Strom ablesen, der gerade durch das jeweilige Panel fließt. Praktisch zeichnet man eine senkrechte Linie durch den Arbeitspunkt der neuen Kennlinie. Wo diese Linie die anderen beiden Kennlinien schneidet, kann man den Strom durch das jeweilige Panel ablesen. Wenn z.B. ein Maximum-Power-Point (MPP) –Tracker angeschlossen ist, wird sich ein Arbeitspunkt auf der Gesamtkennlinie einstellen, der irgendwo in dem Bogen nach unten liegt. Dort wird die größte Leistung abgegeben. Mit er oben beschriebenen Methode kann man nun für diesen Arbeitspunkt die Ströme in den einzelnen Panels bestimmen und aus der Multiplikation mit der Spannung auch berechnen, wie viel Leistung jedes Panel für sich abgibt. Man sieht nun auch, was im Leerlauf passiert: Es stellt sich der Arbeitspunkt ein, bei dem die Gesamtkennlinie die horizontale Achse schneidet. Dort zeichnet man wieder eine vertikale Linie und sieht, dass das eine Panel Strom abgibt, und bei dem anderen Strom verkehrt herum durchfließt. Der Strom fließt im Kreis durch beide Panels, aber nach außen hin fließt nix. Jetzt kann man auch versuchen, die eigentliche Frage zu beantworten. Es stellt sich aber die Frage: Was bedeutet „kein oder nur leichtes Mismatch“? Für „kein“ Mismatch müssen die Kennlinien exakt gleich sein. Das ist aber selbst bei zwei Panels vom selben Hersteller nicht exakt der Fall. Eine allgemeine Definition von „leichtem Mismatch“ kenne ich nicht. Da muss man schon konkrete Zahlen nennen: 1%, 5%, 10%? Am besten man bildet sich anhand der Kennlinien eine eigene Meinung. Man kann jedoch Limits benennen, ab denen die Parallelschaltung keinen Sinn mehr macht oder gar zu Schaden führt: 1) Wenn im MMP-Arbeitspunkt der Parallelschaltung eines der beiden Panels keinen Strom liefert oder der Strom gar negativ ist (in das Panel hineinfließt), macht die Parallelschaltung keinen Sinn mehr. Das ist dann der Fall, wenn die Leerlaufspannung Voc eines der Panels gleich oder kleiner der MPP-Spannung der Parallelschaltung ist. 2) Wenn sich im Leerlauf der im Kreis fließende Strom größer als der Kurzschlussstrom eines der beiden Panels ist, würde eine Parallelschaltung dieses Panel zerstören. Achtung: Es kann sein dass ein Panel verschattet ist und ein anderes nicht. Dann gelten für die zwei Panels unterschiedliche Kennlinien! Zur zweiten Frage: Die beiden Panels können durchaus unterschiedliche Leistungen haben, solange die Leerlaufspannungen gleich genug sind. Allerdings sollte man das Verfahren mit den Kennlinien für einen Check anwenden. Vor allem im Leerlauf kann dabei das kleine Panel schnell überlastet werden (siehe Pkt. 2).

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