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10.06.2016: operation of

components

Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie

VO SS2016 © Fronius Sattledt

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10.06.2016: operation of

components

Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie

VO SS2016

Content

1. Operation of modules module design

IV-characteristics

shading

ageing

2. Operation of systems system types

storage systems

string connection

inverter

electric safety

smart grid

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VO SS2016

1. Operation of Modules

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components

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VO SS2016

1. Design of the module

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components

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VO SS2016

1-Diode-Model:

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VO SS2016

4-quadrant-IV curve

© Schenke,Hochschule Emden

I

I

U

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components

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VO SS2016

IV-curve: connectivity

Serial connection

of cells /modules

U0

U0

U0

Parallel connection

of cells or modules U0

U0

U0

I0

I0

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components

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VO SS2016

Hierarchic design aspect

cells

generator / facility

modules

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components

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VO SS2016

Hierarchic design aspect : symbols

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VO SS2016

IV-curve: Influence of the irradiance

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VO SS2016

IV-curve: Influence of the temperature

Pmpp = Umpp * Impp

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VO SS2016

ISC = f(G)

UOC = f(T)

Module: Picture of relevant influences

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VO SS2016

Module: Shading of a cell

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VO SS2016

Module: Shading losses – TF-PV

-80% power -25% power

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components

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VO SS2016

Glass (4-6 mm)

EVA (0,1 mm)

Contacts (0,1 mm)

Solar cell ( 0,1-0,3 mm)

Back sheet (0,15 mm)

5-7 mm

Wind

Humidity

TemperatureSun

Chemistry

(z.B. Salt)

Anschlussdose

Modules: Ageing due to environmental impact

Glass (4-6 mm)

EVA (0,1 mm)

Contacts (0,1 mm)

Solar cell ( 0,1-0,3 mm)

Back sheet (0,15 mm)

5-7 mm

Wind

Humidity

TemperatureSun

Chemistry

(z.B. Salt)

Anschlussdose

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VO SS2016

Ageing: technical “bath-tube curve”

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components

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VO SS2016

2. Operation of COMPONENTS

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components

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VO SS2016

Island system

PV-facility

• Battery

• charge controller

• consumer

Schematics of systems

PV facility

• connection box

• inverter

• AC-cabling

• DC-cabling

• DC-switch gear

• Electricity counters

Grid connected

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components

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VO SS2016

ISLAND SYSTEMS: charge controller:

Regulates charging current

Regulates working point

Avoids low voltage of battery

Avoids overloading of battery

Avoids overheating of battery

Supplies consumers

Loggs data

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components

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VO SS2016

Battery capacity

Arten:

• Blei-Gel-Akku

• Block-Akku

• Li-Ionen

(bis >7000 Zyklen)

nnn txIC

C100 = 100 Ah

C10 = 80 Ah

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VO SS2016

4x 1m2

1/10:

Dezentralized production

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components

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VO SS2016

Charge controller: best practice

0

10

20

30

40

50

60

06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00

Uhrzeit

P [

W]

Beleuchtung

IT

Telefon / Rauchmelder

Küchengeräte

Kopierer / Beamer

Summe

100% decentralized consumption in office

10.0

10.5

11.0

11.5

12.0

12.5

13.0

13.5

14.0

14.5

0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00 0:00

Uhrzeit

UB [

V]

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Le

istu

ng

[W

]

Batteriespannung

Solarleistung

Lampenfeld

925 kWh/d Sonne /

Wolken

3 Personen Lastprofil

10.0

10.5

11.0

11.5

12.0

12.5

13.0

13.5

14.0

14.5

0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00 0:00

Uhrzeit

UB [

V]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Leis

tun

g [

W]

Batteriespannung

Solarleistung

Lampenfeld

372 kWh/d Wolken

2 Personen sparsam Lastprofil

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VO SS2016

Electrical storage types

• Pb-Gel: - standard, toxic, acid, short life, high weight

+ technical developped, understood

• Pump (H2O): - slow return of invest (> 25 a), low potential, high investment

+ renewable, fast, scalable, (almost no losses)

• Li-Ionen: - available, still expensive, technical problems, life time

+ home application, e-mobility, >7000 cycles possible

• Na-S: - operates at >300°C; high investement

+ low operation costs per kWh, high capacity, >100 MWh

• Methan/ H2: - Power 2 Power efficiency still <50%, emitting CO2

+ consumers exist, closed CO2-loop

• Redox flow: - technical problems, investement & operation costs high,

+ separates energy density from power, scalable (kW – MW)

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components

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VO SS2016

Storage types

Costs / kWh

Technical readiness

Pb-Gel:

Investement

Energy Potential

Pb-Gel

H2O Li-Ionen Na-S

Methan

H2

Methan

H2

Li-Ionen

H2O

Pb-Gel

Na-S

• Scalability

• Life time

• kWh – MWh – GWh type

• Investement and operation costs

? ?

Redox flow Redox flow

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VO SS2016

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Storage systems

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components

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Storage systems

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components

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Storage systems: prices for Li-Ion batteries

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components

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VO SS2016

Storage systems: exotic concept: “Lageenergiespeicher”

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components

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VO SS2016

(ABB, 2014)

GRID CONNECTION: example of system schematics

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10.06.2016: operation of

components

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VO SS2016

Generator concepts Serial and parallel connection in one

system

Bypass diodes in String

Module inverter:

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10.06.2016: operation of

components

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VO SS2016

PV-facility and shading

Current of one string back

into 3 parallel strings

(Kirchhoff’s law)

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10.06.2016: operation of

components

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VO SS2016

PV-facility and shading

Current from 3 parallel back

into one string (Kirchhoff’s

law)

Critical for bypass diods

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10.06.2016: operation of

components

Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie

VO SS2016

PV-facility and shading

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10.06.2016: operation of

components

Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie

VO SS2016

• Back current blocking

diode

• Switch gears

• fuses

• Over-voltage conductor

• Connection clamps

Generator connection box

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10.06.2016: operation of

components

Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie

VO SS2016

System: inverter

How-2: 1 DC-intermediate circuit (stabilizer)

1 DC/DC converter

1 frequency generator

1 inverting rectifier

1 maximum power point tracker

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10.06.2016: operation of

components

Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie

VO SS2016

Inverter: operation principle

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10.06.2016: operation of

components

Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie

VO SS2016

Inverter: MPP tracker

Power-curve:

Change of IV-curve:

Materhmatical description: 1.deriv.

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10.06.2016: operation of

components

Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie

VO SS2016

0

0.5

1

20

40

60

80

100

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

time (s)voltage (pu)

po

we

r (p

u)

Operating Point

MPP

Power decreases->direction changetracking to theright

tracking to the left

Inverter: MPP tracker

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10.06.2016: operation of

components

Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie

VO SS2016

300 336 372 407 443 479 515 551 586 6220.05

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

UMPP

(V)

PM

PP (

p.u

.);

PD

C,n

om =

10500 W

95

94

.5

94

93

.5

94.5

94

93.593

92.591

92

93

300 336 372 407 443 479 515 551 586 62290

92

94

96

98

T

ot (

%)

90 950.05

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Tot

(%)

80

81

82

83

84

85

86

87

88

89

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

100

0 5000 100000

200

400

600

800

W

V

DUT: AROS, SIRIO 10000P SN: LN12MQT30000268 FwVer: - ge DoM: 07-Dec-2009 18:28%100%50%30%20%10%5 2,048,01,013,006,003,0 xxxxxxEURO

Euro-efficiency

Inverter: efficiency

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10.06.2016: operation of

components

Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie

VO SS2016

System: protection of lightning

Lightning protection

„flash-sphere“

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10.06.2016: operation of

components

Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie

VO SS2016

• Over-voltage conductor

Avoid electric induction:

System: protection of lightning

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10.06.2016: operation of

components

Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie

VO SS2016

• Grid can allow feeding

• Grid is conventionally

Stabilized in w by rotating mass

• Transformators with

alterning voltage

• Voltage is coupled to

Frequency

• Parameters (I, V, F, w)

measured, analyzed

& controlled

• 2-way Smart meters instead

of energy counters

Smart Grid:

© udo leuschner

© bestmag.co.uk

© gildemeister

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10.06.2016: operation of

components

Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie

VO SS2016

Smart Grid: Voltage control

© smartgridssalzburg.at

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10.06.2016: operation of

components

Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie

VO SS2016

PV-Systems: Summary

• PV-Systems are constructed by a number of electrical components

• The functioning is affected by the environment

• The operation time for systems can reach up to more than 20 years

• Safety of persons and electrical safety must be guaranteed

• Low energy output (yield) often is the results of malfunction or bad planning

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10.06.2016: operation of

components

Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie

VO SS2016

PV-Systems: Lets make them good looking and safe!

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Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie

VO SS2016

30.3.2012: Module & Systeme

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