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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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10.06.2016: operation of
components
Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie
VO SS2016
1. Operation of Modules
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10.06.2016: operation of
components
Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie
VO SS2016
1. Design of the module
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10.06.2016: operation of
components
Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie
VO SS2016
1-Diode-Model:
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10.06.2016: operation of
components
Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie
VO SS2016
4-quadrant-IV curve
© Schenke,Hochschule Emden
I
I
U
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10.06.2016: operation of
components
Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie
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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10.06.2016: operation of
components
Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie
VO SS2016
Hierarchic design aspect
cells
generator / facility
modules
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10.06.2016: operation of
components
Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie
VO SS2016
Hierarchic design aspect : symbols
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10.06.2016: operation of
components
Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie
VO SS2016
IV-curve: Influence of the irradiance
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10.06.2016: operation of
components
Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie
VO SS2016
IV-curve: Influence of the temperature
Pmpp = Umpp * Impp
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10.06.2016: operation of
components
Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie
VO SS2016
ISC = f(G)
UOC = f(T)
Module: Picture of relevant influences
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10.06.2016: operation of
components
Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie
VO SS2016
Module: Shading of a cell
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10.06.2016: operation of
components
Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie
VO SS2016
Module: Shading losses – TF-PV
-80% power -25% power
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10.06.2016: operation of
components
Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie
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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10.06.2016: operation of
components
Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie
VO SS2016
Ageing: technical “bath-tube curve”
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10.06.2016: operation of
components
Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie
VO SS2016
2. Operation of COMPONENTS
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10.06.2016: operation of
components
Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie
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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10.06.2016: operation of
components
Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie
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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10.06.2016: operation of
components
Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie
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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10.06.2016: operation of
components
Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie
VO SS2016
4x 1m2
1/10:
Dezentralized production
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10.06.2016: operation of
components
Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie
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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10.06.2016: operation of
components
Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie
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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10.06.2016: operation of
components
Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie
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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10.06.2016: operation of
components
Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie
VO SS2016
© bestmag.co.uk
Storage systems
![Page 26: Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie VO SS2016 … · 2016. 6. 9. · 10.06.2016: operation of components Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie VO SS2016 Battery](https://reader035.vdocuments.us/reader035/viewer/2022071108/5fe248d65b4d3030725f87ab/html5/thumbnails/26.jpg)
10.06.2016: operation of
components
Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie
VO SS2016
Storage systems
© greentechmedia
![Page 27: Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie VO SS2016 … · 2016. 6. 9. · 10.06.2016: operation of components Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie VO SS2016 Battery](https://reader035.vdocuments.us/reader035/viewer/2022071108/5fe248d65b4d3030725f87ab/html5/thumbnails/27.jpg)
10.06.2016: operation of
components
Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie
VO SS2016
© bestmag.co.uk
Storage systems: prices for Li-Ion batteries
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10.06.2016: operation of
components
Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie
VO SS2016
Storage systems: exotic concept: “Lageenergiespeicher”
![Page 29: Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie VO SS2016 … · 2016. 6. 9. · 10.06.2016: operation of components Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie VO SS2016 Battery](https://reader035.vdocuments.us/reader035/viewer/2022071108/5fe248d65b4d3030725f87ab/html5/thumbnails/29.jpg)
10.06.2016: operation of
components
Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie
VO SS2016
(ABB, 2014)
GRID CONNECTION: example of system schematics
![Page 30: Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie VO SS2016 … · 2016. 6. 9. · 10.06.2016: operation of components Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie VO SS2016 Battery](https://reader035.vdocuments.us/reader035/viewer/2022071108/5fe248d65b4d3030725f87ab/html5/thumbnails/30.jpg)
10.06.2016: operation of
components
Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie
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
Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie
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
Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie
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
![Page 34: Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie VO SS2016 … · 2016. 6. 9. · 10.06.2016: operation of components Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie VO SS2016 Battery](https://reader035.vdocuments.us/reader035/viewer/2022071108/5fe248d65b4d3030725f87ab/html5/thumbnails/34.jpg)
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
![Page 37: Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie VO SS2016 … · 2016. 6. 9. · 10.06.2016: operation of components Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie VO SS2016 Battery](https://reader035.vdocuments.us/reader035/viewer/2022071108/5fe248d65b4d3030725f87ab/html5/thumbnails/37.jpg)
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“
![Page 41: Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie VO SS2016 … · 2016. 6. 9. · 10.06.2016: operation of components Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie VO SS2016 Battery](https://reader035.vdocuments.us/reader035/viewer/2022071108/5fe248d65b4d3030725f87ab/html5/thumbnails/41.jpg)
10.06.2016: operation of
components
Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie
VO SS2016
• Over-voltage conductor
Avoid electric induction:
System: protection of lightning
![Page 42: Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie VO SS2016 … · 2016. 6. 9. · 10.06.2016: operation of components Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie VO SS2016 Battery](https://reader035.vdocuments.us/reader035/viewer/2022071108/5fe248d65b4d3030725f87ab/html5/thumbnails/42.jpg)
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
![Page 43: Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie VO SS2016 … · 2016. 6. 9. · 10.06.2016: operation of components Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie VO SS2016 Battery](https://reader035.vdocuments.us/reader035/viewer/2022071108/5fe248d65b4d3030725f87ab/html5/thumbnails/43.jpg)
10.06.2016: operation of
components
Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie
VO SS2016
Smart Grid: Voltage control
© smartgridssalzburg.at
![Page 44: Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie VO SS2016 … · 2016. 6. 9. · 10.06.2016: operation of components Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie VO SS2016 Battery](https://reader035.vdocuments.us/reader035/viewer/2022071108/5fe248d65b4d3030725f87ab/html5/thumbnails/44.jpg)
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
![Page 45: Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie VO SS2016 … · 2016. 6. 9. · 10.06.2016: operation of components Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie VO SS2016 Battery](https://reader035.vdocuments.us/reader035/viewer/2022071108/5fe248d65b4d3030725f87ab/html5/thumbnails/45.jpg)
10.06.2016: operation of
components
Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie
VO SS2016
PV-Systems: Lets make them good looking and safe!
![Page 46: Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie VO SS2016 … · 2016. 6. 9. · 10.06.2016: operation of components Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie VO SS2016 Battery](https://reader035.vdocuments.us/reader035/viewer/2022071108/5fe248d65b4d3030725f87ab/html5/thumbnails/46.jpg)
10.06.2016: operation of
components
Photovoltaik: eine Option zur Energieautarkie
VO SS2016
30.3.2012: Module & Systeme
Thank you for youir attention !