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Kennlinie

In der Photovoltaik zeigt eine Kennlinie das Verhältnis zwischen Strom (I) und Spannung (U) einer Solarzelle und ist entscheidend für die Beurteilung ihrer Leistung. Sie hilft bei der Analyse des Wirkungsgrads unter verschiedenen Bedingungen wie Temperatur und Lichteinstrahlung. Wichtige Punkte der Kennlinie sind der Kurzschlussstrom (ISC), die Leerlaufspannung (VOC), der maximale Leistungspunkt (MPP) und der Füllfaktor (FF). Der Kurzschlussstrom steigt linear mit der Bestrahlungsstärke an, während die Leerlaufspannung einem nichtlinearen Verlauf folgt und sich dem Maximum Power Point nähert, bei dem die Solarzelle die maximale Leistung abgibt. Der Füllfaktor gibt das Verhältnis der maximal möglichen Leistung zur theoretischen Leistung an und ist ein Indikator für den Wirkungsgrad der Solarzelle. Temperatur und Sonneneinstrahlung beeinflussen die Kennlinie erheblich, was bei der Auswahl und dem Betrieb von Solarmodulen berücksichtigt werden muss.
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    Eine Kennlinie ist eine grafische Darstellung, welche zwei physikalischen Größen innerhalb eines Bauteils in den Zusammenhang bringt. Dieser Zusammenhang wird dann in einem ebenen Koordinatensystem angezeigt.

    Innerhalb der Photovoltaik wird die Strom-Spannungs-Kennlinie als eine der aussagekräftigsten bezeichnet. Die beschreibt das Verhältnis von dem Zellstrom innerhalb der Solarzellen zu der Zellspannung. Dieses Verhältnis gibt dann eine Aussage, inwiefern die Solarzelle in Abhängigkeit von Temperatur und Lichteinstrahlung arbeitet.

    Die I-U Kennlinie

    Die Strom-Spannungs-Kennlinie wird auch die I-U Kennlinie genannt, da hier das I für die elektrische Stromstärke und das U für die elektrische Spannung steht. Bei einem linearen Widerstand ist die Kennlinie in Form einer geneigten und durch den Koordinatenursprung gehenden Geraden. Es ergibt sich eine waagerechten gerade, wenn eine ideale Spannungsquelle gefunden wurde.

    Bei der Nutzung einer Diode bildet sich der Zusammenhang zwischen der Stromstärke und der elektrischen Spannung als näherungsweise exponentiell ansteigender Verlauf. Hieraus kann ein Kennlinienfeld generiert werden, sollte der Parameter Temperatur miteinfließen.

    Durch diese I-U Kennlinie ist es möglich, die Funktionsfähigkeit von der Solarzelle besser zu visualisieren und zu analysieren. Hier lassen sich dann auch mögliche Fehlerquellen entdecken.

    Kennzahlen

    Verschiedene Punkte in dieser I-U Kennlinie geben Auskunft über unterschiedliche Betriebsstände der Solarzelle oder zusammengeschlossenen Solarmodule.

    Als Kurzschlussstrom wird die Strommenge bezeichnet, welche durch die Solarzelle fließt, ohne dass ein Verbraucher oder Widerstand angeschlossen ist fließt. Hierbei werden Ein- und Ausgang der Solarzelle direkt miteinander verbunden. Der dann fließende Strom wird dann als Kurzschlussstrom, kurz ISC, bezeichnet. Dieser Strom steigt linear zu der Bestrahlungsstärke an und erzeugt so eine lineare Kennlinie.

    Die Leerlaufspannung ist die Spannung, welcher innerhalb der Solarzelle ohne jegliche Abnehmer oder Verkabelung fließt. Diese Größe wird unter dem Kürzel VOC angegeben und verhält sich nicht linear zur Bestrahlungsintensität. Diese nichtlineare Kennlinie entsteht im unteren Bereich der Bestrahlungsintensität ein nahezu exponentieller Wert, welcher dann abflacht und sich dem Maximalwert nähert. Dieser Maximalwert wird genau an einem Punkt sehr kurzfristig erreicht. Dieser Punkt wird dann der Maximum Power Point genannt. Der Maximum Power Point ist der Punkt, an dem die maximal mögliche Leistung der Solarzelle ausgereizt wird. Die Leistungsbereitschaft jeder Solarzelle hängt jedoch von mehreren Parametern, wie etwa der Temperatur, ab. Dementsprechend gibt es mehrere Maximum Power Points für unterschiedliche Eingangsparameterwerte. So wird bei Übereinanderlegen der MPPs bei fallenden Temperaturen eine fallende Kennlinie erzeugt.

    Letztendlich kann aus der Kennlinie der Füllfaktor generiert werden. Dieser wird als Quotient aus der maximal möglichen Leistung und Produkt aus Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung beschrieben. Der Füllfaktor kann somit niemals 1 oder größer werden, soll aber so nah wie möglich an der 1 sein. Je höher dieser Füllfaktor ist, desto höher ist auch der Wirkungsgrad der jeweiligen Solarzelle.

    Häufig gestellte Fragen zum Thema Kennlinie

    Was ist eine Kennlinie bei Photovoltaikanlagen?

    Eine Kennlinie bei Photovoltaikanlagen beschreibt die Leistungscharakteristik eines Solarmoduls oder einer Solarzelle. Sie zeigt die Beziehung zwischen der Ausgangsspannung und dem Ausgangsstrom in Abhängigkeit von verschiedenen Umgebungsbedingungen, wie Sonneneinstrahlung und Temperatur. Die Kennlinie ermöglicht es, die Leistungsfähigkeit und den optimalen Betriebspunkt eines Solarmoduls oder einer Solarzelle zu ermitteln.

    Was sind die Hauptmerkmale einer Kennlinie?

    Die Hauptmerkmale einer Kennlinie sind:

    1. Kurzschlussstrom (Isc): Der Strom, der fließt, wenn die Ausgangsklemmen eines Solarmoduls kurzgeschlossen sind. Dieser Wert ist ein Maß für die maximale Stromerzeugung des Moduls bei voller Sonneneinstrahlung.
    2. Leerlaufspannung (Voc): Die Spannung, die an den Ausgangsklemmen eines Solarmoduls gemessen wird, wenn kein Strom fließt. Dieser Wert gibt die maximale Spannung des Moduls bei voller Sonneneinstrahlung an.
    3. Maximaler Leistungspunkt (MPP): Der Punkt auf der Kennlinie, an dem das Produkt aus Strom und Spannung (Leistung) maximal ist. Hier arbeitet das Solarmodul am effizientesten.
    4. Füllfaktor (FF): Das Verhältnis der maximalen Leistung (MPP) zur theoretisch möglichen Leistung bei Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung. Der Füllfaktor gibt an, wie gut ein Solarmodul seine Energieumwandlungseffizienz ausnutzt.

    Warum ist die Kennlinie bei der Auswahl von Solarmodulen wichtig?

    Die Kennlinie ist bei der Auswahl von Solarmodulen wichtig, da sie Informationen über die Leistungsfähigkeit der Module unter verschiedenen Bedingungen liefert. Anhand der Kennlinie können Sie die optimale Leistung eines Moduls ermitteln und die Effizienz des gesamten Photovoltaiksystems beurteilen. Darüber hinaus hilft die Kennlinie bei der Dimensionierung des Wechselrichters und der anderen Systemkomponenten.

    Wie beeinflussen Temperatur und Sonneneinstrahlung die Kennlinie?

    Temperatur und Sonneneinstrahlung haben einen direkten Einfluss auf die Kennlinie von Solarmodulen. Bei höherer Temperatur sinkt die Leerlaufspannung, während der Kurzschlussstrom nur geringfügig beeinflusst wird. Bei steigender Sonneneinstrahlung steigen sowohl der Kurzschlussstrom als auch die Leerlaufspannung an. Die Veränderungen in der Kennlinie führen dazu, dass der maximale Leistungspunkt (MPP) ebenfalls variiert, was wiederum die Gesamtleistung der Photovoltaikanlage beeinflusst.

    Carsten Steffen
    Autor: Carsten Steffen
    Carsten Steffen, Gründer von photovoltaik.sh, bringt sein tiefes Verständnis für Photovoltaik und seine Begeisterung für erneuerbare Energien ein, um Kunden in Schleswig-Holstein seit 2021 schneller und kostengünstiger zu ihrer eigenen Photovoltaikanlage zu verhelfen. Ermöglicht wird das Dank der Zusammenarbeit mit lokalen Solarteuren. Regelmäßige Schulungen runden unsere Expertise ab. Mit der Gründung von photovoltaik.sh sind wir Ihr vertrauenswürdigen Partner für alle, die ihren Stromverbrauch nachhaltig gestalten möchten.
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