Wie speisen Sonnenkollektoren Strom in das Netz ein?

Grundkonzept: Aktuelle und potenzielle Differenz

APhotovoltaik-PanelDas an die Hausinstallation (und an das Versorgungsnetz) angeschlossene Gerät erzeugt eine Gleichspannung (DC), die dann von einem Wechselrichter in synchronisierte Wechselspannung (AC) umgewandelt wird. Diese Spannung wird auf die gleiche Frequenz (50 Hz) und eine mit dem Netz vergleichbare Amplitude eingestellt.

In der Elektrizität fließt genau dann Stromwenn es einen Potentialunterschied gibt(ΔV) – insbesondere bei Gleichstrom, wo nur die momentane Spannungsdifferenz den Stromfluss bestimmt. Andererseits kann bei zwei synchronisierten Wechselquellen (gleiche Frequenz, gleiche Wellenform) der Strom dank einer Phasenverschiebung (einige Grad) zwischen den Sinuskurven auch dann fließen, wenn die Momentanspannungen zeitweise gleich sind.

In diesem Zusammenhang ist es diePhasenunterschied zwischen Spannungen, sowie dieImpedanzeigenschaften des Stromkreises, die die Existenz und Richtung des Stroms bestimmen.

Hinweis::
Bei einer Wechselspannung von 220 V variiert die Spannung von +311 V bis -311 V. Tatsächlich ist der Wert von 220 V der Effektivwert (RMS) der Wechselspannung. Dies ist der Wert, der für Leistungsberechnungen und Spezifikationen elektrischer Geräte verwendet wird. Die Wechselspannung schwankt zwischen einem maximalen positiven Wert und einem maximalen negativen Wert. Der Maximalwert (Amplitude) beträgt tatsächlich \(

Rolle der Phasenverschiebung bei der Energieübertragung

Physikalisch gehorcht diese Übertragung der Potenzgleichung: \( P = V \cdot I \cdot \cos(\varphi) \). Diese Formel ist als „Einphasen-Sinus-Wechselstrom-Wirkleistungsformel“ bekannt.

• P ist die Wirkleistung (in Watt, W),
• V ist die effektive Spannung (in Volt, V),
• I ist der effektive Strom (in Ampere, A),
• cos(φ) ist der Leistungsfaktor, wobei φ die Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom ist.

Selbst wenn die effektive Spannung nominell gleich ist (z. B. 230 V), sind es die momentanen Spannungsschwankungen (Phasenlage, Dynamik, Mikroeinstellungen), die es dem Wechselrichter ermöglichen, einen in das Netzwerk gerichteten Strom einzuspeisen.

Analogie mit zwei Wasserleitungen mit variablem Druck

Stellen Sie sich zwei Hydraulikpumpen vor, die an zwei Enden desselben Rohrs angeschlossen sind und jeweils eine Druckschwankung mit einer Frequenz von 50 Hz erzeugen.

Diese Schwankungen erzeugen Druckwellen in der Flüssigkeit (ähnlich Schallwellen), die sich durch das Rohr ausbreiten. Diese Wellen verursachen Zonen der Kompression und Entspannung der Flüssigkeit, ohne globale Massenbewegung, aber mit lokalen Schwingungen der Wasserpartikel.

Dieses System ist eine gute Analogie für zwei Wechselspannungsquellen in einem Stromkreis: Druck stellt Spannung dar, Fluss entspricht Strom und Flusswiderstand ähnelt der elektrischen Impedanz.

Fall 1: 0° Phasenverschiebung (pumpt perfekt in Phase)

Die beiden Drücke sind jederzeit identisch.

Zwischen den beiden Enden der gemeinsamen Leitung besteht kein Druckunterschied.

Deshalb: jederzeit Nulldurchfluss, keine Bewegung der Flüssigkeit.

• \(Q(t) = 0 \)
• \( \Delta p(t) = 0 \)
• Momentanleistung: \( P(t) = \Updelta p(t) \cdot Q(t) = 0 \)
• Durchschnittliche Leistung: 0

Abschluss:Keine Energieübertragung. Die Flüssigkeit ist trotz des schwankenden Drucks statisch.

Fall 2: 180° Phasenverschiebung (Pumpen in Gegenphase)

Gegensätzlicher Druck: Wenn der eine drückt, saugt der andere.

Maximale Druckdifferenz zu jedem Zeitpunkt.

Die Flüssigkeit schwingt abwechselnd stark von einer Pumpe zur anderen.

Der Durchfluss \(Q(t)\) steht in Gegenphase zur Druckdifferenz.

Das Produkt \( \Delta p(t) \cdot Q(t) \) ist die Hälfte der Zeit negativ, die andere Hälfte positiv, aber vollkommen symmetrisch.

Abschluss:

• Momentanleistung: variabel, mal positiv, mal negativ.
• Durchschnittliche Leistung: Null – es findet ein zyklischer Energieaustausch statt (wie bei einem Kondensator oder einer Spule), aber keine Nettoübertragung.
• Energie wird abwechselnd gespeichert und abgegeben.

Fall 3: 90° Phasenverschiebung (Phasenquadraturpumpen)

Wenn eine Pumpe ihren maximalen Druck hat, befindet sich die andere am Punkt des maximalen Durchflusses (da sich der Druckgradient ändert).

Druck und Durchfluss sind im Quadrat (90° versetzt).

Dies entspricht einer Situation, in der die Momentanleistung immer ungleich Null ist, aber während des Zyklus das Vorzeichen ändert.

Abschluss:

• Momentanleistung: sinusförmig, mit Wechsel zwischen Einspritzung und Absorption.
• Durchschnittliche Leistung: immer Null – wie bei 180° erfolgt eine abwechselnde Energieübertragung ohne Nettoakkumulation.

Fall 4: Mittlere Phasenverschiebung (z. B. 5°)

In diesem Fall ist die Phasenverschiebung weder vollständig Null (wie im 0°-Fall), noch 90° (wo Druck und Durchfluss maximal versetzt sind, aber ohne Nettoübertragung), noch maximal (wie im 180°-Fall), sondern dazwischen.

Der Druckunterschied ist nicht dauerhaft maximal, sondern variiert teilweise.

Die Strömungsgeschwindigkeit ist ebenfalls sinusförmig, jedoch teilweise phasengleich mit dem Druck.

Diese Phasenverschiebung erzeugt eine Nettoenergieübertragung zwischen den Pumpen, was zu einem tatsächlichen Flüssigkeitsfluss von einer Pumpe zur anderen führt.

• Wenn Pumpe A vor Pumpe B liegt, wird Energie von A nach B übertragen und die Flüssigkeit bewegt sich im Durchschnitt von A nach B.
• Wenn Pumpe A phasenverschoben ist, überträgt B Energie auf A und die Flüssigkeit bewegt sich von B nach A.

Obwohl aalternativer Momentanflussexistiert in allen Fällen,ein Nettostoffübergangerscheint nur, wenn die Phasenverschiebung teilweise ist (anders als 0°, 90° oder 180°).

Die Flüssigkeit ist somit Träger mechanischer Energie undkann zu einem Materialtransportvektor werdenin Situationen der Nettoenergieübertragung.