Projekt 24271/01

Wirkungsgradsteigerung von Photovoltaik-Großanlagen mittels effizienter multikriterieller Solarmodul-Selektion und -Kombination

Projektdurchführung

SunStrom GmbH
Moritzburger Weg 67
01109 Dresden

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

PV-Großanlagen werden überwiegend mit Zentralwechselrichtern ausgeführt. Aus der elektrischen Verschaltung der PV-Module resultieren Wirkungsgradverluste durch die Streuung der Modulkennlinien. Ziel des Projektes ist daher die Verbesserung des Wirkungsgrades von PV-Großanlagen durch die Minimierung der Verschaltungsverluste. Die angestrebte Effizienzsteigerung von PV-Großanlagen soll wesentlich zur stetigen Steigerung des Anteils regenerativer Energien am Energie-Mix beitragen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZum Erreichen der Zielstellung ist die Entwicklung eines komplexen mathematischen Approximationsmodells für PV-Großanlagen erforderlich. Dieses dient als Grundlage für die spätere multikriterielle Optimierung. Durch die Definition von Verschaltungsoperatoren für Reihen- und Parallelverschaltungen von PV-Modulen wird die nichtlineare Kennlinie des Gesamtsystems modelliert. Eine Erweiterung des Gesamtmodells soll die Einbeziehung von Temperatur- und Einstrahlungsverläufen ermöglichen. Aufbauend darauf werden mathematische Optimierungsmethoden für PV-Großanlagen entwickelt. Diese beinhalten die Ableitung und Entwicklung von Optimierungsalgorithmen durch die Kombination und Verknüpfung von relevanten Heuristiken. Die Methoden zur Anlagenoptimierung werden anschließend simuliert und bewertet. In weiterführenden Arbeitsschritten wird der Einfluss inhomogener Alterungserscheinungen von PV-Modulen auf den Optimierungszustand der PV-Anlage über die gesamte Lebensdauer untersucht. Hand-lungsstrategien (z. B. Intervalloptimierung) zum Erhalt des Optimierungszustandes werden abgeleitet.
Die praktische Umsetzung der Optimierungsmethoden erfordert ein Logistikkonzept für die Modul-Sortierung (bis zu 15.000 Module). Dieses muss unter anderem Optimierungswerkzeuge, Schnittstellen für die Überführung der Eingangsparameter sowie Konzepte zur Modulsortierung (Weg-, Zeit-, Kostenmi-nimierung) und zur technischen Ausführung (Handhabungs- und Transporteinrichtungen) beinhalten.
Für die Validierung der Optimierungsergebnisse wird im anschließenden Projektabschnitt eine Demonstrationsanlage unter Anwendung der entwickelten Optimierungsmethoden installiert. Die Leistungsdaten einer optimierten Teilanlage werden dabei in Langzeittests messtechnisch erfasst und mit den Daten des konventionell installierten Anlagenteils verglichen. Die Wirksamkeit des Optimierungskonzeptes wird so-mit unter realen Bedingungen bei gleichzeitigem Ausschluss von Standorteinflüssen nachgewiesen.


Ergebnisse und Diskussion

Mit dem Exponentialmodell wurde ein wesentlich genaueres Modell für die Berechnung der Leistungsdaten entwickelt, als das Rechteckmodell. Die Grundlage des Exponentialmodells ist dabei das Eindiodenmodell einer Solarzelle. Für die Berechnung der Leistungsdaten bei der Modulverschaltung wurden nicht nur einzelne Strom- und Spannungswerte von PV-Modulen sondern die gesamte Kennlinie einbezogen.
Die wesentliche Einflussgröße auf die Höhe der auftretenden Verschaltungsverluste ist die Streuung der Modulkennlinien. Die Berechnungen mit dem Exponentialmodell zeigen, dass die Verschaltungsverluste im statistischen Mittel, bei einer typischen Leistungstoleranz von ± 5 %, üblicherweise ca. 0,7 % betragen. Bei zufälliger Modulanordnung können abweichend vom statistischen Mittel wesentlich größere Verschaltungsverluste auftreten. Durch die gezielte Modulanordnung werden solche Fälle ausgeschlossen.
Für die Berechnung der Verschaltungsverluste in Abhängigkeit von der Streuung der Modulkennlinien wurde aus den Untersuchungen ein funktionaler Zusammenhang abgeleitet. Daraus ist ersichtlich, dass eine Umweltrelevanz der entwickelten Methode zur Optimierung von PV-Anlagen ab einer Fertigungs-streuung der Solarmodule von ca. 8 % gegeben ist. Die zu erwartenden Verschaltungsverluste liegen nach diesem funktionalen Zusammenhang bei ca. 1 %. Durch die Optimierung einer 1 MWp-Anlage ist somit ein jährlicher Energiemehrertrag von 10.000 kWh möglich. Dies entspricht einer Kohlendioxideinsparung von ca. 6,5 Tonnen pro Jahr.
Durch die entwickelten Optimierungsmethoden kann für jede PV-Anlage eine Modulanordnung berechnet werden, bei der nahezu keine Verschaltungsverluste auftreten.
Weitere Untersuchungen zeigten, dass die Umgebungsbedingungen (Einstrahlung und Temperatur) kei-nen bzw. einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Anlagenoptimierung haben. Eine für STC optimierte Modulanordnung einer PV-Anlage weist auch bei abweichenden Umgebungsbedingungen nur minimale Verschaltungsverluste auf.
Für die Validierung des Optimierungsverfahrens wurden die Leistungsdaten einer Demonstrationsanlage erfasst und ausgewertet. Die Demonstrationsanlage besteht aus drei Teilanlagen mit unterschiedlichen Modulkonfigurationen. Die Auswertung der Messdaten zeigte, dass hinreichend genaue und aussagekräftige Ergebnisse möglich sind, wenn die Leistungsdaten über einen langen Zeitraum erfasst werden. Die derzeit vorliegenden Ergebnisse werden durch kurzzeitig auftretende Unterschiede der Umgebungsbedingungen stark verfälscht. So wurden innerhalb eines Tagesverlaufs Leistungsunterschiede von bis zu 40 % wischen den Teilanlagen gemessen, die nicht aus der Anordnung der PV-Module resultieren. Um nachhaltige Effekte verifizieren zu können, werden die Arbeiten über das Projekt hinaus weitergeführt.
Weitere Untersuchungen wurden hinsichtlich des Einflusses inhomogener Modulalterung während der Betriebsdauer einer PV-Anlage durchgeführt. Es wurde gezeigt, dass dieser Einfluss in der Praxis vernachlässigbar ist. Nach einer Betriebsdauer von 10 Jahren ist mit einer alterungsbedingten Tolleranzstei-gerung der Nennleistung der PV-Module von ca. 1,5 % zu rechnen. Dies entspricht Verschaltungsverlus-ten von etwa 0,2 %. Die für eine Neukonfiguration verbundene Abschaltung der PV-Anlage bzw. einzelner Anlagenbereiche für einen Zeitraum von mehreren Wochen hätte Ertragsverluste zur Folge, die mit dem Leistungsgewinn durch die Anlagenneukonfiguration nicht kompensierbar sind.

Das FuE-Projekt wurde entsprechend der im Projektantrag aufgestellten Arbeits-, Zeit- und Kostenplanung beendet.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Es liegt ein Abschlußbericht vor, der der Öffentlichkeit in geeigneter Weise zugänglich gemacht wird. Weiterhin ist vorgesehen, die Demonstrationsanlage als Referenzobjekt des Bewilligungsempfängers und der Deutschen Bundesstiftung Umwelt publik zu machen.


Fazit

Die im Projekt erzielten Ergebnisse zeigen, dass das Optimierungspotential durch eine gezielte Modulanordnung geringer ist als bisher angenommen. Die Umweltrelevanz der entwickelten Methode zur Optimierung von PV-Anlagen ist ab einer Fertigungsstreuung der Solarmodule von ca. 8 % gegeben. Die zu er-wartenden Verschaltungsverluste liegen in diesem Fall bei ca. 1 %. Durch die Optimierung einer 1MWp-Anlage ist somit ein jährlicher Energiemehrertrag von 10.000 kWh möglich. Dies entspricht einer Kohlendioxideinsparung von ca. 6,5 Tonnen pro Jahr.