Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
PV-Gro\u00dfanlagen werden \u00fcberwiegend mit Zentralwechselrichtern ausgef\u00fchrt. 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-Gro\u00dfanlagen durch die Minimierung der Verschaltungsverluste. Die angestrebte Effizienzsteigerung von PV-Gro\u00dfanlagen soll wesentlich zur stetigen Steigerung des Anteils regenerativer Energien am Energie-Mix beitragen.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZum Erreichen der Zielstellung ist die Entwicklung eines komplexen mathematischen Approximationsmodells f\u00fcr PV-Gro\u00dfanlagen erforderlich. Dieses dient als Grundlage f\u00fcr die sp\u00e4tere multikriterielle Optimierung. Durch die Definition von Verschaltungsoperatoren f\u00fcr Reihen- und Parallelverschaltungen von PV-Modulen wird die nichtlineare Kennlinie des Gesamtsystems modelliert. Eine Erweiterung des Gesamtmodells soll die Einbeziehung von Temperatur- und Einstrahlungsverl\u00e4ufen erm\u00f6glichen. Aufbauend darauf werden mathematische Optimierungsmethoden f\u00fcr PV-Gro\u00dfanlagen entwickelt. Diese beinhalten die Ableitung und Entwicklung von Optimierungsalgorithmen durch die Kombination und Verkn\u00fcpfung von relevanten Heuristiken. Die Methoden zur Anlagenoptimierung werden anschlie\u00dfend simuliert und bewertet. In weiterf\u00fchrenden Arbeitsschritten wird der Einfluss inhomogener Alterungserscheinungen von PV-Modulen auf den Optimierungszustand der PV-Anlage \u00fcber die gesamte Lebensdauer untersucht. Hand-lungsstrategien (z. B. Intervalloptimierung) zum Erhalt des Optimierungszustandes werden abgeleitet.
\nDie praktische Umsetzung der Optimierungsmethoden erfordert ein Logistikkonzept f\u00fcr die Modul-Sortierung (bis zu 15.000 Module). Dieses muss unter anderem Optimierungswerkzeuge, Schnittstellen f\u00fcr die \u00dcberf\u00fchrung der Eingangsparameter sowie Konzepte zur Modulsortierung (Weg-, Zeit-, Kostenmi-nimierung) und zur technischen Ausf\u00fchrung (Handhabungs- und Transporteinrichtungen) beinhalten.
\nF\u00fcr die Validierung der Optimierungsergebnisse wird im anschlie\u00dfenden 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 Standorteinfl\u00fcssen nachgewiesen.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Mit dem Exponentialmodell wurde ein wesentlich genaueres Modell f\u00fcr die Berechnung der Leistungsdaten entwickelt, als das Rechteckmodell. Die Grundlage des Exponentialmodells ist dabei das Eindiodenmodell einer Solarzelle. F\u00fcr die Berechnung der Leistungsdaten bei der Modulverschaltung wurden nicht nur einzelne Strom- und Spannungswerte von PV-Modulen sondern die gesamte Kennlinie einbezogen.
\nDie wesentliche Einflussgr\u00f6\u00dfe auf die H\u00f6he 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 \u00b1 5 %, \u00fcblicherweise ca. 0,7 % betragen. Bei zuf\u00e4lliger Modulanordnung k\u00f6nnen abweichend vom statistischen Mittel wesentlich gr\u00f6\u00dfere Verschaltungsverluste auftreten. Durch die gezielte Modulanordnung werden solche F\u00e4lle ausgeschlossen.
\nF\u00fcr die Berechnung der Verschaltungsverluste in Abh\u00e4ngigkeit 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 j\u00e4hrlicher Energiemehrertrag von 10.000 kWh m\u00f6glich. Dies entspricht einer Kohlendioxideinsparung von ca. 6,5 Tonnen pro Jahr.
\nDurch die entwickelten Optimierungsmethoden kann f\u00fcr jede PV-Anlage eine Modulanordnung berechnet werden, bei der nahezu keine Verschaltungsverluste auftreten.
\nWeitere Untersuchungen zeigten, dass die Umgebungsbedingungen (Einstrahlung und Temperatur) kei-nen bzw. einen vernachl\u00e4ssigbaren Einfluss auf die Anlagenoptimierung haben. Eine f\u00fcr STC optimierte Modulanordnung einer PV-Anlage weist auch bei abweichenden Umgebungsbedingungen nur minimale Verschaltungsverluste auf.
\nF\u00fcr 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 aussagekr\u00e4ftige Ergebnisse m\u00f6glich sind, wenn die Leistungsdaten \u00fcber einen langen Zeitraum erfasst werden. Die derzeit vorliegenden Ergebnisse werden durch kurzzeitig auftretende Unterschiede der Umgebungsbedingungen stark verf\u00e4lscht. 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 k\u00f6nnen, werden die Arbeiten \u00fcber das Projekt hinaus weitergef\u00fchrt.
\nWeitere Untersuchungen wurden hinsichtlich des Einflusses inhomogener Modulalterung w\u00e4hrend der Betriebsdauer einer PV-Anlage durchgef\u00fchrt. Es wurde gezeigt, dass dieser Einfluss in der Praxis vernachl\u00e4ssigbar 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 f\u00fcr eine Neukonfiguration verbundene Abschaltung der PV-Anlage bzw. einzelner Anlagenbereiche f\u00fcr einen Zeitraum von mehreren Wochen h\u00e4tte Ertragsverluste zur Folge, die mit dem Leistungsgewinn durch die Anlagenneukonfiguration nicht kompensierbar sind. <\/p>\n
Das FuE-Projekt wurde entsprechend der im Projektantrag aufgestellten Arbeits-, Zeit- und Kostenplanung beendet.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Es liegt ein Abschlu\u00dfbericht vor, der der \u00d6ffentlichkeit in geeigneter Weise zug\u00e4nglich gemacht wird. Weiterhin ist vorgesehen, die Demonstrationsanlage als Referenzobjekt des Bewilligungsempf\u00e4ngers und der Deutschen Bundesstiftung Umwelt publik zu machen.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
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 j\u00e4hrlicher Energiemehrertrag von 10.000 kWh m\u00f6glich. Dies entspricht einer Kohlendioxideinsparung von ca. 6,5 Tonnen pro Jahr.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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