Blitz- und Überspannungsschutz von ausgedehnten Freifeld-Photovoltaik-Großanlagen unter besonderer Berücksichtigung der Agro-Photovoltaik

Stipendiatin/Stipendiat: Kamila Costa

Photovoltaikanlagen entwickeln sich weltweit zu einer immer wichtigeren erneuerbaren Energiequelle. Solar energy is the most economically attractive renewable energy and enjoys a high level of acceptance among the population, which ensures it global expansion potential for the coming years. PV-Anlagen werden in Zukunft eine wichtige Säule der regenerativen Versorgung mit elektrischer Energie in Deutschland  und auch weltweit sein.

Die Solarenergie ist die wirtschaftlich attraktivste erneuerbare Energie und genießt eine hohe Akzeptanz in der Bevölkerung, was ihr ein weltweites Expansionspotenzial für die kommenden Jahre sichert. Diese Expansion erfordert die Nutzung größerer Landflächen, was zu einer Landkonkurrenz mit landwirtschaftlichen Tätigkeiten führt.

In diesem Kontext stellen Agri-Photovoltaik-Anlagen eine Lösung dar, für die gleichzeitige Nutzung des Landes für die Landwirtschaft und die Erzeugung von Solarenergie. In Ländern mit hoher solarer Einstrahlung, Wassermangel, aber zugleich hoher Blitzdichte, sollen zukünftig Agri-Photovoltaik-Systeme realisiert werden. Flächen sollen mit aufgeständerten PV-Anlagen „überdacht“ werden, wodurch die gleichzeitige Nutzung fruchtbarer Flächen für die Landwirtschaft mit Bodenschutz und reduzierter Austrocknung sowie die Erzeugung von Solarstrom für den Eigenverbrauch der landwirtschaftlichen Betriebe ermöglicht wird.

Diese ausgedehnten PV-Anlagen sind direkten Blitzeinschlägen sowie Überspannungen ausgesetzt, was Störungen und Schäden und dadurch höhere Wartungskosten und daher längere Amortisationszeiten zur Folge hat. Damit die Photovoltaik-Anlagen möglichst beständig elektrische Energie produzieren, wenn Sonneneinstrahlung vorliegt, müssen blitzbedingte Störungen, Ausfälle und Verluste durch optimale Schutzeinrichtungen gegen Blitz und Überspannungen verhindert werden.

Das vorgeschlagene Forschungsvorhaben zielt auf den Blitz- und Überspannungsschutz von Solarenergieerzeugungsanlagen ab, unter besonderer Berücksichtigung der Agri-Photovoltaik.

Bei PV-Anlagen gibt es Besonderheiten, die noch nicht geklärt sind, die aber für den Schutz der zukünftigen Versorgung mit sauberer Energie entscheidend sind:

  • Die erhöhte örtliche Blitzdichte bei großen PV-Anlagen mit Ausdehnungen bis in den Quadratkilometerbereich und der Einfluss von Konstruktion und Erdung solcher Anlagen sind zu berücksichtigen.
  • Im globalen Kontext sind solche wichtigen Fragen wie die Erhebung relevanter Blitzdaten, die statistische Auswertung von Blitzortungsdaten und die Klassifizierung von Photovoltaik-Anlagen nach Bauart, Material, Anordnung, Ausdehnung und Umgebung in Bezug auf Blitze bisher nicht betrachtet worden.
  • Darüber hinaus sind Blitzeinschläge mit mehreren Fußpunkten in PV-Großanlagen, die Ausbreitung und die Auswirkungen von sehr steilen Erst- und Folgeblitzen sowie die Entstehung und Ausbreitung von Blitzüberspannungen in PV-Großanlagen bisher nicht bzw. nicht in ausreichender Tiefe untersucht worden.

Diese spezifischen Fragen sollen im Rahmen des Promotionsvorhabens im Hinblick auf die Erhöhung des Schutzes von PV-Anlagen vor direkter und indirekter Blitzeinwirkung geklärt werden.

Die Blitzhäufigkeit und die Vorgänge bei Blitzeinschlägen in PV-Freifeldanlagen werden untersucht. Die Ausbreitung von Blitzimpulsströmen und Blitzstoßspannungen in der elektrischen Installation und in der Erdungsanlage wird bewertet. Die Optimierung des Blitz- und Überspannungsschutzes von großen PV-Freifeldanlagen wird analysiert. Daraus werden Empfehlungen für die Verbesserung des äußeren Blitzschutzes sowie für die Leistungsfähigkeit und den Einsatz von Überspannungsschutzgeräten entwickelt.

Förderzeitraum:
01.01.2023 - 31.12.2025

Institut:
Technische Universität Ilmenau
Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik
Fachgebiet Blitz- und Überspannungsschutz

Betreuer:
Prof. Dr. Michael Rock

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