Stromerzeugung durch Photovoltaik-Anlagen bieten verschiedene Vorteile, da die Technologie dezentral, in verschiedenen Größenordnungen sowie an unterschiedlichen Standorten installiert werden kann. Das Monitoring-System Solarcheck von Phoenix Contact trägt über die gesamte Laufzeit zu einer möglichst hohen Energieausbeute bei.
Betreiber von Photovoltaik-Anlagen können sehr verschieden sein: Sowohl Privatpersonen, die beispielsweise ein kleines Modul an ihrem Wohnmobil anbringen, gehören genauso dazu wie Unternehmen, die global vernetzte Großkraftwerke mit einer Leistung im Gigawatt-Bereich betreiben. Neben dem Beitrag zur Einsparung von Kohlendioxid und dem damit einhergehenden grünen Image profitieren alle Parteien von finanziellen Vorteilen für Photovoltaik-Anlagen. Die Anlagen sind folglich zu einem Investitionsobjekt geworden. Die Investition in ein solares Kraftwerk im Megawatt-Bereich gestaltet sich dann als lohnendes Geschäft, wenn die relevanten Rahmenbedingungen berücksichtigt sind. Um die aufgelaufenen Kosten schnellstmöglich durch einen hohen Ertrag zu amortisieren, muss die Photovoltaik-Anlage sinnvoll geplant und technisch einwandfrei umgesetzt werden sowie langfristig effektiv arbeiten. Die Betreiber mehrerer solcher Anlagen können durch den permanenten Vergleich ihrer Applikationen erhebliche Optimierungspotenziale erschließen.
Systematische Datenerfassung und -analyse
Irradiance 04.08.2012: Die Wetterdaten weisen keinen Einbruch in der Einstrahlung auf, weshalb die Minderleistung der Strings fehlerbedingt ist. Bild: Phoenix Contact
Da Photovoltaik-Anlagen unter verschiedenen Umgebungsbedingungen betrieben werden und naturgemäß eine wetterabhängige Leistung erbringen, ist die Einschätzung ihrer Effizienz schwierig. Umweltbedingte Effekte müssen von möglichen Betriebsfehlern unterschieden und systematisch analysiert werden. Als Bewertungsmaßstab dient zunächst der theoretische Sollwert der Leistung. Er hängt von der Leistung der Photovoltaik-Module sowie der Sonneneinstrahlung vor Ort ab und wird durch Temperatureinflüsse sowie anlagenspezifische Verluste reduziert.
Die Differenz zwischen der theoretischen Sollleistung und dem tatsächlichen Ertrag gibt die so genannte Performance Ratio (PR) als prozentualen Wert an. Die Performance Ratio stellt also eine nützliche Kennzahl dar, die einen Eindruck vermittelt, wie nah die Istleistung der Anlage der theoretisch möglichen Maximalleistung kommt. Ein guter PR-Wert liegt dabei im Bereich von 80 Prozent. Je niedriger die Performance Ratio ist, desto dringlicher sollte der Betreiber die Einflüsse auf seine Photovoltaik-Anlage untersuchen. Denn viele Verluste lassen sich durch technische Verbesserungen und eine gezielte Wartung verhindern, sofern man sie detektieren und genau zuordnen kann.
String current of 16 strings 04.08.2012: Die Darstellung des gleichen Tags zeigt einen Einbruch im String-Strom, wobei mehrere Strings betroffen sind. Bild: Phoenix Contact
Dezentrale Installation der Messtechnik
Nach umfassenden Studien geben verschiedene Anwendungs-Richtlinien Empfehlungen zur effektiven Überwachung von Photovoltaik-Anlagen sowie zur Untersuchung der aufgenommenen Daten. Dazu gehören die Sunspec Alliance aus den USA sowie das Photovoltaic Power Systems Program der International Energy Agency (IEA-PVPS). Neben der obligatorischen Messung der Einspeiseleistung und der Errechnung der beschriebenen Performance Ratio erläutern die Empfehlungen, welche Auslegung der Messtechnik kosten- und aufwandsmäßig sinnvoll ist. Darüber hinaus gehen sie auf den Nutzen ein, der aus den Daten gezogen werden kann. In diesem Zusammenhang werden elektrische und meteorologische Daten auf so genannte „Arrays“ bezogen. Bei einem Array handelt es sich um einen elektrisch verbundenen Teil der Photovoltaik-Anlage, der aus einem oder mehreren Photovoltaik-Strings pro Wechselrichter-Eingang oder Sammelschiene besteht. In einer Anlage kann also beispielsweise die Verschaltung von 16 Strings in einer Stringbox als Array betrachtet werden. Bei Großkraftwerken setzt sich der Array durchaus aus einiger solcher Stringboxen zusammen – je nach Topologie und Wechselrichter-Konfiguration. In jedem Fall erweist es sich als sinnvoll, die Messtechnik direkt in den Stringboxen zu installieren, damit sich die Performance des Anlagenteils bewerten lässt.
Lokale Eingrenzung des Fehlers notwendig
Der tatsächliche Wirkungsgrad der Photovoltaik-Module wird maßgeblich durch die Modultemperatur bestimmt. Je wärmer die Module sind, desto unwirtschaftlicher arbeiten sie. Deshalb ist eine unnötige Erwärmung zu vermeiden, die beispielsweise aus der Verschmutzung der Module oder einer fehlenden Hinterlüftung resultiert. Die Temperaturverhältnisse können je Array variieren. Daher bietet es sich an, diesen Wert mindestens pro Array zu messen. Ein weiterer betriebsbedingter Temperaturfaktor zeigt sich in der Wärmeentwicklung innerhalb der Stringboxen. Sie wird durch die Verkabelung, Sicherungen und das Temperatur-Management verursacht und kann ebenfalls zu Verlusten führen. Durch eine Temperaturmessung im Inneren der Box lassen sich zum Beispiel Hotspots erkennen, die schlimmstenfalls einen Totalausfall der Applikation nach sich ziehen.
Das Monitoring-System Solarcheck kann durch den modularen Aufbau einfach und effizient in verschiedene Anlagen-Topologien integriert werden.
Um überhaupt feststellen zu können, ob Fehler vorliegen, wird die Leistung der Anlage mit der Sonneneinstrahlung referenziert, die wetterbedingt an diesem Ort verfügbar ist. Der Anteil, der von einem Photovoltaik-Modul in elektrische Energie umgewandelt werden kann, hängt vom Winkel ab, in dem die Strahlung auf das Modul auftrifft. Deswegen sollte ein verbauter Einstrahlungssensor den gleichen Winkel aufweisen wie die Module des zugehörigen Arrays. Besonders Großkraftwerke sind durch unterschiedliche geographische Gegebenheiten innerhalb des Photovoltaik-Felds gekennzeichnet, weshalb die Aufnahme der relevanten Daten an mehreren Stellen sinnvoll ist.
Als hilfreicher Fehlerindikator dient zudem die Photovoltaik-Spannung pro Array. Sie muss nicht je String gemessen werden. Ihre Verifizierung pro Maximum Power Point Tracker (MPPT) am Wechselrichter-Eingang wird jedoch dringend empfohlen. Auf diese Weise lässt sich die einwandfreie Funktion des Wechselrichters überprüfen, und unabhängig vom Wechselrichter ein Hinweis auf elektrische Fehlerfälle finden. Das Strom-Monitoring der einzelnen Strings stellt ein geeignetes Werkzeug dar, um konkrete Störungen in der Anlage auch örtlich genau zuzuordnen.
Als häufigste Ausfallursache in Photovoltaik-Anlagen drücken sich Fehler oder Schäden an der Verkabelung in der Regel im Strom aus. Da insbesondere Großkraftwerke durch eine große räumliche Ausdehnung charakterisiert sind, müssen die Störungen lokal eingegrenzt werden, damit sich eine gezielte Reparatur der betroffenen Strings durchführen lässt.
Zur Erfassung meteorologischer Daten lässt sich die Sensorik von M&T flexibel an das Stringstrom-Messgerät der Produktfamilie Solarcheck adaptieren.
Genauer Zuschnitt auf die örtlichen Gegebenheiten
Die Sensorik bildet das Rückgrat einer wirkungsvollen Analyse. Investitionen in ein gutes Monitoring amortisieren sich schnell, zum Teil schon bevor die gesamte Anlage abbezahlt ist. Die komplette Hardware der Photovoltaik-Anlage muss dabei immer auf die örtlichen Gegebenheiten zugeschnitten sein. Es liegt also im Interesse des Errichters, ein vielseitig nutzbares Überwachungssystem für verschiedene Anlagen-Topologien einsetzen zu können. Die Monitoring-Lösung Solarcheck von Phoenix Contact ist auf die flexible Anordnung der wichtigsten Messaufgaben im Feld ausgelegt. Das einfach handhabbare und kostengünstige System passt sich an jede Anlagenform an. Die anschließbare Sensorik zur Messung der Bestrahlungsstärke und Temperatur wird vom Ingenieurbüro Mencke & Tegtmeyer (M&T) gefertigt. Aus dem Niedersächsischen Institut für Solarenergieforschung Hameln (ISFH) hervorgegangen, beliefert M&T von Forschungseinrichtungen bis zu Großkraftwerken zahlreiche internationale Anwender. jl
