Nachgeführte und stationäre Photovoltaikanlagen mit kristallinen
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Nachgeführte und stationäre Photovoltaikanlagen mit kristallinen
Nachgeführte und stationäre Photovoltaikanlagen mit kristallinen, amorphen und CIS -Modulen Betriebsdatenanalyse über mehrere Jahre D. Kohake, T. Nierhoff Fachhochschule Gelsenkirchen, Fachbereich Elektrotechnik Neidenburger Straße 10, 45877 Gelsenkirchen Tel.: 0209/ 9596-287; Fax: 0209/ 595379 E-Mail: [email protected] 1.Forschungsanlage der Fachhochschule Gelsenkirchen am Standort Bocholt Photovoltaikanlagen sind in der Bundesrepublik an unterschiedlichen Standorten in einem großen Leistungsbereich installiert. Die Güte der Anlagen und der energetische Ertrag sind z.B. abhängig von den verwendeten Modulen, dem Systemkonzept und dem Standort. Einige besonders interessante und geeignete Anlagen werden durch Monitoringsysteme überwacht und analysiert. International verwendete Kenngrößen wie Yield Faktoren und Performance Ratio ermöglichen eine vergleichende Beurteilung der Anlagen unabhängig vom Standort. In Bocholt wurde 1998/1999 am dortigen Standort der Fachhochschule Gelsenkirchen eine Photovoltaik-Forschungsanlage entwickelt und installiert. Ziel der Forschung in Bocholt bzw. Gelsenkirchen ist die vergleichende Analyse von kristallinen Modulen, die einachsig und zweiachsig mit unterschiedlichen Systemen dem Lauf der Sonne nachgeführt werden und von Dünnschichtmodulen auf der Basis von amorphem Silizium und von Kupfer-Indium-Diselenid. Die gesamte Anlage teilt sich in 7 Teilanlagen (TA) auf mit einer Nennleistung pro Teilanlage zwischen 640 WP und 768 WP. Die Teilanlagen 1 bis 3 werden dem Sonnenstand nachgeführt, die Teilanlagen 1 und 3 einachsig, Teilanlage 2 zweiachsig rechnergesteuert. Teilanlage 4 wurde als Referenzanlage mit den gleichen polykristallinen Siliziummodulen wie die Anlagen 1 bis 3 fest in Südrichtung ausgerichtet. Mit den Teilanlagen 5 und 6 werden amorphe Siliziummodule verschiedener Hersteller untersucht und mit Teilanlage 7 Kupfer-IndiumDiselenid-Module. Abbildung 1: Forschungsanlage der Fachhochschule Gelsenkirchen am Standort Bocholt Jede Anlage ist mit einem eigenen Wechselrichter verbunden und mit umfangreicher Messtechnik ausgestattet. Die Bestrahlungsstärke, die Temperatur, Daten auf der Gleichstromseite und Wechselstromseite werden gemessen und mit Hilfe eines Datenloggers in 5-Minuten-Mittelwerten gespeichert. Die vorliegenden Messdaten gestatten einen Vergleich der nachgeführten Systeme und der Dünnschichtsysteme und eine Analyse über mehrere Jahre. 1 Abbildung 2: Nachführung des Systems der Teilanlage 1 durch die Wärmeausdehnung und Verlagerung einer Flüssigkeit Abbildung 3: 2-achsig nachgeführter PV-Generator der Teilanlage 2 mit kristallinen Solarzellen Die Nachführung erfolgt mittels rechnergesteuertem Schrittmotor unter permanenter Berechnung des Sonnenstandes. Abbildung 4: Die kleine Solarzelle im Vordergrund dient als Energiequelle für die elektrische Nachführung der Teilanlage 3. 2. Charakteristische Kenngrößen eines photovoltaischen Systems Zu den besonders interessanten charakteristischen Größen bei einem netzgekoppelten System gehören Final Yield Yf, Capture Losses LC und System Losses LS. Yf stellt den monatlichen spezifischen Energieertrag dar, das heißt Yf gibt die monatlich pro kW P Anlagenleistung in das Versorgungsnetz eingespeiste Energie an. LC beschreibt die mit dem Betrieb des Generators verbundenen Verluste (Abschattungs-, Temperatur-, Missmatchingverluste und Beeinträchtigung durch Verschmutzung) und LS die Verluste, die im System hinter den Generatoren auftreten (Wechselrichter, Leitungsverluste). Die Summe von Yf, LC und LS steht für den Reference Yield Yr und damit für die unter idealen Bedingungen erzielbare spezifische Energie. Performance Ratio PR (PR = Yf/Yr) ist das Verhältnis der real gewonnenen und z.B. durch Einspeisung in das Versorgungsnetz genutzten Energie zu der theoretisch unter idealen Bedingungen verfügbaren Energie des PV-Systems. 3. Analyse der Systemkenngrößen im Jahr 2001 Abb. 5: Yieldfaktoren im Jahr 2001 1400 1200 1000 800 600 400 200 YR Ya TA7 TA6 TA5 TA4 TA3 TA2 0 TA1 kWh/P0 Am Beispiel des Jahres 2001 werden im Folgenden die Kenngrößen der Forschungsanlage analysiert. In Abbildung 5 sind die Systemgrößen Yr, Ya, und Yf aller Teilanlagen im Jahr 2001 dargestellt. Alle Kenndaten wurden normiert mit den Nennwerten der MPP-Leistungen P0 laut Herstellerangaben. Die spezifische Energie auf der Gleichstromseite (Ya) variiert von 789 bis 1061 kWh/kW P, die spezifische Energie auf der Yf 2 Wechselstromseite (Yf) zwischen 677 und 950 kWh/kW P. Der Vergleich der Yield Faktoren Yf zeigt erwartungsgemäß den höchsten spezifischen Energieertrag für die zweiachsig der Sonne nachgeführte Teilanlage 2. Es folgt die nachgeführte Teilanlage 3. Im Vergleich zur Referenzanlage (TA4, Yf=816 kWh/kW P) weist TA2 einen um 16,4% höheren Ertrag auf und TA3 um 8,7%. Die nachgeführte Teilanlage 1 und die fest ausgerichteten Teilanlagen 4 und 7 verzeichnen etwa den gleichen Ertrag. Der Ertrag der Teilanlage 6 ist um 7,8% höher als der von TA 4 und bei Teilanlage 5 mit amorphen Siliziummodulen ergibt sich der geringste Energieertrag mit –17% zur TA 4. Der Ertrag der TA 1 entspricht nicht den Erwartungen für ein der Sonne nachgeführtes System. Erklärungen ergeben sich hierfür ebenso wie für die Erträge der Systeme mit Dünnschichtmodulen aus noch folgenden Analysen. kWh/P0 Die Differenz der Kenngrößen Yr und Ya in Abbildung 5 steht für die Verluste LC auf der Gleichstromseite der Systeme und die Differenz der Kenngrößen Ya und Yf für die Verluste LS auf der Wechselstromseite. LC der Teilanlagen wird in Abbildung 6 durch die grünen Balken und LS durch die blauen Balken dargestellt. Die Abb. 6: Systemgrößen Yf,LS,LC im Jahr 2001 Teilanlagen 1 bis 4 weisen vergleichbare Verluste LC von 11% bis 15% auf, was zu 1400 erwarten ist, da die Systeme in Bezug 1200 auf die Module und die Verkabelung 1000 gleich ausgelegt sind. Die höchsten 800 Verluste treten hierbei 600 verständlicherweise bei TA 2 auf, da ihre 400 Module durch die Nachführung und die 200 damit verbundene höhere Einstrahlung 0 TA_1 TA_2 TA_3 TA_4 TA_5 TA_6 TA_7 stärker erwärmt werden. Geringere Verluste ergeben sich für TA 7 und Yf kWh/P0 LS kWh/P0 LC kWh/P0 insbesondere für TA 6, die höchsten Verluste bei TA 5. Diese Differenzen lassen sich aus einer Betrachtung der Systemgrößen begründen. Die eingestrahlte Sonnenenergie und somit Yr ist für TA 4 bis TA 7 identisch. Die spezifische ACEnergie Yf wurde durch Normierung mit der Nennleistung der Module laut Herstellerangaben berechnet. Wenn die Differenz zwischen Nennleistung und realer Modulleistung bei den Teilanlagen unterschiedlich ist, kann dadurch eine unterschiedliche Differenz zwischen Yr und Yf, die der Summe der Verluste entspricht, entstehen. Da die Verluste der Wechselrichter der Teilanlagen 4 bis 6 nahezu identisch sind, sind die Unterschiede in LC eventuell auf unterschiedliche tatsächlich installierte Leistungen zurückzuführen. Erhöhte Verluste auf der AC-Seite der TA 7 können mit der geringeren Spannung, bedingt durch die Vorgaben der CIS-Module, und damit höherem Strom dieses Wechselrichters begründet werden. Die Verluste Ls der Teilanlagen 1 bis 6 betragen 9% bis 11%, was sehr gut einem mittleren Wirkungsgrad der Wechselrichter von ca. 90% entspricht, die Verluste Ls der TA7 betragen 15%. PR / % Für den Anwender ist die spezifische Abb. 7: Performance Ratio der Teilanlagen TA1..TA7 im Jahr 2001 Energie Yf, die in das Versorgungsnetz eingespeist wird, durch die damit 100 verbundene Vergütung besonders interessant. Neben der Anlagengüte ist 80 die spezifische Energie abhängig von der 60 eingestrahlten Sonnenenergie, die 40 wiederum vom Standort der Anlage abhängig ist. Ein Vergleich von Anlagen 20 unabhängig vom Standort wird durch das 0 Performance Ratio PR = Yf/Yr, also das PR_TA1 PR_TA3 PR_TA5 PR_TA7 Verhältnis der roten Balken zur gesamten Balkenhöhe in Abbildung 6, ermöglicht. PR ergibt sich aus Abbildung 7 für die Teilanlagen 1, 2, 3, 4, und 7 nahezu gleich zu 76% bis 78%. 3 TA6 erreicht mit 84% einen besseren Wert, TA 5 mit 65% einen schlechteren. 76% - 78% der unter idealen Bedingungen verfügbaren Energie werden in das Netz eingespeist, oder die gesamten Verluste betragen 22% - 24%. Damit werden im Vergleich zu veröffentlichten Daten anderer Anlagen gute Jahreswerte erreicht. TA 6 erreicht noch bessere Werte, da die real installierte Leistung größer ist als die Nennleistung und TA 5 schlechtere Werte durch die real niedrigere Leistung als die Nennleistung, wie im Folgenden weitere Untersuchungsergebnisse zeigen werden. 4. Analyse der nachgeführten Systeme Dezember November Oktober September August Juli Juni Mai April Maerz Februar 20.00 16.00 12.00 08.00 04.00 00.00 PDC /W Januar % Nachgeführte Systeme können nur interessant sein, wenn sie einen deutlich höheren Ertrag liefern als fest ausgerichtete Systeme. Durch einen Vergleich der Energieernte der nachgeführten Systeme mit der Referenzanlage TA 4 kann die Qualität der Nachführsysteme beurteilt werden. Abbildung 8 zeigt, dass im Jahr 2001 der Ertrag der Abb. 8: Abweichungen der Energieernte der nachgeführten Systeme zur Teilanlage 4 (fest ausgerichtet; 30,0) rechnergesteuerten Teilanlage 2 10% bis 38% besser ist als 50 der der Referenzanlage (TA 40 4). Die schlechten Werte im 30 20 Dezember sind durch einen 10 Ausfall des Nachführsystems 0 bedingt. TA 3 erreicht -10 -20 Erträge, die bis zu 15% über -30 denen der Referenzanlage liegen und TA 1 maximal 9%, Energie_TA1 (Zähler) (kWh) Energie_TA2 (Zähler) (kWh) aber häufig sind hier die Energie_TA3 (Zähler) (kWh) Erträge sogar schlechter als die der TA 4. Gute Energieerträge lassen sich nur erzielen, wenn die Systeme ausreichend schnell dem Lauf der Sonne folgen. Ein anschaulicher Vergleich des Reaktionsverhaltens und des maximal erreichbaren Energiemehrertrages nachgeführter Anlagen ist in Abbildung 9 durch den Verlauf der Generatorleistung PDC an einem sonnigen Tag im Juli 2002 für die zweiachsig nachgeführte Teilanlage 2, die einachsig nachgeführten Teilanlagen 1 und 3 und die fest ausgerichtete TA 4 dargestellt. Die TA 2 Abb. 9: Verlauf der Generatorleistung PDC am 28. Juli 2002 reagiert bei Sonnenaufgang sofort, 600 da sie durch einen Rechner gesteuert wird. 500 Die Teilanlage 3 muss 400 morgens über einen 300 Motor in der 200 Trägerachse und ein 100 kleines Zusatzmodul, das die Energie für den 0 Antrieb des Motors liefert, von der letzen Tageszeit Position des Abends PDC_TA2 PDC_TA4 PDC_TA3 PDC_TA1 vorher im Westen in Ostrichtung gedreht werden. Da die Energie zur Drehung der Anlage zu Beginn des Tages noch nicht ausreicht, ist die Leistung der Anlage zunächst gering und erreicht erst verspätet die Leistung der Teilanlage 2. Durch die erforderliche Flüssigkeitsverlagerung folgt TA 1 noch träger dem Verlauf der Sonne, der durch TA 2, die als Referenzanlage der nachgeführten Systeme gilt, sichtbar wird. An diesem Tag ergibt sich ein Mehrertrag von ca. 41% für TA 2, 13% für TA 3 und 8% für TA 1. Der entsprechende Jahresmehrertrag 2001 beträgt aber nur 16,4% für TA 2 und 8,7% für TA 3, wie der Vergleich der 4 Faktoren Yf in Abb. 5 gezeigt hat. Im Jahr 2000 wurden Mehrerträge von 15,5% und 7,6% für TA 2 und TA 3 ermittelt und nur 1,6% für TA 1. Betrachtet man die Kosten der Nachführsysteme, so ergeben sich natürlich für die aufwendige rechnergesteuerte Nachführung die höchsten Kosten. Es folgt die Teilanlage 1 mit der Nachführung durch Verlagerung einer Flüssigkeit und dann Teilanlage 3 mit dem kleinen Zusatzmodul und einem Motor in der Achse des Gestells. Die gemessenen energetischen Mehrerträge können nur bei der kostengünstigsten Teilanlage 3 bei störungsfreiem Betrieb während 20 Jahren Betriebsdauer und der heute gültigen Einspeisevergütung zu einer kostenmäßigen Amortisation führen. Die anderen Systeme erreichen am Standort der Forschungsanlage in Bocholt durch die Einspeisevergütung auch nach 20 Jahren nicht die Investitionskosten der Nachführung. 5. Analyse der Betriebsdaten über mehrere Jahre Photovoltaikanlagen sollen über möglichst viele Jahre störungsfrei elektrische Energie liefern. Für die Amortisation einer Anlage spielen gesicherte Energieerträge eine wichtige Rolle. Insbesondere das Performance Ratio gibt Auskunft Abb. 10: Performance Ratio der Jahre 2000, 2001,2002 über die Langzeit-Qualität, die Performance, einer Anlage. Für die 100 Jahre 2000, 2001 und 2002 (bis Juli 2002) sind für alle Teilanlagen die 80 PR-Werte in Abbildung 10 60 gegenübergestellt. Die Teilanlagen 1, 3 und 4 zeigen ein 40 ähnliches Verhalten, PR erreicht die 20 höchsten Werte im Jahr 2000, geringere Werte in 2001 und steigt 0 dann 2002 wieder an. Bei TA 2 fällt TA1 TA2 TA3 TA4 TA5 TA6 TA7 auf, dass PR 2002 kleiner ist als 2001 und nicht wie bei den anderen PR in 2000 PR in 2001 PR in 2002 Anlagen wieder ansteigt. Der Grund hierfür liegt in einem Ausfall der Nachführung von Dezember 2001 bis Juni 2002. Ursache war ein defekter Bolzen in der Halterung der Anlage, der erst im Juni ausgetauscht werden konnte. Auch bei der TA 7 tritt im Jahr 2002 ein besonders niedriger PR-Wert auf. Hier ist die Ursache der Ausfall des Wechselrichters der Teilanlage nach einem Spannungsausfall Ende Juni 2002. Der Wechselrichter konnte auch im August 2002 noch nicht wieder eingesetzt werden. Eine Erklärung für den Abfall von PR 2001 bei TA 1, TA 3 und TA 4 ist nicht so leicht zu finden. Das Performance Ratio ist abhängig von der in das Netz eingespeisten Energie und der Sonneneinstrahlung. Die Leistung der Module und damit die von ihnen gelieferte Energie nimmt mit steigender Außentemperatur ab. Bei konstanter Einstrahlung und steigender Temperatur fällt damit auch PR. Auch Analysen der Messwerte zeigen fallende PR-Werte mit steigender Außentemperatur. Im Juli und August 2001 waren die mittleren Außentemperaturen höher als 2000. Da diese Monate wesentlich zum Jahresenergieertrag beitragen, kann hier die Ursache für die geringeren PR-Werte 2001 liegen. Wichtig für das Betriebsverhalten und die Kennwerte einer Photovoltaikanlage ist die reale Leistung der Generatoren, wie auch aus den Analysen bereits hervorgeht. Die reale Leistung, die unter 2 Betriebsbedingungen bei ausreichend hoher Bestrahlungsstärke (> 750 W/m ) auftritt, kann aus gemessenen Strom- und Spannungswerten auf der Generatorseite berechnet werden. Mit Hilfe der zugehörigen Bestrahlungsstärke und Modultemperatur und einem Verfahren zur Extrapolation auf 2 STC-Bedingungen (1000 W/m , 25 C°) kann eine STC-Betriebsleistung der Generatoren angenähert bestimmt werden. Hier wurde das Verfahren von Blässer eingesetzt. Für die 2 Berechnungen wurden nur sonnige Tage mit einer Bestrahlungsstärke zwischen 850 W/m und 2 950 W/m und einer Modultemperatur zwischen 20 C° und 40 C° berücksichtigt. Trotzdem treten noch relativ hohe Leistungsschwankungen auf, wie aus Abbildung 11 für TA 4 und Daten aus 2001 5 zu erkennen ist. Die aus den Betriebsdaten ermittelten Generatorleistungen werden in der Regel etwas von den Daten abweichen, die aus einer gemessenen I-U-Kennlinie bestimmt werden, da z.B. über den Wechselrichter nicht permanent der MPP-Punkt erreicht wird. Aus diesen Daten wird das Betriebsverhalten und die im Betrieb real auftretende Leistung ersichtlich, durch die auch die wichtige spezifische Jahresenergie der Systeme mitbestimmt wird. Mittelwerte der STCBetriebsleistungen sind in Abbildung 12 für die Jahre 2000, 2001 und 2002 dargestellt. PSTC /W Die Teilanlagen 1,2, 3 und 4, die alle Abb. 11: Messwerte der Generatorleistung und Extrapolation auf STC-Bedingungen für TA4 eine Nennleistung von 720 W P haben, werden durch ähnliche 800 Jahresverläufe bestimmt. Von 2000 zu 2001 fällt der Mittelwert der 600 errechneten Leistung ab, 2002 steigt er wieder. Ähnliches Verhalten 400 wurde in Abbildung 10 für das 200 Performance Ratio beobachtet. Allerdings wird das 0 temperaturbedingte Absinken der 850 870 890 910 930 950 Modulleistung im STCPstc W Pmess W Linear (Pmess W) Linear (Pstc W) Berechnungsverfahren kompensiert. Die Modultemperatur wird durch Sensoren auf der Rückseite der Module gemessen. Eine immer vorhandene Differenz zwischen der realen Zelltemperatur und der gemessenen Temperatur kann bei hohen Modultemperaturen größer sein als bei geringeren Temperaturen. Hier könnte eine Ursache für das Absinken der berechneten Modulleistungen 2001 liegen. Da aber bisher keine weiteren Analysen oder Messungen durchgeführt werden konnten, kann das Ergebnis nicht weiter abgesichert werden. Alterungserscheinungen als Ursache sind Abb. 12: Verhalten der gemessenen STCeher unwahrscheinlich, da die Generatorleistung über die ersten Betriebsjahre Generatorleistungen der Teilanlagen 1 bis 4 in Abb. 12 im Jahr 2002 wieder 800 ansteigen. Anders ist das Verhalten der 750 Teilanlagen mit Dünnschicht-Modulen. 700 Hier folgt auf das Absinken der 650 Generatorleistungen im Jahr 2001 ein 600 weiterer Abfall 2002. Daher ist bei diesen 550 Modulen eine Degradation durch Alterung, 500 wie sie die Messwerte vermuten lassen, Pstc 2000 W Pstc 2001 W Pstc 2002 W durchaus möglich. Aber auch hier konnten noch keine weiteren Messungen zur TA1 TA2 TA3 TA4 TA5 TA6 TA7 Überprüfung des Ergebnisses durchgeführt werden. Die berechneten Generatorleistungen der Abbildung 12 können auch für den schon erwähnten Vergleich der Nennleistungen der Generatoren entsprechend den Herstellerangeben mit den real installierten Leistungen verwendet werden. Allerdings ist die beschriebene Problematik bei der Berechnung aus Betriebsdaten zu berücksichtigen. Bei den Teilanlagen 1 bis 4 mit kristallinen Modulen und einer Nennleistung von 720 WP liegen die gemessenen Leistungen in den Jahren 2000 und 2002 unter der Nennleistung, aber in einem Toleranzbereich von 5%. Dieses Ergebnis entspricht der Erfahrung aus anderen Untersuchungen an kristallinen Modulen. Teilanlage 5 mit einer Nennleistung von 768 WP liegt auch im Jahr 2000 deutlich unter dieser Leistung. Hier ist davon auszugehen, dass auch eine Toleranz von –10% unterschritten wird. Gespräche mit dem Hersteller der Module haben ergeben, dass die vorliegenden Module aus einer Serie stammen, die eigentlich mit den angegebenen Spezifikationen nicht hätten ausgeliefert werden sollen. Ein Austausch der Module ist vorgesehen. Teilanlage 6 mit amorphen Silizium-Modulen hat eine Nennleistung von 640 WP und TA 7 mit CIS-Modulen eine Nennleistung von 720 WP. Die gemessenen Leistungen dieser Teilanlagen liegen in den Jahren 6 2000 und 2001 über den Nennleistungen. Für die Messungen im Jahr 2002 ist zu berücksichtigen, dass nur Daten bis Juli vorliegen und bei Dünnschicht-Modulen auftretende jahreszeitliche Leistungsschwanken sich noch auswirken können. Dennoch erklären die gemessene Minderleistung bei TA 5 und die erhöhten Leistungen bei TA 6 und TA 7 das von TA 1 bis TA 4 in Abbildung 10 abweichende Performance Ratio. Mit den gemessenen Leistungen würde PR für TA 5 erhöht und für TA 6 und TA 7 erniedrigt, so dass bei störungsfreiem Betrieb für alle Teilanlagen vergleichbare PR-Werte auftreten. 6. Fazit Nach dem ersten Jahr 1999 des Aufbaus, der Inbetriebnahme und Programmierung der Messwerterfassung und der Beseitigung von Anfangsproblemen insbesondere bei den nachgeführten Teilanlagen, konnte im Jahr 2000 der reguläre Betrieb der Forschungsanlage beginnen. In den Jahren 2000 und 2001 traten keine erkennbaren Störungen bei den Modulen oder Wechselrichtern auf. Von Dezember 2001 bis Juni 2002 war jedoch der Nachführbetrieb der rechnergesteuerten Teilanlage 2 durch einen mechanischen Defekt nicht möglich. Ende Juni 2002 fiel nach einem Spannungsausfall der Wechselrichter der Teilanlage 7 aus und konnte bis August 2002 noch nicht wieder in Betrieb genommen werden. Die Betriebsanalyse ergibt für die spezifischen Jahresenergien und das Performance Ratio der Teilanlagen im Vergleich zu anderen aus Veröffentlichungen bekannten Daten sehr gute Ergebnisse. Die der Sonne nachgeführten Teilanlagen weisen unterschiedliche Mehrerträge gegenüber der fest ausgerichteten Referenzanlage auf. Die besten Werte, aber auch die höchsten Kosten sind erwartungsgemäß bei der rechnergesteuerten Anlage zu verzeichnen. Es folgt die kostengünstigste Anlage, deren energetische Mehrerträge aber nur nach langen störungsfreien Betriebszeiten zu einer Amortisation der Mehrkosten führen können. Hier sind Verbesserungen möglich und wünschenswert, wenn nachgeführte Anlagen einen größeren Marktanteil erreichen sollen. Neue Vorschläge und Testanlagen wurden an anderen Standorten bereits realisiert. 7