MPP-TRACKING: EINFLUSS VON MODULTEMPERATUR UND EINSTRAHLUNG

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1 MPP-TRACKING: EINFLUSS VON MODULTEMPERATUR UND EINSTRAHLUNG Damit eine Photovoltaikanlage permanent die maximale Leistung liefert, muss der MPP-Tracker des Wechselrichters stets den optimalen Arbeitspunkt des PV-Generators ermitteln. Im Laufe eines Tages verschiebt sich die Generatorkennlinie und somit auch der MPP (Maximum Power Point) der Photovoltaik- Anlage. Der MPP-Tracker muss entsprechend auf diese Änderungen in der Strom-Spannungs-Kennlinie reagieren. Faktoren, welche die Strom-Spannungs-Kennlinie beeinflussen, sind unter anderem unterschiedliche Modultemperaturen und Einstrahlungsstärken. In diesem Artikel wird beschrieben welche Auswirkungen die genannten Faktoren auf die Strom-Spannungs-Kennlinie haben. Des Weiteren wird aufgezeigt, welchen Anforderungen ein MPP-Tracker gerecht werden muss, damit die PV-Anlage das Maximum an Ertrag generiert. Statischer MPP versus dynamischer MPP In Mitteleuropa wird ungefähr die Hälfte des jährlichen Energieertrages unter wechselnden Umgebungsbedingungen erzeugt. Diese lassen vermuten, dass der MPP-Tracker eines Wechselrichters ein sehr schnelles, dynamisches Betriebsverhalten besitzen muss. Die Sicherstellung eines sehr guten, statischen Betriebsverhaltens des Wechselrichters ist jedoch in vielen Fällen ausreichend. Dies wird im folgenden Text erläutert. Unterschiedliche Modultemperaturen Die MPP-Spannung eines PV-Moduls variiert sehr stark mit der Modultemperatur. Dabei können die Temperaturkoeffizienten eines PV-Moduls sehr unterschiedlich sein. Bei kristallinen PV-Modulen liegt der Koeffizient zwischen minus 0,3 Prozent pro C und minus 0,55 Prozent pro C, bei Dünnschicht-Modulen zwischen minus 0,2 Prozent pro C und minus 0,5 Prozent pro C. Grafik 1 zeigt den Anstieg der Modultemperatur bei einer plötzlichen Änderung der Einstrahlungsstärke von ~300 Watt pro m 2 auf ~800 Watt pro m 2. Die Modultemperatur ändert sich um einiges langsamer als die Einstrahlung ein stabiler Temperaturwert ist ca. 30 Minuten nach konstanter Einstrahlung erreicht. Die MPP-Spannung eines PV-Moduls ist bei STC-Bedingungen (standard test conditions), ab einer Einstrahlungsstärke von ~300 Watt pro m 2 nahezu einstrahlungsunabhängig (siehe Grafik 2). Folglich ändert sich die MPP-Spannung des PV-Generators, nach dem sprunghaften Anstieg der Einstrahlung, nur mit der Modultemperatur. Der MPP-Tracker des Wechselrichters muss daher in diesem Fall kein schnelles, dynamisches Betriebsverhalten aufweisen. 10/2012 1/5

2 Grafik 1: Temperatureffekt: Änderung der Modultemperatur bei plötzlicher Änderung der Einstrahlung. Nach einer konstanten Einstrahlung von ~800 Watt pro m 2 dauert es ca. 30 Minuten bis ein annähernd stabiler Modultemperaturwert vorliegt. Grafik 2: Strom-Spannungs-Kennlinien eines kristallinen Moduls bei unterschiedlichen Einstrahlungsstärken (STC-Bedingungen). Unterschiedliche Einstrahlungsstärke An dieser Stelle muss zwischen einer langsamen und einer schnellen Änderung der Einstrahlungsstärke unterschieden werden. Zudem darf nicht vernachlässigt werden, in welchem Einstrahlungsbereich diese Änderungen stattfinden, also bei niedriger oder hoher Einstrahlung. An einem sonnigen Tag ändert sich die Einstrahlungsstärke relativ langsam - sie kann, je nach Standort, zwar Werte bis ~1.000 Watt pro m 2 erreichen, sprunghafte Änderungen sind jedoch nicht zu erwarten. Wie zuvor beschrieben und in Grafik 2 dargestellt, bleibt die MPP-Spannung ab einer Einstrahlung von ~300 Watt pro m 2 nahezu konstant. Ab diesem Einstrahlungswert ist daher ein statisches Betriebsverhalten des 10/2012 2/5

3 Wechselrichters ausreichend, da sich die MPP-Spannung nur langsam mit der Modultemperatur ändert (siehe Grafik 1). Bei einer Einstrahlungsstärke von weniger als 300 Watt pro m 2 sind die Anforderungen an den MPP- Tracker höher, da die MPP-Spannungen in diesem Bereich mehr variieren (siehe Grafik 2). Bei niedrigen Einstrahlungsstärken ist daher ein dynamisches Betriebsverhalten des Wechselrichters notwendig. Grafik 3 zeigt den Zeitraum in dem ein statisches bzw. dynamisches Betriebsverhalten des Wechselrichters an einem sonnigen Tag notwendig ist. Grafik 3: Einstrahlungsprofil an einem sonnigen Tag: Ab einer Einstrahlung von mehr als 300 Watt pro m 2 ist ein statisches Betriebsverhalten des Wechselrichters ausreichend. In der Früh und am Abend ist ein dynamisches Betriebsverhalten notwendig. An Tagen mit Wolkenzug kann es zu schnellen Änderungen der Einstrahlung kommen, dabei können, wie in Grafik 4 dargestellt, hohe Einstrahlungsspitzen auftreten. Bei schnellen Änderungen der Einstrahlung im Bereich von ~300 Watt pro m 2 bis Watt pro m 2 ändern sich die MPP-Spannungen wiederum nur geringfügig daher ist ein sehr gutes statisches Betriebsverhalten des Wechselrichters bei sprunghaften Änderungen in diesem Einstrahlungsbereich ebenso ausreichend (siehe Grafik 4). Es können aber auch größere MPP-Spannungsänderungen auftreten. Bei einer nicht unüblichen, plötzlichen Einstrahlungsänderung von zum Beispiel 200 Watt pro m 2 auf Watt pro m 2, ist ein schnelles dynamisches Betriebsverhalten des Wechselrichters erforderlich. 10/2012 3/5

4 Grafik 4: Einstrahlungsprofil an einem Tag mit Wolkenzug: Bei sprunghaften Änderungen der Einstrahlung im Einstrahlungsbereich von ~300 Watt pro m 2 bis Watt pro m 2 ist ein statisches Betriebsverhalten des Wechselrichters grundsätzlich ausreichend. Bei Einstrahlungssprüngen von niedrigen Einstrahlungswerten (<300 Watt pro m 2 ) auf Einstrahlungswerte >300 Watt pro m 2 ist ein dynamisches Betriebsverhalten des Wechselrichters aber notwendig. An bewölkten Tagen ändert sich die MPP-Spannung nur geringfügig, da die Einstrahlung auf die PV-Module an solchen Tagen relativ konstant bleibt es genügt ein statisches Betriebsverhalten des Wechselrichters. Grundsätzlich kann gesagt werden, dass bei unterschiedlichen Einstrahlungsstärken sowohl ein statisches als auch ein dynamisches Betriebsverhalten des Wechselrichters wichtig ist. Auffällig ist, dass ein statisches Betriebsverhalten die meiste Zeit ausreicht, während ein schnelles dynamisches Betriebsverhalten nur gelegentlich notwendig ist. Ein schnelles, dynamisches Betriebsverhalten ist vorwiegend bei geringer Leistung erforderlich. Fazit Obwohl der PV-Generator häufig dynamischen Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist, ist ein statisches Betriebsverhalten des Wechselrichters oft ausreichend. Trotz alledem ist manchmal auch ein schnelles, dynamisches Betriebsverhalten notwendig. Den höchsten Ertrag für eine PV-Anlage bietet eine gute Kombination aus einem statischen und einem dynamischen Betriebsverhalten des Wechselrichters. Zeichen (ohne Leerzeichen): Wörter: 828 Bildmaterial: Fronius International GmbH, Abdruck honorarfrei. Über die Fronius International GmbH Fronius International ist ein österreichisches Unternehmen mit Firmensitz in Pettenbach und weiteren Standorten in Wels, Thalheim und Sattledt. Das Unternehmen mit global 3250 Mitarbeitern ist in den Bereichen Batterieladesysteme, Schweißtechnik und Solarelektronik tätig. Der Exportanteil mit rund 95 Prozent wird mit 17 internationalen Fronius Gesellschaften und Vertriebspartnern/ Repräsentanten in mehr als 60 Ländern erreicht. Im Geschäftsjahr 2010 erwirtschaftete das Unternehmen einen Gesamtumsatz von 499 Millionen Euro. Mit herausragenden Produkten und Dienstleistungen sowie 737 aktiven Patenten ist Fronius Technologieführer am Weltmarkt. 392 Mitarbeiter arbeiten in der Forschung und Entwicklung. 10/2012 4/5

5 Rückfragehinweise: Redakteur: Dipl.-Ing.(FH) Dietmar Staudacher, +43 (664) , Froniusplatz 1, 4600 Wels, Austria. Fachpresse: Mag. Andrea Schartner, +43 (664) , Froniusplatz 1, 4600 Wels, Austria. 10/2012 5/5

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