Erste Betriebsergebnisse der nachgeführten PV-Anlage am multifunktionalen Technikgebäude in der Solarsiedlung am Ohrberg

Transkript

1 Erste Betriebsergebnisse der nachgeführten PV-Anlage am multifunktionalen Technikgebäude in der Solarsiedlung am Ohrberg Markus Brand Solar Engineering Decker & Mack GmbH, Vahrenwalder Straße 7, D-3165 Hannover Tel.: 511/ , Fax: 511/ M. Starlinger COLT International GmbH, Briener Str. 186, D Kleve Tel.: 2821/99-148, Fax: 2821/ Einleitung Südwestlich von Hannover, in der Gemeinde Emmerthal, liegt die Solarsiedlung am Ohrberg. Im Rahmen der EXPO 2 wurde eine Siedlung, die innovative Impulse für eine zukünftige und nachhaltige Energieversorgung geben soll, errichtet. Für die Unterbringung der technischen Einrichtungen der Solarsiedlung errichtete das Elektrizitätswerk Wesertal GmbH ein Unternehmen der FORTUM-Gruppe einen 16m hohen Technikturm. Auf insgesamt fünf Ebenen des in Nord-Süd-Richtung orientierten Turms wurden die notwendigen Aggregate und Versorgungseinrichtungen untergebracht. Durch die offene Struktur des Gebäudes (Nord- und Südfassade sind vollflächig verglast, West- und Ostseite sind mit Lamellen aus Leichtmetall verkleidet) werden den Besuchern Technik und Funktion anschaulich demonstriert. Im Tagungsband des 15. Symposiums Photovoltaische Solarenergie sind zwei Beiträge zum architektonischen und systemtechnischen Konzept des Projektes enthalten. 2. Photovoltaikanlage Die nach Süden ausgerichtete Fassade des Technikgebäudes wurde mit einem Photovoltaik-Lamellensystem Typ: COLT-SHADOVOLTAIC zur Beschattung sowie zur solaren Stromerzeugung ausgerüstet. Die Nachführung der PV-Lamellen erfolgt im Fassadenbereich (exakte Südausrichtung) einachsig, der Sonnenhöhenwinkelprojektion folgend. An den beiden südlichen Gebäudekanten wurde eine Flügelkonstruktion installiert, die eine zweiachsige Nachführung der PV-Lamellen über jeweils eine zentrale vertikale Antriebswelle erlaubt. Somit wurden an der Südfassade insgesamt 11 Lamellenreihen mit jeweils 3 PV-Modulen angeordnet. Auf den beiden Solarflügeln wurden ebenfalls 11 Lamellenreihen mit jeweils 2 PV-Modulen errichtet. Den planerischen Prämissen wurde durch den Einsatz von drei verschiedenen kristallinen Solarzellentypen (Shell, ASE, Siemens) entsprochen. Dabei handelt es sich um Sondermodule der Abmessungen 18mm x 47mm mit einer Belegung von 4 x 16 Zellen. Alle Stränge wurden einzeln vermessen. Bei der im folgenden angegebenen Nennleistung handelt es sich um die vermessene Nennleistung. Die Gesamtleistung der in sechs Teilgeneratoren gegliederten PV-Anlage beträgt 6,6 kwp. Es wurde zwischen den unterschiedlichen Solarzellentypen und der Art der Nachführung Seite 1

2 differenziert. Somit entstanden 6 Teilgeneratoren, die jeweils über einen Wechselrichter in das Niederspannungsnetz einspeisen. Eingesetzt wurden Wechselrichter der Baureihe SUNRISE des Herstellers Fronius. 3. Betriebsergebnisse 21 Die Datenerfassung und Auswertung findet in Kooperation zwischen der Solar Engineering Decker & Mack GmbH sowie der Firma Colt International GmbH statt. Durch eine umfangreiche Sensorik werden zeitlich aufgelöste Bestrahlungsstärken auf drei verschiedene Ebenen (starr, einachsig bzw. zweiachsig nachgeführt), Modul- und Umgebungstemperaturen, sowie Windgeschwindigkeiten erfasst. Zusätzlich werden die Azimutwinkel der Solarflügel, die Winkelstellung der Lamellen und die DC-Leistung der einzelnen PV-Teilgeneratoren aufgezeichnet. Die unten angeführte Tabelle bezieht sich auf kumulierte Jahresdaten; der Messzeitraum erstreckt sich von bis Die Anlage hat seit der Inbetriebnahme am bisher (Januar 22) insgesamt kwh erzeugt. Lamellennachführung: Die sonnenabhängige Nachführung ist durch Einsatz von Elektromotoren in Verbindung mit einer Mikroprozessorsteuerung realisiert worden. Eine synchrone Nachführung wird durch die mechanische Kopplung der Hebelarme und Schubstangen mit den Tragrohren, auf den die Lamellen befestigt sind, erreicht. Im nachfolgenden Diagramm Lamellennachführung am ist die Nachführung der Lamellen an einem ausgewählten Tag aufgezeigt. Der über die Zeit aufgetragene Lamellenwinkel ist hier aus der vertikalen Achse gezählt ( entspricht vertikale Stellung, 9 horizontale Stellung). Die Grundstellung der Lamellen, die bei Unterschreitung eines Einstrahlungswertes und zur Nachtzeit angefahren wird, beträgt Lamellennachführung am Sonnenhöhe Ostflügel Südfassade Lamellenwinkel [ ] Der so aufgetragene Lamellenwinkel der Solarflügel entspricht nahezu stets dem Sonnenhöhenwinkel, d. h. die Einstrahlung erfolgt senkrecht auf die Modulfläche. Auch die Lamellen an der Südfassade sollen prinzipiell entsprechend dem Sonnenhöhenwinkel nachgeführt werden, doch müssen die Lamellen in den Morgen- und Abendstunden steiler angestellt werden, so dass keine gegenseitigen Abschattungen der übereinander Seite 2

3 angeordneten Lamellenreihen erfolgen. Die Nachführung beginnt, wenn die Sonne die südöstliche Gebäudeecke überschritten hat. Dann werden die Lamellen von der Ruhelage (7 ) in eine senkrechte Stellung gebracht, so dass keine gegenseitige Abschattung auftritt. In der Folgezeit nimmt der Lamellenwinkel langsam zu, wobei die Schattenkante einer oberen Lamellenreihe stets an der oberen Modulkante der darunter liegenden Modulreihe liegt Azimutale Nachführung der Solarflügel am Flügel Sonnenazimut Azimutwinkel [ ] Im Diagramm Azimutale Nachführung der Solarflügel am wird die Nachführung der Solarflügel im Vergleich zum Sonnenazimutwinkel gezeigt. Vergleicht man die Verläufe der Diagramme 1 und 2 der Solarflügel, wird deutlich, dass auf den Lamellen überwiegend eine senkrechte Einstrahlung vorliegt. Seite 3

4 Vergleich Einstrahlungsdaten und DC-Leistung: Für den wurden zudem exemplarisch die Tagesgänge der unterschiedlichen Nachführungen für die Bestrahlungsstärken und für die normierten DC-Leistungen als 1- Stunden-Mittelwerte dargestellt. Die Strahlungssensoren (Si-Sensoren) sind im abschattungsfreien Bereich der PV-Anlage in Höhe der Brüstung der oberen Etage (Besucherplattform) angeordnet. Als Referenz dienen die Messwerte eines 4 starr angeordneten Sensors. Bedingt durch eine hohe Baumreihe treten auf der östlichen Seite frühmorgens Abschattungen auf den Solarflügeln auf. Der Anstieg der Einstrahlung erfolgt daher verzögert und verläuft im Tagesverlauf nicht symmetrisch. Nach dem Start der Nachführung an der Südfassade ist ein starker Einbruch der Strahlung erkennbar. Eine Annäherung an den Referenzsensor wird danach allmählich erreicht. Bestrahlungsstärke am Einstrahlung [W/m²] Südlamelle 4 Sensor Flügel P/ Pn Normierte DC-Leistung der 6 Teilgeneratoren am Shell-Süd ASE-Süd Siemens-Süd Shell-Flügel ASE-Flügel Siemens-Flügel 1,9,8 Flügel,7,6,5,4 Süd,3,2, Seite 4

5 I/O-Diagramme: Zur Erkennung des Regelverhaltens sind exemplarisch die nachfolgenden I/O-Diagramme für die Teilanlagen Mitte mit den ASE-Solarzellen aufgeführt. Im Vergleich zu den anderen Teilanlagen ist bei dieser Teilanlage deutlich der Begrenzungsbereich der Wechselrichter erkennbar. Dieser Effekt tritt bereits bei der,8-fachen Nennleistung des Fassadengenerators auf, hingegen ist bei der Flügelanlage dieser Effekt nicht erkennbar. Gut sichtbar sind im Diagramm für den Solarflügel die Abschattungsbereiche, die durch Vegetation und Umgebungsbebauung hervorgerufen werden. In diesem Fall treten gelegentlich Situationen auf, bei denen der Einstrahlungssensor unverschattet ist, die Module jedoch teilverschattet sind. Die entsprechenden Datenpunkte bilden den unteren Kurvenast in der Abbildung I/O-Diagramm Flügel Mitte. P/ Pn I/O Diagramm Südfassade (Mitte) Juni 21 1,2 1,8,6,4, Einstrahlung Südlamelle [W/m²] P/ Pn I/O- Diagramm Flügel (Mitte) Juni 21 1,2 1,8,6,4, Einstrahlung Flügel [W/m²] 4. Zusammenfassung Die Vermessung dieser besonderen und bisher einzigartigen PV-Anlage ermöglicht Aufschlüsse für den künftigen Einsatz von Sonnenschutzlamellen in der Fassade. Vergleicht man die ermittelten Jahreserträge mit einer 9 orientierten PV-Fassade sind die erzielten Mehrerträge überdurchschnittlich hoch. Deutlich wird besonders, dass die Anlagen an der Südfassade hohe Jahreserträge erwarten lassen. Die abschattungsoptimierte Regelung der Lamellen in der Fassade ist sicherlich ein entscheidender Grund für die relativ hohen Energieerträge. Einheit Oben 4 Lamellenreihen Mitte 4 Lamellenreihen Unten 3 Lamellenreihen Anordnung Südfassadfassadfassade Flügel Süd- Flügel Süd- Flügel Nachführung einachsig zweiachsig einachsig zweiachsig einachsig zweiachsig Zelltyp Shell Shell ASE ASE Siemens Siemens TG-Nennleistung Wp WR-Nennleistung Wp Leistungsanpass.,77 1,16,71 1,7,85,85 Energieertrag kwh/a Spez. Ertrag kwh/ kwp*a (675) Seite 5

6 Die spezifischen Erträge beziehen sich auf die vermessene DC-Leistung und reflektieren somit die Wechselrichteranpassung. Sowohl die einachsige als auch die zweiachsige Nachführung führen zu einer veränderten Häufigkeitsverteilung der Einstrahlungswerte gegenüber der Situation eines PV-Generators mit einem festen Neigungswinkel. Die Auswertung zeigt, dass für PV-Anlagen mit Nachführung besonders die Wechselrichterdimensionierung beachtet werden muss. Mit der Erstellung dieses Beitrages wird das Ergebnis für das Jahr 21 vorgestellt. Aufgrund von Ausfällen der Detailvermessung in den Monaten August und September 21 wird angestrebt, dass auch für das Jahr 22 eine Vermessung erfolgt, so dass eine größere Datenbasis für weitergehende und tiefergehende Analysen künftig zur Verfügung stehen. Seite 6

7 Initial Results for the Sun-Tracking Photovoltaic Plant at the Multifunctional Technical Building close to the Solar Settlement at Ohrberg As an information and technology building, the Wesertal Expo Tower is the heart of the Solar Settlement in Emmerthal. The owner, the utility Elektrizitätswerk Wesertal GmbH, is using this registered Expo 2 project to demonstrate new ways of environmental care by the utilisation of solar energy and the application of the most up-to-date solar technology. The planner s requirements were met by using three different solar cells (Shell, ASE, Siemens). The PV plant is divided into six sub-generators characterized by different cell type and kind of tracking. The total output of the PV plant is 6.6 kwp. Complex data recording enables permanent evaluation of all relevant measurements. A comprehensive scheme of sensors provide information about patterns of irradiance in various planes, module and ambient temperatures and wind speeds at different times. In addition, the azimuth angles of the solar louvres, the tilt angles of the louvres and the DC output power of the individual PV sub-generators are recorded. Data collection and evaluation are done jointly by Decker and Mack Solar Engineering, Hanover, and Colt International GmbH. The table below show cumulative annual data: the measuring period is from 11 th January 1 till 11 th January 2. Top 4 Rows Middle 4 Rows Buttom 3 Rows Arrangement south façade solar wings south façade solar wings south façade solar wings Tracking oneaxiaxis two-axis one- two-axis one-axis two-axis Celltype SHELL SHELL ASE ASE SIEMENS SIEMENS Rated Wp power Energy kwh/a Output Final Yield kwh/ kwp A vertically installed PV unit (southward oriented) provides a reference value for annual energy output relating to the louvre system of the south façade. A fix installed PV generator produces typical final yields of approx. 56 kwh per kwp as a maximum (= reference value). The south façade of the Wesertal Expo Tower of the Solar Settlement at Ohrberg provides a high expectation for energy generation and its utilisation. An idea has been brought to realisation which guarantees not only a high degree of design freedom for architects and clients, but also the application and implementation of modern and trend-setting environmental technologies. Seite 7