Einzelmodulprüfstand für zehn Photovoltaikmodule zur Vermessung des Betriebswirkungsgrades und des Betriebsverhaltens

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Marta Burgstaller
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Einzelmodulprüfstand für zehn Photovoltaikmodule zur Vermessung des Betriebswirkungsgrades und des Betriebsverhaltens Susanne Buchinger

1 Einzelmodulprüfstand für zehn Photovoltaikmodule zur Vermessung des Betriebswirkungsgrades und des Betriebsverhaltens Susanne Buchinger Thomas Bachl Dietmar Fröschl Christian Kloibhofer Dr. Peter Zeller Studiengang Öko-Energietechnik / Fachhochschul- Studiengänge Oberösterreich

2 Inhalt Motivation Grundlagen der Modulprüfung Grundlagen von PV Modulen Indoor vs. Outdoor Umsetzung Hardware Software Ergebnisse Ausblick

3 Motivation PV- Module sind hinsichtlich erreichbarer Wirkungsgrade zu testen Unterliegen einem Alterungsverhalten Sind abhängig von Modultyp o Dünnschicht o Si, mono- / poly-kristallin Temperatur Einstrahlungsart o Direkt o Indirekt Interessant sind Ganzjahres-Wirkungsgrade im echten Betrieb Standortabhängig! Mit einem transportablen, modularen Einzelmodulprüfstand kann man Wirkungsgrade testen und Ertragsprognosen erstellen

4 Motivation Der Prüfstand soll möglichst flexibel sein um Möglichst viele Forschungsaufgaben bedienen zu können Wirkungsgradmessungen o Typen o Schattierung o Regelungsstrategie o Netzintegration Regelung von PV Generatoren Systemerprobungen o Inselsysteme Möglichst viele Übungsaufgaben für Studierende bereitzustellen

5 Grundlagen von PV-Modulen Kennlinie eines PV Moduls U V 750 m W m W2 Maximum Power Point (MPP) P W 250 m W2 500 m W2 I A

6 Auswirkung einer Strahlungsänderung bei Belastung des Modules U V 1000 m W2 MPP P W Lastgerade neu (Entlastung) 500 m W2 AP I A

7 Folgerungen für die Prüfung Wirkungsgrad ist beeinflusst durch den MPP-Tracking Algorithmus! Wie weit findet dieser in den MPP? Wie rasch findet dieser den MPP? Kann bei unterschiedlichen Wechselrichterherstellern bis zu Minuten dauern! Nur bei bekanntem MPP Algorithmus sind Vergleiche sinnvoll! Der MMP Tracker muss frei programmierbar sein!

Outdoor versus Indoor Messung Solarzellen zeigen entsprechend des Bandabstandes eine spektrale Empfindlichkeit Sonnenspektrum müsste im Labor nachgebildet werden Dzt.

8 Outdoor versus Indoor Messung Solarzellen zeigen entsprechend des Bandabstandes eine spektrale Empfindlichkeit Sonnenspektrum müsste im Labor nachgebildet werden Dzt. keine Lampen verfügbar Änderung des Spektrums durch Tageszeit Jahreszeit Wetterlage Luftverschmutzung Outdoor Messungen sind unvermeidlich Nebenbei werden andere Umwelteinflüsse getestet Temperatur Hagel Dichtigkeit Empfindlichkeit gegen Verschmutzung

9 Mind. ca. 150 V! PV Generator mit Wechselrichtersystem Topologie Solargenerator Wechselrichter DC AC Netz Mehrere Module in Serie und Parallel Intelligenz: MPP Tracking Abschalten bei zu hoher Spannung Abschalten bei Netzausfall

10 Nachteile von Tests mit Standard Wechselrichtern Unbekannte Performance durch unbekannte MPP Tracking Algorithmen Man ist Software Update ausgeliefert! Man benötigt immer mehrere Module Kosten! Ansuchen um Einspeisung! Findet man genug große Flächen? Sind diese vollkommen abschattungsfrei? Sind alle Module gleich? Man misst einen integralen Effekt Einzelmodulmessung ist sinnvoll!

11 Zwischenfolgerungen Ein Einzelmodulprüfstand ist sinnvoll Das MPP Tracking muss frei programmierbar sein Wenn das schon implementiert ist, kann man auch mehrmals am Tag die Kennlinie durchfahren und speichern! Weitere Messwerte sollen aufgezeichnet werden Modultemperatur (beeinflusst die Modul-Kennlinie) Strahlung

12 Umsetzung!!! Messtechnik Strom Spannung Temperatur Last Elektronische Last Software NI-Lab View Kennen die Studierenden aus dem Unterricht Leicht programmierbar, graphische Oberfläche Messkarten für sehr viele Anforderungen sind verfügbar Viele Schnittstellen: MATLAB, EXCEL Begrüßung mit Lob: Super User!

13 PT 100 Strom- / Spannungs- / Leistungsmessung U R 1 Überspannungs- Schutz! I R 2 Stromsensor U ' P UI Überspannungsschutz bei Spannungsteiler Direkter und indirekter Blitzschlag Strommessung über galvanische Trennung Reduktion von Massepunkten EMV Überspannungsschutz

L Glättungsdrossel, Überstromschutz U C T 1 D T 2 R Abfuhr der

14 Halbbrücken- Treiber Verlustreduzierung Elektronisch Last Kondensator zur Speicherung der Energie wenn T 1 offen Freilaufdiode L Glättungsdrossel, Überstromschutz U C T 1 D T 2 R Abfuhr der Energie in Form von Wärme I PWM Datenverarbeitung MPP Tracking Messdatenspeicherung

15 Strom Elektronisch Last: Zustand 1 T 1 i T1 ( t) L i L (t) u(t) C i(t) i C (t) D i D (t) i T2 ( t) T 2 R Zustand 1 i L (t) i(t) i C (t) i D (t) i T1 (t) i T2 (t) t

16 Strom Elektronisch Last: Zustand 2 T 1 i T1 ( t) L i L (t) u(t) C i(t) i C (t) D i D (t) i T2 ( t) T 2 R i L (t) i D (t) Zustand 1 i T1 (t) i T2 (t) Zst. 2 i(t) i C (t) t

17 Strom Elektronisch Last: Zustand 3 T 1 i T1 ( t) L i L (t) u(t) C D i T2 ( t) R i(t) i C (t) i D (t) T 2 i L (t) i T2 (t) Zustand 1 Zst. 2 i D (t) i(t) i T1 (t) Zustand 3 i C (t) t

Messung der Strahlung Referenzelle mit Abschlusswiderstand Möglichst hoher Widerstand um genügend Messsignal zu erhalten Zelle jedoch im Kurzschussbetrieb weniger temperaturabhängig Messung der

18 Messung der Strahlung Referenzelle mit Abschlusswiderstand Möglichst hoher Widerstand um genügend Messsignal zu erhalten Zelle jedoch im Kurzschussbetrieb weniger temperaturabhängig Messung der Temperatur an der Messzelle zur Temperaturkompensation (Software) Anordnung mit gleicher Ausrichtung wie die Prüflinge Umrechnung der Messergebnisse in andere Neigungsebenen schwer möglich o Unbekannte Reflexionsfaktoren zur Berechnung der indirekten Strahlung (siehe Quaschnig Regenerative Energiequellen ) Kalibrierung im Labor unter künstlicher Sonne Hinterlegung der Kalibrierkurven in Software Vergleichsmessung mit langsameren Messeinrichtungen Zukünftig Kalibrierung auf das Outoor Spektrum

19 Hardware Schränke und Aufständerung Getrennte Schränke für Leistungselektronik und Steuerung Klimatisierung Schutz vor Brand Steuerschrank

20 Software Messdatenerfassung Messdatenspeicherung MPP Tracking Systemüberwachung Klimatisiert den Steuerschrank

21 MPP Tracking 3 Methoden implementiert Persuade & Observe Algorithmus(P&O) Hill Climbing Algorithmus Incremental Conductance Algorithmus (INC)

22 Hill Climbing Algorithmus Messen der Leistung Rücksprung J Erhöhen? N J Alte Leistung höher als gemessene Leistung? N PWM Tastverhältnis erhöhen PWM Tastverhältnis verringern Variable Erhöhen toggeln Ausgabewerte begrenzen Rücksprung Alte Leistung = Aktuelle Leistung Rettung bei Kurzschluss oder Leerlauf

23 Hill Climbing Algorithmus P W Erhöhen 5 Erhöhen Erhöhen 4 7 Erhöhen 3 2 Verringern 6 MPP Erhöhen 1 Pendeln um den MPP Je kleiner die Schrittweite desto kleiner die Abweichung vom MPP aber Langsamer Empfindlicher gegen Messrauschen I A

24 Software: Oberfläche

25 Messergebnisse (Beispiel)

26 230 V AC Insel 230 V AC Netz Ausblick Energieautarkie! 12 V DC DC DC DC AC DC AC Neue Software: Batterie Ladekontrolle Lebensdauertest MPP Tracking

27 Herzlichen Dank Susanne Buchinger Thomas Bachl Dietmar Fröschl Christian Kloibhofer

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