Präzise Leistungs- und Performance-Bewertung von PV- Kraftwerken im laufenden Betrieb

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1 Präzise Leistungs- und Performance-Bewertung von PV- Kraftwerken im laufenden Betrieb Andreas Steinhüser, Björn Müller, Christian Reise Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme Heidenhofstraße 2, Freiburg Internet: 1 EINLEITUNG Die präzise und nachvollziehbare Bewertung der Performance Ratio (PR) eines PV- Kraftwerks ist eine häufige Aufgabe aus der Praxis, sei es zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme, des Ablaufs von Gewährleistungsfristen oder eines Verkaufs. Die PR ist das Verhältnis aus erzeugter Energie und eingestrahlter Energie, daher müssen genaue Messwerte für beide Größen vorliegen. Allerdings werden die Ausgaben für eine genaue Messtechnik bei vielen PV-Kraftwerken gespart. Wir haben daher ein Verfahren entwickelt, welches auch auf der Basis der oft ungenauen kraftwerkseigenen Sensorik einen präzisen Vergleich mit erwartbaren Sollwerten erlaubt. Diese Performance-Bewertung ist ein wichtiger Bestandteil des vierstufigen Fraunhofer ISE Qualitätszirkels und ergänzt die bereits seit längerem am Markt etablierten Qualitätssicherungsmaßnahmen Ertragsgutachten, Modulcharakterisierung und Anlagenprüfungen. 2 DAS VERFAHREN Die in einem bestimmten Zeitraum erwartete PR eines PV-Kraftwerks hängt sowohl von der Kraftwerksauslegung als auch von den Wetterbedingungen des betrachteten Zeitraums ab. Eine Bewertung der beobachteten PR benötigt also einen anlagenund zeitspezifischen Vergleichswert. Dieser kann bei bekannten Kraftwerkseigenschaften mit einem Simulationsmodell aus den vor Ort gemessenen meteorologischen Daten berechnet werden. Damit werden drei Dinge benötigt: genaue Erzeugungsdaten, genaue Einstrahlungs- und Temperaturdaten sowie ein verlässliches Kraftwerksmodell. Die Erzeugungsdaten können vom hochgenauen geeichten Zähler des Netzbetreibers übernommen werden. Wie die genauen Wetterdaten und das Simulationsmodell bereitgestellt werden, erläutern wir in den folgenden Abschnitten. 2.1 Validierung der Messtechnik Basis für eine hochgenaue Bewertung der Performance eines Solarkraftwerks ist die Verwendung präzisier Messdaten der solaren Einstrahlung und der Modul- oder der

2 Lufttemperatur. Zur Validierung der Messdaten werden sowohl die installierten Sensoren vor Ort auf ihre fachgerechte Installation überprüft als auch eigene Referenzmessungen durchgeführt. Bei der Überprüfung der installierten Sensoren wird insbesondere die Neigung, Ausrichtung, Kalibrierung und Verschattungsfreiheit überprüft. Nur Daten von korrekt installierten Sensoren können für die Simulationsrechnungen verwendet werden. Zur Überprüfung der aufgezeichneten Messwerte werden Fraunhofer-ISE-eigene hochgenaue Referenzsensoren installiert (Abb. 1). Mit einer mobilen Messtechnik werden so eigene Messreihen der Einstrahlung und der Modultemperatur aufgezeichnet und mit den Daten des vorhandenen Monitoringsystems verglichen. Diese Vergleichsmessungen werden über mindestens einen Tag pro zu überprüfender Messeinrichtung und damit automatisch bei unterschiedlichen Einstrahlungen durchgeführt. Die zeitliche Auflösung der Referenzmessungen muss dabei mindestens der jenen des installierten Monitoringsystems entsprechen. Abbildung 2 zeigt beispielhaft einen grafischen Vergleich unserer Referenzmessungen mit den Messwerten des fest installierten Monitoringsystems. Abweichungen bis zu 3% können toleriert werden, müssen aber bei der Verwendung der Messdaten entsprechend berücksichtigt und korrigiert werden. Abb. 1: Hochpräzise mobile Messtechnik mit kalibrierten Einstrahlungssensoren. Die Referenzmessungen werden für jeden Kraftwerksblock an jeweils einer Messstation durchgeführt. Die Messwerte möglicher weiterer Messstationen werden wie in Abbildung 2 gezeigt mit den aufgezeichneten Referenzmessungen verglichen und bewertet. Aus allen verfügbaren Messdaten eines Kraftwerksblocks werden die

3 Messstellen mit der größten Übereinstimmung mit den von uns durchgeführten Referenzmessungen für die weitere Verwendung ausgewählt. 2.2 Simulationsmodell und Vergleich Nach der Validierung der Daten des installierten Betriebsmonitorings können diese für die Berechnung der Soll-Performance des Solarkraftwerks verwendet werden. Dafür werden die Daten in ein Simulationsmodell, das die Eigenschaften des zu bewertenden Solarkraftwerks exakt beschreibt, eingespeist. Wurde vom Fraunhofer ISE ein Ertragsgutachten für das zu untersuchende Kraftwerk erstellt, so liegt das benötigte Simulationsmodell bereits vor. Andernfalls muss es anlagenspezifisch neu erstellt werden. In dieses Modell fließen alle verfügbaren Daten für das Kraftwerk ein. Insbesondere die Verwendung der im Fraunhofer ISE Messlabor ermittelten Temperaturkoeffizienten und das exakte Schwachlichtverhalten der eingesetzten Solarmodule erlauben eine sehr genaue Simulation des energetischen Verhaltens des Solarkraftwerks. Um den Einfluss der Reihenverschattung und gegebenenfalls auch der externen Verschattung exakt in der Simulation abzubilden, wird die Verschattungssituation im Detail vor Ort ermittelt. Ebenso erfolgt in der realisierten Anlage ein umfassender Abgleich aller Komponenten und Installationen mit den Planungsunterlagen. Nur so kann gewährleistet sein, dass das Simulationsmodell das reale Solarkraftwerk exakt widerspiegelt. Diese Berechnungen können sowohl für einzelne Kraftwerksblöcke als auch für komplette Solarkraftwerke durchgeführt werden. Am Ende steht ein grafischer Verlauf der beiden zeitlichen PR-Verläufe, der sehr einfach eine Beurteilung der Kraftwerksperformance erlaubt. So ist an dem Verlauf der beiden Zeitreihen sofort zu erkennen, ob das Kraftwerk wie geplant läuft oder ob es technische Probleme gibt. 3 BEISPIELE Abbildung 2 zeigt beispielhaft die Validierung der Einstrahlungs-Messwerte für ein PV-Kraftwerk in Norddeutschland. Die vom Betriebsmonitoring an der Wechselrichterstation 3 aufgezeichneten Einstrahlungswerte zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit den von uns durchgeführten Referenzmessungen. Im Mittel beträgt die Abweichung hier nur 0,6%. Analog zu der Validierung und Bewertung der Einstrahlungsmessungen wird das gleiche Verfahren auf die Messung der Modultemperaturen angewendet. Hier können bei sorgfältiger Auswahl der Messstelle und fachgerechter Installation der Temperatursensoren Abweichungen im Bereich von 1 bis 3% erreicht werden. Abbildung 3 zeigt ein Beispiel für die PR-Bewertung über einen Betriebsmonat. Die rote Linie stellt die tägliche Soll-PR dar, die als Bewertungsmaßstab mit dem Simulationsmodell berechnet wurde. Die blaue Linie verbindet die tatsächlich erreichten täg-

4 lichen PR-Werte. Die täglichen Einstrahlungssummen am Kraftwerksstandort werden von den blauen Balken widergegeben. Der so dargestellte Verlauf der Performance Ratio zeigt schon optisch eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den Soll- und Ist Werten. Im betrachteten Zeitraum liegt die tatsächlich erreichte PR hier im Mittel einen Prozentpunkt über der zu erwartenden PR. Für die Beurteilung der Kraftwerksperformance nach der Inbetriebnahme ist es oft ausreichend, die ersten Betriebswochen auszuwerten. Mit dem gleichen Verfahren Abb. 2: Validierung der Einstrahlungssensoren eines großen Solarkraftwerks in Norddeutschland. Abb. 3: Grafische Darstellung des PR-Verlaufs eines großen Solarkraftwerks über einen Monat.

5 können aber auch bereits zurückliegende Betriebszeiten nachträglich bewertet werden. Abbildung 4 zeigt den Verlauf der Soll- und Ist Performance Ratio eines Solarkraftwerks in Südspanien über ein Jahr. Bis auf den Monat August gibt es eine sehr gute Übereinstimmung der beiden Kurven. Das bedeutet, dass die Anlage exakt so läuft wie geplant. Beginnend mit dem Monat Juli scheint die Anlage vor allem im August die berechnete Performance nicht zu erreichen. Ab September läuft die Anlage dann wieder optimal. Die Detailanalyse für den Monat Juli in Abbildung 5 zeigt, dass es am 24. Juli eine technische Störung gab, die zu einem Rückgang der Performance führte. Diese Störung wurde am 27. August behoben, so dass die Anlage danach wieder wie geplant arbeitete. Abb. 4: Grafische Darstellung des PR-Verlaufs eines Solarkraftwerks in Spanien über ein Jahr. Abb. 5: Verlauf der Ist- und Soll-PR des Solarkraftwerks aus Abb. 4 im Monat Juli.

6 4 FAZIT Das Fraunhofer ISE hat ein Verfahren entwickelt und bei Großprojekten erfolgreich getestet, mit dem der Jahreswert der Performance Ratio im laufenden Betrieb der Anlage innerhalb weniger Wochen mit hoher Genauigkeit ermittelt werden kann. Durch den temporären Einsatz von kalibrierter und präziser Messtechnik werden gleichzeitig die Daten des kraftwerkseigenen Monitoringsystems validiert. Damit können bereits vorliegende wie auch zukünftige Betriebsdaten zur unabhängigen Performance-Bewertung durch das Fraunhofer ISE genutzt werden. Mit dem neu entwickelten Verfahren ist eine Beurteilung der Kraftwerksperformance im laufenden Anlagenbetrieb bereits nach wenigen Betriebswochen möglich. Zusätzlich bietet es eine zuverlässige Möglichkeit Betriebsstörungen schnell zu detektieren und geeignete weitere Analysen und Gegenmaßnahmen einzuleiten. Neben der Bewertung der Anlagenperformance bietet das Verfahren weitere Analyse- und Anwendungsmöglichkeiten. So können Ertragsdaten über einen längeren Zeitraum auch rückwirkend beurteilt werden, die Bewertung des ersten Betriebsmonats statistisch auf ein typisches Betriebsjahr hochgerechnet werden oder Ertragseinbußen durch netzseitige Abregelung quantifiziert werden.