Analyse des Betriebsverhaltens von Photovoltaikanlagen durch normierte Darstellung von Energieertrag

Ähnliche Dokumente
Langzeitverhalten von netzgekoppelten Photovoltaikanlagen 2 (LZPV2) Anhang 2: Normierte Monatsstatistiken

Langzeitverhalten von netzgekoppelten Photovoltaikanlagen 2 (LZPV2) Anhang 1: Normierte Jahresstatistiken

Allmähliche Reduktion des Energieertrags netzgekoppelter Photovoltaikanlagen infolge permanenter Verschmutzung

Photovoltaik-Anlage Newtech drei Dünnschichtzellentechnologien im mehrjährigen Langzeitvergleich ( )

Ertrag und Zuverlässigkeit von netzgekoppelten Photovoltaikanlagen im Kanton Bern

1. Einführung. 2. Wechselrichterzuverlässigkeit

Jungfraujoch 3 454m ü.m. PV-Anlagen 1993 und 2014

- Wech selrichter: bis Juli 1996 Top Class 1800, danach Thp Class 2500/ 4 Grid III. (STC: Einstrahlung 1 kw /m 2,

Analyse des Betriebsverhaltens von Photovoltaikanlagen durch normierte Darstellung von Energieertrag und Leistung

Newtech Vergleich 3 x 1kWp Dünnschichtzellenanlagen

Störungsfreier Betrieb und kaum Degradation

Photovoltaik-Anlage Newtech drei Dünnschichtzellentechnologien im Vergleich

Wirkungsgrade von Photovoltaik-Wechselrichtern

Langzeitmessung an PV-Anlagen

Neue Tests an Photovoltaik-Wechselrichtern: Gesamtübersicht über Testergebnisse und gemessene totale Wirkungsgrade

Standort: Rheinau Klimadatensatz: Rheinau ( ) PV-Leistung: 9.80 kwp PV-Brutto-/Bezugsfläche: / m²

Einheit 10 Ertragsberechnung

Nachgeführte und stationäre Photovoltaikanlagen mit kristallinen, amorphen und CIS- Modulen. D. Kohake, T. Nierhoff

AUSLEGUNGSFLEXIBILITÄT DES WECHSELRICHTERS FRONIUS SYMO: DAS SUPERFLEX DESIGN

Variierende, meteorologische Daten und deren Einfluss in der PV-Simulation

Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen

PV-Brutto-/Bezugsfläche: 2.230,80 / 2.273,42 m². PV-Gen. erzeugte Energie (wechselstromseitig): Ertragsminderung durch Abschattung: 1 %

Langzeiterfahrungen mit PV-Anlagen in der Schweiz

D. Kohake, T. Nierhoff

D. Kohake, T. Nierhoff

PV-Generator Einstrahlung: PV-Gen. erzeugte Energie (wechselstromseitig):

Resultate von neuen Leistungs- und Zuverlässigkeitstests an Wechselrichtern für Netzverbundanlagen

Langzeiterfahrungen in der PV-Systemtechnik

PV-Generator Einstrahlung: PV-Gen. erzeugte Energie (wechselstromseitig):

20. Symposium Photovoltaische Solarenergie Staffelstein 2005

Heinrich Häberlin. Photovoltaik. Strom aus Sonnenlicht für Inselanlagen und Verbundnetz. AT Verlag

Herzlich Willkommen! Photovoltaik-Anlagen in Ost/West-Ausrichtung

Analyse der winkel- und spektralabhängigen Verluste in PV-Modulen unterschiedlicher Technologie

Photovoltaik Theorie Bernd Fiedler. Fiedler Bernd Wien am,

Bearbeiten Sie in einer Zweiergruppe das Thema Photovoltaik. Lösen Sie der Reihe nach die Ihnen gestellten Aufträge.

Netznachbildungen und Grenzwerte für EMV-Messungen auf der Gleichstromseite von Photovoltaik-Anlagen

Serie SVT. Netzgekoppelte Photovoltaik-Wechselrichter. GE Consumer & Industrial Power Protection PVIN02KS, PVIN03KS, PVIN04KS, PVIN04K6S PVIN05KS

Grundlagen Photovoltaik I Anlagentechnik. Energieberatung Rolf Schwartz

Das Solarwechselrichter-Testlabor der BFH und der neue Multistring-Prüfstand

PV-Generator Einstrahlung: PV-Gen. erzeugte Energie (wechselstromseitig): Ertragsminderung durch Abschattung:

Performance Ratio. Inhalt. Qualitätsfaktor für die PV-Anlage

Bifacial PV-Module mit HIT-Technologie für höhere Energieerträge

Planung will gekonnt sein

Einheit 7 Ertragsberechnung

Grundlagen Photovoltaik I Anlagentechnik. Energieberatung Rolf Schwartz

Solare Investitionssicherheit - Verlässliche Ertragsgutachten

Monitoring der PV-Anlage Zwentendorf Wirkungsgradanalyse der Umwandlungskette

Physik 4 Praktikum Auswertung PVM

Lehrfach: Solare Energietechnik Versuch: Wechselrichter und Netzanbindung. Prof. Dr.-Ing. Kühne Sept Bearb.: Dr.-Ing. Menzel

Auslegung und Dimensionierung von Wechselrichtern für netzgekoppelte PV-Anlagen

PV-Generator Einstrahlung: PV-Gen. erzeugte Energie (wechselstromseitig): PV-Gen. Energie direkt genutzt:

Verschattungsmanagement

Herzlich willkommen zum Photovoltaik Fachvortrag. Christian Neuböck, 4775 Taufkirchen/Pram 07719/8610 Zertifizierter Photovoltaik Techniker / Planer

Monitoring mit Solar-Log - Fehler schnell erkennen und Ertragsverluste vermeiden

Augst ( ) 13,5 kwp 73,8 m'

Wie gut funktionieren die Schweizer KEV PV-Anlagen? Messdatengestützte Untersuchung von 800 Schweizer PV-Anlagen

Ein geschenktes Solarmodul - Was damit tun?

PV-Indach-Systeme im Outdoor-Test Elektrische, mechanische und thermische Vermessungen

Basics of Electrical Power Generation Photovoltaik

Professor Photovoltaik/ Leiter PV Labor Berner Fachhochschule Technik- und Informatik/ Burgdorf

Einfluss der Einstrahlungs-Häufigkeitsverteilung bei der Simulation von PV-Anlagen

Vorwort... V. Inhaltsverzeichnis... VII. Symbolverzeichnis...XI. 1 Einführung... 1

PV-Generator Einstrahlung: PV-Gen. erzeugte Energie (wechselstromseitig):

Ausblick PV Markt Schweiz

Technische Information SUNNY BOY / SUNNY TRIPOWER Temperatur-Derating

Comenius Schulprojekt The sun and the Danube. Versuch 1: Spannung U und Stom I in Abhängigkeit der Beleuchtungsstärke E U 0, I k = f ( E )

Wartung Der Weg zum optimalen Ertrag Ihrer Photovoltaik Anlage


Langzeiterfahrungen mit verschiedenen PV-Technologien in kommerziellen PV-Kraftwerken

Sonne in der Schule Betriebsbericht 2000

1 Kennlinien eines Solarmoduls

Photovoltaik Langzeiter-fahrungen n der Schweiz»

asgäsägg^sbs^^ Andreas Wagner Photovoltaik Engineering Handbuch für Planung, Entwicklung und Anwendung 4. Auflage ö Springer Vieweg

Unternehmen. Kunde. Projekt

Inhaltsverzeichnis. Photovoltaik. Funktionsweise Preis und Leistung Nutzung in Deutschland und der EU

Solaranlage. Ersatz des Wechselrichters. Solaranlage Kath. Kirche

VDE-Schriftenreihe Normen verständlich 138. Photovoltaikanlagen

Eigenschaften von Modulnahen Wechselrichtern und Leistungsoptimierern

Langzeitverhalten von netzgekoppelten Photovoltaikanlagen 2 (LZPV2) Hauptteil

Jahresauswertung 2004

Monatsbericht Solarpark PVA Sample Dezember Musterzugang Fernabfrage Wartung etc. ber

Vom Datenblatt zum Systemertrag - zur realistischen Modellierung kleiner netzgekoppelter PV-Systeme

Anwendungshinweise Wie man ein Enphase-System in PV*SOL premium plant?

Nur vier Schritte zur passenden Sicherung

Netz gekoppeltes System: Simulationsparameter

Website KOSTAL PIKO Plan

Photovoltaik Technik. DI Matthias Komarek. Energie- und Umweltagentur NÖ Büro Pöchlarn 02757/8520

1-MW-Solarkette der NOK Normierte Daten

MÖCHTEN SIE BEI DER WEITERENTWICKLUNG VON SOLARENERGIE MITWIRKEN? LASSEN SIE IHRE ALTEN SOLARMODULE ZEIGEN, WAS SIE KÖNNEN!

LG NEON2 BIFACIAL LG300N1T-G4. März 2016 LG EU Solar Team

Power One Aurora Stringwechselrichter mit HF Trafo: Beschreibung der Isolationsüberwachung und Erdungsmöglichkeiten

Nr. 10 / 2011 REPORT. PV-Module: Ertrags-Unterschiede bei südlicher und westlicher Ausrichtung

PV Anlagen mit Vollaststunden in Mitteleuropa limitierte Infrastrukturkosten für PV-Anlagen Einleitung

Thermografie und Netzanalyse in der Photovoltaik für Neu- und Bestandsanlagen

Offenes Simulationsmodell für netzgekoppelte PV-Batteriesysteme

Photovoltaik Engineering

Lichtbogendetektor als externes Wechselrichter- Zusatzgerät zur Ferndetektion von gefährlichen Lichtbögen auf der DC-Seite von PV-Anlagen

Transkript:

Analyse des Betriebsverhaltens von Photovoltaikanlagen durch normierte Darstellung von Energieertrag und Leistung 1. Einleitung H. Häberlin, Ch. Beutler und Ch. Liebi Ingenieurschule Burgdorf, Labor für Photovoltaik Jlcoweg 1, CH-3400 Burgdorf/Schweiz Tel: ++41 / 34 426 68 11, Fax: ++41 / 34 426 68 13 e-mail: heinrich.haeberlin@hti.bfh.ch, Internet: www.pvtest.ch Um die Energieproduktion und das Betriebsverhalten von Photovoltaikanlagen verschiedener Grösse und an verschiedenen Orten in fairer Weise miteinander vergleichen zu können, wurde vom JRC in ISPRA/Italien eine sehr nützliche normierte Datenauswertung vorgeschlagen [1]. Diese Auswertung wurde von uns weiterentwickelt (speziell für netzgekoppelte Anlagen) und um neue aussagekräftige Darstellungsarten erweitert. Insbesondere wurde eine Methode realisiert, welche eine detaillierte Analyse sporadischer Fehlfunktionen (z.b. Maximum-Power-Tracking-Fehler beim Wechselrichter, (Teil-) Beschattung oder Schneebedeckung des Generators usw.) erlaubt. 2. Normierte Erträge und Verluste Durch die Einführung der normierten Grössen Y r (Referenzertrag), Y a (Generatorertrag), Y f (Endertrag) sowie L c (Generatorverluste), L s (Systemverluste) und PR (Performanz) können recht aussagekräftige Auswertungen erstellt werden. Diese Auswertungen können als Jahresstatistik (mit entsprechenden Monatswerten), als Monatsstatistik (mit Tageswerten) und als Tagesstatistik (mit Stundenwerten) grafisch oder tabellarisch dargestellt werden. Die Angabe der Performanz über jedem Balken erhöht den Informationsgehalt der verwendeten Balkengrafiken wesentlich. Diese Auswertungen ermöglichen einerseits einen direkten Anlagevergleich und andererseits das Erkennen von gewissen Fehlfunktionen. In Tabelle 1 sind die normierten Erträge und Verluste zusammengefasst und erklärt. 3. Normierte Leistungen und normiertes Tagesdiagramm Sofern das Speicherintervall der Daten kleiner als 1 Stunde ist, können auch die kurzzeitigen Mittelwerte (z.b. 5-Minuten-Werte) normiert werden. Die Normierung erfolgt mittels Division der Werte durch die Solargenerator-Nennleistung P 0 resp. Sonneneinstrahlung G 0 bei STC. Diese neuen normierten Momentanwerte werden analog zu den Erträgen mit Kleinbuchstaben benannt (y r, y a, y f, l c, l s und pr). Damit kann nun ein sog. normiertes Tagesdiagramm erstellt werden, was eine noch feinere Analyse des Betriebsverhaltens ermöglicht (siehe Beispiele). 1

4. Aufteilung der Generatorverluste Falls nebst den elektrischen Grössen und der Sonneneinstrahlung auch die Solargeneratortemperatur gemessen wird, können die Generatorverluste weiter unterteilt werden in Temperaturbedingte Verluste L CT resp. l CT (Zellentemperatur meist >25 o C) Übrige, nicht temperaturbedingte Verluste L CM resp. l CM (Verdrahtung, Strangdioden, Teilabschattung, Verschmutzung, Schneebedeckung, Mismatch, MPT- Fehler etc.) Bei netzgekoppelten Anlagen steigt L CM resp. l CM infolge von Fehlfunktionen stark an und ist somit ein sehr guter Indikator für Anlageprobleme. Gut geplante und realisierte Anlagen haben normalerweise möglichst kleine L CM -Werte. Nebst L CT und L CM wird der temperaturkorrigierte Referenzertrag Y T resp. die temperaturkorrigierte Strahlungsleistung y T eingeführt. Da die Leistung eines Solargenerators temperaturabhängig ist, liefert ein sonst idealer Solargenerator mit der Nennleistung P 0 und der Solarzellentemperatur T C bei Bestrahlung mit G 0 = 1 kw/m 2 im Punkt maximaler Leistung (MPP) die folgende temperaturkorrigierte Solargenerator-Nennleistung: P 0T = P 0 [1-c T (T c -T 0 )]. Damit kann man die normierten Momentanwerte für Leistungen und Verluste sowie die momentane Performanz wie folgt definieren: Normierte Strahlungsleistung/ Referenzleistung y r = G I / G 0 = G I / 1kWm-2 Temperaturkorrigierte Strahlungsleistung y T = y r P 0T /P 0 = y r [1-c T (T C -T 0 )] Normierte Solargeneratorleistung y a = P A / P 0 Normierte Nutzleistung y f = P nutz /P 0 Temperaturbedingte Generatorverluste l CT = y r - y T Nicht temp.-bedingte Generatorverluste l CM = y T - y a Systemverlustleistung l s = y a - y f Momentane Performanz pr = y f / y r Dabei bedeuten P 0T P 0 c T Temperaturkorrigierte Solargenerator-Nennleistung Solargenerator-Nennleistung bei STC. Temperaturkoeffizient der MPP-Leistung des Solargenerators (typisch 0,0044K -1 bei kristallinen Solarzellen). T C Zellentemperatur des Solargenerators. T 0 STC-Bezugstemperatur, bei der die Solargenerator- Nennleistung P 0 definiert ist (25 o C). G I Globale Bestrahlungsstärke in Solargeneratorebene (kw/m 2 ) G 0 Bestrahlungsstärke bei STC (1kW/m 2 ). P A vom Solargenerator produzierte Gleichstromleistung. P nutz von der Photovoltaikanlage produzierte Nutzleistung (bei netzgekoppelten Anlagen: P nutz = P ac ). 2

Aus den Momentanwerten y i resp. l i kann man durch Integration die Tages-, Monats- oder Jahreswerte Y i resp. L i berechnen: Y i = T yi dt = yik 0 k t resp. L i = T li dt = lik Mit diesen Beziehungen können nun auch die Tages- Monats- oder Jahreswerte für Y T (temperaturkorrigierter Strahlungs- resp. Referenzertrag), die temperaturbedingten Generatorverluste L CT und die nicht temperaturbedingten Generatorverluste L CM bestimmt werden. Ferner können noch weitere sinnvolle Verhältnisse definiert werden: Temperatur-Korrekturfaktor k T = Y T / Y r Generator-Korrekturfaktor k G = Y a / Y T Wechselrichter-Nutzungsgrad n I = Y f / Y a (bei netzgekoppelten Anlagen) In der nachfolgenden Tabelle werden die wichtigsten normierten Grössen zusammengefasst und erläutert: Symbol Bezeichnung Bedeutung / Erklärung / Ursache Einheit 0 k t Y r Strahlungsertrag, Referenzertrag (Reference Yield) Yr = H I / Go. Y r entspricht der Zeit, während der die Sonne mit G0 = 1kW/m² scheinen müsste, um die Energie HI auf den Solargenerator einzustrahlen. /m 2 d * 1kW/m 2 L c Generatorverluste Feldverluste (Capture Losses) Temperaturbedingte Verluste LCT : Verluste, weil Zellentemperatur meist > 25 o C. Übrige, nicht temperaturbedingte Verluste LCM : - Verdrahtung, Strangdioden, kleine Einstrahlung. - Teilabschattung, Verschmutzung, Schneebedeckung, Strahlungsinhomogenitäten, Mismatch. - Maximum-Power-Tracking-Fehler, Nichtabnahme der verfügbaren Generatorleistung wegen Wechselrichter ausfällen oder bei vollem Akku (bei Inselanlagen). - Fehler bei Strahlungsmessung. - Bei Pyranometer-Strahlungsmessung: Spektrale Verluste, Glasreflexionsverluste. Y a Generator-Ertrag (Array Yield) Ya = E A / P 0. Ya entspricht der Zeit, während der die Anlage mit Solargenerator-Nennleistung P0 arbeiten müsste, um die Generator-DC-Energie EA zu erzeugen L s Systemverluste (System Losses) Wechselrichter-Umwandlungsverluste DC-AC, Speicherverluste des Akkus bei Inselanlagen. Y f Endertrag (Final Yield) Yf = Enutz / Po. Yf entspricht der Zeit, während der die Anlage mit Generator-Nennleistung Po arbeiten müsste, um die gleiche Nutzenergie Enutz zu produzieren. Bei Netzverbundanlagen ist Enutz = E ac. PR Performanz, Nutzungsziffer, (Performance Ratio) PR = Yf / Yr. PR ist das Verhältnis zwischen der effektiv genutzten Energie Enutz zur Energie, die eine verlustlose, ideale PV-Anlage mit Solargeneratortemperatur 25 o C bei gleicher Einstrahlung produziert. [1] Y LC LS Y Y r a f Y LCT LCM LS Y Y Y r T a f Tabelle 1: Übersicht über Definition und Bedeutung der normierten Erträge und Verluste bei Photovoltaikanlagen. Bei der Angabe der Einheiten wurde angenommen, dass für längere Bezugsperioden Tages-Durchschnittswerte angegeben werden. 3

5. Beispiele der neuen Diagramme: Bild 1: Normierte Jahresstatistik der Anlage Jungfraujoch von 1995. Der Endertrag Y f erreicht 3.85/d/ kwp resp. 1405/a/kWp). Die temperaturabhängigen Feldverluste L CT sind fast durchwegs negativ. Entsprechend hoch sind die PR- Werte. Im Juni wurden die nicht temperaturabhängigen Feldverluste L CM durch Schneebedeckung an einzelnen Tagen erhöht. Bild 2: Normiertes Tagesdiagramm der Anlage Jungfraujoch am 22.11.1993. Strahlend schöner Tag mit sehr kleinem l CM und hohem k G, d.h. die Anlage funktioniert an diesem Tag einwandfrei und ohne irgendwelche Beeinträchtigungen. Bild 3: Normiertes Tagesdiagramm für die Anlage Birg (2670m) am 4.1.1995. Weil der Solargenerator im Vergleich zur Wechselrichter - Nennleistung etwas überdimensioniert ist, steigt l CM über die Mittagszeit etwas an. Die Werte für k G und PR liegen entsprechend tiefer. 4

6. Systematische Analyse von Fehlern mit Hilfe der neuen normierten Auswertungen: Bild 4: Normierte Monatsstatistik der 8.9kWp-Anlage der Industriellen Betriebe Interlaken (IBI) für Oktober 1994. Man erkennt, dass offenbar im Laufe des 2.10. Probleme auftraten und dass die Anlage am 3.10. und 4.10. ausser Betrieb war. Ab dem 5.10. nahm die Anlage mit reduzierter Leistung den Betrieb wieder auf. Bild 5: Normierte Tagesstatistik für den 2.10.1994 für die Anlage IBI Interlaken. Zwischen 13:00 und 14:00 fiel der Master- Wechselrichter aus, was das Abschalten der ganzen Anlage zur Folge hatte. Für den Rest des Tages wurde keine Energie mehr produziert. Bild 6: Detailanalyse (gedehntes normiertes Tagesdiagramm). Der Ausfall kündigt sich bereits um 13:35 durch ein temporäres MPP-Tracking-Problem (Anstieg von l CM, Einbruch von pr) an. Um 13:42 erfolgt der endgültige Ausfall des Master-Wechselrichters, die Energieproduktion der ganzen Anlage sinkt auf 0. Als Folge davon sinkt y f und pr ebenfalls auf 0. 5

7. Zusammenfassung und Ausblick Durch die in dieser Arbeit vorgestellten erweiterten normierten Darstellungen kann das Betriebsverhalten von Photovoltaikanlagen verschiedener Grösse und an unterschiedlichen Standorten im Detail analysiert und verglichen werden. Wird bei einer Photovoltaikanlage ein etwas detaillierteres Messprogramm durchgeführt, sollte nicht nur die Umgebungstemperatur, sondern unbedingt auch die Zellen- oder Modultemperatur T C gemessen werden. Mit dieser Grösse können die Generator- oder Feldverluste in den temperaturbedingten und nicht temperaturbedingten Anteil aufgespalten werden, was eine wesentlich genauere Untersuchung erlaubt. Stehen Messwerte in kürzeren Messintervallen als eine Stunde zur Verfügung, ermöglicht die Darstellung der normierten Leistungen und Verluste im normierten Tagesdiagramm eine noch feinere Analyse. Normierte Leistungen und Verluste können auch zur Fehlerdiagnose eingesetzt werden. Werden die Messwerte sehr häufig (z.b. jede Sekunde) erfasst, lässt sich mit normierten Leistungen und Verlusten auf einfache Weise eine permanente Betriebsüberwachung realisieren, die eine sofortige Erkennung eventuell auftretender Fehler ermöglicht. Beim neuen Photovoltaik-Testzentrum der ISB ist diese Methode bereits seit einiger Zeit realisiert. Leider konnte im vorliegenden Beitrag nur ein kurzer Überblick über unsere neuen normierten Auswertungen gegeben werden. Detailliertere Informationen, insbesondere umfangreiche Theorie, viele Beispiele und praktische Tips, befinden sich in unseren weiteren Publikationen [2 und 4]. Verdankungen Der Aufbau der Messtechnik und die Entwicklung eines grossen Teils der in dieser Arbeit verwendeten Software erfolgte im Rahmen eines vom Bundesamt für Energiewirtschaft (BEW) und vom Wasser- und Energiewirtschaftsamt (WEA) des Kantons Bern finanzierten Projektes. Der Bau der Anlage auf dem Jungfraujoch wurde überdies von mehreren Firmen und Institutionen unterstützt. Die Photovoltaik- Aktivitäten der Ingenieurschule Burgdorf wurden und werden auch von den Industriellen Betrieben Burgdorf (IBB), der BKW Energie AG und dem Elektrizitätswerk der Stadt Bern (EWB) unterstützt. All diesen Firmen und Institutionen sei an dieser Stelle für ihre wertvolle Unterstützung herzlich gedankt. Literatur [1] Guidelines for the Assessment of Photovoltaic Plants, Document B: Analysis and Presentation of Monitoring Data, Issue 4.1, June 1993, CEC JRC Ispra/Italien. [2] H. Häberlin, Ch. Beutler: Analyse des Betriebsverhaltens von Photovoltaikanlagen durch normierte Darstellung von Energieertrag und Leistung, SEV/VSE- Bulletin 4/95. [3] H. Haeberlin and Ch. Beutler: Highest Grid connected PV Plant in the World at Jungfraujoch: Excellent Performance in the first two Years of Operation. Proc. 13th EU PV Conf., Nice 1995. [4] H. Haeberlin and Ch. Beutler: Normalized Representation of Energy and Power for Analysis of Performance and On-line Error Detection in PV Systems. Proc. 13th EU PV Conf., Nice 1995. 6