Innovative Schaltungen, neuartige Leistungselektronik und KI-gestützte Optimierung sollen Ausbeute und Lebensdauer von Anlagen steigern und die Betriebskosten senken. Das wollen KIT-Forscher erreichen. „Neue und immer größere Flächen für solche Anlagen zu finden, ist aber insbesondere in stark besiedelten Regionen der Welt ein Problem. Damit wir unsere Klimaziele trotzdem erreichen, müssen wir die vorhandenen Flächen viel effizienter nutzen“, weiß Nina Munzke, Forscherin am Elektrotechnischen Institut (ETI) des KIT und Initiatorin von Solarpark 2.0 am Batterietechnikum des KIT.
Im Verbundprojekt entwickeln die Forscher dafür elektronische Komponenten und Methoden für große Freiflächenanlagen. „Wir wollen die Leistungsabgabe von Photovoltaikanlagen unter ungünstigen Bedingungen wie Verschattung, Verschmutzung oder Alterung verbessern und dadurch die Wirtschaftlichkeit und den Ertrag der Stromerzeugung durch Photovoltaik optimieren“, erklärt Munzke.
Mehr Ertrag durch neue Leistungselektronik
Um ein Photovoltaikmodul effizient einzusetzen, muss es nahe an seinem individuellen Maximum Power Point (MPP) arbeiten. „Die Ausgangsleistung des Moduls ergibt sich aus dem Produkt von Stromstärke und Spannungshöhe. Beim MPP ist diese Leistung am höchsten, es wird also die größte mögliche Ausbeute erreicht“, sagt Lukas Stefanski vom ETI. Da sich der MPP aber je nach Temperatur, Sonnenstand und weiteren Faktoren ändert, muss für einen optimalen Betrieb die Spannung kontinuierlich nachgeregelt werden.
Dafür gibt es zwar bereits spezialisierte Leistungsoptimierer, das MPPT-Tracking wird in konventionellen Schaltungen allerdings vor allem im zentralen Wechselrichter angewendet. „Wenn dann mehrere Photovoltaikmodule in Reihe zu Strings geschaltet sind und zusätzlich mehrere dieser Strings parallelgeschaltet werden, dann können Verschattung und Defekte einzelner Module die erzeugte Leistung ganzer Anlagen einschränken“, sagt er. Vorteilhafter sei es, einzelne Module zu regeln sowie, je nach spezifischer Verschaltung der Anlage, die Spannung an den Strings zu optimieren.
Auf Modulebene optimieren
Um das zu realisieren, kommt bei Solarpark 2.0 die am KIT patentierte Schaltung (HiLEM) zum Einsatz. Diese Schaltung ersetzt Combiner-Boxen, die herkömmlicherweise zur Parallelschaltung von Strings eingesetzt werden und ermöglicht ein effizientes MPPT auf Ebene der Strings. Die Kombination aus HiLEM-Schaltung mit neuartigen Leistungsoptimierern, ermöglicht dann ein gleichzeitiges MPPT sowohl auf String- als auch auf Modulebene. „Wir erreichen damit nicht nur einen höheren Ertrag der Photovoltaikanlage, sondern verlängern auch ihre Lebensdauer und senken die Betriebskosten“, so Stefanski.
Evaluiert werden sollen die neuen Optimierungskomponenten in zwei Testanlagen mit jeweils 30 Kilowatt. Eine Anlage wird dabei unterschiedliche Testszenarien für die neuen Leistungsoptimierer abbilden, die zweite Anlage dient als Referenz ohne diese. Beide Anlagen sollen nebeneinander auf einer Freifläche innerhalb des bestehenden Solarfeldes des Energy Lab 2.0 am KIT realisiert werden.
KI-gestützte Leistungsprognose
Ein weiteres Ziel der Arbeiten am KIT besteht darin, eine durch Künstliche Intelligenz (KI) gestützte Leistungsprognose für Photovoltaikanlagen zu entwickeln, mit der sich anhand von Betriebsdaten möglicherweise verschattete, defekte oder verschmutzte Module identifizieren lassen. Damit könne ermittelt werden, an welcher Stelle in Solarparks sich eine Nachrüstung mit Leistungsoptimierern lohnt. Immerhin: Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz fördert das kürzlich gestartete Projekt mit rund 2,5 Millionen Euro. (nhp)
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