Solarpark 2.0 - Optimierung von Leistung und Ertrag in Photovoltaikanlagen; Teilvorhaben: Entwicklung eines Substring-Maximum-Power-Point-Trackers für PV-Module mit Simulation und Verifikation des Energieertrags

Abstract

Das Verbundvorhaben Solarpark 2.0 (Förderkennzeichen 03EE1135C, Laufzeit 01.07.2022 bis 31.12.2025) untersuchte, wie sich Leistung und Energieertrag von Photovoltaik-Freiflächenanlagen durch Maximum-Power-Point-Tracking auf Substring-Ebene steigern lassen. In konventionellen Anlagen überbrücken Bypass-Dioden die betroffenen Substrings bei Verschattung lediglich; ihre Restleistung geht verloren. Der an der Hochschule Karlsruhe entwickelte Substring-MPP-Tracker (SubMPPT) hält stattdessen jede der drei Substring-Strecken eines Moduls nahe an ihrem eigenen Maximum Power Point. Er passt in die vorhandene Modulanschlussdose, und da er die bestehenden Modulkabel weiternutzt, entfällt zusätzliche Gleichstromverdrahtung. Der Bericht dokumentiert die Beiträge der Hochschule Karlsruhe in den Arbeitspaketen AP1 (Entwicklung des SubMPPT), AP4.4 (Verifikation im Feld) und AP5 (Balance of Systems). Die Entwicklung durchlief vier Prototypengenerationen bis zum feldtauglichen GaN-Aufbau bei 1 MHz; dazu kamen Verfahren zur Aufteilung der Substringspannungen und ein mehrdimensionales MPP-Suchverfahren für unterschiedliche Substringtemperaturen. Im Laborvergleich unter Teilverschattung lieferte ein Modul mit SubMPPT 91,8W gegenüber 69,5W mit einem handelsüblichen Moduloptimierer und -14,8W mit Bypass-Dioden - 32% mehr als bei modulweiser Optimierung. Der vorgesehene anwendungsspezifische Schaltkreis stand wegen der Insolvenz des Herstellers nicht zur Verfügung; seine Funktion übernahm der Mikrocontroller, sodass der Feldtest wie geplant erfolgen konnte. In AP4.4 liefen vier mit SubMPPT ausgerüstete Module in einem Strang der Feldtestanlage am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Unter zunehmender Verschattung fiel die Modulspannung mit Bypass-Dioden von 31,4V auf -1,1V - das Modul wirkte als Last im Strang -, während sie mit SubMPPT bei 16,0V blieb und das Modul weiter einspeiste. Eine Bezifferung des Feldmehrertrags war nicht möglich, da das Sensornetzwerk der Anlage nicht in Betrieb war. AP5 lieferte die Bewertung auf Anlagenebene: eine Simulationsumgebung mit substringaufgelöster Einstrahlungsberechnung, ein an Felddaten kalibriertes Wandlermodell und eine flächenspezifische Wirtschaftlichkeitsbetrachtung. Für einen eng bebauten Solarpark ergibt sich mit SubMPPT ein Jahresmehrertrag von 10,03% und ein Flächennutzungs-Mehrwert von 22,22% gegenüber String-MPP-Tracking. Zur Validierung wurde ein Sensornetzwerk mit Materialkosten unter 30e je Modul an einem Strang mit 21 Modulen installiert. Substring-MPP-Tracking lohnt sich damit dort, wo Verschattung tatsächlich auftritt – vor allem in Anlagen mit geringem Reihenabstand, die auf gleicher Fläche mehr Leistung installieren. Bleibt eine Anlage unverschattet, genügt String-MPP-Tracking.