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Ertrag und Verfügbarkeit von Solar-Kraftwerken mit Automation steigern

Bild 1. Sundriver, einer der größten nachgeführten PV-Systeme, wurde mit Komponenten von Phoenix Contact automatisiert

Bild 2. Die modularen Kleinsteuerungen der Serie ILC 100 lassen sich mit unterschiedlichen Funktions- und Kommunikations-Klemmen an die Anforderungen anpassen

Bild 3. Die Klemmleiste eines GAK mit Strangsicherung und Überspannungsschutz – die eingesetzten Komponenten müssen gemäß DIN EN 61730 (VDE 0126-30-1) erhöhte Luft- und Kriechstrecken aufweisen

Bild 4. Ein GAK mit Reihenklemmen, integrierter Strangstrom-Erfassung über Shunt-Widerstände sowie Überspannungsschutz – die Strangstrom-Erfassung erfolgt über Shunt-Widerstände, die Auswertung über Steuerung und IO-Module

Die Automatisierungstechnik sorgt für einen sicheren Betrieb, wenn Nachführ-Systeme den Ertrag in Photovoltaik-Anlagen steigern sollen. Entsprechende Lösungen können auch Leistungsabfälle auf Modul- oder Strang-Ebene detektieren und frühzeitig Gegenmaßnahmen einleiten, um die Performance Ratio und damit den Ertrag des Kraftwerks zu erhöhen.

In Gegenden, wo der Anteil an direkter Sonneneinstrahlung hoch ist, kann eine Nachführung der Solarmodule den Ertrag um bis zu 25 % bei einachsiger (Azimuth) und um bis zu 40 % bei zweiachsiger (Azimuth und Elevation) steigern. Vor allem kristalline Module mit hohen Wirkungsgraden eignen sich gut für eine Nachführung, und neuartige Konzentrator-PV-Systeme mit Wirkungsgraden von über 40 % können meist nur mit Nachführ-Systemen betrieben werden.
Auf der einzelnen Nachführ-Einheit – auch Tracker genannt – sind meist Module mit einer Gesamtleistung zwischen 10 kWp und 100 kWp montiert, was einer Modulfläche von etwa 50 m² bis 500 m² entspricht (Bild 1). Da die zusätzlichen Investitionskosten für eine Nachführung schnell in der gleichen Größenordnung liegen können wie der Mehrertrag, sind folgende Punkte bei der Rentabilitätsprüfung zu beachten: erwartete Einstrahlung und Mehrertrag, Systemkosten, Flächen-Verfügbarkeit, Verschattung, Kapitalkosten, erwartete Unterhaltskosten. Zudem sind Tracking-Systeme häufig eine Fehlerquelle. Untersuchungen zufolge können bis zu 45 % der Fehlerereignisse und 11 % der Ertragsverluste mit der Nachführung in Verbindung gebracht werden.

Automation macht Nachführung effizient
Für die Implementierung der Nachführung eignen sich modulare Kleinsteuerungen – wie die Kompaktsteuerungen der Serie ILC 100 von Phoenix Contact. Diese sind für den Einsatz im rauen Industrieumfeld konzipiert und bieten eine hohe Verfügbarkeit auch unter widrigen Umgebungsbedingungen, wie sie bei Freiland-Installationen auch im Schaltschrank auftreten können. Die Positionen der Module können autark auf der Steuerung berechnet werden. Als Basisdaten dienen die Koordinaten in Form von Breiten- und Längengrad, Datum und Uhrzeit mit Zeitzone.
Die Nachführung kann in Abhängigkeit von einem Zeitintervall oder dem Sonnenstand und der Abweichung zur Position durchgeführt werden. Zählwerte oder Absolutwert-Geber erfassen die aktuellen Positionswerte des Trackers. Die Steuerung der Antriebe erfolgt über analoge Signale oder mit den berechneten Positionswerten über digitale Kanäle. Dazu dienen zahlreiche Anschalt-Baugruppen (Bild 2) – neben digitalen und analogen IO kommen häufig auch RS-232- und RS-485-Schnittstellen zum Einsatz. Fehler im Motor, die sich durch einen höheren Strombedarf, durch unsymmetrische Last oder durch einen veränderten Wirkleistungs-Faktor zeigen, lassen sich bei dreiphasigen Antriebseinheiten über das elektronische Motor Management (EMM) sicher diagnostizieren. Das wird über den Interface-Systembus an die Steuerung angebunden.
Im Park-Management können die Positionswerte auch durch eine zentrale Steuerung berechnet werden. Sie sendet dann alle notwendigen Positionierungs-Daten an die einzelnen Steuerungen des Solarsystems. In der Steuerungs-Software steht dem Entwickler eine umfangreiche Bibliothek an Funktions-Bausteinen zur Verfügung – aus den Bereichen Analog Technology, Communication, Drives, Positioning und Wireless.

Verluste vermeiden
Die Güte einer Solar-Anlage beschreibt die vom Standort weitgehend unabhängige Performance Ratio – dem Quotient aus vergütetem Wechselstrom-Ertrag und Soll-Ertrag. Gute Solar-Kraftwerke erreichen einen Wert von 70 % bis 80 % und mehr. Die Verluste sind teilweise systembedingt, wie Moduldegradation oder –temperatur, oder liegen außerhalb der Solar-Anlage, wie Netzstörungen, und sind aus Sicht des PV-Betreibers unvermeidbar. Die vermeidbaren Verluste, die meist zwischen 5 % und 10 % liegen, entstehen durch Isolationsprobleme, Schäden an der DC-Verkabelung, Verschmutzungen auf den Modulen sowie Verschattungen. Eine angepasste Installationstechnik vom Modul bis zum Inverter, die die Anforderungen der Gleichspannung sowie der rauen Einsatzbedingungen berücksichtigt, hilft Fehler zu vermeiden.
Sichtbar wird dies auf der Tragschiene eines Generator-Anschlusskastens (GAK), in dem die einzelnen Stränge abgesichert und zusammengeführt werden (Bild 3). Die Reihenklemmen erfüllen hier die erhöhten Anforderungen an Luft- und Kriechstrecken für DC-Spannungen gemäß DIN EN 61730 (VDE 0126-30-1). Außerdem wird das Modul gegen Überspannungen geschützt.

Überwachung der Anlage
Mit einer Anlagen-Überwachung lassen sich Fehler sowie Leistungsabfälle frühzeitig erkennen und lokalisieren sowie Gegenmaßnahmen frühzeitig planen. Dabei werden die Ströme von Teilgeneratoren oder einzelnen Strängen separat erfasst, miteinander verglichen und gegebenenfalls zur Sonneneinstrahlung in Bezug gesetzt. Die Erfassung der Ströme kann indirekt über Shunt-Widerstände oder direkt über Strom-Messwandler im GAK erfolgen. Der Spannungsabfall an den Shunt-Widerständen im mV-Bereich kann dabei über einen Messwandler an einem analogen Eingang einer Kleinsteuerung erfasst werden (Bild 4). Die direkte Strommessung über Wandler bietet den Vorteil, dass man DC-Leitungen durch diese hindurch führen kann und der Leiter dazu nicht aufgetrennt oder abisoliert werden muss. Weitere Vorkehrungen für zusätzliche Luft- und Kriechstrecken erübrigen sich damit.
Die so erfassten Stromsignale werden in Normsignale umgewandelt und erfasst sowie an eine Leitstelle gesendet. Die kommunikative Anbindung des GAK an die Leitzentrale ist über Kupferleitungen, Lichtwellenleiter oder Funkverbindungen möglich. Für eine optimale Auslegung der Anlagen-Überwachung sind die zu erfassenden Messpunkte sowie deren kommunikative Anbindung zu berücksichtigen. Entscheidend sind die Gegebenheiten vor Ort, der Systemaufbau, die eingesetzten Komponenten sowie die Fehler-Wahrscheinlichkeiten. Komponenten-basierte Lösungen lassen sich flexibel an die jeweilige Situation anpassen.

Wirtschaftlichkeit durch Integration
Sowohl Anlagenüberwachung als auch Nachführung sind im Vergleich zu industriellen Fertigungsprozessen zeitunkritisch. Die Performance einer Steuerung vom Typ ILC reicht für beide Funktionen aus. Das modulare Konzept bietet – durch die Anpassung an unterschiedliche System-Anforderungen – Kostenvorteile im Vergleich zu gängigen Systemen. Eine Integration in die IT-Welt des Anlagenbetreibers ist durch die direkte Kommunikation der Steuerung mit Datenbank-Managementsystemen, wie SQL-Server, über TCP/IP möglich. Hierdurch lässt sich die Anbindung an ein Parkmanagement-System zur Planung von Wartungs- und Reparaturgängen ebenso realisieren wie die Zuordnung von Einzelerträgen aus Teilen der PV-Anlagen – wenn mehrere Investoren an der Anlage beteiligt sind.
Der Anteil der Betriebs- und Unterhaltskosten an den Stromkosten, die bei 25 ct/kWh bis 45 ct/kWh liegen, beträgt derzeit bei großen Anlagen jährlich etwa 25 000 €/MW bis 50 000 €/MW bzw. 2,5 ct/kWh bis 5 ct/kWh. Bei nachgeführten Systemen wird sogar ein Ressourcen-Bedarf von einer Person pro installiertem MWp vorgeschlagen. Etwa 30 % bis 40 % dieser Kosten entfallen auf Service, Reparaturgänge, Überwachungsverträge und Reinigung. Angepasste Monitoring-Konzepte können diese Kosten durch vorausschauende Wartungen und verkürzte Reparatur- sowie Stillstandszeiten reduzieren.

Resümee
In den letzten Jahren haben Investoren und Betreiber den Photovoltaik-Markt verändert. Sie haben, obwohl sie nicht über technisches Detailwissen verfügen, maßgeblich zum Marktwachstum beigetragen. Eine weitere Verbreitung der Photovoltaik erfordert nun Vertrauen in das Return on Investment – auch bei sinkender Einspeise-Vergütung. Phoenix Contact bietet Automatisierungs-Lösungen, die den Ertrag und die Verfügbarkeit von Photovoltaik-Anlagen erhöhen und damit die Betriebskosten senken. So lassen sich diese auch über eine Lebensdauer von 25 Jahren hinaus ertragreich betreiben.

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Dipl.-Ing. Thorsten Temme ist im Bereich Technology Management/Corporate Technology bei der Phoenix Contact GmbH & Co. KG in Blomberg tätig.