Alpine Photovoltaik Versuchsanlage Davos Totalp : Messergebnisse April 2023 bis März 2024
Creators: name: Anderegg, Dionis
name: Rohrer, Jürg
name: Strebel, Sven
Publisher: name: ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften
Year: 2024
Subjects: Winterstrom
Photovoltaik
Alpin
Solarstrom
Alpenstrom
Erneuerbare Energien
Solarexpress
Simulation
Reflexion
Schnee
621.3: Elektro-, Kommunikations-, Steuerungs- und Regelungstechnik

description: Die ZHAW betreibt zusammen mit den Elektrizitätswerken des Kantons Zürich (EKZ) eine Photovoltaik-Versuchsanlage auf der Totalp in Davos. Diese befindet sich auf 2'500 m ü. M. und wurde im Oktober 2017 in Betrieb genommen. Die Anlage ist nach Süden ausgerichtet und verfügt über sechs Anlagensegmente, für welche beliebige Neigungswinkel gewählt werden können. Die Segmente wurden so ausgelegt, dass ein direkter Vergleich von monofazialen und bifazialen Modulen mit jeweils gleichen Anstellwinkeln möglich ist und die Beschattung der Modulrückseite bei bifazialen Modulen minimiert wird.
Dieser Bericht beschreibt die Resultate der Messdaten für die Untersuchungsperiode zwischen dem 1. April 2023 und dem 31. März 2024.
Während dieser Messperiode waren die Anlagensegmente der Versuchsanlage wie folgt konfiguriert: 30°, 40°, 60° und 90° monofazial sowie 60° und 90° bifazial.
In der Untersuchungsperiode wurde eine jährliche horizontale Globalstrahlung von 1453 kWh/m2 am Standort gemessen. Dies ist 4 bis 13 % weniger als in den Vorjahren und 3 % weniger als im typischen meteorologischen Jahr (TMY) nach Meteonorm Version 8.2 mit Referenzperiode 2001 bis 2020. Die horizontale Globalstrahlung im Sommerhalbjahr betrug 1012 kWh/m2 und lag damit im Schwankungsbereich der Vorjahre. Im Winterhalbjahr wurde mit 445 kWh/m2 die niedrigste Einstrahlung seit Inbetriebnahme der Anlage gemessen. Mit der geringen horizontalen Globalstrahlung lassen sich im Vergleich zum Vorjahr insbesondere geringe Winterstromerträge erklären.
Die Jahreserträge lagen gemäss Abbildung 1 (Säulen) im Untersuchungszeitraum von April 2023 bis März 2024 zwischen 1740 kWh/kWp (60° bifazial) und 1196 kWh/kWp (90° monofazial).
Den höchsten Winterstromertrag von 778 kWh/kWp erzielten 90° geneigte bifaziale Module, bei einem Winterstromanteil von 49 %. Ein ähnlich hoher Winterstromertrag von 749 kWh/kWp wurde mit 60° geneigten bifazialen Modulen erreicht. Aufgrund des höheren Sommerstromertrags von 991 kWh/kWp beläuft sich der Winterstromanteil in diesem Segment auf 43 %. Infolge der geringen Einstrahlung im Winterhalbjahr wurden im Vergleich zu den Vorjahren die geringsten Winterstromerträge gemessen, wodurch auch die Winterstromanteile niedriger ausgefallen sind.
Unter den monofazialen Anlagensegmenten wurde der höchste Jahresstromertrag von 1426 kWh/kWp und der höchste Winterstromertrag von 598 kWh/kWp mit 60° Modul-neigung erreicht, was einem Winterstromanteil von 42 % entspricht.
Anhand Abbildung 1 können die Erträge der Untersuchungsperiode mit den Vorjahres-perioden vergleichen werden (Doppel-T-Balken). Am Untersuchungsstandort wurden
in jedem Anlagensegment die bisher geringsten Winterstromerträge erzielt. Dies ist auf die geringe Globalstrahlung im Winterhalbjahr zurückzuführen. Zusammen mit der mässigen Einstrahlung im Sommerhalbjahr wurden unterdurchschnittliche Jahreserträge gemessen.
Die Mehrerträge durch den Einsatz von bifazialen Modulen betrugen im Winterhalbjahr 25 % (60° Neigungswinkel) bis 33 % (90° Neigungswinkel). Dies sind die höchsten prozentualen Mehrerträge seit Messbeginn. Die prozentual hohen Rückseitenerträge im Winterhalbjahr können vermutlich auf die geringe Direktstrahlung (bzw. hohe Diffusstrahlung) zurückgeführt werden, welche zu geringen Erträgen auf den Vorder-seiten geführt haben. Im Sommerhalbjahr wurden Mehrerträge von 20 % (60° Modul-neigung) und 32 % (90° Modulneigung) gemessen. Dies entspricht dem Durchschnitt aus den Vorjahren.
Gegenüber der Vergleichsanlage im Mittelland lieferten alle Segmente der Alpenstrom-Anlage höhere Erträge. Im Vergleich zur Anlage im Mittelland (Wädenswil) wurden bis zu 88 % höhere Jahreserträge erzielt (60° bifazial). Im Winterhalbjahr erzeugten die bifazialen Anlagensegmente der Versuchsanlage den 2.9- bis 3.1-fachen Ertrag der Anlage im Mitteland. Die Abweichungen gegenüber der Anlage im Mittelland waren in dieser Untersuchungsperiode kleiner, da die Anlage im Mittelland einen durch-schnittlichen Winterstromertrag erzielte, wogegen die Versuchsanlage in Davos unterdurchschnittliche Erträge verzeichnete.
Die Leistungsverläufe an sonnigen Tagen mit tiefem, mittlerem und hohem Sonnen-stand zeigen den Einfluss der Sonnenhöhe, des Neigungswinkels der Module und der Schneebedeckung der Umgebung auf die Modulleistung deutlich. Während Monaten mit besonders tiefem Sonnenstand sind die steil geneigten Module im Vorteil, wogegen bei hohem Sonnenstand die höchsten Erträge bei geringer Modulneigung erwartet werden können. Unter optimalen Bedingungen (bei Schneebedeckung, tiefem bis mittlerem Sonnenstand und tiefen Umgebungstemperaturen) werden um die Mittags-zeit bei bifazialen Modulen kurzzeitige Spitzenleistungen von bis zu 1.5 W/Wp erreicht.
Über eine sechsjährige Zeitperiode wurden die Verluste durch Schneebedeckung von Modulen berechnet. Die Verluste schwanken zwischen den Jahren stark. Für Module mit einem Neigungswinkel vom mindestens 60° betrugen die Verluste in keinem Jahr mehr als 8 % am theoretischen Winterstromertrag ohne Schneebedeckung. Im sechsjährigen Mittel betrug der Verlust bei Neigungswinkeln von mindestens 60° unter 4 % am Winterertrag. Die Verluste bei 90° geneigten bifazialen Modulen lagen unter 1 % am Ertrag des Winterhalbjahres und sind somit marginal.