Optimierung alpiner Photovoltaikanlagen
Creators: name: Laskowski, Marvin
name: Rieder, Viktoria
Publisher: name: ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften
Year: 2023
Subjects: Alpine Photovoltaikanlage
Optimierung
Unterkonstruktion
Teilverschattung
Abregelung
Einspeisebegrenzung
Solartracker
Zweiachsige Nachführung
Agri-Photovoltaik
333.79: Energie

description: In dieser Bachelorarbeit werden drei Optimierungsparameter für alpine Photovoltaikanlagen untersucht, welche den Mehrertrag durch die Nachführung bifazialer Module, den Ertragsverlust der Rückseite bifazialer Module durch die Unterkonstruktion sowie den Einfluss einer Wechselrichter-Abregelung auf die resultierende Verlustleistung umfassen.
Ziel dieser Arbeit ist es herauszufinden, wie alpine Photovoltaikanlagen in den genannten Parametern bestmöglich optimiert werden können, sodass ein effizienter Ausbau der solchen gewährleistet werden kann. Dazu wurde in einem ersten Schritt relevante Literatur konsultiert, um die Grundlage für weitere Untersuchungen zu bilden. Anschliessend wurden Konzepte für den Bau von Testanlagen erstellt, deren Messergebnisse dazu dienten, den Mehrertrag gegenüber Referenzsystemen zu quantifizieren.
Die erste betrachtete Optimierungsmöglichkeit besteht in der Nachführung bifazialer Module, wodurch der spezifische Ertrag erhöht werden soll. Dazu wurde ursprünglich eine alpine Mini-Testanlage geplant, welche jedoch nicht gebaut wurde, da der zugehörige Algorithmus nicht erstellt werden konnte. Die Planung der alpinen Mini-Testanlage umfasst die Recherche der klimabedingten Anforderungen an die Geräte und Sensoren bis hin zum Elektroschema, wobei als Resultat das Messkonzept sowie der Bau des Schaltschranks gilt.
Infolgedessen wurde eine Mini-Testanlage im Kontext der Agri-Photovoltaik geplant und errichtet, wobei ein selbstgebauter, zweiachsiger Tracker und ein eigens geschriebener astronomischer Algorithmus zum Einsatz kam. Die Auswertung der Messungen zeigte, dass durch die zweiachsige Nachführung der bifazialen Module bei hohem Diffusstrahlungsanteil eine Erhöhung der Einstrahlung in die Modulvorderseite von 15 %, in die Modulrückseite von 28 %, und jene in die Modulebenen insgesamt (Vorder- und Rückseite zusammen) von 17 % erreicht wurde. Bei hohem Direktstrahlungsanteil lag die Erhöhung der Einstrahlung in die Modulvorderseite bei 46 %, in die Modulrückseite bei 19 % und insgesamt bei 42 %. Durch die Modulrückseite (Bifazialitätsfaktor = 100 %) konnte die Einstrahlung in die Modulebene um 21 % bei hohem Diffus-, und um 15 % bei hohem Direktstrahlungsanteil gesteigert werden.
Als zweite Optimierung wurde der Ertragsverlust durch die Unterkonstruktion auf der Rückseite bifazialer Module untersucht, wobei es herauszufinden galt, wie dieser bestmöglich reduziert werden kann. Dazu wurde ebenfalls eine Testanlage errichtet, und die Modulleistungen bei insgesamt sechs Szenarien mit unterschiedlicher Anordnung und Anzahl der Querstreben gemessen. Dabei stellte sich heraus, dass der Ertragsverlust bei gleichbleibender Anzahl an Querstreben reduziert werden kann, wenn diese mit einem Abstand zum Modul von 5 cm montiert werden, anstatt ohne Abstand zu diesem, wobei der Ertragsverlust durch den Abstand um bis zu 59 % reduziert werden kann.
Zuletzt wurde der Einfluss einer Wechselrichter-Abregelung bei 60 und 90° geneigten, bifazialen Modulen betrachtet, für dessen Untersuchung Messdaten der bestehenden ZHAW-Testanlage auf der Totalp zur Verfügung gestellt wurden. Dabei galt es herauszufinden, welchen Einfluss verschiedene Begrenzungsstufen auf die resultierende Verlustleistung haben, und in welcher zeitlichen Auflösung Produktionsprofile von Photovoltaikanlagen vorliegen müssen, um Fragestellungen rund um die Abregelung beantworten zu können. Die Auswertung der Daten zeigte, dass bei 60° geneigten Modulen von höheren Verlustleistungen je Begrenzungsstufe ausgegangen werden muss, im Vergleich zu denen bei 90° geneigten. Die höchsten relativen Verlustleistungen werden bei beiden betrachteten Modulsegmenten in den Wintermonaten November bis März erreicht, oder bei tageszeitlicher Betrachtung über die Mittagsstunden von 10 bis 14 Uhr. Beispielsweise resultiert bei einer Abregelung auf 80 % der Nennleistung bei den 60° geneigten Modulen ein jährlicher Ertragsverlust von 14 % und bei den 90 ° Geneigten einer von 17 %, wobei die Verluste in den Wintermonaten höher sind als im Sommer.
description: This bachelor's thesis examines three optimization parameters for alpine photovoltaic systems, which include the additional yield through the tracking of bifacial modules, the rear-side yield loss of bifacial modules due to the substructure, and the impact of inverter curtailment on resulting energy losses. The aim of this thesis is to determine how alpine photovoltaic systems can be optimized most effectively in these parameters to ensure efficient expansion. To achieve this, relevant literature was consulted in the initial step to provide a foundation for further investigations. Subsequently, concepts for the construction of test systems were developed, and their measurement results were used to quantify the additional yield compared to reference systems.
The first optimization possibility examined is the tracking of bifacial modules to increase specific yield. Initially, an alpine mini-test system was planned for this purpose, but it was not built due to the inability to create the associated algorithm. The planning of the alpine mini-test system involved researching the climatic requirements for the devices and sensors and developing the electrical schematic. The result of this planning was the measurement concept and the construction of the control cabinet.
As a result, a mini-test system was planned and constructed in the context of Agri-photovoltaics, utilizing a self-built dual-axis tracker and a custom-written astronomical algorithm. The evaluation of the measurements showed that the two-axis tracking of bifacial modules achieved an increase in irradiation on the front side of the modules by 15 % and on the rear side by 28 % under high diffuse radiation conditions. Overall, the irradiation on both sides (front and rear) of the modules increased by 17 %. Under high direct radiation conditions, the increase in irradiation on the front side was 46 %, on the rear side was 19 %, and overall was 42 %. By utilizing the rear side of the modules (bifaciality factor = 100 %), the irradiation on the module plane increased by 21 % under high diffuse radiation and by 15 % under high direct radiation.
The second optimization examined was the yield loss caused by the substructure on the rear side of bifacial modules. The goal was to determine how this loss could be reduced most effectively. For this purpose, another test system was built, and the module performance was measured under six scenarios with different arrangements and numbers of crossbars. It was found that, with a consistent number of crossbars, the yield loss could be reduced by mounting them with a 5 cm spacing from the module compared to mounting them without any spacing. The yield loss could be reduced by up to 59 % due to the spacing.
Lastly, the influence of inverter curtailment on 60° and 90° tilted bifacial modules was examined. For this investigation, measurement data from the existing ZHAW test system at Totalp was made available. The aim was to determine the impact of different curtailment levels on resulting power losses and to identify the temporal resolution required for production profiles of photovoltaic systems to address curtailment-related questions. The data evaluation showed that higher power losses per curtailment level should be expected for the 60° tilted modules compared to the 90° tilted modules. The highest relative power losses for both module segments occurred during the winter months from November to March, or when considering the midday hours from 10 am to 2 pm. For example, a curtailment to 80 % of the rated power resulted in an annual yield loss of 14 % for the 60° tilted modules and 17 % for the 90° tilted modules, with losses being higher in the winter months than in the summer.