Alpine Photovoltaik Versuchsanlage Davos Totalp : Erkenntnisse aus 5 Jahren Betrieb
Creators: name: Anderegg, Dionis
name: Strebel, Sven
name: Rohrer, Jürg
Publisher: name: ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften
Year: 2023
Subjects: Winterstrom
Photovoltaik
Alpin
Solarstrom
Alpenstrom
Erneuerbare Energien
Solarexpress
Simulation
Reflexion
Schnee
621.3: Elektro-, Kommunikations-, Steuerungs- und Regelungstechnik

description: Im Gebiet Davos-Parsenn auf 2'500 m.ü.M. betreibt die ZHAW Wädenswil zusammen mit den EKZ und dem SLF/EPFL seit 2017 eine alpine Photovoltaik-Pilotanlage. Die wichtigsten Erkenntnisse aus 5 Jahren Messbetrieb sind:
Die Module einer alpinen Solaranlage mit hohem Winterstrom-Anteil sollten möglichst nach Süden ausgerichtet werden. Bei einer Ost-West-Ausrichtung von bifazialen Modulen mit einer hohen Bifazialität lassen sich zwar vergleichbare Jahreserträge wie bei einer Südaufständerung erzielen. Die Ost-West-Aufständerung führt jedoch zu einer Verschiebung der Erträge vom Winter- auf das Sommerhalbjahr. So kann am Standort Totalp mit Ost-/Westausrichtung und Bifazialfaktor 1.0 ein Winterstromertrag von 42 % (gegenüber rund 50 % bei Südausrichtung) erwartet werden.
Für alpine Photovoltaik-Anlagen zeigten sich bifaziale Module mit einem Anstellwinkel von 60 bis 90° als die vielversprechendste Variante. Damit werden zeitweise bis zu 60 % Mehrerträge durch die Reflexion von Einstrahlung an schneebedeckter Umgebung erzielt (Anderegg et al., 2020). Zugleich werden Verluste durch die Schneebedeckung von Modulen auf 1-2 % am Jahresertrag minimiert, da der Schnee ungehindert abrut-schen kann. So konnten gegenüber dem Mittelland bis zu doppelt so hohe Jahreserträge und rund 50 % Winterstromanteil gemessen werden. Damit kann im Winterhalbjahr in den Alpen 3.5- bis 4-mal mehr Strom pro Modulfläche produziert werden als im Mittelland.
Die höchsten Winterstromerträge von 878 bis 949 kWh/kWp wurden jeweils im Segment mit 90° geneigten bifazialen Modulen gemessen. Ähnlich hohe Erträge lieferten im Winterhalbjahr auch 60 bis 70° geneigte bifaziale Module. Trotz der auf Winterstrom optimierten Auslegung mit hohen Neigungswinkeln zeigen sich auch im Sommerhalbjahr hohe Ertragspotenziale für den alpinen Standort. Im Segment mit 60° geneigten bifazialen Modulen wurde im Kalenderjahr 2021 der bisher höchste spezifische Ertrag von 1977 kWh/kWp gemessen.
Mehrerträge durch bifaziale Module hängen vom Neigungswinkel ab und variieren saisonal. Trotz relativ tiefer Bifazialfaktoren bei den verwendeten Modulen (geschätzt 0.6 bis 0.7) wurden Mehrerträge von 20 bis 24 % im Winterhalbjahr und 20 bis 34 % im Sommerhalbjahr gemessen.
Im Gegensatz zu Anlagen im Mittelland kommen hohe Modulleistungen > 0.8 W/Wp häufig vor und tragen entsprechend stark zum Jahres- und Winterstromertrag bei. Gründe für die hohen Modulleistungen sind tiefe Temperaturen, die hohe Einstrahlung (u.a. durch Reflexion an der Umgebung) und der Einsatz von bifazialen Modulen. Die Messungen an der Versuchsanlage zeigen, dass Leistungsverhältnisse zwischen Wechselrichter oder Netzeinspeisung und PV-Modulen in der Grössenordnung von 0.8 zu erheblichen Ertragsverlusten durch die Leistungsbegrenzung führen würden. Bis zu einem Leistungsverhältnis von 1.3 sinken die Verluste dagegen auf unter 1 % am saisonalen Ertrag. Abhängig von der Ausrichtung, Neigung und dem Bifazialfaktor der einge-setzten Module wird deshalb ein Verhältnis zwischen Wechselrichter- und PV-Modul-Leistung in der Grössenordnung von 1.1 bis 1.3 empfohlen.
Beim Vergleich der Messresultate mit Ertragssimulationen anhand der Wegleitung zur Ertragsberechnung für PV-Grossanlagen vom BFE (Bundesamt für Energie BFE, 2023) mit der Software PVsyst zeigen sich in den letzten fünf Jahren höhere Erträge als die Simulationen erwarten lassen. Bei bifazialen Modulen mit hohem Neigungswinkel werden die Erträge der Simulation vor allem zwischen Februar und Juni unterschätzt. Durch höhere Albedo-Werte (verglichen mit denjenigen aus der Software Meteonorm) lässt sich der Ertrag mit der Simulation im Winterhalbjahr aber sehr genau abbilden. Im Sommerhalbjahr wird der Ertrag in den Simulationen hingegen weiterhin leicht unterschätzt.
Im Unterschied zur Versuchsanlage Davos-Totalp werden bei Grossanlagen die Module in hintereinander liegenden Reihen angeordnet. Dies wird den erzielbaren Ertrag beeinflussen. Der Einfluss des Abstandes zwischen den Modulreihen wird derzeit in Abhängigkeit der Hangneigung an einer zusätzlichen Pilotanlage auf Davos-Totalp gemessen. Ergebnisse werden im Frühling/Sommer 2024 veröffentlicht.