Neuer Solar Leistungsoptimierer: 50% mehr Leistung für Ihre PV-Anlagen mit Minimalinvestition
Leistungsoptimierer schaffen durch einen effektiven Ertragszuwachs Ihrer Photovoltaikanlage einen Mehrwert von bis zu 50 Prozent. Die wichtigen Bausätze für Ihre erneuerbare Energieerzeugung durch Solarthermie steuern und kontrollieren die Leistung jeder einzelnen Solarzelle und bewirken, dass sämtliche Sonnenzellen im Verband den optimalen Maximum Power Point (MPP) erreichen. Diese zusätzlichen Bauteile lohnen sich umso mehr bei teilweise verschatteten Solaranlagen.
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Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage? - von der einzelnen Solarzelle bis hin zur Verschaltung in Strings
Eine komplette Solaranlage ist ein komplexes elektronisches System, das aus vielen einzelnen elementaren Funktionsträgern, den Solarzellen, besteht. Die weitaus größte Zahl aller Solarzellen wird aus dem siliziumhaltigen Quarzsand gefertigt. Jede Sonnenbatterie Ihrer Solaranlage besitzt hierbei eine scheibenförmige geometrische Form. Um solch eine elektrisch leitfähige Siliziumscheibe herzustellen, muss der Rohstoff Quarzsand zunächst hochgradig gereinigt und schließlich in einen kristallinen Zustand überführt werden. Das fertiggestellte Halbzeug für Ihre PV-Anlage wird anschließend durch spezielle Sägen zu Scheiben ausgeformt und letztlich funktional zielgerichtet mit bestimmten Fremdatomen “verunreinigt” (dotiert). Zu dem Zweck, am Ende des Herstellungsprozesses auch ein funktionsfähiges elektronisches Bauelement für den effektiven Stromtransfer zu erhalten, wird jede Solarzelle zuletzt noch mit speziellen Leiterbahnen ausgestattet.
Fällt nun Licht auf eine Sonnenzelle ein, so erfolgt durch die Wechselwirkung mit den Photonen eine Freisetzung von elektrischen Ladungsträgern, eine sogenannte Teilchenemission. Für das Ziel, diese frei beweglichen Elektronen und Protonen effizient für die Stromerzeugung einsetzen zu können, muss die Ober- und Unterseite jeder separaten Solarzelle mit ausgewählten “Störatomen” zweckmäßig dotiert (“verunreinigt”) werden. Üblicherweise werden hier Phosphor (P) und Bor (B) verwendet. Dank der gezielten räumlichen Verankerung von Fremdatomen in jeder elementaren Sonnenbatterie häufen sich die Elektronen (negative Ladungsträger) auf der einen Seite der Zelle an und die Protonen (positive Ladungsträger) auf der Gegenseite. Dadurch entstehen jedoch ein einzelner Pluspol sowie ein Minuspol, welche in ihrer physikalischen Wirkung mit dem elektrischen Feld in einer Batterie vergleichbar sind.
Wird im Anschluss ein elektronisches Endgerät an das gesamte, mittels Strings zusammengeschaltete Solarsystem angeschlossen, so fließt ein elektrischer Strom.
Ihre Photovoltaikanlage als vernetzte Solarmodule betrachtet
Um ein systemisch aufgebautes Solarmodul technisch zu vollenden, werden die separaten Sonnenzellen in Reihe (String) miteinander verschaltet und wetterfest isoliert. Von der Oberseite her werden dabei sämtliche Solarmodule unter Zuhilfenahme einer Glasscheibe wirkungsvoll geschützt. Aus der unteren Position heraus wird noch eine schützende Folie an den PV-Modulen befestigt.
Im Durchschnitt erbringen die PV-Module eine Leistung zwischen 120 und 400 Watt. Die Größe dieser komplexen Solartechnik kann auch vielfach variieren. Größen bis zu 3 Quadratmetern sind jedoch nicht selten.
Alle miteinander im Verbund stehenden PV-Module einer Photovoltaikanlage wandeln die Energie des Sonnenlichts in elektrische Energie um. Die durch das auftreffende Licht induzierte Spannung in den Solarzellen kann an der Oberfläche jedes Solarmoduls abgenommen werden. Jede elektrische Einzelspannung aller miteinander im String verflochtenen Sonnenzellen wird innerhalb jedes Moduls in zusammenhängender Reihenschaltung physikalisch gesetzmäßig addiert. Eine Einzelzelle trägt dazu mit etwa 0,6 Volt bei. Das übliche Sonnenmodul mit circa 36 bis 72 Solarzellen erzeugt auf diese Weise eine summarische Modulspannung von etwa insgesamt 36 Volt. Der durchschnittliche Wirkungsgrad eines einzelnen Solarmoduls liegt dabei in einer Spannbreite zwischen 14 und 20 Prozent.
Hier kommen Ihre Solar Leistungsoptimierer idealerweise zum Tragen: netzgekoppelte Solaranlagen und Inselsysteme
Die Gesamtheit der Photovoltaikanlagen lässt sich je nach technischer Realisierung der Netzeinspeisung in eine unmittelbar netzgekoppelte Solaranlage oder auch in ein sogenanntes “Inselsystem” differenzieren. Bei den weit verbreiteten netzgekoppelten Anlagen erzeugt der Solargenerator mittels des Sonnenlichts Gleichstrom. Der gesammelte Strom wird von einem Wechselrichter effektiv in Wechselstrom umgewandelt. Denn nur so kann die aus dem Generator gewonnene Energie dem örtlichen Mittel- bzw. Niederspannungsnetz zugeführt werden. Das Nieder- oder Mittelspannungsnetz fungiert in diesem Fall als wirkungsvoller Energiespeicher. In Standorten ohne direkte Netzanbindung sind die hier installierten Inselsysteme hingegen mit einem speziellen Energiespeicher in Form einer Batterie versehen.
Exkurs 1: Der Wechselrichter in der Photovoltaik-Anlage
Ein Solarwechselrichter ist ein Gerät, welches die aus den Solarmodulen erzeugte Gleichspannung in eine betriebsfähige Wechselspannung umwandelt und zeitnah in das Stromversorgungsnetz einspeist. Der Wechselrichter ist damit ein unentbehrlicher Bestandteil jeder Photovoltaikanlage. Auf der Eingangsseite dieser elektronischen Apparatur befindet sich immer ein Gleichspannungswandler mit dem Maximum-Power-Point-Tracker, der seinerseits von einem Mikrocontroller gesteuert wird und zugleich den Zwischenkreis versorgt. Auf der Ausgangsseite ist ein ein- bis dreiphasiger Wechselrichter montiert, der entweder elektrische Energie in das Niederspannungsnetz oder aber in das Mittelspannungsnetz weiterleitet und sich dabei vollkommen automatisch mit dem Verbraucher-Stromnetz synchronisiert.
Beim sehr häufig vorkommenden Einsatz eines speziellen Modulwechselrichters hat jedes einzelne Solarmodul seinen eigenen einphasigen Wechselrichter, der oft direkt in die entsprechende Anschlussdose integriert ist. Hierbei handelt es sich um einen DC-DC-Wandler, dessen vorrangige Aufgabe darin besteht, die Spannung so zu modifizieren, dass das angeschlossene Modul in seinem Maximum-Power-Point (MPP) arbeiten kann.
Diese ausgefeilte Umwandlungs- und Optimierungstechnologie ist besonders bei Photovoltaikanlagen zweckvoll, die sich aus verschieden ausgerichteten oder unterschiedlich verschatteten Teilfeldern zusammensetzen.
Exkurs 2: Der Maximum Power Point (MPP)
Der Maximum Power Point (MPP) ist jener zeitlich veränderliche physikalische Zustand, an dem ein einzelnes Photovoltaikmodul seine maximale Leistung erreicht. Die elektrische Leistung jedes Solarmoduls berechnet sich dabei mathematisch aus dem Produkt von (temporärer) Stromstärke und anliegender Spannung. Etwaige Veränderungen der Insolation (Intensität der Sonneneinstrahlung) und der Temperatur an der Moduloberfläche wirken sich durch die hiervon abhängige Stärke der Elektronenemission effektiv auf diese elektrischen Größen aus und variieren dadurch den MPP kontinuierlich. Nimmt etwa die Strahlungsintensität der Sonne zu, so steigt auch die Stromstärke in den besonnten Modulen. Folglich hat deshalb jedes Solarmodul in der Momentaufnahme gewöhnlich einen etwas anderen MPP. Möchten Sie mit Ihrer Photovoltaikanlage im Verbund aller Module nun jeweils optimale Höchstleistungen erzielen, ist demzufolge eine beständige Überwachung des Maximum Power Points jedes Solarmoduls angebracht.
Solar Leistungsoptimierer als probates Instrument der Ertragsüberwachung
Effiziente Leistungsoptimierer sind in erster Linie für kleine und mittlere Photovoltaikanlagen eine sehr sinnvolle Option der kontinuierlichen Ertragsüberwachung. Auch wird diese spezifische Wirkungsweise der Leistungsoptimierer besonders in Hinsicht auf eine wünschenswerte stabile Einspeisung des generierten Stroms ins lokale Verbrauchernetz oder in den angeschlossenen Batteriespeicher wichtig. Denn für ein bestmögliches Funktionieren Ihrer kompletten PV-Anlage kommt es eben ganz speziell auf die maximale Leistung jedes einzelnen Solarmoduls an.
Überdies haben in Deutschland nicht wenige Solaranlagen auch relativ häufig mit zeitlich schwankenden Standortbedingungen wie etwa wechselnder Verschattung zu kämpfen. Damit besteht ein nicht zu unterschätzender zusätzlicher Regelbedarf für die meisten Photovoltaikanlagen.
Wie funktioniert eigentlich ein Solar Leistungsoptimierer?
Leistungsoptimierer sind funktional DC-DC-Wandler, das heißt, sie modifizieren den in den Solarmodulen produzierten Gleichstrom in einen Gleichstrom mit einer anderen, für das gesamte System optimalen Spannung. Sie gelangen insbesondere dann zur Anwendung, wenn die Module einer Photovoltaikanlage üblicherweise zu einem komplexen String geschaltet sind, jedoch dabei öfters ungleiche Erträge erzeugen.
Im Normalfall ist die Zusammenschaltung der Module zu einem einheitlichen String recht unproblematisch. Denn wenn alle Solarmodule zum Beispiel geschlossen nach Süden hin ausgerichtet und somit weitgehend ohne Schatten sind, erreichen sie zumeist ähnliche Erträge und der MPP kann zentralisiert über einen String-Wechselrichter angesteuert werden.
Ist ein bestimmtes Modul des System-Strings allerdings räumlich lokal anders ausgerichtet oder teilweise unter Verschattung stehend, wirkt sich diese Verdunkelung des singulären Moduls auch auf die übrigen Bauteile in der zusammengeschalteten Reihe aus. Dies liegt darin begründet, dass gerade das schwächste Element der jeweils in sich geschlossenen Photovoltaik-Kette letztendlich die effektive Leistung im gesamten String bestimmt.
Findet die Ansteuerung der optimalen Gesamtleistung einer modularen Solaranlage (MPP) tatsächlich nicht mehr auf der Grundlage des Wechselrichters statt, sondern basiert stattdessen auf der Regelung durch einen Leistungsoptimierer an den einzelnen Modulen, so erzielt lediglich das abgeschattete Modul eine geringere Leistung. Denn der effiziente Leistungsoptimierer bewirkt nun, dass alle elementaren Solarmodule im String mit ihrem bestmöglichen singulären Beitrag an der systemischen Gesamtleistung des Solargenerators beteiligt sind.
Das ungenutzte Energiepotenzial von Photovoltaikanlagen - Die Innovation von digitalisierten Wechselrichtern und Leistungsoptimierern macht eine vielfache Gesamtleistung möglich
Die zur Verfügung stehende Sonnenenergie wird mit der gängigen Photovoltaik-Technologie längst nicht hundertprozentig in nutzbare elektrische Energie umgewandelt.
Jedoch kann die moderne digitale Impulstechnologie es ermöglichen, mehr als 80 Prozent der durch Solargeneratoren normalerweise erzeugten Gesamtleistung zusätzlich in das Wechselstromnetz abzuführen.
Jedes Solarmodul Ihrer Photovoltaikanlage kann aber sogar mittels entsprechend kompatibler RZ-Impulstechnologien durchaus die vierfache Leistung zur effektiven Nutzung bereitstellen (wie etwa beim LMC6-System). Zu einer wirksamen Steigerung der Endleistung trägt beispielsweise bereits der Wechselrichter mit dem Patent DE 43 13 872 als ein Teil der digitalen Impulsgebung bei.
Die elektronischen Hightech-Einheiten innerhalb innovativer Impulstechnologie wie effiziente Leistungsmultiplikatoren (Leistungsoptimierer) fußen unter anderem auch auf dem Prinzip der Gleichspannungsverdopplung am Ausgang des Solargenerators. Sie werden im Rahmen eines praktikablen elektrotechnischen Arrangements als additionale Schalteinheiten zwischen den Solarmodulen und dem Wechselrichter installiert.
Der zusätzliche Nutzen für die elektrische Gesamtleistung Ihrer Solaranlage wird nicht zuletzt durch solch eine Spannungserhöhung am Ausgang des Leistungsverstärkers bzw. Leistungsoptimierers (EPM) hervorgerufen. Die für Ihr Wechselstromnetz zur Verfügung stehende effektive Stromstärke am Ausgang des Solargenerators ist dabei indirekt proportional zum Innenwiderstand der gesamten elektrischen Versorgungsanlage.
Was ist der Unterschied zwischen dem PQ-20 Leistungsoptimierer und Solar Edge?
Der Solar Edge Leistungsoptimierer mit IndOPTM Technologie beruht auf einer rein modularen Photovoltaik-Leistungsoptimierung. Die unabhängige Optimierungstechnologie (IndOPTM) von Solar Edge ist dabei speziell auf Fremd-Wechselrichtersysteme ausgerichtet und führt zu einer durchschnittlich 25-prozentigen Steigerung des gesamten Energieertrages.
Diese hochwertige PV Impulsgeber-Technologie beim Solar Edge Leistungsverstärker reduziert ebenfalls äußerst nachhaltig alle Formen von Energieverlust durch Mismatch, angefangen von bestimmten Herstellungstoleranzen bis hin zu den in Mitteleuropa relativ häufigen partiellen Verschattungen. Durch dieses effiziente, leistungssteigernde Zubehör für Ihre Solaranlage werden DC-seitig auch höchste Wirkungsgrade von bis zu 99,5 Prozent realisiert (DC = Direct Current = Gleichstrom; gemeint ist hier mit “DC-seitig” die technische Verkabelung von den Solarmodulen zum Wechselrichter auf der Gleichstromseite).
Insbesondere ist der Leistungsverstärker (Leistungsoptimierer) PQ-20 ein vortrefflicher PDC-DC-Wandler (PDC-DC = gepulste Stromentnahme aus der Stromquelle für die Eingangsleistung des Leistungsverstärkers). Mit dieser hochgradigen Leistungsanpassung wird der Stromquelle für den Betrieb des Leistungsoptimierers die jeweils maximal mögliche Leistung entnommen. Solch eine elektrische Leistungsoptimierung mit Hilfe von neuartigen RZ-Samplingtechnologien setzt hiermit zukunftsweisende Impulse und völlig neue Maßstäbe mit hoher Effizienz für die kostengünstige Stromversorgung mittels der Photovoltaik-Technologie.
Die Nutzbarmachung der realen Leistungserhöhung beim PQ-20 Leistungsverstärker als einem exklusiven PDC-DC-Wandler ermöglicht sogar noch weit mehr zusätzliche Einnahmen von bis zu 80 Prozent – im Unterschied zu den realisierten “nur” 25 Prozent Zugewinn beim Solar Edge Leistungsoptimierer. Bei den DC-seitigen Wirkungsgraden aller beim PQ-20 vorhandenen Solarmodule werden dadurch außerdem ähnlich gravierende Verbesserungen wie beim Solar Edge Leistungsoptimierer erzielt.
Last, but not least ist besonders für Photovoltaik-Großanlagen der Leistungsmultiplikator PULSAR 5-400 sehr empfehlenswert. Bei einer vertretbaren Eingangsleistung bis 400 Kilowatt wird bei diesem technischen Optimierungssystem eine bemerkenswerte Ausgangsleistung von bis zu 1,2 Megawatt erreicht. Dieses Ergebnis impliziert jedoch einen grandiosen Leistungsgewinn von mehr als 1 Megawatt bei der Ausgangsleistung der PV-Anlage bzw. einen beeindruckenden Wirkungsgrad von 300 Prozent. Eine schier fast unglaubliche technologische Entwicklung, die man erst einmal in ihrem enormen Fortschrittspotenzial für die Gewinnung alternativer erneuerbarer Energien erfassen muss.
Quelle: rz-innovatec.com
