Forschungsprojekt Solarpark 2.0: Ertrag von Photovoltaik-Kraftwerken steigern

Auf dem Weg zur Klimaneutralität müssen die erneuerbaren Energien massiv ausgebaut werden. „Große Solarparks sind dabei ein wichtiges Instrument“, sagt Nina Munzke, Forscherin beim Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und Initiatorin von Solarpark 2.0 am Batterietechnikum des KIT. „Neue und immer größere Flächen für solche Anlagen zu finden, ist aber insbesondere in stark besiedelten Regionen der Welt ein Problem. Damit wir unsere Klimaziele trotzdem erreichen, müssen wir die vorhandenen Flächen viel effizienter nutzen.“ Im Verbundprojekt Solarpark 2.0 entwickeln die Forschenden dafür elektronische Komponenten und Methoden für große Freiflächenanlagen. „Wir wollen die Leistungsabgabe von Photovoltaik-Anlagen unter ungünstigen Bedingungen wie Verschattung, Verschmutzung oder Alterung verbessern und dadurch die Wirtschaftlichkeit und den Ertrag der Stromerzeugung durch Photovoltaik optimieren“, so Munzke.

Ertragssteigerung durch neue Leistungselektronik

Um ein Photovoltaik-Modul maximal effizient einzusetzen, muss es nahe an seinem individuellen Maximum Power Point (MPP) arbeiten. „Die Ausgangsleistung des Moduls ergibt sich aus dem Produkt von Stromstärke und Spannungshöhe. Beim MPP ist diese Leistung am höchsten, es wird also die größte mögliche Ausbeute erreicht“, sagt Lukas Stefanski vom ETI.

Da sich der MPP aber je nach Temperatur, Sonnenstand und weiteren Faktoren ändert, muss man für einen optimalen Betrieb die Spannung kontinuierlich nachregeln. Dafür gibt es zwar bereits spezialisierte Leistungsoptimierer. Das Maximum Power Point Tracking (MPPT) wendet man in konventionellen Schaltungen allerdings vor allem im zentralen Wechselrichter an. „Wenn dann mehrere Photovoltaik-Module in Reihe zu Strings geschaltet sind und zusätzlich mehrere dieser Strings parallelgeschaltet werden, dann können Verschattung und Defekte einzelner Module die erzeugte Leistung ganzer Anlagen einschränken“, sagt Stefanski. „Vorteilhafter ist es, einzelne PV-Module zu regeln sowie, je nach spezifischer Verschaltung der Anlage, die Spannung an den Strings zu optimieren.“

Um das zu realisieren, kommt bei Solarpark 2.0 die am KIT patentierte HiLEM-Schaltung zum Einsatz. HiLEM steht dabei für High Efficiency Low Effort MPPT. Diese Schaltung ersetzt Combiner-Boxen, die man herkömmlicherweise zur Parallelschaltung von Strings einsetzt und ermöglicht ein effizientes MPPT auf Ebene der Strings. Die Kombination aus HiLEM-Schaltung mit neuartigen Leistungsoptimierern, die die Hochschule Karlsruhe sowie die Unternehmen BRC und PREMA gemeinsam entwickeln wollen, ermöglicht dann ein gleichzeitiges MPPT sowohl auf String- als auch auf Modulebene. „Wir erreichen damit nicht nur einen höheren Ertrag der Photovoltaik-Anlage, sondern verlängern auch ihre Lebensdauer und senken die Betriebskosten“, so Stefanski.

Photovoltaik-Testanlagen am Campus Nord geplant

Die neuen Optimierungskomponenten wollen die Forscher:innen in zwei Photovoltaik-Testanlagen mit jeweils 30 Kilowatt Leistung evaluieren. Eine PV-Anlage soll dabei unterschiedliche Testszenarien für die neuen Leistungsoptimierer abbilden. Die zweite PV-Anlage dient als Referenz ohne diese. Beide Solaranlagen wollen die Forscher:innen nebeneinander auf einer Freifläche innerhalb des bestehenden Solarfeldes des Energy Lab 2.0 am KIT aufstellen.

Ein weiteres Ziel der Arbeiten am KIT besteht darin, eine durch Künstliche Intelligenz (KI) gestützte Leistungsprognose für Photovoltaik-Anlagen zu entwickeln, mit der sich anhand von Betriebsdaten möglicherweise verschattete, defekte oder verschmutzte Module identifizieren lassen. Trainiert wird die KI dabei mit langfristig gesammelten Daten des Solarfeldes des Energy Lab 2.0, und Daten, die man mittels des selbstentwickelten drahtlosen Monitoring System (WSN) des Instituts für Photovoltaik (ipv) der Universität Stuttgart erheben will.

Solarpark 2.0: Verbundprojekt mit Industriepartnern

Das durch das KIT koordinierte Verbundprojekt Solarpark 2.0 ist im Juli 2022 gestartet und hat eine geplante Laufzeit von drei Jahren. Beteiligt sind die Hochschule Karlsruhe sowie die Unternehmen BRC-Solar und PREMA Semiconductor, die gemeinsam Leistungselektronik für das MPPT mittels anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen entwickeln. Außerdem das ipv der Universität Stuttgart, das ihr WSN einsetzt und weiterentwickelt. Sowie das Unternehmen Solarwatt, das bei der Integration von Leistungsoptimierern direkt in Photovoltaik-Module unterstützt. Solarpark 2.0 hat ein Projektvolumen von etwa 3,4 Millionen Euro, das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz fördert mit rund 2,5 Millionen Euro.

19.10.2022 | Quelle: KIT | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH