Intelligentes Energiemanagement für die Solartechnik

Gängige Photovoltaik-Anlagen bestehen heute aus sorgfältig aufeinander abgestimmten Modulen, die zu einem String in Reihe geschaltet werden. Dieser String wiederum wird mit anderen Strings parallel zu einem Array geschaltet. Den von der gesamten Anlage erzeugten Gleichstrom wandelt ein Wechselrichter in Wechselstrom um und speist ihn in das Stromnetz ein. Dabei optimiert er die Stromerzeugung im Photovoltaik-Array, indem er den günstigsten Arbeitspunkt ermittelt, also die Kombination aus Strom und Spannung, die die maximale Leistung liefert.

Da jedes Modul selbst aus Ketten von Solarzellen besteht, ist es nicht ungewöhnlich, dass sich in einem Array Hunderte in Reihe geschalteter Zellen befinden. Ähnlich einer Lichterkette am Weihnachtsbaum würde die gesamte Reihe ausfallen, sobald auch nur eine einzige Zelle in der Kette keinen Strom mehr erzeugt. Als Gegenmaßnahme enthalten moderne Module Bypass-Dioden, die stark beeinträchtigte Abschnitte eines Strings umgehen. Dadurch scheiden allerdings nicht nur die betreffenden Zellen als Energiequelle aus, sondern – noch schlimmer – die Gesamtspannung der betroffenen Kette sinkt.

Der Wechselrichter muss entscheiden, ob er die Spannung für die beeinträchtigten Zellen optimiert oder die Energieausbeute aus den nicht beeinträchtigten Strings maximiert. In den meisten Fällen wird der Wechselrichter die Optimierung für die nicht beeinträchtigten Strings bevorzugen, wodurch die Energieausbeute der beeinträchtigten Strings fast auf Null zurückgeht.

So kann bereits eine zehnprozentige Abschattung einer Photovoltaikanlage bis zur Hälfte der Energieproduktion zunichte machen. Ursache für die extreme Empfindlichkeit der Solar-Architektur gegenüber Ungleichmäßigkeiten ist, dass Solarzellen bislang nur mit passiver Elektronik ausgestattet wurden. Kein Wunder, da es zuverlässige Elektronik zur Integration- in die Module bis heute nicht gab. Tatsächlich benötigt auch nicht jedes einzelne Modul eine Schnittstelle zum Stromnetz. Die wichtigste Funktion, die es in Solaranlagen zu dezentralisieren gilt, ist vielmehr die Optimierungsfunktion. Dies lässt sich mit wenigen integrierten Schaltungen (ICs) implementieren, die jedoch eine hohe Zuverlässigkeit erreichen müssen.

Die dezentrale Leistungsoptimierung könnte die Kosteneffektivität und Energieerzeugungs-Kapazität durch eine Überwachung und Maximierung der Energieausbeute jedes einzelnen Moduls verbessern. Zusätzlich optimiert sie den Energiefluss im gesamten Array. Mit SolarMagic ausgestattete Solarsysteme können bis zu 57 Prozent des durch Fehlanpassungen und beeinträchtigte Zellen verursachten Leistungsverlusts kompensieren. Ein Power Optimizer verteilt die Intelligenz auf die einzelnen Module und sorgt dafür, dass jedes Modul unabhängig von den Verhältnissen im übrigen String mit maximaler Leistung arbeitet.

Die Technologie besitzt das Potenzial, den Solar-Markt zu erweitern, da partielle Abschattung kein Hinderungsgrund mehr sein muss, um Solar-anlagen zu installieren, wenn sich ähnlich hohe Energieausbeuten erzielen lassen wie in Installationen ohne Abschattung. Damit vergrößert sich das Flächenangebot für Photovoltaik-anlagen oder die Realisierung wird einfacher: Denn für so manche Solar-Anlage müssen dann keine Bäume mehr gefällt oder andere Probleme behoben werden. ■