Klassifizierung und Einführung von Solar-Photovoltaiksystemen

Im Allgemeinen werden Photovoltaikanlagen in Inselsysteme, netzgekoppelte Systeme und Hybridsysteme unterteilt. Je nach Anwendungsform, Anlagengröße und Lasttyp der Photovoltaikanlage lässt sich das Photovoltaik-Stromversorgungssystem weiter differenzieren. Photovoltaikanlagen können außerdem in die folgenden sechs Typen unterteilt werden: kleines Solarstromversorgungssystem (SmallDC); einfaches Gleichstromsystem (Simple DC); großes Solarstromversorgungssystem (Large DC); Wechsel- und Gleichstromversorgungssystem (AC/DC); netzgekoppeltes System (Utility GridConnect); Hybridstromversorgungssystem (Hybrid); netzgekoppeltes Hybridsystem. Die Funktionsweise und die Eigenschaften der einzelnen Systeme werden im Folgenden beschrieben.

Dieses System zeichnet sich dadurch aus, dass es ausschließlich Gleichstrom als Last nutzt und die Lastleistung relativ gering ist. Es ist einfach aufgebaut und leicht zu bedienen. Hauptsächlich dient es als Haushaltsanlage für diverse zivile Gleichstromprodukte und zugehörige Unterhaltungselektronik. Beispielsweise ist diese Art von Photovoltaikanlage in Westchina weit verbreitet; als Last dient dort eine Gleichstromlampe, um die Beleuchtung von Haushalten in Gebieten ohne Stromanschluss zu gewährleisten.

Charakteristisch für dieses System ist, dass es sich um eine Gleichstromlast handelt und keine besonderen Anforderungen an die Nutzungsdauer gestellt werden. Da die Last hauptsächlich tagsüber genutzt wird, benötigt das System weder eine Batterie noch einen Regler. Die Systemstruktur ist einfach und sofort einsatzbereit. Das Photovoltaikmodul versorgt die Last mit Strom, wodurch die Energiespeicherung und -abgabe in der Batterie sowie Energieverluste im Regler entfallen und die Energieeffizienz verbessert wird. Es findet häufig Anwendung in PV-Wasserpumpensystemen, temporären Geräten und touristischen Einrichtungen. Die Abbildung unten zeigt ein einfaches Gleichstrom-PV-Pumpensystem. Dieses System ist in Entwicklungsländern ohne sauberes Trinkwasser weit verbreitet und hat dort einen hohen sozialen Nutzen gebracht.

Im Vergleich zu den beiden oben genannten Photovoltaiksystemen eignet sich dieses System zwar weiterhin für Gleichstromversorgungssysteme, weist jedoch üblicherweise eine hohe Lastleistung auf. Um eine zuverlässige und stabile Stromversorgung der Last zu gewährleisten, ist die Systemgröße entsprechend groß und erfordert ein größeres Photovoltaikmodulfeld sowie einen größeren Akku. Typische Anwendungsbereiche sind die Stromversorgung von Kommunikations-, Telemetrie- und Überwachungsgeräten, die zentrale Stromversorgung in ländlichen Gebieten, Leuchttürme, Straßenbeleuchtung usw. Einige ländliche Photovoltaikkraftwerke in netzfernen Gebieten im Westen Chinas nutzen diese Bauart. Auch die von China Mobile und China Unicom in abgelegenen Gebieten ohne Stromnetz errichteten Mobilfunkbasisstationen, wie beispielsweise das Basisstationsprojekt in Wanjiazhai, Provinz Shanxi, verwenden diese Art von Photovoltaiksystem zur Stromversorgung.

Im Gegensatz zu den drei zuvor genannten Photovoltaiksystemen kann dieses System gleichzeitig Gleich- und Wechselstromverbraucher versorgen. Es verfügt über mehr Wechselrichter, die den Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln, um den Bedarf der Wechselstromverbraucher zu decken. Da der Stromverbrauch dieser Systeme üblicherweise relativ hoch ist, ist auch ihre Größe entsprechend groß. Sie wird in Kommunikationsbasisstationen mit Wechsel- und Gleichstromverbrauchern sowie in anderen Photovoltaik-Kraftwerken mit Wechsel- und Gleichstromverbrauchern eingesetzt.

Das wichtigste Merkmal dieser Art von Photovoltaikanlage ist, dass der von der Photovoltaikanlage erzeugte Gleichstrom über einen netzgekoppelten Wechselrichter in netzkonformen Wechselstrom umgewandelt und direkt ins Stromnetz eingespeist wird. Überschüssiger Strom wird ins Netz zurückgespeist. An Regentagen oder in der Nacht, wenn die Photovoltaikanlage keinen Strom erzeugt oder die erzeugte Leistung den Bedarf nicht deckt, wird die Anlage vom Netz versorgt. Da die elektrische Energie direkt ins Netz eingespeist wird, entfällt die Batterie, wodurch die Speicherung und Entladung der Energie entfällt. Der von der PV-Anlage erzeugte Strom kann somit vollständig genutzt werden, was Energieverluste und Systemkosten reduziert. Allerdings ist ein separater netzgekoppelter Wechselrichter erforderlich, um sicherzustellen, dass die Ausgangsleistung den Anforderungen des Stromnetzes hinsichtlich Spannung, Frequenz und anderer Parameter entspricht. Aufgrund des Wirkungsgrades des Wechselrichters treten dennoch gewisse Energieverluste auf. Solche Systeme können üblicherweise den Netzstrom und die Photovoltaikanlage parallel als Stromquelle für die lokale Wechselstromlast nutzen. Die Ausfallwahrscheinlichkeit des Gesamtsystems wird reduziert. Darüber hinaus kann die netzgekoppelte PV-Anlage zur Spitzenlastkappung im öffentlichen Stromnetz beitragen. Als dezentrales Energieerzeugungssystem hat die netzgekoppelte Photovoltaik-Anlage jedoch auch negative Auswirkungen auf das Netz traditioneller zentralisierter Stromversorgungssysteme, wie beispielsweise Oberschwingungen und Inselbetrieb.

Zusätzlich zu den in dieser Photovoltaikanlage verwendeten Solarmodulen dient ein Ölgenerator als Notstromversorgung. Ziel des hybriden Stromversorgungssystems ist es, die Vorteile verschiedener Stromerzeugungstechnologien optimal zu nutzen und deren jeweilige Nachteile zu vermeiden. Beispielsweise sind die oben genannten unabhängigen Photovoltaikanlagen zwar wartungsarm, ihre Energieausbeute ist jedoch wetterabhängig und daher instabil. Im Vergleich zu einem rein unabhängigen Energiesystem liefert das hybride Stromversorgungssystem mit Dieselgeneratoren und Photovoltaikmodulen wetterunabhängige Energie. Seine Vorteile sind:

• Der Einsatz hybrider Stromversorgungssysteme ermöglicht eine bessere Nutzung erneuerbarer Energien. Da Inselsysteme mit erneuerbaren Energien üblicherweise für Worst-Case-Szenarien ausgelegt sind und erneuerbare Energien schwanken und instabil sind, muss das System für die Zeit mit der geringsten Energieproduktion dimensioniert werden. In anderen Zeiten ist das System überdimensioniert, da es für den Worst-Case ausgelegt ist. Die während der Perioden maximaler Sonneneinstrahlung erzeugte überschüssige Energie wird nicht genutzt und geht verloren. Dadurch wird die Leistung des gesamten Inselsystems beeinträchtigt. Weichen die Bedingungen des Monats mit der geringsten Sonneneinstrahlung stark von den anderen Monaten ab, kann dies zu Energieverlusten führen, die der Auslegungslast entsprechen oder diese sogar übersteigen.
• Hohe Systemverfügbarkeit. In einem autarken System kann die Stromversorgung aufgrund der Schwankungen und Instabilität erneuerbarer Energien den Lastbedarf nicht decken, d. h. es kommt zu einem Stromengpass. Der Einsatz eines Hybridsystems reduziert diesen Stromengpass erheblich.
• Weniger Wartungsaufwand und geringerer Kraftstoffverbrauch als bei einem System, das ausschließlich mit einem Dieselgenerator betrieben wird.
• Hohe Kraftstoffeffizienz. Bei geringer Last ist die Kraftstoffausnutzung des Dieselmotors sehr niedrig, was zu Kraftstoffverschwendung führt. Im Hybridsystem ermöglicht eine umfassende Steuerung den Betrieb des Dieselmotors nahe seiner Nennleistung und verbessert so die Kraftstoffeffizienz.
• Bessere Flexibilität bei der Lastanpassung. Nach dem Einsatz des Hybridsystems kann der Dieselgenerator sofort mehr Leistung bereitstellen.

Daher lässt sich das Hybridsystem für ein breiteres Spektrum an Lastsystemen einsetzen, beispielsweise für größere Wechselstromlasten, Impulslasten usw. Es ermöglicht zudem eine bessere Abstimmung von Last und Stromerzeugung. Dies geschieht einfach durch Zuschalten der Notstromquelle während der Spitzenlastzeiten. Manchmal ist die Größe der Last ausschlaggebend für den Einsatz eines Hybridsystems. Große Lasten erfordern hohe Ströme und Spannungen. Bei alleiniger Nutzung von Solarenergie wären die Kosten sehr hoch.

Hybridsysteme haben aber auch ihre Nachteile:

• Die Steuerung ist komplexer. Da verschiedene Energiequellen genutzt werden, muss das System die Betriebszustände jeder einzelnen Energiequelle überwachen, die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Teilsystemen berücksichtigen und den Betrieb des Gesamtsystems koordinieren. Dadurch ist das Steuerungssystem komplexer als bei einem unabhängigen System. Der Prozessor übernimmt das Systemmanagement.
• Das Ausgangsprojekt ist relativ umfangreich. Die Planung, Installation und der Bau eines Hybridsystems sind umfangreicher als bei einem eigenständigen Projekt.
• Erfordert mehr Wartung als eigenständige Systeme. Der Einsatz des Dieselmotors erfordert umfangreiche Wartungsarbeiten, wie z. B. den Austausch von Ölfilter, Kraftstofffilter, Zündkerze usw. sowie das Nachfüllen von Kraftstoff in den Tank.
• Umweltverschmutzung und Lärm. Photovoltaikanlagen ermöglichen eine saubere Energienutzung ohne Lärm und Emissionen, aber da im Hybridsystem ein Dieselmotor verwendet wird, sind Lärm und Umweltverschmutzung unvermeidbar.

Viele Stromversorgungen für Kommunikations- und Navigationsgeräte in abgelegenen Gebieten ohne Elektrifizierung nutzen Hybridsysteme, um aufgrund der hohen Anforderungen an die Stromversorgung ein optimales Kosten-Nutzen-Verhältnis zu erzielen. Viele ländliche Photovoltaikanlagen in Xinjiang und Yunnan in meinem Land verwenden Licht-/Holz-Hybridsysteme.

Mit der Entwicklung der Solar-Optoelektronik-Industrie ist ein netzgekoppeltes Hybrid-Stromversorgungssystem entstanden, das Photovoltaik-Module, Netzstrom und Notstromaggregate umfassend nutzt. Solche Systeme sind üblicherweise mit einem Controller und einem Wechselrichter integriert und steuern den gesamten Systembetrieb mithilfe von Computerchips. Sie nutzen verschiedene Energiequellen optimal, um beste Betriebsbedingungen zu erzielen, und erhöhen durch Batterien die Versorgungssicherheit, beispielsweise beim SMD-Wechselrichtersystem von AES. Das System kann lokale Verbraucher mit ausreichend Strom versorgen und als unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) fungieren. Es kann auch Strom ins Netz einspeisen oder aus dem Netz beziehen. Das System arbeitet üblicherweise parallel mit Netzstrom und Solarstrom. Reicht die von den Photovoltaikmodulen erzeugte Leistung für den Bedarf der lokalen Verbraucher aus, wird der Strom direkt von den Photovoltaikmodulen erzeugt. Übersteigt die von den Photovoltaikmodulen erzeugte Leistung den Bedarf der unmittelbaren Verbraucher, wird der Überschuss ins Netz eingespeist. Reicht die von den Photovoltaikmodulen erzeugte Elektrizität nicht aus, wird automatisch das öffentliche Stromnetz zugeschaltet, um den Bedarf der lokalen Verbraucher zu decken. Sobald der Stromverbrauch der lokalen Verbraucher unter 60 % der Nennleistung des SMD-Wechselrichters liegt, lädt das Netz die Batterie automatisch, um einen dauerhaften Erhaltungsladezustand zu gewährleisten. Bei einem Netzausfall oder wenn die Qualität der Verbraucher nicht den Standards entspricht, trennt das System automatisch das Netz und schaltet in den netzunabhängigen Betrieb. Der benötigte Wechselstrom wird dann von der Batterie und dem Wechselrichter bereitgestellt. Sobald die Netzspannung wieder normal ist und Spannung und Frequenz den oben genannten Normalzustand erreicht haben, trennt das System die Batterie und arbeitet netzgekoppelt. In manchen netzgekoppelten Hybrid-Stromversorgungssystemen können die Systemüberwachung, -steuerung und Datenerfassung auch in den Steuerchip integriert sein. Die Kernkomponenten dieses Systems sind der Controller und der Wechselrichter.