Welche Faktoren beeinflussen die Stromerzeugungseffizienz von Solarenergiesystemen?

Die Stromerzeugung einer Solaranlage hängt von drei Faktoren ab: installierter Leistung, Spitzenlastzeiten und Systemwirkungsgrad. Sind Standort und Größe der Solaranlage festgelegt, sind die ersten beiden Faktoren im Wesentlichen bestimmt. Um die Stromerzeugung zu steigern, kann man nur noch den Systemwirkungsgrad optimieren.

Welche Faktoren haben die Effizienz der Stromerzeugung durch Solaranlagen beeinflusst und unsere Stromerzeugung verändert? Ich teile diese Faktoren in drei Kategorien ein: natürliche Faktoren, Gerätefaktoren und menschliche Faktoren.

Werfen Sie einen Blick auf den Stromerzeugungsprozess eines Solarenergiesystems.

(1) Temperatur

Der wichtigste natürliche Faktor für die Systemeffizienz ist die Temperatur. Der Temperaturkoeffizient ist ein entscheidender Parameter für Photovoltaikkomponenten. Unter normalen Bedingungen liegt der Temperaturkoeffizient von kristallinen Siliziumzellen üblicherweise bei -0.35 bis -0.45 %/°C, der von amorphen Siliziumzellen bei etwa -0.2 %/°C. Die Temperatur der Photovoltaikkomponenten entspricht nicht der Umgebungstemperatur. Die folgende Abbildung zeigt die Abhängigkeit der Ausgangsleistung der Photovoltaikkomponenten von deren Temperatur.

Gegen Mittag erreicht die Temperatur der Photovoltaikkomponente etwa 60 Grad Celsius, und die Ausgangsleistung der Photovoltaikkomponente beträgt nur noch etwa 85 %.

Neben den Photovoltaikkomponenten sinkt mit steigender Temperatur auch der Wirkungsgrad elektrischer Geräte wie Wechselrichter.

Der durch die Temperatur bedingte Leistungsverlust kann anhand des Temperaturkoeffizienten der Photovoltaikkomponenten und der lokalen Temperaturen abgeschätzt werden.

(2) Nicht dem Sonnenlicht aussetzen

Der Gesamtstrahlungswert setzt sich aus direkter, gestreuter und reflektierter Strahlung unterschiedlicher Intensität zusammen. Allerdings kann nicht jede Strahlung Strom erzeugen. Beispielsweise muss der Wechselrichter bei einer Strahlung von über 50 W/m² ans Netz angeschlossen werden, die Ausgangsleistung ist jedoch extrem gering, wenn die Strahlung unter 100 W/m² liegt.

Selbst bei starker Sonneneinstrahlung kann dieser Anteil 2 bis 3 % erreichen; obwohl dieser Anteil in den Gesamtstrahlungsdaten berechnet wird, ist er nicht nutzbar.

Die Effizienz von Solaranlagen dürfte hauptsächlich auf Gerätefaktoren zurückzuführen sein.

(1) Der Anpassungsgrad der Photovoltaikkomponenten

Die Nennabweichung ist ebenfalls ein wichtiger Parameter von Photovoltaikkomponenten und liegt üblicherweise innerhalb von ± 3 %. Dies bedeutet, dass trotz gleicher Nennparameter die tatsächliche Ausgangskennlinie unterschiedlich sein kann, was bei inkompatiblen Strömen zu Wirkungsgradunterschieden zwischen den Komponenten führt. Komponentenhersteller wie Tianhe und Yingli verwenden derzeit in der Regel positive Abweichungen, um Verluste durch Leistungsinkompatibilität zu reduzieren.

(2) Der Wirkungsgrad von Wechselrichtern und Gehäuseänderungen

Obwohl die europäischen Wirkungsgradangaben in den technischen Spezifikationen von Wechselrichtern den gewichteten Wirkungsgrad nach verschiedenen Laststufen berücksichtigen, erreichen in der Praxis nur wenige Wechselrichter die üblicherweise verwendeten 98.5 %. Bei der Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom kann der gewichtete Wirkungsgrad 97.5 % erreichen.

Die MPPT-Nachführungsleistung verschiedener Wechselrichter variiert. Ändert sich die Spannung am maximalen Leistungspunkt mit der Sonneneinstrahlung, muss der Wechselrichter den Spannungswert kontinuierlich anpassen, um den optimalen Leistungspunkt zu finden. Verzögerungen bei der Nachführung können zu Energieverlusten führen. Ein 500-kW-Wechselrichter muss zudem etwa 100 MPPT-Gruppen nachführen, wobei die Unterschiede zwischen den Gruppen die Nachführgenauigkeit beeinträchtigen. Um diese Verluste zu reduzieren, setzen einige Wechselrichterhersteller heutzutage auf Mehrweg-MPPT.

Innerhalb des maximalen DC-Eingangsspannungsbereichs sollte versucht werden, die Spannung zu erhöhen und den Strom so weit wie möglich zu reduzieren. Dies kann die Umwandlungseffizienz des Wechselrichters verbessern und gleichzeitig die Leitungsverluste verringern.

Mehrere Datensätze zeigen, dass die Stromerzeugung bei Verwendung verschiedener Marken und gleicher nominaler Umwandlungseffizienz um 5 bis 10 % steigen kann!

Beim Aufladen des Gehäuses kommt es zu Energieverlusten. Diese werden anhand der Gehäuseparameter bestimmt und betragen in der Regel etwa 1.5 %.

(3) Gleichstromleitungsverluste, Wechselstromleitungsverluste

Die Fläche einer 1-MW-Anlage beträgt etwa 3.5 bis 4 Hektar. Um eine so große Photovoltaikanlage zu einem bestimmten Ort zu transportieren, ist eine lange Gleichstromleitung erforderlich. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Leitungsverluste zu reduzieren: die Wahl eines hochwertigen Kabels und die Erhöhung der Spannung. Unter normalen Umständen liegen die Gleichstromleitungsverluste schätzungsweise bei 2 bis 3 %.

Die Kommunikationsleitung ist kurz und die Leitungsdämpfung relativ gering. Im Allgemeinen kann man von 1 % ausgehen.

(4) Geräteausfall

Ein wichtiger Grund für die geringe Systemeffizienz bei Geräteausfällen und Wartungsarbeiten ist die untenstehende Abbildung. Diese zeigt die Fehlerursachen des Photovoltaik-Kraftwerks, wobei die Hälfte davon auf die Geräte zurückzuführen ist.

(1) Unsachgemäße Konstruktion

Einer der gravierendsten Konstruktionsfehler ist die ungeeignete Anordnung der Module. Da die meisten Photovoltaik-Kraftwerke heutzutage vertikal angeordnet sind, führt bereits eine geringe Anzahl von Blockaden am unteren Rand häufig zu einem Leistungsverlust des gesamten Modulstrangs. Statistiken zufolge kann der durch Blockaden verursachte Leistungsverlust bei Kraftwerken mit geringem Abstand nach vorn und hinten sogar bis zu 3 % betragen. Zusätzlich zu den Blockaden vorn und hinten muss bei Bergkraftwerken auch der durch den Höhenunterschied zwischen Ost und West bedingte Leistungsverlust berücksichtigt werden. Bei Kraftwerken mit starkem Hang und geringem Abstand nach Osten kann dieser Leistungsverlust bis zu 2 % betragen.

Neben den Abständen sehe ich oft, dass sich im Bereich von Photovoltaik-Kraftwerken ein hohes Gebäude befindet, das die umliegenden Photovoltaik-Anlagen behindert.

(2) Sauber und nicht pünktlich

Im Nordwesten kann ein Sandsturm die Stromerzeugung um mehr als 5 % reduzieren; im Osten hat die Wetterstation mit starkem Dunst nahezu keinen Einfluss. Die Abbildung unten zeigt den Beitrag des Photovoltaik-Kraftwerks vor und nach der Reinigung. Faktoren der Systemeffizienz von Photovoltaik-Kraftwerken

Je höher der Strahlungsgrad, desto stärker die Durchdringungskraft der Sonne und desto geringer die Verluste durch Staub.

Neben dem Staub führt eine nicht rechtzeitige Schneeräumung auch zu erheblichen Verlusten bei der Stromerzeugung.

Neben den oben genannten Gründen ist auch die schnellere Leistungsabnahme von Photovoltaik-Komponenten ein wichtiger Grund dafür, dass die erwartete Stromerzeugung nicht erreicht wird. Hersteller versprechen in der Regel, dass die Leistungsabnahme in den ersten zwei Jahren 2 % nicht überschreitet, danach 10 % von 10 % und nach 25 Jahren nicht mehr als 20 %. Was die Angaben für 10 und 20 Jahre angeht, kann ich keine genauen Angaben machen. Es ist jedoch bekannt, dass nur wenige Photovoltaik-Komponenten einen Leistungsverlust von 2 % in den ersten zwei Jahren aufweisen.

Zusammenfassend lässt sich die Ursache für die Effizienz des Photovoltaik-Kraftwerksystems wie folgt darstellen:

Natürliche Gründe: Die Temperatur sinkt, das Sonnenlicht kann nicht genutzt werden;

Gründe für Geräteausfälle: Der Anpassungsgrad der Photovoltaikkomponenten, die Dämpfung der Photovoltaikkomponenten überstieg die Erwartungen, der Wirkungsgrad der Wechselrichter und Gehäuseänderungen, Gleichstromleitungsverluste, Wechselstromleitungsverluste, Geräteausfall;

Menschliche, künstliche Ursachen: unsachgemäße Konstruktion, mangelnde Reinigung und fehlende Zeitvorgaben.