3.6.2 Autonome Photovoltaiksysteme

INFORMATIONEN ZU AUTONOMEN PHOTOVOLTAIKSYSTEMEN Autonome Photovoltaiksysteme sind in der Regel Wechselrichter im Versorgungsmaßstab. Sie umfassen im Allgemeinen Solarladegeräte, Photovoltaik-Speicherbatterien und Controller oder Regler, wie in Abbildung 3.15 dargestellt. INFORMATIONEN ZU EIGENSTÄNDIGEN PHOTOVOLTAIKSYSTEMEN: Für die Installation auf dem Boden oder dem Dach ist eine Montagestruktur erforderlich. Wenn Wechselstrom gewünscht wird, ist außerdem ein Wechselrichter erforderlich. In vielen Autonome Photovoltaikanlagen Batterien werden zur Energiespeicherung eingesetzt, da sie während der gesamten Lebensdauer bis zu 40 % der Gesamtkosten einer unabhängigen Photovoltaikanlage ausmachen können [33].

INFORMATIONEN ZU AUTONOMEN PHOTOVOLTAIKSYSTEMEN: Diese Batterien verursachen Verluste in der Photovoltaikanlage, da nur begrenzt Zeit und Energie zum Aufladen der Batterie zur Verfügung stehen und die Batteriewartung unzureichend ist. Daher wird ein Laderegler verwendet, um das System zu steuern und ein Überladen oder Entladen der Batterie zu verhindern. Eine Überladung verkürzt die Lebensdauer der Batterie und kann zu Gasung führen, während eine Überladung zu Sulfatierung und Schichtung führen kann, was wiederum die Effizienz und Lebensdauer der Batterie verringert [ 34-37 ].

Batterien werden häufig in autarken Photovoltaiksystemen verwendet, um die tagsüber vom Photovoltaikgenerator erzeugte Energie zu speichern und elektrische Lasten bei Bedarf (nachts oder bei bewölktem Wetter) zu versorgen. Zudem sind in Nachführsystemen Batterien erforderlich, die am MPP arbeiten, um elektrische Verbraucher mit stabiler Spannung zu versorgen. Bei fast allen in Insel-Photovoltaiksystemen verwendeten Batterien handelt es sich um zyklenfeste Bleibatterien [ 38 ]. Diese Batterien haben dickere Bleiplatten, die sie toleranter gegenüber Tiefentladungen machen. Je dicker die Bleiplatten, desto länger ist die Lebensdauer der Batterie. Je schwerer die Batterie bei einer gegebenen Gruppengröße ist, desto dicker sind die Platten und desto besser verträgt die Batterie Tiefentladungen [ 39 ].

Όλες οι μπαταρίες βαθιάς κύλισης βαθμολογούνται σε χωρητικότητα αμπέρ-ώρας (AH), ποσότητα της ποσότητας χρησιμοποιήσιμης ενέργειας που μπορεί να αποθηκευτεί στην ονομαστική τάση [ 40 ]. Ένα καλό ποσοστό φόρτισης είναι περίπου το 10% της συνολικής χωρητικότητας της μπαταρίας ανά ώρα. Αυτό θα μειώσει τις απώλειες ηλεκτρολυτών και τη ζημιά στις πλάκες [ 38 ]. Ένα φωτοβολταϊκό σύστημα μπορεί να χρειάζεται να έχει μέγεθος για να αποθηκεύει επαρκή ποσότητα ενέργειας στις μπαταρίες για να καλύψει τη ζήτηση ισχύος κατά τη διάρκεια πολλών ημερών θολών καιρικών συνθηκών, γνωστών ως “ημέρες αυτονομίας”. Το Ινστιτούτο Ηλεκτρολόγων και Ηλεκτρονικών Μηχανικών (IEEE) (IEEE Std 1013-1990) [ 41 ], για την επιλογή, φόρτιση και δοκιμή σε Autonome Photovoltaik συστήματα (IEEE Std 1361-2003) [ 42]] και για την εγκατάσταση και συντήρηση τους (IEEE Std 937-2007) [ 43 ].

Nickel-Cadmium-Batterien werden auch für unabhängige Photovoltaiksysteme verwendet, aber sie sind oft teuer und „können Probleme mit der Spannungskompatibilität mit einigen Wechselrichtern und Ladegeräten haben“ [44]. Ihr Hauptvorteil liegt jedoch darin, dass sie im Gegensatz zu anderen Batterietypen nicht von der Temperatur beeinflusst werden. Daher werden sie hauptsächlich für industrielle oder gewerbliche Anwendungen an kalten Standorten empfohlen. Das IEEE hat auch einige Richtlinien für Installation und Wartung entwickelt (IEEE Std. 1145-1999) [ 45 ].

INFORMATIONEN ZU AUTONOMEN PHOTOVOLTAIKSYSTEMEN: Um die Batterielebensdauer zu verlängern und einen effizienten Systembetrieb sicherzustellen, ist ein Laderegler erforderlich, der den Stromfluss von den Photovoltaikmodulen zur Batterie und Last regelt. Der Controller hält die Batterie vollständig geladen, ohne sie zu überladen. Viele Steuerungen können eine zu hohe Stromentnahme aus den Batterien zur Last erkennen und die Zufuhr unterbrechen, bis die Batterien wieder ausreichend geladen sind. Letzteres kann die Akkulaufzeit deutlich verlängern. Allerdings handelt es sich bei Steuerungen in einer Photovoltaik-Inselanlage um komplexere Geräte, die vom Ladezustand der Batterie abhängen, der wiederum von vielen Faktoren abhängt und schwer zu messen ist. Der Controller muss so dimensioniert sein, dass er den maximal erzeugten Strom verarbeiten kann. Vor der Auswahl eines Controllers müssen bestimmte Funktionen berücksichtigt werden, z. B. einstellbare Sollwerte, Unterbrechungen bei hoher und niedriger Spannung, Temperaturkompensation, Unterspannungswarnung und Rückstromschutz. Zusätzlich soll der Regler dafür sorgen, dass nachts kein Strom von der Batterie zum Array fließt.

Bei Photovoltaik-PraxishandbuchDie Sonnenstrahlung wird als Treibstoff der Photovoltaik bezeichnet und ihre Eigenschaften bilden die Grundlage für die Systemauslegung, vom Aufbau der Anlagen bis hin zur Zuverlässigkeit der Stromversorgung durch autarke Photovoltaiksysteme. Die Sonnenstrahlung ist vermutlich der älteste Teilbereich der Naturwissenschaften, die statistische Natur der Sonnenenergie ist jedoch erst seit Kurzem im Detail verstanden. Eine Reihe hochentwickelter Computermodelle steht inzwischen zur Verfügung und wird im Detail in Teil I beschrieben. Dort wird auch dierelevante Aspekte der Sonnenstrahlung als Energiequelle und untersucht die wichtigsten Eigenschaften und Einschränkungen der verfügbaren Computertools.

24.7 Insel-Photovoltaikanlage

Der Hauptvorteil von Photovoltaiksystemen liegt in ihrer Flexibilität, sodass sie auch in entlegenen Gebieten eingesetzt werden können, in denen ein Anschluss an das Stromnetz entweder nicht möglich oder zu teuer ist. Solche Systeme heißen Insel-Photovoltaikanlagen und werden in diesem Abschnitt beschrieben.

INFORMATIONEN ZU AUTONOMEN PHOTOVOLTAIKSYSTEMEN: Die Kapazität aller Deep-Cycle-Batterien wird nach AED angegeben. Dabei handelt es sich um ein Maß für die Menge an nutzbarer Energie, die bei der Nennspannung gespeichert werden kann. Eine gute Laderate liegt bei etwa 10 % der gesamten Batteriekapazität pro Stunde. Dadurch werden Elektrolytverluste und Plattenschäden verringert. Eine Photovoltaikanlage muss möglicherweise so dimensioniert sein, dass sie eine ausreichende Energiemenge in Batterien speichern kann, um den Strombedarf an mehreren Tagen mit bewölktem Wetter, den sogenannten „Standby-Tagen“, zu decken. Das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) (IEEE Std. 1013-1990) für die Auswahl, das Laden und Testen von eigenständigen Photovoltaiksystemen (IEEE Std. 1361-2003) und für deren Installation und Wartung (IEEE Std. 937-2007).

Nickel-Cadmium-Akkus werden auch bei Photovoltaikanlagen eingesetzt, sind jedoch oft teuer. Ihr Hauptvorteil liegt jedoch darin, dass sie im Gegensatz zu anderen Batterietypen nicht von der Temperatur beeinflusst werden. Daher werden sie hauptsächlich für industrielle oder gewerbliche Anwendungen an kalten Standorten empfohlen. Das IEEE hat auch einige Richtlinien für Installation und Wartung entwickelt (IEEE Std. 1145-1999).

Um die Batterielebensdauer zu verlängern und einen effizienten Systembetrieb sicherzustellen, ist ein Laderegler erforderlich, der den Stromfluss von den Photovoltaikmodulen zur Batterie und Last regelt. Der Controller hält die Batterie vollständig geladen, ohne sie zu überladen. Viele Steuerungen können eine zu hohe Stromentnahme aus den Batterien zur Last erkennen und die Zufuhr unterbrechen, bis die Batterien wieder ausreichend geladen sind. Letzteres kann die Akkulaufzeit deutlich verlängern. Allerdings handelt es sich bei Steuerungen in Photovoltaik-Inselsystemen um komplexere Geräte, die vom Ladezustand der Batterie abhängen, der wiederum von vielen Faktoren abhängt und schwer zu messen ist. Der Controller muss so dimensioniert sein, dass er den maximal erzeugten Strom verarbeiten kann. Vor der Auswahl eines Controllers müssen bestimmte Funktionen berücksichtigt werden, z. B. einstellbare Sollwerte, Unterbrechungen bei hoher und niedriger Spannung, Temperaturkompensation, Unterspannungswarnung und Rückstromschutz. Zusätzlich soll der Regler dafür sorgen, dass nachts kein Strom von der Batterie zum Array fließt.

24.7.1 Stromrichter

Für Inselanwendungen können neben dem Akkupack auch mehrere Solarmodule in Betracht gezogen werden. Als nächstes sollte der Stromrichter mit mehreren Eingängen in Betracht gezogen werden. Einer der wichtigsten Aspekte dieser Konverter ist die Energieverwaltung, also die Festlegung, wann welche Quelle genutzt werden soll, um einen optimalen Systembetrieb zu erreichen.

3.1 Einleitung

Das Ziel der Planer von Photovoltaikanlagen besteht grundsätzlich darin, über die gesamte Lebensdauer der Anlage hinweg den größtmöglichen wirtschaftlichen Ertrag aus jeder Investition zu erzielen. Eine Möglichkeit hierzu besteht darin, die eingehende Energiedichte durch die Neigung der Solarzellenplatten zur Sonne hin zu erhöhen. Die optimale Steigung zur Erhöhung der täglichen Energiedichte variiert jedoch je nach Jahreszeit. Auch schwankt der Wert der gewonnenen Energie für den Verbraucher im Laufe der Zeit, insbesondere bei Photovoltaik-Inselsystemen. Wenn beispielsweise Strom für die Beleuchtung verwendet werden soll, variiert der Nachtzeitraum, in dem elektrisches Licht benötigt wird, im Jahresverlauf. Daher muss die Wahl der optimalen Neigung und Ausrichtung der Kollektoren sorgfältig überlegt werden. Bei der Konzeption sollte auch die Bewertung der Auswirkungen von Platzbeschränkungen auf die Sammelleistung berücksichtigt werden. Auch eine teilweise Beschattung von Photovoltaik-Modulen ist unerwünscht. Daher ist ein umfassendes Verständnis der Geometrie der Sonnenbewegungen erforderlich. Die Bestrahlungsstärke auf geneigten Flächen kann nur berechnet werden, wenn es gelingt, die Globalstrahlung zunächst auf Stundenskalen in ihre Strahlungsanteile (Strahlungsanteil und Diffusstrahlungsanteil) zu zerlegen. Der Designer betreibt ein dreidimensionales Energieeingabesystem. Wichtig ist dabei vor allem die Fähigkeit, Sonnengeometrie und Energieflüsse miteinander verknüpfen zu können.

Der Bedarf an Klimainformationen und Daten zur Sonneneinstrahlung wurde bisher durch bodengestützte Beobachtungsaufzeichnungen gedeckt. In jüngerer Zeit werden zunehmend Satellitendaten zur Generierung von Geländeinformationen genutzt. Satellitendaten beispielsweise sind ein wesentlicher Bestandteil des Strahlungsdatenbankmaterials, das den Nutzern von SoDa-IS 2003 zur Verfügung steht. Die ESRA 2000-Sonnenstrahlungskarten [1] basieren auf einer Kombination von Satelliten- und erdgebundenen Beobachtungsdaten.

Die Auslegung von Photovoltaikanlagen hängt von der erfolgreichen Nutzung der verfügbaren Klimainformationen in der detaillierten Auslegungsarbeit ab. Die Lücke zwischen den Daten, die nationale Wetterdienste bereitstellen können, und den Daten, die Systemdesigner benötigen, ist oft recht groß. Dieser Abschnitt des Kapitels untersucht einige der derzeit verfügbarenMethoden, um Photovoltaik-Designern quantitative Informationen zu liefern, die sie für verschiedene Designprojekte benötigen

INFORMATIONEN ZU AUTONOMEN PHOTOVOLTAIKSYSTEMEN: Die Leistung muss im Kontext des Risikos beurteilt werden. Angebot und Nachfrage müssen mit geeigneten Energiespeicherstrategien kombiniert werden. Dabei wird besonderer Wert auf die Verfügbarkeit von Zeitreihen der Solarstrahlungsdaten gelegt, vorzugsweise verknüpft mit Temperaturdaten. Die tägliche Temperaturspanne hängt eng mit der täglichen horizontalen Strahlungsintensität zusammen. Die tägliche Durchschnittstemperatur wird normalerweise von der Quelle der durch den Raum strömenden Luft bestimmt. Polarluft kann niedrige durchschnittliche Tagestemperaturen mit großen Gewinnen durch Sonneneinstrahlung einhergehen und ist daher mit großen täglichen Temperaturschwankungen verbunden.

16.2.2 Geräteaufbau

Um die dynamische Eigenschaft grüner Energie abzumildern, werden Photovoltaik-Energiesysteme (PV) untersucht, um variable grüne Energie in stabilere und zuverlässigere elektrische Energie umzuwandeln. Die Photovoltaikanlage besteht aus vielen Komponenten, darunter Photovoltaikmodule, Batterie, Laderegler und Wechselrichter. Es wird seit Jahrzehnten häufig in Kommunikationssystemen verwendet. Um den unterschiedlichen Energiebedarf drahtloser Geräte zu decken, konzentrieren sich die meisten Studien zu Photovoltaiksystemen auf den Aufbau zuverlässigerer und stabilerer Stromversorgungen, um Stromausfälle und Stromverschwendung zu vermeiden. Die Dimensionierung von Photovoltaiksystemen ist eines der kritischsten Probleme und wurde in der Literatur ausführlich untersucht. In [21] wurde eine einfache Methode zur Größenbestimmung vorgeschlagen. von autonomen Photovoltaiksystemen . In ihrer Arbeit wurden die Lastverlustwahrscheinlichkeit und das Lastprofil verwendet, um die gewünschte Zuverlässigkeit bzw. den gewünschten Verkehrsbedarf darzustellen. In [22] wurden drei probabilistische Methoden zur Klassifizierung von Photovoltaiksystemen vorgeschlagen. Die erste Methode zielt darauf ab, die Backup- und Ladebatterie so auszulegen, dass sie innerhalb eines bestimmten Zeitraums eine konstante Last unterstützt. Bei der zweiten Methode wurde die Batterie anhand der Ladeverlustwahrscheinlichkeit mittels detaillierter Computersimulation klassifiziert. Bei der letztgenannten Methode wurde die Markow-Kette zur Modellierung des Ladezustands der Batterie verwendet. In [23] wurden verschiedene Skalierungswerkzeuge für ein unabhängiges Photovoltaiksystem analysiert und ein standardisiertes Simulationsmodell für das Photovoltaik-Skalierungsproblem vorgeschlagen. Darüber hinaus zeigten sie, dass die Genauigkeit des PV-Größenproblems von grundlegenden statistischen Gesetzen abhängt, die keinen offensichtlichen Bezug zur Komplexität der verwendeten Modelle haben.

INFORMATIONEN ZU AUTONOMEN PHOTOVOLTAIKSYSTEMEN: Basierend auf den Ergebnissen von Studien zu Photovoltaiksystemen wurden viele Lade- und Entlademodelle für drahtlose Kommunikationsnetzwerke vorgeschlagen. Die einfachste Möglichkeit besteht darin, den Batterie-/Energiepuffer als Lade- und Entladevorgang zu modellieren und den aktuellen Zustand des Batterie-/Energiepuffers mithilfe eines Frames darzustellen [19]. Einige Arbeiten [9,24] beschreiben die Fähigkeit des Photovoltaiksystems, zu einem bestimmten Zeitpunkt oder mit einer bestimmten Laderate Energie zu gewinnen, um die Komplexität des Energielademodells zu vereinfachen. In [6] zielte das Projekt auf die Erstellung einer realistischen BSEnergieverbrauchsmodell mit spezifischen Eingabeparametern. Das Labor gruppierte BS in Makro-BS und Mikro-BS. Bei Makro-BS-Modellen besteht das Stromverbrauchsmodell nur aus einem Leistungsteil für die statische Entladung. Bei Mikro-BSs besteht das Entladungsmodell aus statischen und dynamischen Stromverbrauchsteilen. Basierend auf bestehenden solarbetriebenen WiMAX- und WiFi-Netzwerken [25,26] lieferten unsere Experimente einige Referenzmodelle für solarbetriebene BSs.