„Mismatch“ in Solarstromsystemen: Möglichkeiten zur Milderung der Auswirkungen

Ein Solarmodul funktioniert nur dann normal, wenn alle miteinander verbundenen Zellen nahtlos zusammenarbeiten. Ebenso nur, wenn alle Solarmodule funktionieren wie erwartet kann das gesamte Array einwandfrei funktionieren.

In der Praxis kommt es jedoch häufig vor, dass es zwischen den Zellen oder Paneelen von Solarstromanlagen zu Fehlanpassungen kommt, die sich negativ auf die Leistung auswirken.

Dieser Artikel beleuchtet das Thema „Mismatch“, einschließlich seiner Ursachen, Klassifizierungen, Auswirkungen sowie Minderungsstrategien. Branchenpraktiken im Zusammenhang mit Mismatch-Problemen werden ebenfalls in der Diskussion untersucht.

Was ist „Mismatch“? Was sind die Ursachen?

Bei Solarstromsystemen bezeichnet „Mismatch“ das Phänomen, dass die elektrischen Eigenschaften einzelner Zellen oder Panele einer Solaranlage voneinander abweichen.

Diese Diskrepanz kann unmittelbar zu erheblichen Leistungsverlusten und einer verringerten Gesamteffizienz der Solarstromanlage führen.

Hier sind einige häufige Ursachen für Nichtübereinstimmungen:

• Schattierung: Bäume, Gebäude oder andere Hindernisse in der Nähe verursachen eine teilweise Beschattung der Solarmodule, was wiederum zu einem Missverhältnis zwischen der von den beschatteten und den nicht beschatteten Zellen erzeugten Stromstärke führt.
• Verschmutzung: Der Schatteneffekt kann auch durch die Ansammlung von Staub, Schmutz, Kot und anderen Ablagerungen auf der Oberfläche der Paneele entstehen. Ebenso verursacht dieser Effekt elektrische Abweichungen zwischen Zellen oder Paneelen.
• Installationsvarianten: Dies ist eine weitere externe Ursache für Fehlanpassungen. Unterschiede in Ausrichtung, Positionierung und Neigungswinkel der Paneele können zu unterschiedlicher Sonnenlichtabsorption und daraus resultierender Leistung der einzelnen Paneele im Array führen.
• Fertigungsvariationen: Unterschiede in den elektrischen Eigenschaften können nicht nur zwischen Modulen verschiedener Hersteller, sondern auch zwischen Modulen desselben Herstellers und derselben Charge auftreten. Diese Unterschiede können zu Fehlanpassungsverlusten führen, wenn die Module miteinander verbunden werden.
• Alterung und Abbau: Im Laufe der Zeit können sich Solarzellen und -module aufgrund chemischer und physikalischer Prozesse (z. B. lichtbedingte Degradation, mechanische Beanspruchung, Überhitzung usw.) in unterschiedlichem Tempo zersetzen, was zu Veränderungen ihrer elektrischen Eigenschaften führt.
• Elektrische Konfiguration: Fehlerhafte Verkabelung, Unterschiede in Auch Stringlängen, Anschlussprobleme oder Wechselrichterprobleme können zu Mismatch-Verlusten beitragen.

Zu beachten ist, dass Temperaturschwankungen in Zellen oder Paneelen häufig gleichzeitig mit den oben genannten Ursachen auftreten können. Diese Art von Schwankung beeinflusst die elektrischen Eigenschaften je nach Verdrahtungskonfiguration und Temperaturkoeffizienten.

Welche verschiedenen Arten von Fehlanpassungen gibt es in Solarstromsystemen?

Während Fehlanpassungen wie oben erläutert nach ihren Ursachen kategorisiert werden können, ist es praktischer, sie nach ihren elektrischen Eigenschaften zu klassifizieren. Dies bietet ein konkreteres Verständnis darüber, wie sich Nichtübereinstimmungen auf die Leistung auswirken.

Aktuelle Nichtübereinstimmung

Eine Stromfehlanpassung, auch als Stromstärkenfehlanpassung bekannt, tritt auf, wenn die Ausgangsströme der Zellen oder Panels innerhalb eines Strings nicht identisch sind. Diese Auswirkung ist besonders ausgeprägt, wenn der String in Reihe geschaltet ist, wobei der Strom des gesamten Strings durch die Zelle oder das Panel mit der niedrigsten Stromabgabe begrenzt wird.

Spannungsfehlanpassung

Zu einer Spannungsfehlanpassung kommt es, wenn es Unterschiede in der Spannungsabgabe der in einem String in Reihe geschalteten Solarmodule gibt.

Diese Art der Nichtübereinstimmung ist im Allgemeinen weniger schwerwiegend als die Stromfehlanpassung bei einer Reihenschaltung, da der Gesamtstrom durch die niedrigste Stromabgabe bestimmt wird, während die Gesamtspannung die Summe der Einzelspannungen der einzelnen Zellen oder Paneele ist.

Nichtübereinstimmung der Wattzahl

Eine Nichtübereinstimmung der Wattzahl steht in direktem Zusammenhang mit einer Nichtübereinstimmung der Spannung und/oder des Stroms.

Eine Leistungsfehlanpassung bezieht sich auf Unterschiede in der Leistungsabgabe einzelner Zellen oder Panels, die auf Schwankungen in der Spannung, dem Strom oder beidem zurückzuführen sein können. Diese Fehlanpassung wirkt sich auf die Gesamtenergieproduktion aus und verringert die Effizienz des gesamten Strings oder Systems.

Welche Auswirkungen haben Nichtübereinstimmungen?

Neben der Induktion Verringerung der Effizienz und Leistung auf Panel-, Array- oder SystemebeneFehlanpassungen können auch verschiedene negative Auswirkungen haben:

Belastungen von Bauteilen

Nicht übereinstimmende Spannungs- und Stromeigenschaften zwischen Zellen oder Platten können zu lokaler Überhitzung führen, verursacht Hotspots die den Materialabbau mit unterschiedlicher Geschwindigkeit beschleunigen. Dieser ungleichmäßige Abbau kann mit der Zeit Fehlanpassungsprobleme verschlimmern und einen Teufelskreis abnehmender Effizienz erzeugen.

Andererseits können erhebliche Fehlanpassungen es für Geräte mit Maximum Power Point Tracking (MPPT) schwierig machen, den optimalen Punkt zu finden und beizubehalten. Die ständige Anpassung an schwankende Leistungen aufgrund von Fehlanpassungen kann für diese Geräte zusätzliche dynamische Belastungen bedeuten.

Darüber hinaus kann eine ungleichmäßige Lastverteilung auf Zubehör wie Kabel und Anschlüsse zu lokaler Erhitzung und potenzieller Überlastung führen und so die Störungs- oder Brandgefahr erhöhen.

Operative Herausforderungen

Fehlanpassungen können die Leistungsfähigkeit der MPPT-Algorithmen des Wechselrichters beeinträchtigen. Dies kann zu einer suboptimalen Energieumwandlung führen. Bleiben Fehlanpassungen bestehen, können sie letztlich die Zuverlässigkeit der Solarstromanlage beeinträchtigen, was zu einem erhöhten Wartungsbedarf und möglichen Ausfallzeiten führt.

Finanzielle Auswirkungen

Eine geringere Effizienz und Energieproduktion des Systems führt unmittelbar zu geringeren Einnahmen, geringeren Einsparungen bei den Energiekosten sowie einer längeren Amortisierungszeit der Investition.

Steigende Wartungs- und Komponentenaustauschkosten können die Betriebskosten in die Höhe treiben und den ROI des Projekts schmälern.

Gibt es Solarmodultypen, bei denen weniger Fehlanpassungsprobleme auftreten?

Es ist eine unbestreitbare Tatsache, dass Fehlanpassung ein häufiges Problem bei allen Arten von Solarmodulen ist. Es gibt jedoch bestimmte Modultypen, bei denen Fehlanpassungsprobleme seltener auftreten als bei anderen.

Monokristalline Panels

Monokristalline Solarmodule werden aus hochreinen und hochwertigen Materialien hergestellt und weisen im Vergleich zu ihren polykristallinen Gegenstücken tendenziell eine gleichmäßigere Leistung auf. Diese Gleichmäßigkeit führt zu weniger Fehlanpassungsproblemen.

Bifaziale Sonnenkollektoren

Diese Module können das Sonnenlicht von beiden Seiten einfangen. Durch die höhere Leistung verringern sie den relativen Effekt von Fehlausrichtungen und können eine teilweise Beschattung effektiver ausgleichen.

Solarmodule mit MLPEs

Mikro-Wechselrichter und Leistungsoptimierer sind beide Modulebene Leistungselektronik.

Im Gegensatz zu String-Wechselrichtern mildert erstere Fehlanpassungsprobleme, indem sie die Leistungsabgabe jedes einzelnen Panels optimieren und so die Auswirkungen unterschiedlicher Panelleistungen innerhalb eines Arrays verringern. Letztere tragen dazu bei, die negativen Auswirkungen von Beschattung, Verschmutzung und Panelverschlechterung auf den gesamten String oder das gesamte System zu verringern, wodurch weniger Fehlanpassungsprobleme auftreten.

Dünnschicht-Panels

Aufgrund der besonderen Eigenschaften ihrer Materialien und Zusammensetzung können Dünnschicht-Panel-Technologien wie CdTe haben eine höhere Toleranz gegenüber Schatten und Temperaturschwankungen. Diese Funktion kann bei bestimmten Anwendungen Fehlanpassungsprobleme reduzieren.

Wie lassen sich Nichtübereinstimmungen verringern?

Neben der Auswahl der oben vorgestellten Premium-Panelprodukte können verschiedene andere Strategien zur Minderung von Fehlanpassungen angewendet werden.

Bypass-Dioden

Obwohl in vielen modernen Panels Bypass-Dioden integriert sind, verfügen viele Produkte der älteren Generation nicht über diese Teile.

Durch die Integration von Bypassdioden in vorhandene Strings können Ströme an verschatteten oder leistungsschwachen Panels vorbeigeleitet werden. Dadurch wird verhindert, dass die Leistung des gesamten Strings durch ein einzelnes Panel mit schlechter Leistung drastisch beeinträchtigt wird.

Binning-Strategie

Durch die Gruppierung von Solarmodulen mit elektrischen Eigenschaften (z. B. gleiches Modell, gleiche Produktionscharge und gleicher Hersteller) können inhärente Fehlanpassungsverluste verringert werden.

Konkret geht es dabei um das Sortieren und Paaren von Panels auf der Grundlage ihrer Leistungsmesswerte, um eine Einheitlichkeit innerhalb der Strings sicherzustellen.

Neukonfiguration

Bei bestehenden Systemen ist die Gruppierung von beschatteten Panelen in separate Stränge oder Neuanordnung der Bedienfelder Die Platzierung höherwertiger Ersatzteile in schattierten Abschnitten kann zur Optimierung der Gesamtleistung beitragen.

Integration mit MLPEs

Viele Solarprojekte basieren auf String-Wechselrichtern. Wenn es jedoch zu gravierenden Fehlanpassungsproblemen kommt, lohnt es sich, eine Nachrüstung mit Mikro-Wechselrichtern oder Leistungsoptimierern in Betracht zu ziehen und deren MPPT-Technologie zum Ausgleich von Fehlanpassungen zu nutzen.

Im Vergleich zur Verwendung von Panels mit MLPEs für neue Projekte erfordert die Aufrüstung bestehender Projekte eine umfassende Bewertung der Kompatibilität dieser Geräte mit aktuellen Systemen. 

Wartung

Regelmäßige Reinigung und Wartung von Solarmodulen kann Fehlanpassungsverluste aufgrund von Verschmutzung und Ablagerungen reduzieren. Wenn Sie sicherstellen, dass die Module frei von Hindernissen und/oder Schatten sind, können Sie eine gleichmäßige Leistung der gesamten Anlage aufrechterhalten.

Überwachung und Diagnose

Regelmäßige Überwachung und Diagnose können helfen, Probleme wie Mikrorisse, fehlerhafte Bypassdioden, Hotspots und andere Defekte zu identifizieren, die Fehlanpassungen verursachen können. Eine frühzeitige Erkennung trägt dazu bei, diese Probleme frühzeitig zu beheben und schwerwiegende Fehlanpassungsprobleme zu vermeiden. MLPE-Geräte können, sofern installiert, die Erkennung effektiv erleichtern.

Zukünftige Trends und Forschung

Fehlpaarungen stellen eine Bedrohung dar für die Leistung, Langlebigkeit und Zuverlässigkeit von Systemen.

Zunächst führt die Industrie verbesserte Qualitätskontrollprozesse, standardisiertere Paneleigenschaften und engere Fertigungstoleranzen durch, um eine konsistenter Panel-Leistung.

Die Kommerzialisierung innovativer Technologien mit hochwertigen Materialien und Strukturen, wie Tandemzellen, gewinnt an Dynamik. Immer mehr Panels mit Selbstreinigungsfunktion werden auf den Markt gebracht, um Fehlanpassungsprobleme durch Beschattung und Verschmutzung zu beheben.

Die Industrie ist außerdem bestrebt, MLPEs zu verbessern, indem sie mithilfe von maschinellem Lernen und künstlicher Intelligenz fortschrittlichere MPPT-Algorithmen entwickelt, die sich in Echtzeit an veränderte Bedingungen anpassen.

Um eine genauere Überwachung in Echtzeit zu ermöglichen, werden zunehmend Geräte des Internets der Dinge (IoT) und fortschrittliche Sensoren eingesetzt. Das Konzept der digitalen Zwillinge wird außerdem in großem Umfang eingesetzt, um Solarparks zu modellieren, Fehlanpassungsprobleme vorherzusagen und zu identifizieren und den Betrieb in Echtzeit zu optimieren.