Die Erneuerbaren brauchen Platz, damit der in Anbetracht des erforderlichen massiven Ausbaus, müssen Wind- und Solaranlagen möglichst effizient laufen. Im Verbundprojekt Solarpark 2.0 entwickeln Forscher*innen des KIT für PV-Freiflächenanlagen elektronische Komponenten und Methoden, um genau das zu erreichen.

„Wir wollen die Leistungsabgabe von Photovoltaikanlagen unter ungünstigen Bedingungen wie Verschattung, Verschmutzung oder Alterung verbessern und dadurch die Wirtschaftlichkeit und den Ertrag der Stromerzeugung durch Photovoltaik optimieren“, sagt Nina Munzke, Forscherin am Elektrotechnischen Institut (ETI) des KIT und Initiatorin von Solarpark 2.0.

Von zentraler zu modulbasierter Regelung

Um ein Photovoltaikmodul maximal effizient einzusetzen, muss es nahe an seinem individuellen Maximum Power Point (MPP) arbeiten. „Die Ausgangsleistung des Moduls ergibt sich aus dem Produkt von Stromstärke und Spannungshöhe. Beim MPP ist diese Leistung am höchsten, es wird also die größte mögliche Ausbeute erreicht“, sagt Lukas Stefanski vom ETI. Da sich der MPP aber je nach Temperatur, Sonnenstand und weiteren Faktoren ändert, muss für einen optimalen Betrieb die Spannung kontinuierlich nachgeregelt werden. Dafür gibt es zwar bereits spezialisierte Leistungsoptimierer, das Maximum Power Point Tracking (MPPT) wird in konventionellen Schaltungen allerdings vor allem im zentralen Wechselrichter angewendet.

„Wenn dann mehrere Photovoltaikmodule in Reihe zu Strings geschaltet sind und zusätzlich mehrere dieser Strings parallelgeschaltet werden, dann können Verschattung und Defekte einzelner Module die erzeugte Leistung ganzer Anlagen einschränken“, sagt Stefanski. „Vorteilhafter ist es, einzelne Module zu regeln sowie, je nach spezifischer Verschaltung der Anlage, die Spannung an den Strings zu optimieren.“

Neuartige Schaltung für mehr Ertrag

Um das zu realisieren, kommt bei Solarpark 2.0 die am KIT patentierte HiLEM-Schaltung (steht für: High Efficiency Low Effort MPPT) zum Einsatz. Diese Schaltung ersetzt Combiner-Boxen, die herkömmlicherweise zur Parallelschaltung von Strings eingesetzt werden und ermöglicht ein effizientes MPPT auf Ebene der Strings.

Die Kombination aus HiLEM-Schaltung mit neuartigen Leistungsoptimierern, die von der Hochschule Karlsruhe sowie den Unternehmen BRC und PREMA gemeinsam entwickelten werden, ermöglicht dann ein gleichzeitiges MPPT sowohl auf String- als auch auf Modulebene. „Wir erreichen damit nicht nur einen höheren Ertrag der Photovoltaikanlage, sondern verlängern auch ihre Lebensdauer und senken die Betriebskosten“, so Stefanski.

Zwei Testanlagen mit jeweils 30 kWp

Evaluiert werden sollen die neuen Optimierungskomponenten in zwei Photovoltaik-Testanlagen mit jeweils 30 kWp. Eine Anlage wird dabei unterschiedliche Testszenarien für die neuen Leistungsoptimierer abbilden, die zweite Anlage dient als Referenz ohne diese. Beide Anlagen sollen nebeneinander auf einer Freifläche innerhalb des bestehenden Solarfeldes des Energy Lab 2.0 am KIT realisiert werden.

Ein weiteres Ziel der Arbeiten am KIT besteht darin, eine durch Künstliche Intelligenz (KI) gestützte Leistungsprognose für PV-Anlagen zu entwickeln, mit der sich anhand von Betriebsdaten möglicherweise verschattete, defekte oder verschmutzte Module identifizieren lassen. „Damit können wir ermitteln, an welcher Stelle in Solarparks sich eine Nachrüstung mit Leistungsoptimierern lohnen würde“, sagt Marcus Becker vom ETI. Trainiert wird die KI dabei mit langfristig gesammelten Daten des Solarfeldes des Energy Lab 2.0, und Daten, welche mittels des selbstentwickelten drahtlosen Monitoring System (WSN) des Instituts für Photovoltaik (ipv) der Universität Stuttgart erhoben werden.

Drei Jahre Laufzeit und Bundesförderung

Das durch das KIT koordinierte Verbundprojekt Solarpark 2.0 ist im Juli 2022 gestartet und hat eine geplante Laufzeit von drei Jahren. Beteiligt sind die Hochschule Karlsruhe sowie die Unternehmen BRC-Solar und PREMA Semiconductor, sowie das Unternehmen Solarwatt, das bei der Integration von Leistungsoptimierern direkt in Photovoltaikmodule unterstützt. Solarpark 2.0 hat ein Projektvolumen von etwa 3,4 Mio. Euro, das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz fördert mit rund 2,5 Mio. Euro. (lm)