Missmatchverluste bei Verschaltung von Solarmodulen (missmatch = Fehlanpasung) Solarmodule unterliegen einer Fertigungsstreuung, die je nach Sortierung in Leistungsklassen beim Solarmodulhersteller unterschiedlich hoch sein kann. Häufige Praxis bei der Installation von Solaranlagen mit mehreren Wechselrichtern ist die zusätzliche Vorsortierung von Modullieferungen entsprechend ihrer Leistungsdaten. Das hierzu erforderliche Datenmaterial muss vom Modulhersteller bereitgestellt werden. Eine solche Vorsortierung bedeutet für den Anlageninstallateur einen zusätzlichen Kostenfaktor. Hintergrund dieses Aspektes der Systemoptimierung ist die vorherrschende Meinung, dass durch Vorsortierung von Modulen und Verschaltung von gleichartigen Modulen auf einen Wechselrichter die elektrischen Missmatchverluste gegenüber der Systemvariante ohne Vorsortierung verringert werden. Die elektrische Leistung des Gesamtgenerators kann so an den theoretischen Wert der Summe der einzelnen Modulleistungen herangeführt werden. In Fachkreisen werden mögliche Missmatchverluste von 1-2% angenommen, wenn keine Vorsortierung der Solarmodule vorgenommen wird. Die experimentelle Untersuchung von Missmatchverlusten ist sehr aufwändig und kann mit grossen Unsicherheiten behaftet sein, sofern dies auf Basis des Anlagenertrages erfolgt. Z.B. kann das Ergebnis durch Umgebungseinflüsse, die Verkabelung oder das Betriebsverhalten des Wechselrichters beeinflusst werden. Simulation des elektrischen Missmatch Das Thema Missmatchverluste durch Verschaltung von PV-Modulen zu Generatoren wurde mit Hilfe der Computersimulation behandelt, wobei als Eingabedaten die gemessenen Strom-Spannungskennlinien bei STC* verwendet wurden. Eine gezielte Parametervariation (Fertigungsstreuung, Sortierung und Gruppierung von Modulen) Als Datenbasis für die Simulation dienten die Strom-Spannungskennlinien von 112 PV¬Modulen der Leistungsklasse 150 Wp, die mit Hilfe eines Blitzlicht-Sonnensimulators bei STC- Bedingungen vermessen wurden. Bild 1 zeigt die Abweichung der Leistungswerte vom Mittelwert. Aus Tabelle 1 geht die Fertigungsstreuung für die Modul-Leistungsparameter hervor. Für die MPP- Leistung wurde z.B. eine Fertigungsstreuung von 3,24% ermittelt. Bild 2 zeigt die Bandbreite der Messkurven. Hieraus ist ersichtlich, dass in der Datenbasis auch Module mit Abweichungen vom typischen Kennlinienverlauf enthalten sind. Ergebnisse Der errechnete maximale elektrische Missmatch für die Verschaltung der 112 Solarmodule lag mit ca. -0,6% deutlich unterhalb bisheriger Annahmen. Einfluss der Art der Vorsortierung Für eine vorgegebene Generatorverschaltung wurde der elektrische Missmatch für eine Vorsortierung der Module nach abfallenden Werten der Modulparameter Strom im Punkt maximaler Leistung, maximale Leistung und Kurzschlussstrom (Isc) berechnet. • Die Sortierung nach IMPP erweist sich als günstigste Vorsortierung. Gegenüber der Berechnung ohne Vorsortierung beträgt die Leistungssteigerung ca. 0,4%. • Die Sortierung nach Pmax bringt weniger als 0,1 % Leistungssteigerung. • Die Sortierung nach Ic ergibt keine Leistungssteigerung des Generators und kann ggf. sogar eine geringfügige Verschlechterung bewirken. Einfluss der Serien-Parallelschaltung von Modulen Entsprechend der Darstellung wurde die Simulation des elektrischen Missmatch für unterschiedliche Stranglängen (N=4, 8, 14, 16) und Serien-Parallel¬schaltungen von Strängen durchgeführt. Daraus ergaben sich die folgenden Feststellungen: • Bei gleich bleibendem NP verschlechtert sich der elektrische Missmatch mit zunehmender Stringlänge N nur geringfügig. Für die Verschaltung der Module ohne Vorsortierung betrug die Differenz 0,2% und für die Vorsortierung nach IMPP ca. 0,05%. • Bei gleich bleibender Stranglänge N verschlechtert sich der elektrische Missmatch mit wachsender Anzahl parallel geschalteter Stränge NP. Zwischen der reinen Serienschaltung (Np= 1) und der reinen Parallelschaltung (NTG-1) von Strängen beträgt der Unterschied maximal 0,3%. Für die Vorsortierung nach IMpp erweist sich die Parallelschaltung am ungünstigsten. Einfluss der Fertigungsstreuung Zur Untersuchung des Einflusses der Fertigungstoleranz auf den elektrischen Missmatch wurde der in Abschnitt 3 beschriebene Datensatz über einen Strommultiplikator in einer Weise verändert, dass, bezogen auf den Mittelwert der Module die Fertigungstoleranz bzgl. der MPP-Leistung Werte bis zu ±20% annahm. Die Reihenfolge der Leistungsdaten entsprechend Bild 1 blieb unberührt. Mit diesen modifizierten Datensätzen wurden beispielhaft Simulationsrechnungen für die Serienschaltung von 16 Modulen pro Strang vorgenommen (N=16, N>=1, NrG=7). Das Ergebnis ist in Bild 6 dargestellt und lässt sich wie folgt zusammenfassen: • Der spektrale Missmatch für Impp und Pmax Sortierung ändert sich nur gering¬fügig mit zunehmender Fertigungsstreuung. • Eine Vorsortierung der Module nach Impp- Werten ergibt eine Verbesserung des elektrischen Missmatch um 1% (0,5%) erst dann, wenn die Fertigungs-Streuung im Bereich ±9% (±5%) liegt. Elektrischer Missmatch für eine Serienschaltung von 16 Modulen pro Strang in Abhängigkeit der Fertigungsstreuung der Leistungswerte Bild 7 und Bild 8 zeigen die Strangkennlinien ohne und mit Vorsortierung der Solarmodule für eine Fertigungsstreuung der Modulleistung von ±5%. Im Falle dass keine Vorsortierung erfolgt, besitzen die Strangkennlinien einen nahezu gleichen Verlauf und die Leistungswerte weichen nur geringfügig voneinander ab. Eine Vorsortierung nach tmpp bewirkt eine deutliche Aufspaltung der Kurven im MPP-Bereich und die Leistungsdifferenz zwischen leistungsstärkstem und leistungsschwächstem Strang beträgt ca. 6%. Die Summe der Teilgeneratorleistungen unterscheidet sich in beiden Fällen nur um ca. 0.5% Bild 7 Strangkennlinien für +/-5 Fertigungsstreuung für eine Reihenschaltung von 16 Solarmodulen pro Strang. Die Solarmodule sind zufällig verschaltet. Bild 8 Strangkennlinien für +/-5% Fertigungstoleranz für eine Reihenschaltung von 16 Solarmodulen pro Strang. Die Solarmodule wurden nach Impp- Werten vorsortiert und entsprechend gruppiert. Schlussfolgerungen Der elektrische Missmatch für eine Fertigungsstreuung der Modulleistung von ±3,24% wurde auf Basis von Strom-Spannungskennlinien berechnet, die bei STC gemessenen wurden. Es wurde festgestellt, dass der elektrische Missmatch im ungünstigsten Fall mit -0,6% deutlich unter den bisherigen Annahmen liegt. Er entspricht damit in etwa der Leistungsminderung eines Solargenerators durch eine Erwärmung der Solarmodule um 1°C. Dieses Ergebnis lässt den Schluss zu, dass eine experimentelle Verifikation des elektrischen Missmatch unter Freiland- Bedingungen schwer durchführbar ist. Aus Sicht der Maximierung der Solargeneratorleistung erwies sich die Vorsortierung der Solarmodule nach dem Strom im Punkt maximaler Leistung am günstigsten. Hierbei lassen sich Leistungsgewinne von 0,4% erzielen. Gemessen an dem Aufwand zur Vorsortierung der Module, stellt sich jedoch die Frage nach dem Kosten-Nutzen. Für den untersuchten Datensatz ergibt sich eine Verringerung des elektrischen Missmatch um 1% erst dann, wenn eine Fertigungsstreuung der Modulleistung von ±5% angenommen wird. Die dargestellten Ergebnisse gelten nur für den untersuchten STC-Datensatz. Aus den Rechenergebnissen lassen sich keine Verallgemeinerungen für Energieertrag von PV¬Generatoren machen. Für den Realbetrieb ist auch das Temperatur- und Einstrahlungsverhalten der Solarmodule zu berücksichtigen. Unterschiede in Modulparametern oder in der Temperaturverteilung in der Generatorfläche können z.B. dazu führen, dass sich Abweichungen von der STC-Rangfolge der Module ergeben, und können somit den elektrischen Missmatch negativ beeinträchtigen.