Herausforderungen und Lösungen zur langfristigen Sicherung der Gesundheit von Solarkraftwerken

(EPC-Auftragnehmer spielen eine Schlüsselrolle bei der Gewährleistung der langfristigen Gesundheit von PV-Kraftwerken. Credit: Sterling & Wilson.)

Solar PV ist eine zuverlässige und stabile Technologie, bei der Innovationen bei Modulen die Lebenserwartung nur erhöhen. Während PV-Module im Solarbereich im Allgemeinen die meiste Aufmerksamkeit erhalten, gibt es eine Vielzahl von Technologien und Dienstleistungen, die für den Erfolg einer PV-Anlage von entscheidender Bedeutung sind. Viele davon fallen unter das Dach von EPC - Engineering, Beschaffung und Konstruktion - und umfassen End-to-End-Solardienstleistungen, vom Systemdesign über die Beschaffung von Komponenten bis hin zur Installation des Projekts.

Nach dem Erfolg der Best Practice-Richtlinien für Betrieb und Wartung (O & M) von SolarPower Europe - jetzt in der vierten Version - und der ersten Ausgabe von Richtlinien zum Asset Management (veröffentlicht im Dezember 2019) entwickelt die Task Force hinter den beiden Dokumenten nun ihre Erste EPC-Best-Practice-Richtlinien, die der Branche helfen sollen, das EPC-Segment zu standardisieren und zu optimieren. Das Dokument, das später in diesem Jahr veröffentlicht wird, richtet sich nicht nur an EPC-Anbieter, sondern an alle relevanten Stakeholder, einschließlich Investoren, Finanziers, Anbieter von Überwachungslösungen, Vermögensverwalter und sogar O & M-Auftragnehmer. Ein wichtiges Element der EPC-Richtlinien wird darin bestehen, von den langjährigen Erfahrungen der europäischen Solarindustrie in der Betriebsphase zu profitieren und eine Rückkopplungsschleife und einen Dialog mit allen Anbietern zu schaffen.

In diesem Artikel werden einige der Kernelemente von EPC vorgestellt: Wechselrichter, Tracker, Anschlusskästen und Überwachungstechnologie. Dies sind die Technologien, die den langfristigen Erfolg und die Effizienz von Solaranlagen sicherstellen und bei entsprechender Beachtung den Entwicklern im Laufe des Lebenszyklus der Solaranlage erhebliche Ressourcen einsparen können.

Wechselrichter: das Herzstück von PV-Anlagen

Wechselrichter und die damit verbundenen Technologien sind zentrale Komponenten in allen Solar-PV-Anlagen. Wechselrichter stellen nachgeschaltet sicher, dass der vom PV-Generator erzeugte Strom in das Netz eingespeist, von angeschlossenen Wechselstromverbrauchern genutzt oder in Verbindung mit Speichersystemen vorübergehend gespeichert werden kann. Vorgelagert erfüllen sie wichtige Sicherheitsfunktionen wie Erdschlusserkennung, Lichtbogenerkennung und Inselschutz. Aufgrund des stetig steigenden Anteils von PV am Energiemix müssen Wechselrichter immer mehr Aufgaben erfüllen, auch im Zusammenhang mit der Netzstabilisierung. Wenn Netze intelligenter werden, müssen Wechselrichter auch mehr netzbezogene Dienste übernehmen. Um diese Leistungen jederzeit erbringen zu können, werden immer mehr PV-Kraftwerke mit Energiespeichersystemen kombiniert. Der Wechselrichter kann somit als das Herz eines jeden PV-Kraftwerks bezeichnet werden - sein Ausfall führt daher zu ernsthaften Problemen mit den größeren Systemkomponenten.

Wechselrichter: das Herzstück von PV-Anlagen

Die Topologie eines PV-Kraftwerks folgt normalerweise drei verschiedenen Konzepten: (1) Große Teile der Anlage können über einen Zentralwechselrichter betrieben werden; (2) der Wechselrichter kann auf String-Ebene verwendet werden, indem einzelne oder mehrere Strings kombiniert werden; oder (3) es kann auf Modulebene über Leistungselektronik auf Modulebene (MLPE) betrieben werden. Im Hinblick auf die einfache Wartung und Verfügbarkeit der Anlage ist zu beachten, dass Zentralwechselrichter einfach zu warten sind und im besten Fall vor Ort repariert werden können, wodurch eine hohe Gesamtlebensdauer von 20 Jahren oder mehr erreicht wird. Im Falle eines Problems werden jedoch große Teile des Kraftwerks von der Einspeisung getrennt. MLPEs sowie Stringwechselrichter können normalerweise nicht vor Ort repariert werden und sollten nicht berührt werden, bis Umwelteinflüsse beseitigt sind. Im Falle ihres Ausfalls sind nur kleinere Systemteile oder sogar nur ein PV-Modul betroffen. Solche Wechselrichter haben normalerweise eine Lebensdauer, die kürzer als die Betriebszeit der Anlage ist. Daher müssen sie während der Lebensdauer des Systems ausgetauscht werden.

Darüber hinaus steigt die spezifische Anzahl von Fehlern für weniger zugängliche Komponenten mit der Anzahl der im System verwendeten elektronischen Komponenten. Marktanalysen in Bezug auf die Häufigkeit der Verwendung unterschiedlicher Topologien in Industrie- und Versorgungsanlagen zeigen eine gleichmäßige Verteilung der Konstruktionen von Stringwechselrichtern und Zentralwechselrichtern sowie eine wachsende Anzahl von Anlagen auf MLPE-Basis (wenn auch auf einem viel niedrigeren Niveau). Die Verfügbarkeit spielt auch eine wichtige Rolle bei der Auswahl des geeigneten Designs oder Anbieters. Im Falle eines Defekts ist die kurzfristige Verfügbarkeit von Ersatzteilen entscheidend, um die Ertragsverluste auf ein Minimum zu beschränken.

Planung und Inbetriebnahme

Die Bedeutung der Planung für PV-Anlagen kann nicht genug betont werden. Neben der Qualität und Zuverlässigkeit der verwendeten Komponenten wird in diesem Stadium die Qualität der späteren Leistung des Systems bestimmt. Neben der standardkonformen Planung sind die vom Hersteller empfohlenen Umgebungsbedingungen und Arbeitsfenster zu beachten. Die Nichtbeachtung dieser Anforderungen führt normalerweise zu erhöhten Ausfallraten während des Betriebs. Es wird daher empfohlen, jedes System relevanter Größe vor und nach der Inbetriebnahme von einer unabhängigen Partei überprüfen zu lassen und etwaige Abweichungen korrigieren zu lassen. Die Dokumente der Serie IEC 62446 enthalten beispielsweise Anleitungen zu den entsprechenden Verfahren.

Ausfallzeiten von PV-Anlagen werden häufig durch Wechselrichter verursacht [1] [InvRel]. Viele der diesen Auswertungen zugrunde liegenden Unterbrechungen sind jedoch letztendlich auf Probleme mit anderen Systemkomponenten zurückzuführen. Hierbei spielen Erdschlussprobleme und bei entsprechender Erkennung tatsächlich oder falsch erkannte Lichtbogenfehler eine Rolle. Neben dem Anlagendesign ist die Qualität der verwendeten Komponenten von entscheidender Bedeutung. Ein Anlagenbauer oder Installateur hat jedoch nur begrenzte Möglichkeiten, die Qualität umfassend zu bewerten, ohne sich auf Felddaten und andere empirische Werte verlassen zu können. Die Konformität der Wechselrichter mit den qualifizierenden Standards ist obligatorisch, erlaubt jedoch keine detaillierte Aussage über ihre Haltbarkeit vor Ort. Dies kann nur durch einen Test mit langer Lebensdauer in Verbindung mit Simulationen ermittelt werden, die auf Wechselrichter-Lebensdauermodellen basieren.

Dies ist ein Auszug aus einem Artikel, der erstmals in Band 24 von PV Tech Power veröffentlicht wurde. Der vollständige Artikel kann hier oder in der vollständigen digitalen Kopie von PV Tech Power 24 gelesen werden, die hier über den PV Tech Store heruntergeladen werden kann

References

^{[1] Nagarajan, Adarsh, Ramanathan Thiagarajan, Ingrid Repins, and Peter Hacke. 2019. Photovoltaic Inverter Reliability Assessment. Golden, CO: National Renewable Energy Laboratory. NREL/TP-5D00-74462. https://www.nrel.gov/docs/fy20osti/74462.pdf.}

Authors

Máté Heisz, head of international cooperation, SolarPower Europe

Máté Heisz is the Head of International Cooperation at SolarPower Europe, and Coordinator of the association's Lifecycle Quality Workstream and Emerging Markets Workstream. Prior to joining SolarPower Europe in 2017, Máté spent four years in Tunisia working as a Renewable Energy Advisor at the Tunisian Ministry of Energy on behalf of the German Development Cooperation (GIZ). Máté holds a Master’s degree in International Relations from the Free University of Berlin, and a Master’s degree in Economics from the Corvinus University of Budapest.

Ralph Gottschalg, Direktor Fraunhofer CSP, Abteilung Zuverlässigkeit und Technologie für Netzparität

Prof. Dr. Gottschalg ist seit 2018 Direktor am Fraunhofer-Zentrum für Silizium-Photovoltaik, Abteilung Zuverlässigkeit und Technologie für Netzparität. Er ist außerdem Professor für Photovoltaik-Energiesysteme an der Fachhochschule Anhalt in Köthen. Zuvor war er Professor für Angewandte Photovoltaik am Centre for Renewable Energy Systems Technology (CREST) der Loughborough University, UK.

Martin Lütgens, senior project manager solar international, ABO Wind AG

Martin Lütgens is Senior Project Manager Solar International at ABO Wind AG in Germany. Before this he was Head of Purchasing and Project Management at CTF Solar in Germany. He has also held positions at Günther Spelsberg Photovoltaic and BP Solar.

Nicolas Bogdanski, global head of energy storage systems, TÜV Rheinland AG

Dr. Bogdanski studied Electrical Engineering at Wuppertal University, Germany. He has been working as a scientist in the field of semiconductor science and polymer mechanics for several years. At TÜV Rheinland he is part of the solar energy R&D group where he is responsible for PV reliability projects.

César Hidalgo, Principal Engineer Solar, DNV GL

César ist Principal Engineer bei DNV GL und leitete von 2007 bis 2015 ein internationales Solarteam. Zu seinen früheren Funktionen bei DNV GL gehörte Senior Independent Engineer in Spanien und Lateinamerika, Vertreter der WindFarmer-Software von DNV GL in Spanien, Lateinamerika und der Balkan und die Verantwortung für Schulungen in Spanisch, unter anderem Marketingpositionen. César arbeitete von 1995 bis 2000 für Haskoning International Consultants in der Beratung für erneuerbare Energien und war während der Inbetriebnahme und in den ersten Betriebsmonaten Direktor eines KWK-Kraftwerks auf Basis von Gas- und Heizölmotoren mit 15 MW.