Netzgebundene Photovoltaik (PV) -Anlage
Die meisten PV-Anlagen sind netzgebundene Systeme, die in Verbindung mit dem vom Elektrizitätsunternehmen gelieferten Strom arbeiten. Ein netzgekoppeltes Solarsystem verfügt über einen speziellen Wechselrichter, der Strom aus dem Netz empfangen oder netzgekoppelten Wechselstrom an das Stromnetz senden kann, wenn ein Überschuss an Energie aus dem Solarsystem vorhanden ist.
Netzgebundene Solar-PV-Anlage
Darüber hinaus kann das Versorgungsunternehmen Strom aus Solarparks produzieren und direkt ins Netz einspeisen.
Private und kleine netzgebundene PV-Anlagen
Netzgebundene PV-Anlagen können mit oder ohne Batterie-Backup eingerichtet werden. Die einfachste netzgebundene PV-Anlage verwendet keine Batterie-Backup, sondern bietet eine Möglichkeit, einen Bruchteil der Versorgungsleistung zu ergänzen. Die Hauptkomponenten dieses Systems sind die PV-Module und ein Wechselrichter.
Netzgekoppelte PV-Anlage für Privathaushalte (Quelle: Wikipedia)
Die Module können in Reihe zum Wechselrichter geschaltet werden, wenn die Spannungsgrenzen nicht überschritten werden, oder es kann eine separate Kombinationsbox verwendet werden, um die Ausgänge verschiedener Module parallel zu kombinieren.
Der Wechselrichter muss ein spezieller Typ sein, der direkt an die Wechselstromunterbrecherbox angeschlossen werden kann, sodass er den Gleichstrom der PV-Module in netzkompatiblen Wechselstrom umwandeln und der Phase der Versorgungssinuswelle entsprechen muss.
Es muss auch in der Lage sein, die PV-Anlage (mit einem automatischen Umschalter) zu trennen, wenn das Netz ausfällt, daher muss es sich um einen zugelassenen Wechselrichter handeln, der der UL-Norm 1741 entspricht. Ein Übergangsschalter ist ein automatischer Schalter, der Lasten zwischen abwechselnden Energiequellen schalten kann, ohne den Strom zu unterbrechen.
Ein grundlegendes Blockschaltbild einer netzgebundenen PV-Anlage mit Serien-PV-Modulen ist in Abbildung 1 dargestellt.
Im Vergleich zu einem System mit Batterie-Backup ist ein solches batterieloses System kostengünstiger, einfacher zu installieren und nahezu wartungsfrei. Es hat den Vorteil, dass es nicht den gesamten Strom liefern muss, der für das Haus oder Geschäft benötigt wird; Es kann jeden Bruchteil der Leistung ausgleichen und das Dienstprogramm den Unterschied ausmachen lassen.
Wenn das Netz zuverlässig ist, wie es in den meisten städtischen Gebieten der Fall ist, bietet ein batterieloses System die beste Leistung pro ausgegebenem Dollar.
Für viele gewerbliche Bürogebäude, Geschäfte und Industriegebäude ist ein batterieloses System sinnvoll. Diese Gebäudetypen werden normalerweise bei Tageslicht bewohnt, entsprechend den Zeiten, in denen die solare Ressource verfügbar ist.
Normalerweise können die Module auf dem Dach des Gebäudes oder einer Parkstruktur installiert werden, sodass kein Land für das Array geopfert wird. Das System kann so eingerichtet werden, dass überschüssiger Strom an das Versorgungsunternehmen zurückverkauft wird, wodurch Bedenken hinsichtlich nicht genutzter Kapazitäten am Wochenende oder an Feiertagen beseitigt werden.
Abbildung 1 Vereinfachte batterielose netzgebundene Solar-PV-Anlage
UL Standard 1741
Die Underwriters Laboratories® (UL) sind eine unabhängige Zertifizierungsorganisation für Produktsicherheit, die Sicherheitsstandards schreibt und Produkte auf Konformität prüft.
Die UL-Norm 1741 listet die Anforderungen an Wechselrichter, Umrichter, Laderegler und Verbindungssysteme sowohl für interaktive (netzgebundene) Stromversorgungssysteme als auch für nicht netzgebundene Systeme auf.
Weitere UL-Normen gelten für PV-Module und Anschlussdosen, Kabel, Steckverbinder, Batterien und Montagesysteme. Beispielsweise legt die UL-Norm 1703 Normen für PV-Anlagen bis 1.000 V fest.
Unternehmen, die eine UL-Zertifizierung erhalten, dürfen das UL-Zeichen auf dem/den Produkt(en) anbringen.
Wohn- und kleine netzgebundene PV-Anlage mit Batterie-Backup
Netzgebundene PV-Anlagen mit Batterie-Backup können weiterhin Strom liefern, wenn das Netz ausfällt. Das System kann bei einem Stromausfall nahtlos auf Notstrom umschalten. Gleichzeitig trennt es das System vom Netz, so dass es keinen Strom aussendet, wenn das Netz ausgefallen ist.
Gesicherte Lasten
Ein kleines System mit voller Batterie-Backup-Fähigkeit ist viel teurer als ein batterieloses System.
Eine Möglichkeit, die Kosten zu senken, besteht darin, das System in gesicherte Lasten und nicht gesicherte Lasten aufzuteilen, wodurch die Anzahl der erforderlichen Batterien reduziert, die Anschaffungskosten gespart und der Wartungs- und Platzbedarf reduziert werden.
Diese Option erfordert eine Neuverkabelung des Service-Panels und die Platzierung nicht gesicherter Lasten auf einem separat von den gesicherten dedizierten Panel. Im Wesentlichen entspricht diese Option zwei Systemen, aber die Neuverkabelung eines Panels kann eine billigere Option sein als ein vollständig gesichertes System.
Ein System mit gesicherten Lasten und nicht gesicherten Lasten ist im Blockdiagramm in Abbildung 2 dargestellt. Die Paneele werden zu einer Kombinationsbox gezeigt, aber eine Reihenanordnung ist eine weitere Option zum Verbinden der Module.
Eine Combiner-Box ist eine elektrische Anschlussbox zum Kombinieren der Ausgänge mehrerer Solarmodule zu einem DC-Ausgang.
Abbildung 2 Vereinfachtes Batterie-Backup-System für einen Teil der Wechselstromlast
Wenn sich das System im netzinteraktiven Modus befindet, entnimmt der Wechselrichter den Quellen Energie und sendet sie an die gesicherten Lasten. Die Hauptlasten werden direkt aus dem Netz gespeist.
Wenn aus den PV-Modulen mehr Energie stammt, als von den gesicherten Verbrauchern benötigt wird, wird der Überschuss über einen internen Umschalter ins Netz eingespeist, was zu einer Gutschrift für den Hausbesitzer führt (Net Metering).
Wenn das Netz ausfällt oder außerhalb der Spezifikation liegt, öffnet der Umschalter und nur die gesicherten Lasten erhalten Strom vom Wechselrichter. Die Hauptlasten sind ausschließlich vom Netz abhängig, sodass sie ausgeschaltet sind, bis die Stromversorgung wiederhergestellt ist.
PV-Wechselrichtergröße
Die Größe des Wechselrichters und der Batterieunterstützung, die für ein teilweise gesichertes System erforderlich sind, erfordert eine Analyse der Lasten, die auf das gesicherte System aufgebracht werden.
Um den Strombedarf für die Backup-Lasten abzuschätzen, kann die Leistung für jede Last in einer Tabelle zusammengefasst werden. Motoren benötigen beim Starten mehr Leistung als beim Laufen, daher muss das System basierend auf der Startleistung dimensioniert werden. Aus den Ergebnissen dieser Analyse kann der Wechselrichter einschließlich verschiedener Optionen ausgewählt werden. Eine Möglichkeit besteht darin, Wechselrichter zu verwenden, die gestapelt werden können.
Der Begriff Stacking bezieht sich auf den Anschluss von zwei Wechselrichtern, um Split-Phase 120/240 V Ausgänge bereitzustellen. Eine weitere Option, die bei einigen Wechselrichtern verfügbar ist, besteht darin, einen Backup-Motorgeneratoreingang bereitzustellen.
Batteriebank für PV-Anlage
Die Größe der Batteriebank richtet sich nach der Anzahl der erforderlichen Autonomietage. Die Größe kann auf historischen Zeitmustern basieren, in denen das Raster ausgefallen ist.
Im Allgemeinen wird ein System, das das Netz sichert, nur dann durchlaufen, wenn das Netz ausgefallen ist.
Eine Entladetiefe von 80% ist für ein System geeignet, das selten gefahren wird, und die Anzahl der Autonomietage basiert eher auf der Netzleistung als auf Wettermustern.
Das seltene Radfahren bedeutet, dass versiegelte Batterien eine gute Wahl für ein Backup-System sein können, da sie weniger Wartung erfordern als überflutete Typen.
Der Nachteil versiegelter Batterien besteht darin, dass sie teurer sind und eine kürzere Lebenserwartung haben als überflutete Typen.
Für batterieunterstützte Systeme sind Batteriezähler nützlich, die den Ladezustand melden können. Diese Messgeräte zeigen die Spannung, den Strom und den Prozentsatz der vollen Ladung an.
Eine weitere Option ist ein Leistungsmesser, der die Leistung des Systems überwacht und den Benutzer über Fehlerzustände informiert.
Studien haben gezeigt, dass Überwachungssysteme die Energieeinsparung fördern und dass detailliertere Informationen zu mehr Energieeinsparung führen.
Kleine PV-Anlagen mit Mikrowechselrichtern
Die zuvor gezeigten Systeme führen DC zu einem Zentralwechselrichter und wandeln ihn an diesem Punkt in AC um. Eine weitere Option, die immer beliebter wird, ist die Verwendung eines Mikrowechselrichters an jedem Modul.
Ein Mikroinverter ist ein DC/ AC-Wandler, der so dimensioniert ist, dass er mit einem einzigen Solarmodul betrieben werden kann. Somit kann es eine maximale Leistungspunktverfolgung für das Modul und eine höhere Effizienz bieten, insbesondere für Situationen wie ein einzelnes schattiertes Modul mit reduzierter Leistung. Ein grundlegendes System ist in Abbildung 3 dargestellt.
Jeder Wechselrichter gibt netzkompatiblen Wechselstrom aus, der mit anderen Mikrowechselrichtern im System synchronisiert ist. Mikrowechselrichter sind parallel zueinander installiert, um eine Zweigschaltung zu bilden.
Die Zweigschaltungen sind oft an einem Subpanel zusammengefasst. Das Ergebnis ist ein modularisierteres System; Wenn ein Modul oder ein Mikrowechselrichter ausfällt, arbeitet der Rest des Systems weiter (mit reduzierter Leistung), da die anderen Mikrowechselrichter parallel geschaltet sind und eine Open Source den Betrieb der anderen nicht beeinträchtigt.
Das defekte Modul oder der defekte Mikrowechselrichter kann repariert werden, ohne das restliche System offline zu schalten.
Einige Module sind mit einem eingebauten Mikroinverter und Schaltungen ausgestattet, um die Ausgabe zu optimieren.
Eingebaute Mikrowechselrichter haben keinen Zugriff auf die Gleichstromkreise des PV-Moduls, beseitigen jedoch die Gleichstromverkabelung, Steckverbinder, Kombinatorboxen usw. Dies vereinfacht die Installation und macht das Gesamtsystem effizient und kostengünstig. Es beseitigt auch Hochspannungs-Gleichstromkreise (bis zu 600 V), sodass das Mikrowechselrichtersystem sicherer ist als Hochspannungssysteme mit einem Zentralwechselrichter.
Abbildung 3 Grundlegendes Mikrowechselrichtersystem. DC von jedem Modul wird in AC umgewandelt, wo es an andere Mikrowechselrichter im System angeschlossen wird.
Gewerbliche und institutionelle PV-Anlagen
Gewerbliche und institutionelle Solar-PV-Anlagen können Skaleneffekte bieten und haben häufig den Vorteil eines relativ geringeren Strombedarfs in der Nacht.
Die meisten dieser Systeme wurden entwickelt, um den Strombedarf für einen größeren Benutzer wie ein Unternehmen, eine Schule oder eine Produktionsstätte zu senken.
Einige Systeme sind als Off-Grid-Systeme für Remote-Anwendungen konzipiert, wie zum Beispiel eine PV-Anlage, die für ein Meeresschutzgebiet auf den Farallones-Inseln installiert wurde.
Das Marine Sanctuary hatte zuvor Diesel importiert, um Generatoren für Elektrizität zu betreiben. Eine weitere Anwendung für gewerbliche und institutionelle Einrichtungen ist neben der Ergänzung der Versorgungsleistung die Bereitstellung einer Solartankstelle für ihre Mitarbeiter oder die Öffentlichkeit.
Die Solarmodule sind über einem Parkplatz montiert und liefern Ladeleistung für Elektrofahrzeuge, eine hervorragende Anpassung der verfügbaren Ressource an den Bedarf (Laden von Elektrofahrzeugen). Bild 4 zeigt eine Solartankstelle.
Viele Gemeinden und Behörden stellen diese Stationen auf öffentlichen Parkplätzen zur Verfügung, um den Einsatz von Elektrofahrzeugen zu fördern und Emissionen zu reduzieren.
Abbildung 4 Solartankstelle. Die Solarmodule dieser Tankstelle werden zum Laden von Elektrofahrzeugen verwendet.
Netzgebundene PV-Anlagen
In einigen Gebieten haben Versorgungsunternehmen große PV-Anlagen gebaut, die zur Einspeisung von Strom in das Netz ausgelegt sind. Versorgungsunternehmen haben viele verschiedene Überlegungen für die Implementierung von Solar-PV-Systemen, da sie Strom liefern, anstatt ihn zu verbrauchen.
Wenn ein Versorgungsunternehmen erwägt, Solarenergie hinzuzufügen, wird das System zuerst analysiert und modelliert, um die Auswirkungen, den Lastausgleich, die Gerätebelastung und Probleme mit der Stromqualität zu bestimmen.
Die Gesamtkosten, z. B. neue Übertragungs- und Verteilungssysteme, und die Auswirkungen auf bestehende Einrichtungen, z. B. reduzierte Kraftstoffkosten, werden bewertet.
In einigen Fällen kann es wirtschaftlicher sein, verteilte Systeme mit kleineren Solaranlagen zu entwickeln, die auf bestimmten Speisern eingesetzt werden, um zusätzliche Lasten zu bewältigen und die Kapitalkosten zu senken.
Verteilte Systeme können aufgrund der Verlustleistung in Übertragungsleitungen auch leitungsbezogene Kosten senken.
Überprüfungsfragen
- Was ist die Anforderung an netzgebundene PV-Wechselrichter?
- Was sind zwei Gründe für eine netzgebundene PV-Anlage, die nicht gesichert ist?
- Wie unterscheidet sich die Dimensionierung eines Batteriearrays in einer netzgebundenen PV-Anlage von der Dimensionierung eines Batteriearrays in einer netzfreien Anlage?
- Warum ist eine ständige Anlagenüberwachung bei einer netzgebundenen PV-Anlage sinnvoll?
- Welche Kostenfaktoren sollten Versorgungsunternehmen für das Hinzufügen von Solar-PV-Ressourcen berücksichtigen, die ein Hausbesitzer nicht berücksichtigen muss?
Antworten:
- Netzgebundene PV-Wechselrichter müssen ihre Leistung mit dem Versorgungsunternehmen synchronisieren und in der Lage sein, die Solaranlage zu trennen, wenn das Netz ausfällt.
- (1) Ein System, das entwickelt wurde, um die Netzstromversorgung zu ergänzen und nicht jederzeit zu ersetzen, benötigt keine Sicherung, sodass die Installation vereinfacht wird. (2) Batterie-Backup ist teuer, nimmt Platz ein und erfordert regelmäßige Wartung.
- In einer netzgebundenen PV-Anlage muss die Batterie das Netz nur bei Ausfällen ersetzen, daher ist die Wahrscheinlichkeit und Länge von Ausfällen der Schlüsselfaktor für die Bestimmung der Batteriegröße. Bei einem eigenständigen System ist der Schlüsselfaktor für die Bestimmung der Batteriegröße das Wetter am Standort und die Aussichten für lange Wolken- oder Regenperioden, die den optimalen Betrieb des Systems verhindern würden.
- Die Systemüberwachung kann grundlegende Leistungsdaten für das System bereitstellen und dabei helfen, Probleme mit dem System zu lokalisieren.
- Einige Faktoren, die Versorgungsunternehmen berücksichtigen müssen, sind Lastausgleich, Gerätebelastung, Probleme mit der Stromqualität, Gesamtkosten, einschließlich neuer Übertragungs- und Verteilungssysteme, sowie viele andere Faktoren.
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