PV-Module im Winter: Spannung vs. Strom berechnen

 

Eine Sache, die ich durch die Inbetriebnahme meines Balkonkraftwerks bewusst wurde, ist die Bedeutung der Spannung und Stromwerte der Panels: Die in meinem Balkonkraftwerk verwendeten PV-Panels liefern eine sehr niedrige Spannung: 24,8 (Vmp) und dafür einen hohen Strom von bis zu 16,51A (Imp). Beim Vergleich der Leistungsdaten mit einigen Wechselrichtern habe ich festgestellt, dass aktuelle Wechselrichter größtenteils nicht mehr als 13A verarbeiten können und die maximale Peak-Leistung limitieren würden. Der Fronius Gen24 als Beispiel kann zwar auf einem MPP-Tracker 25A, auf dem zweiten aber auch nur 12,5A, was die maximal mögliche Leistung beim Einsatz der Panels auf dem 2 Strings herabsetzen würde.

Achtung: Die maximal mögliche Modulanzahl ist durch den Temperaturkoeffizient limitiert 

Für die Planung einer PV-Anlage ist die Spannung der Module entscheidend. Speziell bei niedrigen Temperaturen könnte die Spannung zum Problem werden, da diese mit abnehmender Temperatur höher ist als die angegebene Spannung des Datenblatts. Konkret, ist für den Fronius Gen24 ein Udc max von 1000 Volt angegeben.

Quelle: https://www.fronius.com/~/downloads/Solar%20Energy/Datasheets/SE_DS_Fronius_Symo_GEN24Plus_DE.pdf

Als Beispiel beträgt die Leerlaufspannung bei Verwendung von Meyer Burger White 390 PV-Panels: 44,5 V

Quelle: https://www.meyerburger.com/fileadmin/user_upload/PDFs/Produktdatenblaetter/DE/DS_Meyer_Burger_White_de.pdf

Die Spalte STC spiegelt die Standard Test Conditions wider: Eine Sonneneinstrahlung von 1000W/m², bei einer Zelltemperatur von 25°C.

Für meine Anlage habe ich 19 Modulen pro String geplant, ergibt eine Leerlaufspannung von 44,5Voc * 19 Panels = 845,5V, bei einer Umgebungstemperatur von 25°C (laut STC). Der Wechselrichter kann laut Datenblatt Udc max 1000V, also alles im grünen Bereich.

Sinkt die Temperatur, erhöht sich die Spannung um den Temperaturkoeffizient Voc ß: -0,234% / K

Umgerechnet auf eine Umgebungstemperatur von -10 °C (35°C weniger als die 25°C STC Temperatur), würde die Spannung um 35 °C  x 0,234 %/K = 7,02 V höher sein als angegeben: 44,5 Voc + 7,02 V = 51,52Voc / Modul; Bei 19 Modulen: 1001,11V: Mit diesem Setup übersteigt die Leerlaufspannung der Panels bei einer Temperatur von -10 °C theoretisch die vom Wechselrichter vorgegebene Spannung von 1000 V Udc max. Wie tief die Temperatur im Winter sein kann, ist natürlich vom Standort der Anlage abhängig. Ich schätze auch, dass die richtig tiefen Temperaturen mehr in der Nacht oder den frühen Morgenstunden erreicht werden und das Modul bei Sonnenschein schnell eine leicht höhere Temperatur als die gemessene Temperatur im Schatten besitzt? Zudem vermute ich, dass die Spannung der Module bei Sonnenaufgang zunächst langsam steigt und der Wechselrichter diese normalerweise belastet bevor die volle Leerlaufspannung erreicht wird. 

Zuletzt noch kurz ein Blick auf die Stromwerte:
Bei hohen Temperaturen sinkt die Spannung, dafür steigt aber der Strom. Der maximale Strom würde entsprechend für angenommene 70°C bei 10,3A + ((70°C-25°C) x 0,033α) liegen = 11,78 A. Der maximale Strom Idc max ist für den Fronius GEN24 mit 12,5 A für den zweiten MPPT angegeben. Zwar kann dieser Wert überschritten werden, ohne den Wechselrichter zu zerstören, er kann dennoch nicht mehr als die 12,5A verarbeiten, was bei bestimmten Panels zu einer Leistungsminderung führen kann.

Mit einem Multimeter und Thermometer nachgemessen

Ich habe die Spannung von 19 Panels in Serie mit einem Multimeter gemessen: diese beträgt 786 V bei 36°C unter dem Modul. Für die Temperaturmessung habe ich einen Aquara Zigbee Sensor verwendet.

Laut dem Datenblatt sinkt die Spannung pro °C um 0,234 V. Bei 11°C Unterschied (36°C Paneltemperatur - 25°C STC Temperatur) um 11 °C x 0,234 %/K =2,574 V/Panel.
Die Leerlaufspannung pro Panel würde bei 36°C also 44,5V (Leerlauf STC) - 2,574V (11°C x 0,234
ß Voc)  = 41,9 V betragen. 

Der errechnete Wert für 19 Panels bei 36°C liegt bei 41,9V x 19 Panels = 796,6 V. Der Unterschied zur tatsächlich gemessenen Spannung von 786V liegt bei dieser Temperatur ziemlich in der Nähe. Die Abweichung lässt sich durch Messungenauigkeiten des Multimeters und Thermometers, sowie dessen Position erklären, da die Zelltemperatur ev. leicht von der Temperatur unter dem Panel abweicht. 
Anders bei meinen Messungen im Winter: Bei in einer Außentemperatur von 4°C im Schatten, zeigt die Leerlaufspannung des Multimeters 833V an. Der Wert deckt sich mit dem Spannungswert beim Einschalten des Wechselrichters. Die berechnete Spannung mit den STC-Werten würde bei 895,85V liegen. Verwende ich die NMOT-Werte, welche näher an den realen Bedingungen sein sollten, kommt die berechnete Spannung immer noch auf 872,9V und ist somit immer noch wesentlich höher als der gemessene Wert. Eventuell mache ich dazu noch ein paar Stichproben und notiere diese hier. Um die Werte einfacher rechnen zu können, habe ich einen Online-Rechner zusammengestellt:

Online Rechner

Installation / Details

Spannung:
V
bei Temperatur:
°C
Temperaturkoeffizient Voc:
ß [%/K]
Temperatur:
°C
Anzahl der Module in einem String:
 

Ergebnis

maximale Leerlaufspannung/Modul:
-
V
maximale Leerlaufspannung des Strings
-
V

Fazit

Die Auswahl des Wechselrichter und der passenden PV-Panels ist wesentlich für einen optimalen Betrieb. Speziell bei PV-Modulen mit einem Strom höher 13A könnte die maximal mögliche Peak-Leistung beim Einsatz so mancher Wechselrichter niemals erreicht werden. Auf der anderen Seite limitieren hohe Spannungen die maximal mögliche Anzahl an PV-Panels in einem String. Seitens Spannung sollte etwas Puffer eingeplant werden, damit der Wechselrichter bei tiefen Temperaturen nicht überfordert wird. Zur generellen Planung einer PV-Anlage, siehe auch: PV - Überlegungen - Planung - Umsetzung und Fronius Gen24 Inbetriebnahme in der Praxis: Schritt für Schritt

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Aktualisiert: 23.04.2024 von Bernhard | Translation English |🔔 | Kommentare:0

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