Intelligent verbinden - Maximale Erträge durch Wechselrichter-Auslegungssoftware

Welche Vorteile eine Auslegungssoftware bietet, zeigt das Beispiel der Kostal Solar Electric GmbH aus Freiburg.  Für ihre „PIKO“-Wechselrichter bietet das Unternehmen das kostenlose Wechselrichter-Auslegungstool „PIKO Plan 2.0“ an. Diese Software wurde in Zusammenarbeit mit der Münchner Firma Solarschmiede, die über eine mehr als zehnjährige Erfahrung auf diesem Gebiet verfügt, entwickelt. Diese Partnerschaft zwischen den beiden Unternehmen ist ein weiterer Ausdruck des Markenanspruchs „Intelligent verbinden“ von Kostal.
Schon die Bestimmung ertragsreicher Verschaltungen aus nur einem Wechselrichter und einer überschaubaren Anzahl von PV-Modulen ist keine triviale Aufgabe. Noch komplexer wird es, wenn mehrere Generatoren mit verschiedenen Ausrichtungen, Neigungen, Modultypen und mehreren Wechselrichtern kombiniert werden sollen. Hier setzt „PIKO Plan 2.0“ an und entlastet den Anwender bei dieser komplexen Fragestellung.
Die Software ermittelt im Rahmen der Anwendervorgaben die besten Kombinationen mehrerer auch unterschiedlicher Verschaltungen aus PV-Modulen und Wechselrichtern. Sie berechnet den spezifischen Jahresertrag der Anlage in kWh/kWp und diverse weitere Größen wie Vergütung, Stromkostenersparnis, Eigenverbrauchsquote und Autarkiegrad.
In der Wechselrichterauswahl legt der Anwender die bei der Auslegung zu berücksichtigenden Geräte fest und bekommt Grenzen für das Leistungsverhältnis empfohlen.
Zu den Anwendervorgaben zählen neben Angaben zum Anlagenstandort und den gewünschten Generatoren mit Modultyp und -anzahl, insbesondere die Festlegung, welche Wechselrichter bei der Auslegungsberechnung berücksichtigt werden sollen.
Die Software enthält umfangreiche Datenbanken mit Einstrahlungs- und Temperaturdaten von rund 90000 Standorten weltweit und den technischen Daten von 30000 überwiegend mono- und polykristallinen PV-Modulen, die regelmäßig aktualisiert werden. Auch das Anlegen eigener Module ist möglich. Zusätzlich sind zur Eigenverbrauchssimulation 14 Standardlastgänge hinterlegt.

Technische Rahmenbedingungen
Basis der Auslegung sind die technischen Grenzen, die für jede Kombination von Modul- und Wechselrichtertyp individuell bestimmt werden. Dies sind die maximalen und minimalen Stranganzahlen pro MPP-Tracker sowie die maximale und die minimale Spannung, die ebenfalls für jeden MPP-Tracker separat ermittelt werden.
Das Ziel der Auslegung besteht nun darin, die ertragsreichsten Verschaltungen zu ermitteln, die diese technischen Auslegungsgrenzen einhalten und dabei den Anwenderwünschen entsprechen. Hierbei werden Kombinationen von mehreren, auch unterschiedlichen, Verschaltungen berücksichtigt.

Dynamisches Leistungsverhältnis
Um die richtige Kombination aus PV- und Wechselrichterleistung zu finden, wird das Leistungsverhältnis bestimmt. Hierbei handelt es sich um den Quotient aus der Ausgangsleistung eines PV-Generators und der Bezugsleistung des zugehörigen Wechselrichters. Dieses kann wahlweise statisch aus Datenblattwerten oder aber dynamisch und damit anlagenspezifisch anhand der realen, am jeweiligen Standort möglichen, PV-Leistung bestimmt werden.
Von dem Leistungsverhältnis hängt ab, bei welchen Wirkungsgraden der Wechselrichter arbeitet, d.h. welcher Anteil der anliegenden DC-Leistung in nutzbare AC-Leistung umgesetzt wird. Kostal empfiehlt für die hauseigenen „PIKO“-Wechselrichter ein Leistungsverhältnis zwischen 0,8 und 1,15. „PIKO Plan 2.0“ bietet dem versierten Anwender dennoch die Möglichkeit, diese Grenzen zu verändern.
Nimmt das Leistungsverhältnis Werte größer als 1 an, übersteigt die PV-Ausgangleistung die Bezugsleistung des Wechselrichters und man spricht von Überdimensionierung. Werte kleiner als 1 werden als Unterdimensionierung bezeichnet. Bei Unterdimensionierung ist ein Wechselrichter oft schlecht ausgelastet und arbeitet bei geringeren Wirkungsgraden als möglich. Bei Überdimensionierung hingegen wird der Wechselrichter zu oft indie Leistungsbegrenzung gehen und so überschüssige Leistung nicht genutzt werden.
Die beispielhafte Kurvenschar eines „PIKO 10“ zeigt, dass Wechselrichter bei niedrigen Auslastungen mit geringeren Wirkungsgraden arbeiten.
Bei der Bestimmung des Leistungsverhältnisses kann der Anwender des Auslegungstools zwischen statischer und dynamischer Leistungsverhältnisberechnung wählen.
Das schneller zu ermittelnde statische Leistungsverhältnis wird mit der PV-Nennleistung berechnet. Diese Datenblatt-Angabe ist allerdings ein eher theoretischer Wert, der unter standardisierten Laborbedingungen („Standard-Testbedingungen“, STC) ermittelt wird. Die real erzielbare maximale PV-Leistung kann oft anders ausfallen, sie ist standort- und zeitabhängig. In Deutschland ist beispielsweise bei Spitzeneinstrahlungen das bis zu 1,2-Fache der Nennleistung möglich.
„PIKO Plan 2.0“ bietet dem Anwender zusätzlich die Möglichkeit, mittels einer Zeitschrittsimulation das Leistungsverhältnis dynamisch zu ermitteln. Hierbei wird nicht einfach mit Nenngrößen, sondern mit den am jeweiligen Anlagenstandort erzielbaren Leistungen gerechnet. So sind höhere Auslastungen des Wechselrichters möglich, ohne diesen zu überlas­ten. Die DC-AC-Wandlung arbeitet so mit einem höheren Wirkungsgrad und führt zu höheren Erträgen.

Zeitschrittsimulation zur Ertragsberechnung
Der Ertrag einer PV-Anlage ist die in kWh angegebene Energie, die die Anlage innerhalb eines bestimmten Zeitraums liefert. Meist wird der Ertrag eines Jahres auf die installierte PV-Nennleistung bezogen, woraus sich der spezifische Ertrag in kWh/kWp/a ergibt.
„PIKO Plan 2.0“ führt zur Bestimmung des Ertrages keine einfache Hochrechnung von Mittelwerten, sondern eine detaillierte Zeitschrittsimulation für jede der 8760 Stunden eines Jahres durch. Zugunsten genauerer Ergebnisse wird ein erhöhter Rechenaufwand in Kauf genommen.
Der erste Schritt der Simulation ist die Erzeugung von Wetterdaten. Aus realen Messdaten von Einstrahlung und Temperatur von etwa 90000 Standorten weltweit werden realistische Verläufe der Einstrahlung auf die Modulebene und der Modultemperatur am gewünschten Anlagenstandort generiert. Dabei werden nicht nur die Neigung und Ausrichtung berücksichtigt, sondern auch die Art der Modulinstallation, da das Ausmaß der Luftzirkulation unmittelbar Einfluss auf die Modultemperatur und damit auf die Modulleistung hat.
Zur Nachbildung des elektrischen Verhaltens der PV-Module greift die Software auf das etablierte Eindiodenmodell, das Standardmodell der Photovoltaik, zurück. Die für dieses Modell erforderlichen Parameter werden für das gewünschte PV-Modul anhand der hinterlegten Datenblattangaben individuell einstrahlungs- und temperaturabhängig ermittelt.
Bringt man die im ersten Schritt gewonnenen Einstrahlungs- und Temperaturverläufe im zweiten Schritt mit dem parametrisierten Eindiodenmodell zusammen, ergibt sich als Zwischenergebnis nach diesem Schritt der zeitliche Verlauf der DC-Leistung der PV-Anlage im MPP (maximum power point).
Als Nächstes geht es an die realistische Nachbildung des Wechselrichter-Verhaltens. Dazu zählt zum einen das MPP-Fens­ter, also der zulässige DC-Eingangsspannungsbereich mit Strom-, Spannungs- und Leistungsbegrenzung. Zum anderen wird der Umwandlungswirkungsgrad von DC- in AC-Leistung bestimmt. Hier rechnet „PIKO Plan 2.0“, anders als andere, nicht einfach mit einem festen Wert, sondern greift auf eine für jeden Wechselrichter hinterlegte Schar von Wirkungsgradkurven zurück. In jedem Zeitschritt wird aus dieser Kurvenschar anhand von Auslas­tungsverhältnis (anliegende DC-Leistung zu AC-Bezugsleistung) und DC-Eingangsspannung ein spezifischer Wirkungsgradwert bestimmt.
Es ergibt sich somit der zeitliche Verlauf der AC-Ausgangsleistung der PV-Anlage, der abschließend mittels Einbeziehung der Dauer der einzelnen Zeitschritte in Ertrag umgerechnet wird.

Speicherauslegung und Lastprofile
In Zeiten sinkender Einspeisevergütungen und steigender Energiepreise rückt der Eigenverbrauch immer mehr ins Blickfeld einer breiteren Öffentlichkeit. Daher ist die Auslegung des Kostal-Speichersystems „PIKO BA System“ – bestehend aus Speicherwechselrichter, Stromsensor und Batterie – in die Software integriert. Das Programm berechnet für alle für den „PIKO BA“, den Speicherwechselrichter von Kostal,  verfügbaren Blei- und Lithiumbatterien, basierend auf einer zuvor durchgeführten Ertragsberechnung und eines wählbaren Lastprofils, Autarkiegrad und Eigenverbrauchsquote. Der Autarkiegrad gibt an, wieviel Prozent des Jahresenergiebedarfs mit der aus der eigenen PV-Anlage stammenden Energie gedeckt werden kann. Die Eigenverbrauchsquote besagt, wie hoch der Anteil der selbst genutzten Energie im Verhältnis zur gesamten erzeugten Energie ist.
Die Basis der Berechnung von Autarkiegrad und Eigenverbrauchsquote ist der zeitliche Verlauf des jeweiligen Energiebedarfs. Da jedoch kaum einem Kunden der eigene Lastgang im Detail bekannt sein dürfte, sind in der Software 14 repräsentative Lastprofile für Haushalt, Gewerbe und Landwirtschaft des Bundesverbands der Energie- und Wasserwirtschaft (BDEW) hinterlegt. Die Profile sind je nach tatsächlichem Jahresverbrauch skalierbar. Die daraus resultierende Einsparung wird in Euro auf Basis des Eigenverbrauchs berechnet.
Aus 14 repräsentativen Lastprofilen kann das passende gewählt und auf den jeweiligen Jahresverbrauch skaliert werden. Das Beispiel zeigt den Verbrauch einer vierköpfigen Familie, die zu Hause zu Mittag isst.

Schnellauslegung für erfahrene Anwender
In dem Bereich Schnellauslegung können erfahrene Anwender zeitsparend einen „PIKO“-Wechselrichter standortunabhängig manuell auslegen. Diese Funktion dient dem einfachen Überprüfen der Verschaltungen; es findet keine automatische Ermittlung von Verschaltungen statt. Der Anwender gibt hier Größen wie Modulanzahl und Stranglänge selbst vor und bekommt unmittelbar angezeigt, ob seine Verschaltung innerhalb der technischen Grenzen liegt oder wo es zu Problemen kommt.

Fazit
Mit der Software PIKO Plan 2.0 steht Installateuren und Elektrogroßhändlern ein leistungsfähiges Auslegungstool zur Verfügung. Es ermöglicht sowohl die standortspezifische automatische Ermittlung der ertragsreichsten PV-Anlagen mittels komplexer Ertragssimulation als auch die standortunabhängige Schnellüberprüfung von angegebenen Verschaltungen. Die Software läuft unter Windows und ist kostenlos über die Internetseite von Kostal erhältlich.

Bilder: Kostal Solar Electric

Kontakt: Kostal Solar Electric GmbH,  79108 Freiburg i. Br., Tel. 0761 47744100,  Fax 0761 47744111, info-solar@kostal.com, www.kostal-solar-electric.com