DE102010004260A1

DE102010004260A1 - Gerät und Verfahren zur Ertragsoptimierung beim Betrieb solartechnischer Anlagen zur Energieerzeugung

Info

Publication number: DE102010004260A1
Application number: DE102010004260A
Authority: DE
Inventors: Elisabeth Loster; Peter Loster
Original assignee: Loster Elisabeth 94360; Loster Peter 94360
Current assignee: Loster Elisabeth 94360; Loster Peter 94360
Priority date: 2010-01-10
Filing date: 2010-01-10
Publication date: 2011-07-14

Abstract

Gerät und Verfahren zur Anzeige eines Leistungsabfalls bei solartechnischen Anlagen zur Energieerzeugung (STAE) durch Messung der von den Solarmodulen abgegebenen Leistung, sowie der Daten mindestens eines Referenzdatensatzes bestehend aus Sensoren zur Messung der Einstrahlung, der Lichtintensität, Umgebungs- und Wandlertemperatur, Wind, sowie Datum und Uhrzeit, einer Methode oder einem Sensor zurden Strahlungswandler oder einem Teil dieser Daten, mit der Eigenschaft, dass unter verschiedenen im praktischen Betrieb vorkommenden Bedingungen der Strahlungssensor die Intensitäten bei verschiedenen Lichtwellenlängen misst, dass diese und die weiteren oben angegebenen Messwerte in einem Speicher zeitnah oder gleichzeitig zusammengehörig abgelegt und dass diese zur Bestimmung des Wirkungsgrades bei späteren, ähnlichen Einstrahlungsbedingungen als Vergleich herangezogen werden, mit dem Ziel, einen Leistungsabfall oder Störung zu erkennen und anzuzeigen.

Description

Stand der Technik
In der Solarzellenforschung und Herstellung ist es ein von jeher verwendetes Prinzip, die abgegebene Leistung der Strahlungswandler mit Einstrahlungsdaten, dem Einfallswinkel der Strahlung und der Temperatur zu vergleichen. Somit werden die technischen Daten der Strahlungswandler ermittelt, optimiert oder in der Fertigung sichergestellt.
Es sind seit längerer Zeit Geräte bekannt, die z. B. bei der photoelektrischen (PV) Energieerzeugung eingesetzt werden. Ein Lichtsensor misst die Intensität des einfallenden Lichts und vergleicht das Ergebnis mit der von der kompletten Anlage erzeugten Energie. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass die Eigenschaften des Lichtsensors im allgemeinen mit den Eigenschaften der installierten Solarmodule nicht genau übereinstimmen.
Bei einer anderen bekannten Ausführung eines Überwachungsgerätes verwenden der Lichtsensor und die Solarmodule Solarzellen gleichen Typs, wodurch Bauart bedingte Fehler vermindert werden. Kommen Solarmodule verschiedenen Typs oder verschiedener Altersklassen innerhalb einer größeren Anlage zum Einsatz, so erfordert dies für jeden Typ einen eigenen Lichtsensor.
Der Vergleich verschiedener, zusammengeschlossener Modulketten gleichen Typs kann Hinweise auf Fehler liefern. Eine auf alle Baugruppen gleich verteilte Störung wie z. B. Alterung oder Verschmutzung der Strahlungswandler kann jedoch so nicht oder kaum erkannt werden.
Das US Patent # 4,253,764 vom 10. Feb. 1978 beschreibt ein Mess- und Aufzeichnungssystem für solare Energie. Es wird ein Sensor beschrieben, der die absolute eingestrahlte Energie anzeigen kann. Eine Angleichung an das Leistungsverhalten einer STAE wird jedoch nicht beschrieben.
Das US Patent # US 2006/0085167 A1 vom 10. April 2006 beschreibt den Vergleich gemessener Strahlungsintensität und weiterer relevanter Umweltdaten mit der Leistung installierter Solarmodule. Dabei wird der theoretische Wirkungsgrad der Solarzellen mit Toleranzen zugrunde gelegt. Die Anwendung zielt insbesondere durch den Einsatz einer Datenübertragung per Funk zum Anzeigegerät auf eine Hilfe bei Installation und Fehlersuche durch den Monteur und würde die hier angestrebte Aufgabe zur Beobachtung und Bewertung einer Anlage nicht erfüllen.
Aufgabenstellung
Beim Betrieb solartechnischer Anlagen zur Energieerzeugung (STAE) wird ein Leistungsabfall bedingt durch z. B. Schatten, Verschmutzung oder technische Fehlfunktionen oft sehr spät oder bei kleineren Fehlern gar nicht entdeckt. Ein Gerät zur Überwachung des Wirkungsgrades bei verschiedenen Betriebsbedingungen kann diesen Zustand anzeigen.
Zahlreiche verschiedene Energiewandler, Bauarten, Aufstellung und Umwelteinflüsse erschweren diese Aufgabe.
Erfindungsgemäßer Lösungsansatz
Das seit langem angewandte Prinzip, zu überwachende solare Strahlungswandler mit Referenzdaten eines geeigneten Strahlungssensors und weiteren Messwerten wie Temperatur, Einfallswinkel oder Standort zu vergleichen, kommt auch hier zur Anwendung.
Anders als bei den herkömmlichen Systemen werden jedoch keine Daten der physikalischen Eigenschaften oder der Hersteller von Solarmodulen oder -zellen verwendet, auch keine Zellen oder Module gleicher Bauart wie die zu überwachenden Solarmodule. Die Einflüsse des Solarzellentyps, des Modulaufbaus oder der Installation sind sehr komplex und lassen sich kaum mit theoretischen Modellen für die geplante Anwendung genau genug bestimmen.
Es wird vielmehr die spektral verteilte Intensität des einfallenden Lichts in einem vorgegebenen Raster von Wellenlängenbereichen von einem oder mehreren Strahlungssensoren gemessen. Damit kann die von der Lichtwellenlänge abhängige Leistung der Wandlermodule bewertet werden. Die Werte der spektralen Strahlungsintensität, Außen- und Modultemperaturen, Wind, Zeitpunkt und Einfallswinkel werden erfasst und bilden die Einstrahlungsparameter. Zeitnah oder quasi gleichzeitig wird die Leistung der installierten Module gemessen. Zusammengehörende Einstrahlungsparameter und Modulleistungen werden abgespeichert.
Bei später wiederkehrenden, ähnlichen Einstrahlungsparametern wird die gespeicherte mit der aktuellen Modulleistung verglichen.
Falls die aktuelle Leistung geringer ist, wird ein Warnhinweis erzeugt.
Falls sie größer ist, wird die alte Modulleistung durch die aktuelle ersetzt. Auf diese Weise wird ein Maximum ermittelt. Zugleich wird eine Meldung erzeugt, die auf die Möglichkeit eines Fehlers bei den Messungen der Einstrahlungsparameter hinweist.
Das Verfahren hat den Vorteil, dass auch preiswerte, nicht kalibrierte Sensoren insbesondere zur Messung der Lichteinstrahlung verwendet werden können, wodurch sich der Einsatz auch bei kleineren Anlagen lohnen kann. Das Gerät kann sich z. B. nach einer Reparatur oder einem Austausch von Komponenten nach diesem Verfahren in kurzer Zeit wieder selbst auf die Gegebenheiten einer Anlage einstellen, indem es die Leistungswerte bei verschiedensten Bedingungen misst und erneut abspeichert.
Liegen die aktuellen Einstrahlungsparameter zwischen gespeicherten Werten, so kann eine genauere Auswertung durch Interpolieren im Gerät ermittelt werden.
Verschiedene Typen von Strahlungswandlern können mit demselben Gerät überwacht werden.
Der Einsatz mehrerer Sensoren zur Messung gleichartiger Daten an verschiedenen Stellen kann durch Vergleich der Messwerte einen Hinweis auf Ausfall oder Fehlmessungen liefern, ein größeres Feld mit Strahlungswandlern bei z. B. Abschattung durch Wolken überwachen oder zur Bewertung gleichmäßiger Einstrahlung über einen bestimmten Zeitraum herangezogen werden.
Die Zeitpunkte der Reinigung der Referenzsensoren oder der Energiewandler kann verwendet werden um falsche Messwerte im Zeitraum vor der Reinigung zu erkennen. Werte unmittelbar nach einer Reinigung haben z. B. eine höhere Signifikanz.
Beim laufenden Betrieb solartechnischer Anlagen zur Energieerzeugung wird der aktuelle Wirkungsgrad mit einem früher ermittelten maximalen Wirkungsgrad der Anlage verglichen, wodurch ein außergewöhnlicher Leistungsabfall schnell bemerkt werden kann.
Strahlung gelangt von der Sonne/Strahlungsquelle S auf Solarmodule SM. Die Strahlung und Umgebungsparameter werden auch von Referenzsensoren RS gemessen. Eine Leistungsmessung P ermittelt die abgegebene Leistung N. Diese wird zusammen mit den Daten von RS einem Prozessmodul PM zugeführt. Dieses kann Datensätze in einen Speicher M ablegen (a) oder vorher abgelegte Sätze von M abholen (b). Sind bei den gemessenen Referenzdaten noch keine Werte gespeichert, so wird ein neuer Datensatz aus Referenzdaten und Leistungsdaten erstellt. Ist bereits ein Datensatz mit gleichen oder ähnlichen Referenzdaten vorhanden, werden die früher gespeicherten Leistungsdaten mit den aktuellen verglichen. Sind die aktuell gemessenen Leistungsdaten geringer, so wird eine Warnung ausgegeben und angezeigt. Sind sie gleich, so ist die Anlage in Ordnung. Sind die aktuellen Daten höher als die gespeicherten, so könnte ein Sensorfehler vorliegen. Dies wird angezeigt und die neuen Leistungsdaten werden für spätere Bewertungen abgespeichert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 4253764 [0005]
US 2006/0085167 A1 [0006]

Claims

Gerät und Verfahren zur Anzeige eines Leistungsabfalls bei solartechnischen Anlagen zur Energieerzeugung (STAE) durch Messung der von den Solarmodulen abgegebenen Leistung, sowie der Daten mindestens eines Referenzdatensatzes bestehend aus Sensoren zur Messung der Einstrahlung, der Lichtintensität, Umgebungs- und Wandlertemperatur, Wind, sowie Datum und Uhrzeit, einer Methode oder einem Sensor zur Ermittlung des Einfallswinkels der Strahlung auf den Strahlungswandler oder einem Teil dieser Daten, mit der Eigenschaft, dass unter verschiedenen im praktischen Betrieb vorkommenden Bedingungen der Strahlungssensor die Intensitäten bei verschiedenen Lichtwellenlängen misst, dass diese und die weiteren oben angegebenen Messwerte in einem Speicher zeitnah oder gleichzeitig zusammengehörig abgelegt und dass diese zur Bestimmung des Wirkungsgrades bei späteren, ähnlichen Einstrahlungsbedingungen als Vergleich herangezogen werden, mit dem Ziel, einen Leistungsabfall oder Störung zu erkennen und anzuzeigen.
Gerät und Verfahren nach 1. mit der Eigenschaft, dass die Sensoren nicht kalibriert sein müssen.
Gerät und Verfahren nach 1.–2. mit der Eigenschaft, dass bei Einstrahlungsbedingungen, die zwischen den gespeicherten Datensätzen liegen, der Messdatensatz durch Interpolieren benachbarter gespeicherter Werte ermittelt wird;
Gerät und Verfahren nach 1.–3. mit der Eigenschaft, dass mit denselben Sensorsätzen auch verschiedenartige Solarmodule oder Modulgruppen erfasst werden;
Gerät und Verfahren nach 1.–4. mit der Eigenschaft, dass Referenzdaten durch mehrere Referenzsensoren erfasst werden und deren Daten in einen erweiterten Datensatz mit aufgenommen werden;
Gerät und Verfahren nach 1. mit der Eigenschaft dass der Strahlungssensor eine Referenzbeleuchtung eingebaut hat, mit deren Hilfe er gelegentlich manuell oder automatisch auf seine Ausgangswerte relativ kalibriert werden kann;
Gerät und Verfahren nach obigen Ansprüchen mit der Eigenschaft, dass der Zeitpunkt der Reinigung des/der Strahlungssensoren oder der Solarmodule mit in die gespeicherten Datensätze und in die Auswertung und Anzeige mit übernommen werden;
Gerät und Verfahren nach obigen Ansprüchen mit der Eigenschaft, dass falls die Leistung der Solarmodule höher als der gespeicherte Wert ist ein Warnhinweis abgegeben wird und der neue Wert bis auf Widerruf als neuer Maximalwert gespeichert und verwendet wird;
Gerät und Verfahren nach obigen Ansprüchen mit der Eigenschaft, dass die Vergleiche nur durchgeführt werden wenn über einen vordefinierten Zeitraum konstante Messwerte ermittelt werden oder bei mehreren Strahlungssensoren deren Messwerte in einem vergleichbaren Bereich liegen.
Gerät und Verfahren nach obigen Punkten, mit der Eigenschaft dass benachbarte, abgespeicherte Werte zur Kontrolle der Plausibilität eines neuen Messwertesatzes herangezogen werden, bevor dieser als gültig abgespeichert wird.