DE102019110154A1

DE102019110154A1 - Verfahren zur Steuerung einer Kühleinrichtung einer Photovoltaikanlage sowie Photovoltaikanlage mit einer Kühleinrichtung

Info

Publication number: DE102019110154A1
Application number: DE102019110154.9A
Authority: DE
Inventors: Christian Jahn
Original assignee: Innogy SE
Current assignee: Innogy SE
Priority date: 2019-04-17
Filing date: 2019-04-17
Publication date: 2020-10-22
Also published as: WO2020212206A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Kühleinrichtung (20) einer Photovoltaikanlage (2), bei dem Umweltdaten (64) und/oder Betriebsdaten (65) erhalten werden, bei dem auf Basis der Umweltdaten (64) und/oder Betriebsdaten (65) ein Wert (T(t1)) für eine prognostizierte Temperatur der Photovoltaikanlage (2) zu einem zukünftigen Zeitpunkt (t1) berechnet wird und bei dem der Betrieb der Kühleinrichtung (20) abhängig von dem berechneten Wert (T(t1)) für die prognostizierte Temperatur gesteuert wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Photovoltaikanlage (2), insbesondere Photovoltaik-Freiflächenanlage, mit einer Mehrzahl an Photovoltaikmodulen (10), mit einer steuerbaren Kühleinrichtung (20) umfassend Kühlelemente (30), die zur Kühlung der einzelnen Photovoltaikmodule (10) eingerichtet sind, und mit einer Steuereinrichtung (40) zur Steuerung der Kühleinrichtung (20), wobei die Steuereinrichtung (40) zur Steuerung der Kühleinrichtung (20) entsprechend des zuvor beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Kühleinrichtung einer Photovoltaikanlage sowie eine Photovoltaikanlage mit einer Kühleinrichtung.
Photovoltaikanlagen sind bei der Erzeugung von Strom stark temperaturabhängig. Paradoxerweise sinkt die Stromerzeugung gerade dann, wenn die Temperaturen der Photovoltaikmodule zu hoch sind, also dann, wenn die Sonne scheint, die zur Erzeugung von Strom notwendig ist.
Die ideale Temperatur zum Betreiben einer Photovoltaikanlage liegt, je nach Hersteller und Modul, bei ungefähr 25°C. Steigen die Temperaturen im Modul signifikant darüber, sinkt die Stromerzeugung. Dies führt dazu, dass die Leistung von Photovoltaikanlagen in heißen Sommern nicht ideal ist. Diese Problematik gilt sowohl für herkömmliche Si-basierte Photovoltaikmodule als auch für organische Photovoltaikmodule, auch wenn deren Leistungsverhalten weniger temperaturempfindlich ist.
Bei kleinen Photovoltaikanlagen, zum Beispiel im privaten Bereich auf Haus- oder Garagendächern, werden zum Teil Kühlanlagen eingesetzt, um die Temperatur der Photovoltaikmodule zu regulieren.
Am Markt sind verschiedene Systeme zur Kühlung von Photovoltaikanlagen erhältlich. Diese basieren in den meisten Fallen auf einer Wasserkühlung, indem Wasser über das Photovoltaikmodul fließt und somit die Modultemperatur sinkt. Diese Kühlsysteme werden zugeschaltet, wenn die Temperatur der Photovoltaikmodule einen bestimmten, zuvor eingestellten Temperaturgrenzwert überschreitet, und werden abgeschaltet, wenn eine ebenfalls zuvor eingestellte untere Zieltemperatur erreicht ist. Sobald der eingestellte Temperaturgrenzwert wieder erreicht wird, beginnt der Kühlprozess erneut.
So erfolgt die Aktivierung der Kühlung im Stand der Technik bei Erreichen eines vorgegebenen Temperaturgrenzwerts. Hat ein Photovoltaikmodul jedoch erst einmal den Temperaturgrenzwert erreicht, ist eine Stromerzeugung zwar noch gewährleistet, diese ist jedoch nicht mehr so hoch wie bei der idealen Betriebstemperatur, bei der die Stromerzeugung ein Maximum erreicht. Die durch die Kühlung bewirkte Leistungssteigerung der Photovoltaikanlage ist dann nicht ideal.
Zwar wäre es möglich, den Temperaturgrenzwert nur wenig oberhalb der idealen Betriebstemperatur zu setzen. Dies hätte jedoch zur Folge, dass die Kühleinrichtung sehr früh und über einen langen Zeitraum aktiviert würde, wodurch die Stromkosten erhöht werden und der Einsatz der Kühleinrichtung unrentabel wird.
Bei größeren, typischerweise professionellen Photovoltaikanlagen, insbesondere bei Photovoltaik-Freiflächenanlage, werden derartige Kühlanlagen bisher kaum eingesetzt, da der Invest für die Kühlanlage und insbesondere der für den Betrieb der Kühlanlage erforderliche Stromverbrauch im Vergleich zu den mit der Kühlanlage erreichten Leistungssteigerung der Photovoltaikanlage zu hoch ist.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zur Steuerung einer Kühleinrichtung einer Photovoltaikanlage sowie eine Photovoltaikanlage mit Kühleinrichtung zur Verfügung zu stellen, mit denen ein besseres Verhältnis von Leistungssteigerung und Betriebskosten erreicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung einer Kühleinrichtung einer Photovoltaikanlage, bei dem Umweltdaten und/oder Betriebsdaten erhalten werden, bei dem auf Basis der Umweltdaten und/oder Betriebsdaten ein Wert für eine prognostizierte Temperatur der Photovoltaikanlage zu einem zukünftigen Zeitpunkt berechnet wird und bei dem der Betrieb der Kühleinrichtung abhängig von dem berechneten Wert für die prognostizierte Temperatur gesteuert wird.
Es wurde erkannt, dass die Regelung bisheriger Kühleinrichtungen auf Basis aktuell gemessener Temperaturwerte und händisch vorgegebener Temperaturgrenzwerte nicht ideal ist.
Bei dem zuvor beschriebenen Verfahren erfolgt die Steuerung demgegenüber nicht anhand eines aktuellen Temperaturwerts sondern über einen anhand von Umweltdaten und/oder Betriebsdaten prognostizierten Temperaturwert. Auf diese Weise kann die voraussichtliche Temperaturentwicklung der Photovoltaikmodule berücksichtigt werden, so dass einer prognostizierten Erwärmung in einen Temperaturbereich mit geringerer Leistung rechtzeitig entgegengewirkt werden kann.
Dadurch kann insbesondere eine optimierte Betriebsführung stattfinden, indem unter Einbeziehung von Umweltdaten und/oder Betriebsdaten möglichst zuverlässige Vorhersagen über die Temperaturentwicklung der Photovoltaikmodule getroffen werden können, so dass die Photovoltaikanlage durch entsprechende Steuerung der Kühleinrichtung möglichst durchgehend im idealen Bereich gefahren werden kann und die Erträge dadurch optimiert werden können.
Bei dem prognostizierten Temperaturwert kann es sich beispielsweise um einen prognostizierten Temperaturwert eines einzelnen Photovoltaikmoduls handeln oder um einen prognostizierten mittleren Temperaturwert mehrerer Photovoltaikmodule der Photovoltaikanlage. Es ist ebenfalls denkbar, mehrere prognostizierte Temperaturwerte für verschiedene Photovoltaikmodule oder mehrere prognostizierte mittlere Temperaturwerte für verschiedene Gruppen von Photovoltaikmodulen zu berechnen.
Die Umweltdaten und/oder Betriebsdaten können insbesondere kontinuierlich empfangen und Werte für die prognostizierte Temperatur der Photovoltaikanlage können insbesondere kontinuierlich auf Basis der empfangenen Umweltdaten und/oder Betriebsdaten berechnet werden. Auf diese Weise kann die Temperaturentwicklung, insbesondere die prognostizierte Temperaturentwicklung der Photovoltaikanlage kontinuierlich verfolgt werden, so dass die Photovoltaikanlage durch eine entsprechende kontinuierliche Steuerung der Kühleinrichtung möglichst durchgehend in einem idealen Bereich gefahren werden kann.
Die Prognose der Temperatur erfolgt insbesondere auf Basis erhaltener Umweltdaten. Die Umweltdaten können zum Beispiel von einem oder mehreren lokalen Messgeräten erhalten werden, insbesondere Messgeräten zur Messung der Umgebungstemperatur, der Sonneneinstrahlung, der Windgeschwindigkeit, des Niederschlags, des Luftdrucks und/oder der Bewölkung. Alternativ oder zusätzlich können Umweltdaten, insbesondere Werte für die Umgebungstemperatur, für die Sonneneinstrahlung, für die Windgeschwindigkeit, für den Niederschlag, den Luftdruck und/oder für die Bewölkung, über eine Kommunikationsverbindung von einer externen Quelle, beispielsweise einem meteorologischen Dienst, empfangen werden.
Die Umweltdaten enthalten vorzugsweise Werte von Messgrößen der aktuellen Wettersituation, insbesondere am Standort der Photovoltaikanlage. Auf diese Weise wird eine zuverlässige Prognose der Temperatur zu einem zukünftigen Zeitpunkt ermöglicht.
Es wurde erkannt, dass die Temperaturentwicklung der Photovoltaikmodule von verschiedenen äußeren Umwelteinflüssen wie Windgeschwindigkeit, Umgebungstemperatur, Sonneneinstrahlung, Niederschlag, und Bewölkung abhängig ist. Indem Umweltdaten zur Berechnung der prognostizierten Temperatur verwendet werden, kann eine zuverlässigere Prognose der Temperaturentwicklung erreicht werden. Vorzugsweise umfassen die empfangenen und zur Berechnung der prognostizierten Temperatur verwendeten Umweltdaten Werte von zwei oder mehr als zwei Messgrößen, insbesondere von zwei oder mehr der folgenden Messgrößen: Umgebungstemperatur, Sonneneinstrahlung, Windgeschwindigkeit, Niederschlag, Luftdruck und/oder Bewölkung.
Zusätzlich oder alternativ erfolgt die Prognose der Temperatur insbesondere auf Basis erhaltener Betriebsdaten, insbesondere Betriebsdaten der Photovoltaikanlage. Die Betriebsdaten können insbesondere von einem oder mehreren Messgeräten an der Photovoltaikanlage, beispielsweise von Strom- oder Spannungsmessgeräten, oder von einer Steuereinrichtung der Photovoltaikanlage erhalten werden.
Es wurde erkannt, dass die Temperaturentwicklung der Photovoltaikmodule auch von Betriebsdaten der Photovoltaikanlage abhängig ist, insbesondere von der aktuellen Stromerzeugung. Indem Betriebsdaten zur Berechnung der prognostizierten Temperatur verwendet werden, kann eine zuverlässigere Prognose der Temperaturentwicklung erreicht werden.
Entsprechend wird der Wert für die prognostizierte Temperatur der Photovoltaikanlage vorzugsweise auf Basis eines Werts für die Stromerzeugung der Photovoltaikanlage berechnet, insbesondere eines Werts für die Stromstärke des aktuell erzeugten Stroms oder eines Werts für die aktuelle Leistung der Photovoltaikanlage. Die Photovoltaikanlage weist zu diesem Zweck vorzugsweise ein Messgerät zur Bestimmung eines Werts für die aktuelle Stromerzeugung der Photovoltaikanlage auf. Durch Berücksichtigung der Stromerzeugung, insbesondere der aktuellen Stromstärke oder Leistung der Photovoltaikanlage kann die Prognose der Temperaturentwicklung verbessert werden, insbesondere indem auf diese Weise Erwärmungseffekte aufgrund der vom erzeugten Strom bewirkten joulesche Wärme bei der Berechnung der prognostizierten Temperatur berücksichtigt werden. So bewirkt eine hohe Stromproduktion typischerweise eine hohe Temperatur der Photovoltaikmodule. Die Betriebsdaten können insbesondere Werte für die Stromerzeugung der gesamten Photovoltaikanlage und/oder Werte für die Stromerzeugung einzelner Photovoltaikmodule oder Gruppen von Photovoltaikmodulen umfassen.
Die oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin gelöst durch eine Photovoltaikanlage, insbesondere eine Photovoltaik-Freiflächenanlage, mit einer Mehrzahl an Photovoltaikmodulen, mit einer steuerbaren Kühleinrichtung umfassend Kühlelemente, die zur Kühlung der einzelnen Photovoltaikmodule eingerichtet sind, und mit einer Steuereinrichtung zur Steuerung der Kühleinrichtung, wobei die Steuereinrichtung zur Steuerung der Kühleinrichtung entsprechend des zuvor beschriebenen Verfahrens oder einer Ausführungsform davon eingerichtet ist.
Im Folgenden werden weitere Ausführungsformen des Verfahrens und der Photovoltaikanlage beschrieben, wobei die einzelnen Ausführungsformen sowohl für das Verfahren als auch für die Photovoltaikanlage gelten. Weiterhin sind die einzelnen Ausführungsformen untereinander kombinierbar.
Bei einer Ausführungsform wird ein Wert für eine prognostizierte Temperatur der Photovoltaikanlage zu einem zukünftigen Zeitpunkt auf Basis der Umweltdaten und auf Basis von Betriebsdaten der Photovoltaikanlage berechnet. Durch die Berücksichtigung sowohl von Umweltdaten als auch von Betriebsdaten zur Berechnung der prognostizierten Temperatur kann die Genauigkeit der Prognose verbessert werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird der Betrieb der Kühleinrichtung weiter abhängig von einem Wert für die Stromerzeugung, insbesondere für die aktuelle Stromstärke oder Leistung, der Photovoltaikanlage gesteuert. Auf diese Weise kann die Regelung der Kühleinrichtung weiter verbessert werden. Beispielsweise kann die Steuerung der Kühleinrichtung angepasst werden, wenn die tatsächliche Stromerzeugung der Photovoltaikanlage von einer zum Beispiel anhand einer vorgegebenen Leistungskurve prognostizierten Stromerzeugung, abweicht.
Insbesondere kann eine vorgegebene Leistungskurve der Photovoltaikanlage bei der Berechnung der prognostizierten Temperatur, insbesondere bei der Schulung eines selbstlernenden Systems, und/oder bei der Steuerung der Kühleinrichtung verwendet werden, insbesondere zur Vorgabe von Vergleichswerten für einen Soll-Ist-Vergleich zwischen der Leistungskurve und Betriebsdaten der Photovoltaikanlage.
Bei einer Ausführungsform wird ein Wert für eine prognostizierte Temperatur der Photovoltaikanlage zu einem zukünftigen Zeitpunkt auf Basis der Umweltdaten und/oder Betriebsdaten und auf Basis von Anlagendaten der Photovoltaikanlage berechnet. Es wurde erkannt, dass sich die Temperaturentwicklung der Photovoltaikanlage auch durch die Berücksichtigung von Anlagendaten der Photovoltaikanlage besser prognostizieren lässt, beispielsweise durch Berücksichtigung thermischer Leitfähigkeiten der Anlagenkonstruktion.
Durch die Berücksichtigung von Umweltdaten und/oder Betriebsdaten und vorzugsweise zusätzlich von Anlagendaten der Photovoltaikanlage können gute Prognosen über die Erwärmung der Photovoltaikmodule in Abhängigkeit der Eingangsparameter berechnet werden. Auf diese Weise können insbesondere bereits vor dem Erreichen von Grenzwerten die Kühleinrichtung aktiviert werden und/oder deren Betriebsparameter so angepasst werden, dass der ideale Temperaturbereich der Photovoltaikanlage eingehalten wird. Mit dem beschriebenen Verfahren kann damit eine möglichst optimale Betriebsführung einer Photovoltaikanlage erreicht werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird ein Wert für eine prognostizierte Temperatur der Photovoltaikanlage zu einem Zeitpunkt berechnet, der im Bereich von 10 Minuten bis 2 Stunden, vorzugsweise im Bereich von 15 Minuten bis 45 Minuten nach dem aktuellen Zeitpunkt liegt. Einerseits kann die Temperaturentwicklung in diesem Zeitfenster recht einfach und zuverlässig prognostiziert werden und andererseits ermöglicht der zeitliche Abstand zum aktuellen Zeitpunkt das Ergreifen von Gegenmaßnahmen, wenn eine unerwünschte Temperaturerhöhung prognostiziert wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform werden eine Kühlzeit und/oder eine Kühlleistung der Kühleinrichtung abhängig von dem berechneten Wert für die prognostizierte Temperatur gesteuert. Insbesondere können abhängig von dem berechneten Wert für die prognostizierte Temperatur der Start- und Endzeitpunkt und/oder die Zeitdauer für die Aktivierung der Kühleinrichtung gesteuert werden. Zusätzlich oder alternativ kann auch die Leistung gesteuert werden, mit der die Kühleinrichtung kühlt. Beispielsweise kann die Kühlzeit und/oder die Kühlleistung abhängig von einer Differenz des berechneten Werts für die prognostizierte Temperatur zu einem Referenzwert gesteuert werden. Dies ermöglicht eine dynamische Regelung der Kühleinrichtung, bei der die Kühlzeit und/oder Kühlleistung an den prognostizierten Kühlbedarf angepasst wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird der Betrieb der Kühleinrichtung abhängig von dem berechneten Wert für die prognostizierte Temperatur und abhängig vom Kühlverhalten der Kühleinrichtung gesteuert. Das Kühlverhalten der Kühleinrichtung kann beispielsweise Informationen über Latenzzeiten beinhalten, die die Kühleinrichtung zwischen Aktivierung und Bereitstellung der Kühlleistung benötigt, oder über die Kühlleistung der Kühleinrichtung, ggf. abhängig von Umweltdaten wie zum Beispiel der Umgebungstemperatur und/oder von Betriebsdaten wie zum Beispiel der aktuellen Stromerzeugung. Auf diese Weise wird das Verhalten der Kühleinrichtung bei deren Steuerung mitberücksichtigt, so dass eine punktgenaue Bereitstellung der erforderlichen Kühlleistung und damit eine bessere Steuerung der Temperatur erreicht werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird der Wert für die prognostizierte Temperatur der Photovoltaikanlage mittels eines selbstlernenden Systems, insbesondere eines Systems für maschinelles Lernen, berechnet, beispielsweise mit einem künstlichen neuronalen Netz oder einem Fuzzylogik-System. Zu diesem Zweck kann das selbstlernende System mit Trainingsdaten geschult werden, beispielsweise mit Umweltdaten und zugehörigen Daten für die Temperaturentwicklung, so dass das selbstlernende System in die Lage versetzt wird, eine Temperatur der Photovoltaikanlage anhand von Umweltdaten und/oder Betriebsdaten zu prognostizieren. Insbesondere kann das selbstlernende System auf diese Weise Abhängigkeiten der verwendeten Trainingsdaten erkennen und diese erkannten Abhängigkeiten bei der Berechnung der prognostizierten Temperatur verwenden.
Die Struktur eines selbstlernenden Systems und dessen Schulung mit Trainingsdaten, insbesondere eines selbstlernenden Systems mit einem neuronalen Netz, sind an sich bekannt, beispielsweise aus dem Wikipedia-Artikel „Künstliches neuronales Netz“, abgerufen am 20. März 2019, und muss daher an dieser Stelle nicht im Einzelnen erläutert werden.
Durch die Verwendung eines selbstlernenden Systems kann die Temperaturprognose dynamisch an die jeweilige Photovoltaikanlage und aufgetretene Szenarien angepasst werden. Alternativ ist es aber auch denkbar, die Berechnungsweise der prognostizierten Temperatur aus den Umweltdaten und/oder Betriebsdaten von außen vorzugeben.
Weiterhin kann das selbstlernende System auch mit Steuerdaten der Kühleinrichtung zur Regelung der Temperatur der Photovoltaikanlage abhängig von der prognostizierten Temperatur durch Steuerung der Kühleinrichtung geschult werden, so dass das selbstlernende System in die Lage versetzt wird, die Kühleinrichtung abhängig von der prognostizierten Temperaturentwicklung zu steuern. Insbesondere kann das selbstlernende System auf diese Weise Abhängigkeiten der verwendeten Trainingsdaten erkennen und diese erkannten Abhängigkeiten bei der Steuerung der Kühleinrichtung verwenden.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird die Konsistenz der erhaltenen Umweltdaten und/oder Betriebsdaten überprüft. Auf diese Weise können die Umweltdaten und/oder Betriebsdaten auf das mögliche Auftreten eines Fehlers untersucht werden. Dies ermöglicht zum Beispiel die Ausgabe einer Warnmeldung über eine Nutzerschnittstelle, die den Nutzer auf einen möglichen Fehler aufmerksam macht, so dass der Nutzer diesen Fehler ggf. beheben kann. Weiterhin können durch die Konsistenzprüfung inkonsistente Umweltdaten und/oder Betriebsdaten bei der Berechnung des Werts für die prognostizierte Temperatur außer Acht gelassen werden, so dass eine Verfälschung der Prognose vermieden wird. Zu diesem Zweck werden zur Berechnung des Werts für die prognostizierte Temperatur vorzugsweise nur als konsistent bestimmte Umweltdaten und/oder Betriebsdaten verwendet.
Bei der Konsistenzprüfung der erhaltenen Umweltdaten und/oder Betriebsdaten kann beispielsweise überprüft werden, ob sich die erhaltenen Umweltdaten und/oder Betriebsdaten innerhalb vorgegebener Grenzen bewegen. Umfassen die Umweltdaten beispielsweise einen Wert für eine Umgebungstemperatur, insbesondere die Lufttemperatur, so kann überprüft werden, ob sich der erhaltene Wert innerhalb sinnvoller Grenzen bewegt, beispielsweise innerhalb eines Bereichs von -20°C und +50°C. Liegt der Wert für die Umgebungstemperatur außerhalb dieses Bereichs, ist es wahrscheinlich, dass der Wert fehlerhaft ist, beispielsweise wegen eines defekten Temperatursensors. Umfassen die Betriebsdaten beispielsweise Werte für die Stromerzeugung einzelner Photovoltaikmodule, so kann, wenn von der Photovoltaikanlage insgesamt Strom erzeugt wird, überprüft werden, ob der erhaltene Wert oberhalb einer vorgegebenen Mindeststromerzeugung liegt. Eine geringere Stromerzeugung kann auf einen Defekt des entsprechenden Photovoltaikmoduls hindeuten.
Weiterhin kann bei der Konsistenzprüfung der erhaltenen Umweltdaten und/oder Betriebsdaten überprüft werden, ob die erhaltenen Umweltdaten und/oder Betriebsdaten untereinander konsistent sind. Zu diesem Zweck kann zum Beispiel das Verhalten von Daten einer Messgröße über die Zeit überprüft werden. So kann ein Anstieg oder Abfall einer Messgröße von einem Zeitschritt zum nächsten, der über einem vorgegebenen maximalen Änderungswert für die Messgröße liegt, auf einen Fehler hindeuten. Weiterhin kann das Verhalten von gleichzeitig empfangen Umweltdaten und/oder Betriebsdaten miteinander verglichen werden.
Werden mit den Umweltdaten beispielsweise Werte für Temperaturen mehrerer benachbarter Photovoltaikmodule empfangen und weicht der Temperatur-Wert für ein Photovoltaikmodul mehr als eine vorgegebene Toleranzabweichung von den Temperatur-Werten der anderen Photovoltaikmodule ab, so kann dies auf einen Fehler hindeuten, wie zum Beispiel einen Fehler in der elektrischen Verschaltung.
Werden mit den Betriebsdaten beispielsweise Werte für die Stromerzeugung mehrerer Photovoltaikmodule oder Gruppen von Photovoltaikmodulen empfangen und weicht der Wert für die Stromerzeugung eines Photovoltaikmoduls oder einer Gruppe von Photovoltaikmodulen mehr als eine vorgegebenene Toleranzabweichung von den Stromerzeugungs-Werten der anderen Photovoltaikmodule oder Gruppen von Photovoltaikmodulen ab, so kann dies auf einen Defekt des betreffenden Photovoltaikmoduls und/oder der betreffenden Gruppe von Photovoltaikmodulen hinweisen.
Bei Verwendung eines selbstlernenden Systems kann dieses mit Trainingsdaten auch dazu geschult werden, um zwischen relevanten und fehlerhaften Daten zu unterscheiden, so dass die Konsistenzprüfung, insbesondere die Bestimmung von Fehlerdaten, mit einem solchen selbstlernenden System durchgeführt werden kann.
Bei einer weiteren Ausführungsform werden ein erster Wert für eine prognostizierte Temperatur eines ersten Bereichs der Photovoltaikanlage und ein zweiter Wert für eine prognostizierte Temperatur eines zweiten Bereichs der Photovoltaikanlage berechnet und ein dem ersten Bereich der Photovoltaikanlage zugeordneter erster Teil der Kühleinrichtung wird abhängig vom ersten Wert und ein dem zweiten Bereich der Photovoltaikanlage zugeordneter zweiter Teil der Kühleinrichtung wird abhängig vom zweiten Wert gesteuert. Auf diese Weise kann ein zielgerichteter Einsatz der Kühleinrichtung erreicht werden, wodurch die Betriebskosten der Kühleinrichtung reduziert werden. Insbesondere kann eine große Photovoltaik-Freiflächenanlage in mehrere Unterfelder mit jeweils mehreren Photovoltaikmodulen aufgeteilt werden, wobei die Kühleinrichtung separat für die jeweiligen Unterfelder gesteuert wird. Gerade bei großen Photovoltaikanlagen können Bereiche mit unterschiedlichen örtlichen Einflussfaktoren auftreten, beispielsweise Bereiche mit unterschiedlicher Ausrichtung zur Sonne oder mit unterschiedlichen Abschattungseffekten. Durch die separate Steuerung der Kühleinrichtung für mehrere Bereiche können derartige Unterschiede bei der Steuerung berücksichtigt werden.
Die Berücksichtigung der jeweiligen örtlichen Einflussfaktoren auf die einzelnen Bereiche der Photovoltaikanlage kann dadurch verbessert werden, dass der erste Wert auf Basis der Umweltdaten und/oder Betriebsdaten und ersten Standortdaten für den ersten Bereich der Photovoltaikanlage und der zweite Wert auf Basis der Umweltdaten und/oder Betriebsdaten und zweiten Standortdaten für den zweiten Bereich der Photovoltaikanlage berechnet werden. Auf diese Weise können Einflussfaktoren wie die Ausrichtung zur Sonne oder zum Beispiel tageszeitabhängige Abschattungseffekte bei der Berechnung des jeweiligen Werts der prognostizierten Temperatur berücksichtigt werden, so dass die Prognose für die einzelnen Bereiche der Photovoltaikanlage verbessert wird.
Bei einer entsprechenden Ausführungsform der Photovoltaikanlage weist die Photovoltaikanlage einen ersten und einen zweiten räumlich abgegrenzten Bereich auf, wobei der erste und der zweite Bereich jeweils eine Mehrzahl an Photovoltaikmodulen umfassen, weist die Kühleinrichtung einen ersten Teil mit den zur Kühlung der Photovoltaikmodule im ersten Bereich vorgesehenen Kühlelementen und einen zweiten Teil mit den zur Kühlung der Photovoltaikmodule im zweiten Bereich vorgesehenen Kühlelementen auf und sind der erste Teil und der zweite Teil der Kühleinrichtung mit der Steuereinrichtung separat steuerbar.
Weitere Merkmale und Vorteile des Verfahrens und der Photovoltaikanlage ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird.
Figurenliste

1a-b ein Ausführungsbeispiel der Photovoltaikanlage in schematischer Darstellung und
2 ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens in schematischer Darstellung.

1a-b zeigen ein Ausführungsbeispiel der Photovoltaikanlage in schematischer Darstellung. 1a zeigt eine schematische Überblicksdarstellung. 1b zeigt eine schematische Schnittansicht entsprechend der in 1a mit „Ib“ bezeichneten Schnittebene.
Bei der in 1a dargestellten Photovoltaikanlage 2 handelt es sich um eine Freiflächen-Photovoltaikanlage mit räumlich getrennten Bereichen 4, 6, 8, von denen jeder eine Mehrzahl an Photovoltaikmodulen 10 umfasst. Die Photovoltaikmodule 10 sind wie in 1b gezeigt mittels eines Ständerwerks 12 auf dem Untergrund 14 aufgestellt. Optional kann eine Verfahreinrichtung (nicht dargestellt) vorgesehen sein, um die Photovoltaikmodule 10 abhängig vom aktuellen Sonnenstand auszurichten.
Die Photovoltaikmodule 10 sind elektrisch über Leistungselektronik (nicht dargestellt), insbesondere elektrische Wechselrichter umfassend, mit einem Einspeisepunkt (nicht dargestellt) verbunden, um die von den Photovoltaikmodulen 10 bereitgestellte elektrische Leistung in das örtliche Stromnetz einzuspeisen.
Weiterhin umfasst die Photovoltaikanlage 2 eine Kühleinrichtung 20 zur Kühlung der einzelnen Photovoltaikmodule 10. Zu diesem Zweck umfasst die Kühleinrichtung 20 eine steuerbare Wasserversorgungseinrichtung 22, an die ein Leitungssystem 24 mit im vorliegenden Beispiel drei Hauptleitungen 26a-c angeschlossen ist, durch das von der Wasserversorgungseinrichtung 22 zur Verfügung gestelltes Wasser bis zu den einzelnen Photovoltaikmodulen 10 geführt wird, wo es aus mit Düsenöffnungen 28 versehenen Kühlelementen 30 austritt und auf die Kollektoroberfläche 32 der einzelnen Photovoltaikmodule 10 gelangt.
Die jeweiligen Hauptleitungen 26a-c versorgen die Kühlelemente 30 der Photovoltaikmodule 10 jeweils eines der Bereiche 4, 6, und 8. Die Wasserversorgungseinrichtung 22 kann weiterhin derart angesteuert werden, dass die drei Hauptleitungen 26a-c unabhängig voneinander mit einer jeweils gewünschten Menge Wasser beaufschlagt werden können. Auf diese Weise weist die Kühleinrichtung 20 drei den jeweiligen Bereichen 4, 6, und 8 zugeordnete Teile 34, 36, 38 auf, die unabhängig voneinander ansteuerbar sind.
Zur Ansteuerung der Wasserversorgungseinrichtung 22 ist eine Steuereinrichtung 40 vorgesehen. Die Steuereinrichtung 40 ist dazu eingerichtet, Umweltdaten über Umweltbedingungen, insbesondere Wetterbedingungen, im Bereich der Photovoltaikanlage 2 zu erhalten. Zu diesem Zweck können beispielsweise ein oder mehrere Sensoren 42, 44a-c vorgesehen sein, die am Ort der Photovoltaikanlage 2 installiert sind und Umweltdaten im Bereich der Photovoltaikanlage 2 erfassen.
Bei dem Sensor 42 kann es sich beispielsweise um einen Temperatursensor zur Erfassung der Umgebungstemperatur, um einen Strahlungssensor zur Erfassung der Sonneneinstrahlung, um einen Windsensor zur Erfassung der Windgeschwindigkeit, um einen Niederschlagssensor zur Erfassung der Niederschlagsmenge, um einen Luftdrucksensor zur Erfassung des Luftdrucks oder um einen Bewölkungssensor zur Erfassung des Bewölkungsgrades handeln. Vorzugsweise sind Sensoren zur Erfassung mehrerer der zuvor genannten Umweltparameter vorgesehen.
Um Umweltdaten der einzelnen Bereiche 4, 6, 8 der Photovoltaikanlage 2 berücksichtigen zu können, können ein oder mehrere jeweilige Sensoren 44a-c in den entsprechenden Bereichen 4, 6, 8 vorgesehen sein, die Werte eines oder mehrerer der zuvor genannten Umweltparameter messen. Auf diese Weise kann zum Beispiel berücksichtigt werden, wenn sich die Temperaturen oder die Sonneneinstrahlung in den einzelnen Bereichen 4, 6, 8 unterscheiden, zum Beispiel wegen unterschiedlicher Ausrichtung zur Sonne (z.B. an verschieden ausgerichteten Hängen eines Berges oder an verschiedenen Seiten eines Gebäudes), unterschiedlicher lokaler Abschattungsgegebenheiten (z.B. durch Bebauung oder Geländeformationen) oder unterschiedlicher Höhenlagen (z.B. bei unterschiedlich hohen Bereichen an einem Berghang).
Weiterhin können auch Sensoren an einzelnen Photovoltaikmodulen 10 vorgesehen sein, mit denen beispielsweise die aktuelle Temperatur des jeweiligen Photovoltaikmoduls gemessen werden kann.
Die Steuereinrichtung 40 kann weiterhin dazu eingerichtet sein, Umweltdaten über ein Netzwerk 46, wie zum Beispiel das Internet, von einem entfernten Umweltdatendienst 48, beispielsweise einem meteorologischen Dienst, zu empfangen.
Die Steuereinrichtung 40 ist weiterhin dazu eingerichtet, Betriebsdaten über den Betrieb der Photovoltaikanlage 2 zu erhalten, insbesondere Werte für die aktuelle Stromerzeugung wie zum Beispiel einen Wert für die aktuell in das örtliche Stromnetz eingespeiste Leistung und/oder Werte für die aktuelle Leistung der Photovoltaikmodule 10 der einzelnen Bereiche 2, 4, 6. Zu diesem Zweck kann die Steuereinrichtung 40 mit der Leistungselektronik (nicht dargestellt) der Photovoltaikanlage 10 verbunden sein.
Die Steuerung der Kühleinrichtung 20 durch die Steuereinrichtung 40 wird nachfolgend anhand der 2 beschrieben.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Steuerung einer Kühleinrichtung einer Photovoltaikanlage, beispielsweise der Kühleinrichtung 20 der Photovoltaikanlage 2. Insbesondere kann die Steuereinrichtung 40 zur Steuerung der Kühleinrichtung 20 entsprechend des im Folgenden beschriebenen Verfahrens eingerichtet sein.
In einem ersten Schritt 62 werden Umweltdaten 64 erhalten, beispielsweise von am Ort der Photovoltaikanlage vorgesehenen Sensoren, wie den Sensoren 42 oder 44a-c in 1a, oder von einem Umweltdatendienst 48. Die Umweltdaten 64 enthalten Werte von Messgrößen der aktuellen Wettersituation am Standort der Photovoltaikanlage, vorzugsweise über die Umgebungstemperatur, die Sonneneinstrahlung, die Windgeschwindigkeit, den Niederschlag, den Luftdruck und/oder die Bewölkung. Vorzugsweise enthalten die Umweltdaten Werte für mindestens zwei verschiedene Messgrößen der aktuellen Wettersituation. Weist die Photovoltaikanlage mehrere Bereiche auf, beispielsweise die Bereiche 4, 6, 8 in 1a, so können gesonderte Umweltdaten für die einzelnen Bereiche erhalten werden.
Zusätzlich oder alternativ werden Betriebsdaten 65 erhalten, beispielsweise von der Leistungselektronik der Photovoltaikanlage 2, mit Werten für die aktuelle Stromerzeugung der Photovoltaikanlage 2 und/oder einzelner oder von Gruppen von Photovoltaikmodulen 10.
Im zweiten Schritt 66 wird auf Basis der erhaltenen Umweltdaten 64 und/oder Betriebsdaten 65 ein Wert für eine prognostizierte Temperatur der Photovoltaikanlage zu einem zukünftigen Zeitpunkt t₁ berechnet, beispielsweise ein Wert für die Temperatur eines Photovoltaikmoduls oder ein Wert für die mittlere Temperatur mehrerer Photovoltaikmodule. 2 zeigt (bei Bezugszeichen 66) schematisch eine gegen die Zeit aufgetragene Temperaturkurve für eine Temperatur am Ort der Photovoltaikanlage 2, beispielsweise für die Temperatur an einem Photovoltaikmodul 10. „t₀“ bezeichnet in 2 den aktuellen Zeitpunkt und „t₁“ den zukünftigen Zeitpunkt. Die Differenz t₁ - t₀ liegt vorzugsweise im Bereich von 10 - 120 Minuten, insbesondere 15 - 45 Minuten. Die gestrichelte Kurve 68 illustriert die auf Basis der Umweltdaten 64 und/oder Betriebsdaten 65 prognostizierte Temperaturentwicklung der Photovoltaikanlage 2.
Die Berechnung der Werte für die prognostizierte Temperatur kann beispielsweise mittels einer vorgegebenen Berechnungsweise, beispielsweise mittels eines vorgegebenen Prognosealgorithmus oder einer vorgegebenen Prognosefunktion auf Basis der Umweltdaten und/oder Betriebsdaten erfolgen. Alternativ kann die Steuereinrichtung 40 auch ein selbstlernendes System, beispielsweise mit einem künstlichen neuronalen Netz, umfassen, dass zuvor zur Prognose der Temperaturentwicklung auf Basis von Umweltdaten und/oder Betriebsdaten trainiert wurde.
Die prognostizierte Temperatur zum Zeitpunkt t₁, T(t₁), kann beispielsweise mit einem vorgegebenen Temperaturmaximum T_max verglichen werden. Liegt T(t₁) über Tmax, d.h. ist nach derzeitiger Prognose mit einem Temperaturanstieg bis zum Zeitpunkt t₁ über ein vorgegebenes Temperaturmaximum zu rechnen, so aktiviert die Steuereinrichtung die Kühleinrichtung 20, um einem solchen unerwünschten Temperaturanstieg entgegenzuwirken.
Auf diese Weise wird die Kühleinrichtung 20 auf Basis einer Prognose gesteuert, so dass ein frühzeitiges Eingreifen der Kühleinrichtung 20 ermöglicht, wenn dies erforderlich wird. Dies vermeidet einerseits ein tatsächliches Überschreiten bestimmter Temperaturmaxima, da der Erwärmung durch Aktivierung der Kühleinrichtung bereits vor Erreichen problematischer Temperaturen entgegengewirkt wird. Andererseits wird eine Aktivierung oder zu starke Kühlung in Fällen vermieden, in denen die Prognose ergibt, dass ein Überschreiten des vorgegebenen Temperaturmaximums nicht zu erwarten ist.
Die Berechnung der prognostizierten Temperatur kann für jeden Bereich 4, 6, 8 der Photovoltaikanlage 2 gesondert auf Basis der für den jeweiligen Bereich erhaltenen Umweltdaten und/oder Betriebsdaten erfolgen. Überschreitet einer der prognostizierten Temperaturen dann eine vorgegebene Maximaltemperatur, aktiviert die Steuereinrichtung vorzugsweise den dem entsprechenden Bereich der Photovoltaikanlage 2 zugeordneten Teil der Kühleinrichtung 20.
Die Steuereinrichtung 40 ist vorzugsweise weiterhin dazu eingerichtet, den Betrieb der Kühleinrichtung nicht nur abhängig vom prognostizierten Wert T(t₁) für die Temperatur zum Zeitpunkt t₁ sondern auch abhängig vom Kühlverhalten der Kühleinrichtung zu steuern. Zu diesem Zweck werden in einem nachfolgenden Schritt 70 auf Basis der im Schritt 66 durchgeführten Temperatur-Prognose und auf Basis von Daten 72 über das Kühlverhalten der Kühleinrichtung 20 Steuerparameter zur Steuerung der Kühleinrichtung 20 berechnet. Die Steuerparameter können insbesondere einen Startzeitpunkt t₂ zur Aktivierung der Kühleinrichtung 20, einen Wasservolumenstrom v und ggf. einen Endzeitpunkt t₃ zur Deaktivierung der Kühleinrichtung 20 umfassen.
Zur Berechnung der Steuerparameter kann die Steuereinrichtung 40 insbesondere weitere Temperaturprognosen unter Berücksichtigung verschiedener Steuerparameterwerte berechnen und einen Satz 74 von Steuerparameterwerten bestimmen, bei dem der prognostizierte Temperaturverlauf (punktierte Kurve 76 im rechten Kurvendiagramm in 2) unterhalb des vorgegebenen Temperaturmaximums bleibt.
Im Anschluss wird die Kühleinrichtung von der Steuereinrichtung 40 dann mit dem bestimmten Satz 74 von Steuerparameterwerten gesteuert.
Die Daten 72 über das Kühlverhalten der Kühleinrichtung 20 können zum Beispiel Latenzzeiten oder vom Volumenstrom abhängige Kühlleistungen umfassen. Durch Berücksichtigung dieser Daten 72 bei der Bestimmung von Steuerparameterwerten können eine noch effizientere und zielgenauere Steuerung der Kühleinrichtung und damit ein besseres Temperaturmanagement der Photovoltaikanlage 2 erreicht werden.
Die Bestimmung von Steuerparameterwert-Sätzen kann wiederum gesondert für jeden Teil 34, 36, 38 der Kühleinrichtung 20 basierend auf den jeweiligen Umweltdaten und/oder Betriebsdaten des zugehörigen Bereichs der Photovoltaikanlage und der Daten 72 erfolgen. Die Daten 72 können ebenfalls für jeden Teil 34, 36 38 gesondert vorliegen und berücksichtigt werden.
Um die Berechnung der prognostizierten Temperaturwerte weiter zu verbessern, können in dem in 2 beschriebenen Verfahren weiterhin Anlagendaten der Photovoltaikanlage 2 berücksichtigt werden, beispielsweise bei der Berechnung der prognostizierten Temperatur in Schritt 66.

Claims

Verfahren zur Steuerung einer Kühleinrichtung (20) einer Photovoltaikanlage (2), - bei dem Umweltdaten (64) und/oder Betriebsdaten (65) erhalten werden, - bei dem auf Basis der Umweltdaten (64) und/oder Betriebsdaten (65) ein Wert (T(t₁)) für eine prognostizierte Temperatur der Photovoltaikanlage (2) zu einem zukünftigen Zeitpunkt (t₁) berechnet wird und - bei dem der Betrieb der Kühleinrichtung (20) abhängig von dem berechneten Wert (T(t₁)) für die prognostizierte Temperatur gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass kontinuierlich Umweltdaten (64) und/oder Betriebsdaten (65) empfangen und Werte für die prognostizierte Temperatur der Photovoltaikanlage (2) berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umweltdaten (64) Werte von Messgrößen der aktuellen Wettersituation enthalten, insbesondere am Standort der Photovoltaikanlage (2).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umweltdaten (64) Werte von mindestens zwei, vorzugsweise mehr als zwei Messgrößen, insbesondere der folgenden Messgrößen umfassen: Umgebungstemperatur, Sonneneinstrahlung, Windgeschwindigkeit, Niederschlag, Luftdruck und/oder Bewölkung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wert (T(t₁)) für eine prognostizierte Temperatur der Photovoltaikanlage (2) zu einem zukünftigen Zeitpunkt (t₁) auf Basis der Umweltdaten (64) und/oder Betriebsdaten (65) und auf Basis von Anlagendaten der Photovoltaikanlage (2) berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wert (T(t₁)) für eine prognostizierte Temperatur der Photovoltaikanlage (2) zu einem Zeitpunkt (t₁) berechnet wird, der im Bereich von 10 Minuten bis 2 Stunden, vorzugsweise im Bereich von 15 Minuten bis 45 Minuten nach dem aktuellen Zeitpunkt (t₀) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlzeit und/oder eine Kühlleistung der Kühleinrichtung (20) abhängig von dem berechneten Wert (T(t₁)) für die prognostizierte Temperatur gesteuert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb der Kühleinrichtung (20) abhängig von dem berechneten Wert (T(t₁)) für die prognostizierte Temperatur und abhängig vom Kühlverhalten der Kühleinrichtung (20) gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert (T(t₁)) für die prognostizierte Temperatur der Photovoltaikanlage (2) weiter auf Basis eines Werts für die Stromerzeugung der Photovoltaikanlage (2) berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert (T(t₁)) für die prognostizierte Temperatur der Photovoltaikanlage (2) mittels eines selbstlernenden Systems berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Konsistenz der erhaltenen Umweltdaten (64) und/oder Betriebsdaten (65) überprüft wird und nur konsistente Umweltdaten und/oder Betriebsdaten (65) zur Berechnung der Werte (T(t₁)) für die prognostizierte Temperatur verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Wert für eine prognostizierte Temperatur eines ersten Bereichs (4, 6, 8) der Photovoltaikanlage (2) und ein zweiter Wert für eine prognostizierte Temperatur eines zweiten Bereichs (4, 6, 8) der Photovoltaikanlage (2) berechnet werden und dass ein dem ersten Bereich (4, 6, 8) der Photovoltaikanlage zugeordneter erster Teil (34, 36, 38) der Kühleinrichtung (20) abhängig vom ersten Wert und ein dem zweiten Bereich (4, 6, 8) der Photovoltaikanlage (2) zugeordneter zweiter Teil (34, 36, 38) der Kühleinrichtung (20) abhängig vom zweiten Wert gesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wert auf Basis der Umweltdaten und/oder Betriebsdaten und ersten Standortdaten für den ersten Bereich (4, 6, 8) der Photovoltaikanlage (2) und der zweite Wert auf Basis der Umweltdaten und/oder Betriebsdaten und zweiten Standortdaten für den zweiten Bereich (4, 6, 8) der Photovoltaikanlage (2) berechnet werden.
Photovoltaikanlage (2), insbesondere Photovoltaik-Freiflächenanlage, - mit einer Mehrzahl an Photovoltaikmodulen (10), - mit einer steuerbaren Kühleinrichtung (20) umfassend Kühlelemente (30), die zur Kühlung der einzelnen Photovoltaikmodule (10) eingerichtet sind, und - mit einer Steuereinrichtung (40) zur Steuerung der Kühleinrichtung (20), dadurch gekennzeichnet, - dass die Steuereinrichtung (40) zur Steuerung der Kühleinrichtung (20) entsprechend eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 eingerichtet ist.
Photovoltaikanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, - dass die Photovoltaikanlage (2) einen ersten und einen zweiten räumlich abgegrenzten Bereich (4, 6, 8) aufweist, wobei der erste und der zweite Bereich (4, 6, 8) jeweils eine Mehrzahl an Photovoltaikmodulen (10) umfassen, - dass die Kühleinrichtung (20) einen ersten Teil (34, 36, 38) mit den zur Kühlung der Photovoltaikmodule (10) im ersten Bereich (4, 6, 8) vorgesehenen Kühlelementen (30) und einen zweiten Teil (34, 36, 38) mit den zur Kühlung der Photovoltaikmodule (10) im zweiten Bereich (4, 6, 8) vorgesehenen Kühlelementen (30) aufweist und - dass der erste Teil (34, 36, 38) und der zweite Teil (34, 36, 38) der Kühleinrichtung (20) mit der Steuereinrichtung (40) separat steuerbar sind.