Photovoltaik-Energiespeichersysteme, allgemein als PV-Speichersysteme bezeichnet, umfassen Anwendungen mit Photovoltaikmodulen und zugehöriger Ausrüstung wie Energiespeicherbatterien. Je nach der Notwendigkeit einer Netzanbindung für den Energieabsatz können PV-Speichersysteme in netzunabhängige PV-Systeme und hybride PV-Systeme (netzgekoppelt/netzunabhängig) unterteilt werden. Hier konzentrieren wir uns auf einige Designüberlegungen für netzunabhängige PV-Systeme.
**Komponenten von Off-Grid-PV-Systemen:**
Off-Grid-PV-Systeme bestehen typischerweise aus Photovoltaikmodulen, Off-Grid-Wechselrichtern (einschließlich PV-Ladegeräten/Wechselrichtern), Energiespeicherbatterien (Blei-Säure/Gel/Blei-Kohle/Lithium-Ionen/Lithium-Eisenphosphat usw.), PV-Montagesystemen, Kabeln und Verteilerkästen. Jede Komponente spielt eine entscheidende Rolle für die Funktionalität des Off-Grid-PV-Systems.
Der Hauptunterschied zwischen netzunabhängigen und netzgekoppelten Systemen liegt in ihren Betriebszielen. Während netzgekoppelte Systeme die Investitionsrendite priorisieren, steht bei netzunabhängigen Systemen die Deckung des Grundversorgungsbedarfs im Vordergrund. Daher werden bei der Auswahl der Komponenten unterschiedliche Aspekte berücksichtigt.
**Überlegungen zu den Komponenten:**
**Photovoltaikmodule:**
Ursprünglich wurden Photovoltaikmodule hauptsächlich in netzunabhängigen Systemen und kleinen PV-Anlagen eingesetzt. Mit der zunehmenden Verbreitung netzgekoppelter PV-Anwendungen und den jährlichen Fortschritten in der Modultechnologie hat sich der Wirkungsgrad von Photovoltaikmodulen jedoch deutlich verbessert. Insbesondere einige große netzgekoppelte Kraftwerke benötigen effizientere Module, um die Kapitalrendite zu maximieren. Andererseits verfügen netzunabhängige Systeme typischerweise über mehr Platz und weniger strenge Effizienzanforderungen, sodass konventionelle Module bei der Systemauslegung im Vordergrund stehen.
**Off-Grid-Wechselrichter:**
1. **Berücksichtigung von AC-Lasten:**Lasten lassen sich im Allgemeinen in drei Kategorien einteilen: ohmsche Lasten (z. B. Beleuchtung, Heizungen), induktive Lasten (z. B. Klimaanlagen, Motoren) und kapazitive Lasten (z. B. Computernetzteile). Der von induktiven Lasten benötigte Anlaufstrom beträgt typischerweise das Drei- bis Fünffache des Nennstroms. Inselnetz-Wechselrichter mit einer kurzzeitigen Überlastkapazität von 150–200 % reichen für induktive Lasten möglicherweise nicht aus, sodass die Wechselrichterkapazität besonders berücksichtigt werden muss (Inselnetz-Wechselrichter, die an induktive Lasten angeschlossen werden, sollten eine Systemkapazität aufweisen, die mindestens doppelt so hoch ist wie die induktive Last). Beispielsweise werden in Projekten, in denen Inselnetz-Wechselrichter 2P-Klimaanlagen (2 x 750 W) betreiben, Wechselrichter mit einer Nennleistung von mindestens 3 kVA für den Normalbetrieb empfohlen.
2. **Berücksichtigung der DC-Seite:**Off-Grid-Wechselrichter verfügen typischerweise über Photovoltaik-Ladegeräte, die in zwei Ausführungen erhältlich sind: MPPT und PWM. Mit dem technologischen Fortschritt werden PWM-Ladegeräte schrittweise durch MPPT-Ladegeräte ersetzt.
3. **Weitere Überlegungen:**Neben den beiden oben genannten Auswahlmethoden sind zahlreiche Berechnungsformeln auf dem Markt erhältlich. Die allgemeine Vorgehensweise lautet jedoch wie folgt: 1) Bestimmen Sie die Nennleistung des netzunabhängigen Wechselrichters anhand der Größe und Art der Verbraucher. 2) Bestimmen Sie den kWh-Wert des Energiespeicher-Akkupacks anhand der von den Verbrauchern benötigten Entladedauer. 3) Bestimmen Sie die Ladeleistung anhand der lokalen Sonneneinstrahlung und der erforderlichen Ladezeit (z. B. vollständige Ladung innerhalb eines durchschnittlichen Tages).
**Energiespeicherbatterien:**
1. **Blei-Säure/Gel-Batterien:**Energiespeichersysteme setzen typischerweise auf wartungsfreie, versiegelte Blei-Säure-Batterien, um den Wartungsaufwand nach der Installation zu reduzieren. Dank ihrer 150-jährigen Entwicklung bieten Blei-Säure-Batterien erhebliche Vorteile in Bezug auf Stabilität, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit. Sie sind nicht nur der am weitesten verbreitete Batterietyp in Energiespeicheranwendungen, sondern auch die bevorzugte Wahl für netzunabhängige PV-Systeme.
2. **Blei-Kohle-Batterien:**Die Blei-Kohle-Technologie ist eine Weiterentwicklung herkömmlicher Blei-Säure-Batterien. Sie besteht aus der Zugabe von Aktivkohle zur negativen Elektrode von Blei-Säure-Batterien, wodurch deren Lebensdauer deutlich verlängert wird. Da Blei-Kohle-Batterien im Vergleich zu Blei-Säure-Batterien eine neuere Technologie sind, sind sie jedoch etwas teurer.
3. **Lithium-Ionen-/Lithium-Eisenphosphat-Batterien:**Im Vergleich zu den oben genannten Batterietypen bieten Lithium-Ionen-Batterien eine höhere Leistungsdichte, mehr Lade-Entlade-Zyklen und eine bessere Entladetiefe. Aufgrund des Bedarfs an zusätzlicher Batteriemanagementtechnologie (BMS) sind die Systemkosten von Lithium-Ionen-/Lithium-Eisenphosphat-Batterien jedoch in der Regel zwei- bis dreimal so hoch wie die von Blei-Säure-Batterien. Zudem ist ihre thermische Stabilität etwas geringer als die von Blei-Säure-/Blei-Kohle-Batterien. Daher ist ihre Anwendung in netzunabhängigen PV-Systemen relativ gering. Dennoch steigt der Marktanteil von Lithium-Ionen-/Lithium-Eisenphosphat-Batterien dank technologischer Durchbrüche allmählich an, was auf einen neuen Trend in ihrer Anwendung hindeutet.
**Abschluss:**
Zusammenfassend haben wir eine kurze Einführung in die grundlegenden Anwendungen von Photovoltaik-Energiespeichersystemen, insbesondere netzunabhängigen PV-Systemen, gegeben und Empfehlungen zur Auswahl der Grundausstattung gegeben. Diese Informationen dienen als Referenz für Fachleute der Photovoltaikbranche.
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Veröffentlichungszeit: 30. Januar 2024
