Alpine Modell Photovoltaik Anlage
Um Ertragsabschätzungen und Optimierungen für alpine Solarinstallationen durchführen zu können, sind Messungen an einer realen Anlage notwendig. Die Forschungsgruppe Erneuerbare Energien realisiert deshalb eine alpine Modell Photovoltaik Anlage oberhalb von Davos auf der Totalp, mit der die Solarstrom-Erträge unter Variation verschiedener Einstellungsparameter wie der Hangneigung, der Modulneigung oder dem Reihenabstand ermittelt werden können.
Ausgangslage und Ziel
Die alpine Photovoltaik leistet einen wichtigen Beitrag zum beschleunigten Ausbau der Stromproduktion in der Schweiz. Dank einer generell hohen solaren Einstrahlung, wenig Hochnebel, Reflexionen an der Schneeoberfläche und tiefen Temperaturen lässt sich im Gebirge auch im Winter viel Strom erzeugen. Pro Fläche wird in den Alpen etwa 3 bis 4-mal so viel Winterstrom wie im Mittelland erzeugt, wodurch solche Anlagen auch wirtschaftlich besonders attraktiv sind. Jedoch sind Ertragsabschätzungen und Optimierungen von alpinen Solarinstallationen mit heutiger Simulationssoftware aufgrund der Schneereflektionen, dem Einsatz bifazialer Module, sowie der Aufständerung an Hängen mit grösseren Unsicherheiten behaftet. Um entsprechende Software zu validieren, sind Daten aus reellen Installationen in genügender Qualität und Parametervielfalt notwendig. Da solche nicht oder nur in sehr geringem Umfang existieren, ist der Bau von alpinen Versuchsanlagen notwendig.
Die hier vorgestellte Modell Photovoltaik Anlage soll hoch flexibel einsetzbar sein: Sie kann sowohl den Reihenabstand, die Modulneigungen, als auch die Hangneigung dynamisch in einem grossen Spektrum verändern. Gleichzeitig werden diverse äussere Einflüsse wie beispielsweise die Boden-Albedo bestmöglich kontrolliert, und alle relevanten meteorologischen Daten aufgezeichnet. Durch die rasche Veränderung der Anlagenkonfiguration können unterschiedliche Parametervariationen bei virtuell gleichbleibenden Bedingungen gegenübergestellt werden. Parallel dazu können für ein breites Spektrum an Konfigurationen Ertragsmessungen über einen längeren Zeitraum erhoben werden. Die entsprechenden Daten werden in der Folge frei verfügbar einsehbar sein.
Konzept und Umsetzung
Die Anlage wird im Massstab 1:12 gebaut und so konzipiert, dass sie mit geringem Aufwand auch an anderen Standorten aufgebaut werden kann (Erklärvideo). Sie verfügt über drei Reihen mit jeweils sieben bifazialen Modulen. Um für Vorder- und Rückseite separate Messwerte zu erhalten, sind diese als je zwei monofaziale Module ausgeführt mit einer Dimension von 96 mm x 160 mm (Abbildung 2). Von den 42 verbauten Modulen sind 24 aktiv und können über eine präzise Messelektronik ausgemessen werden. Die restlichen Module sind baugleiche Dummys. Über eine Konfigurationsdatei werden die anzufahrenden Positionen (Reihenabstand, Modulneigung und Hangneigung) definiert. Sobald die Positionen erreicht sind, wird die Messung ausgelöst, wobei jedes spezifizierte Modul nacheinander ausgemessen wird (Uoc, Isc und Pmpp). Sämtliche Wetterdaten sowie Diffus- und Direktstrahlung, Albedo des Schnees und wo verfügbar Ertragsdaten eines normalgrossen Vergleichsmoduls werden den Messdaten angehängt. So können später die diversen Einflussfaktoren aufgeschlüsselt und allgemeingültige Resultate erreicht werden.
Der Reihenabstand kann über zwei Trapezspindeln unter der Konstruktion eingestellt werden. Während die mittlere Reihe fest installiert ist, werden die nördliche und südliche Reihe mittels Schrittmotoren verschoben. Das Verhältnis Reihenabstand/Modulhöhe kann bei 0° Hangneigung zwischen 1.2 und 7.3 eingestellt werden. Die Modulneigung wird direkt über Schrittmotoren am jeweiligen Reihenende mit einem relativen (zur Horizontalen) Winkelbereich von -40° bis 90° eingestellt. Die Hangneigung (Anstellwinkel der gesamten Konstruktion) ist über zwei Linearaktuatoren in einem Winkelbereich von 0° - 40° einstellbar. Um den Aufbau von Schnee auf der Versuchsanlage zu verhindern, werden Heizmatten angebracht, welche bei Niederschlag aktiviert werden. Um die genaue Positionierung sicherzustellen, sind alle Schrittmotoren mit einem Encoder versehen und werden periodisch referenziert. Alle Aktuatoren werden über eine Zentralsteuerung via Modbus RTU angesteuert.
Die Anlage wurde im Frühling 2023 auf dem Containerdach der bestehenden alpinen PV-Versuchsanlage auf der Totalp in Davos installiert und ist seither in Betrieb (Abbildung 3). Die Ergebnisse aus dem Betrieb werden so rasch wie möglich veröffentlicht. Ein Timelapse-Video der Anlage im Betrieb ist hier zu finden.
Verwandte Projekte
Projektfinanzierung und Dank
Wir danken der Hauser-Stiftung für die Finanzierung des Projektes.