Untersuchungen zur Erhöhung des Stromertrages von PV-Modulen durch Räumung von Schnee

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1 Untersuchungen zur Erhöhung des Stromertrages von PV-Modulen durch Räumung von Schnee Projektbetreuer: Jochen Lang, Monitoring, Qualitätsmanagement Autor: Dipl. Ing. (FH) Eberhard Zentgraf Elektroingenieur An Planung, Aufbau, Messungen und Auswertung beteiligtes, wissenschaftliches Team: J. Lang E. Zentgraf A. Acton M. Moore 1

2 Inhaltsverzeichnis Seite 1. Anlass der Untersuchungen 3 2. Vor- Überlegungen Theoretische Annahme als Kalkulationsbasis 5 3. Vorgehensweise Planung Durchführung 6 4. Messergebnisse 7 5. Fazit 10 2

3 1. Anlass der Untersuchungen Immer wieder wurde an unser TEC-Institut für technische Innovationen die Frage gestellt, ob es sinnvoll sei, PV-Module im Winter von Schnee zu befreien, um damit den Stromertrag zu erhöhen. Daher entschlossen wir uns zu entsprechenden Untersuchungen. Es ging uns dabei nicht um das Testen von Systemen, die inzwischen auf dem Markt sind, mit welchen PV-Module quasi im Rückwärtsbetrieb aufgeheizt werden, um den Schnee abzutauen. Unser Ziel war die Untersuchung einer Ertragserhöhung durch mechanisches / manuelles Freiräumen verschneiter Module. Da solche Arbeiten im Winter auf Dächern sehr gefährlich sind, entschieden wir uns für eine Freiflächenanlage als Testobjekt. Hierbei konnten die Räumungsarbeiten vom Erdboden aus durchgeführt werden. Das PV-Unternehmen ANTARIS-Solar erklärte sich bereit, aus der ANTARIS-eigenen 1,24 MW Anlage im tschechischen Holysov, unserem Institut zwei gleich große PV- Arrays für unsere Untersuchungen zur Verfügung zu stellen. Im Nachhinein sollte sich herausstellen, dass im Winter 2010 / 2011, in welchem unsere Untersuchungen durchgeführt wurden, überdurchschnittlich viel Schnee fiel. 3

4 2. Vor-Überlegungen Als erstes nahmen wir eine Abschätzung vor, in welcher Größenordnung eine Ertragserhöhung durch Schneeräumen zu erwarten wäre. Dazu besorgten wir uns die langjährigen Mittelwerte von PV-Jahresertrag und Globalstrahlung über die Web-Site von PVGIS (Photovoltaic Geographical Information System, des Standortes Holysov, siehe Abb. 1. Abb. 1: Mittlere Globalstrahlungswerte, sowie PV-Erträge (bezogen auf eine 1 kwp-anlage) 4

5 2.1 Theoretische Annahme als Kalkulationsbasis Als Monate mit quasi völliger Schneebedeckung legten wir die Monate Dezember und Januar fest. Lt. Abb. 1, Spalte E m, ist im langjährigen Mittel für beide Monate zusammen ein Ertrag von 53,7 kwh (pro kwp) zu rechnen. Bezogen auf den (im langjährigen Mittel) Jahresertrag von 894 kwh (pro kwp), steuern Dezember und Januar zusammen ca. 6% zum PV-Jahresertrag bei. Wir folgerten daraus, dass der Unterschied im PV-Jahresertrag, zwischen dem PV-Array, welches im Dezember und Januar vom Schnee geräumt wird und dem nicht geräumten Anlagenteil, zwar nicht den theoretischen Wert von 6% erreichen, jedoch irgendwo in dieser Größenordnung liegen würde. Vorausgesetzt der eine Anlagenteil ist im Dezember und Januar durchgehend schneebedeckt und der andere Anlagenteil durchgehend schneefrei. 3. Vorgehensweise 3.1 Planung Die beiden gleich großen Anlagenteile hatten jeweils eine Nennleistung von 32,4 kwp und setzten sich aus jeweils 180 Stück PV-Modulen des Typs ANTARIS ASM 180 zusammen. Beide Anlagenteile hatten exakt die gleiche Ausrichtung nach Süden, sowie den gleichen Neigungswinkel und waren unverschattet. Auch bezüglich der verwendeten Leistungen und Wechselrichter waren beide Anlagenteile identisch. Beide Anlagenteile waren in das Monitoring der Gesamtanlage integriert und konnten separat ausgelesen bzw. ausgewertet werden. Es wurde festgelegt, dass ein Mitarbeiter des Wartungspersonals, sobald Schnee auf den Modulen lag, einen Anlagenteil vom Schnee befreien sollte und zwar einmal pro Tag. Der andere Anlagenteil bleibe unberührt, es wurde kein Schnee geräumt. 5

6 3.2 Durchführung Der Wartungsmitarbeiter wurde mit entsprechendem Räumwerkzeug ausgestattet und reinigte, sobald Schnee auf den Modulen lag, einmal täglich den dafür vorgesehenen Anlagenteil, sie Abb. 2 Abb. 2: Der Wartungsmitarbeiter bei der Schneeräumung mit entsprechendem Räumungsgerät Da, wie bereits erwähnt, die Schneeräumung einmal täglich durchgeführt wurde (sofern es zwischenzeitlich geschneit hatte), konnte es vorkommen, dass die Module freigeräumt wurden und kurz danach erneut Schnee fiel. In diesem Fall lag der Schnee bis zum nächsten Tag, bis wieder geräumt wurde. Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass an gesetzlichen Feiertagen (z.b. Weihnachten) und an Sonntagen keine Schneeräumung durchgeführt wurde. 6

7 4. Messergebnisse In der Zeit vom 20. November 2010 bis zum 25. Januar 2011 (68 Tage lang) war der eine Anlagenteil mit Schnee bedeckt, wobei die Schneedecke zwischen 10 cm und 60 cm variierte. Der andere Anlagenteil wurde, mit den unter Punkt 3.2. genannten Einschränkungen, immer wieder geräumt. Hierbei ist Folgendes zu bemerken: Unsere theoretische, idealisierte Annahme unter Punkt 2.1., dass ein Anlagenteil über einen längeren Zeitraum komplett mit Schnee bedeckt wäre, mussten wir sehr schnell ad acta legen. Obwohl der eine Anlagenteil nie geräumt wurde, rutschte der Schnee immer wieder nach einer gewissen Zeit ab und gab Teile der Modulflächen frei. Dadurch begannen die Module mit der Stromproduktion, wenn auch nur im unteren Leistungsbereich, ähnlich wie bei verschatteten Modulen. Dabei ergaben sich die Stromerträge, welche in Abb. 3 zu sehen sind. Abb. 3: Stromerträge während der Zeit mit Schneebedeckung Der nicht geräumte Anlagenteil erbrachte einen Ertrag von 451,5 kwh, der geräumte Anlagenteil von 853,5 kwh. 7

8 Abb. 4 zeigt den Ertrag der beiden Anlagenteile, vom Beginn der Schneephase ( ) bis zum Jahresende ( ) Abb. 4: Einträge von Beginn der Schneephase bis zum Jahresende Zum Vergleich: Im Monat Juli 2010 erbrachte der Anlagenteil, der im Winter geräumt wurde 5009,9 kwh und derjenige, welcher im Winter nicht geräumt wurde, 4939,0 kwh. Sie unterscheiden sich um lediglich 1,4%. Das liegt absolut innerhalb der zulässigen Toleranzen, siehe auch Abb. 5. Im gesamten Jahr 2010 betrug der Ertrag, der im Winter nicht geräumten Anlage 28773,2 kwh. Der Ertrag, der im Winter geräumten Anlage, lag bei 28396,9 kwh. Wobei berücksichtigt wurde, dass vom bis zum der Ertrag der geräumten Anlage im Vergleich zum anderen Anlagenteil höher war. Entsprechend wurde die Differenz von 192,2 kwh berücksichtigt (siehe Abb. 4 und Abb. 5). Dies ergibt sich aus 325,5 kwh minus 133,3 kwh. 8

9 Hierbei wurde der Mehrertrag, welcher durch Räumung entstanden wäre, berücksichtigt Abb. 5: Vergleich der Erträge in den verschiedenen Zeiträumen Aus Abb. 5 ist zu erkennen, dass sich beide Anlagenteile im Jahresertrag (ungeräumter Zustand im Winter vorausgesetzt) um 1,3% unterschieden. Auch dies liegt absolut innerhalb der zulässigen Toleranzen. Interessant ist der Vergleich des Ertrages des Zeitraumes der Schneephase der beiden Anlagenteile mit dem jeweiligen Jahresertrag. Die Schneephase ( bis ) erstreckte sich über den gesamten Dezember und fast den gesamten Januar. Ein kleiner Teil kam noch im November hinzu. Die Schneephase dauerte 68 Tage, also etwas mehr als 2 Monate. Daher ist dieser Zeitraum sehr gut mit den Betrachtungen unter Punkt 2.1. vergleichbar. 9

10 Was hat das Schneeräumen also tatsächlich gebracht? Ca. zwei Monate mit Schneeräumung (im Wesentlichen Dezember und Januar) haben bei der geräumten Anlage ca. 3% zum Jahresertrag beigetragen. Der gleiche Zeitraum hat bei der ungeräumten Anlage ca. 1,6% zum Jahresertrag beigesteuert (siehe Zahlenmaterial aus Abb. 5) Ergebnis: Das Schneeräumen hat lediglich ca. 1,4% im Jahresertrag bewirkt. 5. Fazit Dieses Ergebnis liegt weit entfernt von der idealisierten Annahme, dass der eine Anlagenteil ca. 2 Monate komplett schneebedeckt und der andere Anlagenteil komplett schneefrei wäre und ein Mehrertrag des geräumten Anlagenteils bei ca. 6% läge. Natürlich könnte das Schneeräumen noch optimiert werden. So könnte man dafür sorgen, dass auch an Sonn- und Feiertagen geräumt wird. Sollte unmittelbar nach dem Freiräumen erneut Schneefall einsetzen, so könnte mehrmaliges tägliches Räumen erfolgen. Allerdings stellt sich grundsätzlich die Frage, ob sich das Ganze rechnet, oder ob die Reinigungskosten über dem gewonnenen Mehrertrag liegen. Ähnliche Überlegungen sollte man anstellen, wenn man ein automatisiertes Räum- bzw. Abtausystem ins Auge fast. Waldaschaff, 17. Oktober 2011 Eberhard Zentgraf Dipl. Ing. (FH) Elektrotechnik 10