Mit dem MPP-Tracker die Leistung einer Photovoltaikanlage maximieren

Eine Photovoltaikanlage, die die Energie der Sonne aufnimmt, erzeugt zunächst Gleichstrom. Er ist aber im Alltag nicht nutzbar und muss in Wechselstrom umgewandelt werden. Dazu gibt es einen Wechselrichter. In den Wechselrichter ist ein MPP-Tracker integriert. Seine Aufgabe ist es, zu jeder Zeit dafür zu sorgen, dass die Photovoltaikanlage die maximale Leistung erbringt. Der Punkt, an dem dies geschieht, wird Maximum Power Point genannt. Er ist nicht konstant, sondern ändert sich permanent durch externe Einflüsse wie die Sonneneinstrahlung oder die Temperatur.

Maximum Power Point und MPP-Tracker

MPP ist die Abkürzung für Maximum Power Point. Hier erreicht die Photovoltaikanlage das Maximum an Leistung. Grundsätzlich lässt sich die Leistung aus der Stromstärke I und der Spannung U ermitteln. Beide Werte müssen miteinander multipliziert werden. Genau an dem Punkt, an dem das Produkt am größten ist, befindet sich der Maximum Power Point.

Ein MPP-Tracker hat die Aufgabe, den Lastwiderstand so zu beeinflussen, dass die Leistung der Photovoltaikanlage laufend optimiert werden kann.

In einer modernen Photovoltaikanlage ist der MPP Tracker in den Wechselrichter integriert. Der Maximum Power Point lässt sich in einem Diagramm darstellen. Verändert sich der Strom, hat dies immer eine Änderung der Spannung zur Folge. Steigt die Sonneneinstrahlung, steigt auch die Stromstärke I an. Bei einer steigenden Temperatur kommt es zur Verringerung der Spannung U. Der MPP-Tracker findet den optimalen Wirkungsgrad und den Punkt, wo die optimale Leistung erreicht ist.

MPP-Tracker – Hardware und Software

Der Gleichspannungswandler, der die Energie der Sonne in Gleichstrom aufnimmt und in Wechselstrom umwandeln kann, wird auf der Eingangsseite mit der Solarzelle verbunden. Die dazugehörige Hardware ist auf den Belastungssprung, der daraus resultiert, optimal eingestellt. Die Ausgangsspannung des Reglers ist nahezu konstant. Es ist sehr wichtig, dass der Gleichspannungswandler zu jeder Zeit in der Lage ist, sich auf die Spannungsdifferenzen und die Belastung der Solarzelle einzustellen.

Die Software, die für den MPP-Tracker verwendet wird, ist entweder ein Microcontroller oder ein digitaler Signalprozessor. Bei fast allen Photovoltaikanlagen ist er ein integraler Bestandteil und muss nicht extra nachgerüstet werden.

Integration des MPP-Trackers in den Wechselrichter

Bei den netzgebundenen Photovoltaikanlagen ist der MPP-Tracker Bestandteil des Wechselrichters. Handelt es sich hingegen um eine Inselanlage, übernimmt in den meisten Fällen der Laderegler die Aufgabe des MPP-Trackers. Ein MPP-Tracker im Wechselrichter muss dafür sorgen, dass die Leistung der Solarmodule, die zu Strings zusammengefasst werden, optimal auf den aktuellen Strahlungs- und Temperaturzustand der Umgebung abgestimmt ist.

Die Bildung des optimalen Lastwiderstandes durch den MPP-Tracker erfolgt durch verschiedene Prozesse, die aufeinander abgestimmt sind. Immer wieder ist es das Ziel, das Produkt aus der Stromstärke und der Spannung so groß werden zu lassen, dass es zu einer Maximierung der Leistung kommt, mit anderen Worten, dass der Maximum Power Point erreicht wird.

Der Microcontroller regelt den MPP-Tracker. Da eine ständige Anpassung der maximalen Leistung vorgenommen werden muss, wird in diesem Zusammenhang von einer adaptiven Regelung gesprochen. Es gibt einen Sollwert für die Eingangsspannung, der laufend angepasst wird, je nachdem wie sich die äußeren Komponenten ändern.

MPP-Tracker im Wechselrichter – Funktionsweise

Der Stromregler für den Wechselstrom besitzt ein Stellglied, das Pulsweitenmodulation genannt wird. Dieser kleine Baustein ist in der Lage, den Schalter des Wechselrichters ein- und auszuschalten. In modernen Wechselrichtern übernimmt der Microcontroller diese Funktion.

Sobald der Sollwert nach oben geht, wird der Schalter länger eingeschaltet und kürzer ausgeschaltet. Bewegt sich der Sollwert nach unten, wird der Schalter kürzer ein- und länger ausgeschaltet. Das Einschalten wird Eingangsimpuls und das Ausschalten Ausgangsimpuls genannt. Das Verhältnis von diesen beiden Größen bestimmt das Verhältnis der Eingangsspannung auf der Seite der Solarmodule zu der Ausgangsspannung am Netzteil.

Bei der Regelung der Eingangsspannung spielt der MPP-Tracker eine entscheidende Rolle. Er führt die adaptive Regelung durch. Das bedeutet, dass der Sollwert der Spannung durch den MPP-Tracker laufend verändert wird. Dieser Sollwert ist ein Maß für die ins Netz eingespeiste Leistung.

Ist die Leistung nach der Veränderung der Eingangsspannung größer als vorher, wird die Anpassung in die gleiche Richtung fortgesetzt, sinkt sie hingegen, erfolgt eine Veränderung in die entgegengesetzte Richtung.

Statischer und dynamischer Wirkungsgrad – Einflussfaktoren

Der statische Wirkungsgrad ist das Verhältnis der effektiv aufgenommenen Energie des Wechselrichters zu der umgewandelten Energie, wobei die äußeren Bedingungen grundsätzlich gleich bleiben. Der dynamische Wirkungsgrad hingegen stellt das Verhältnis der Summe aller MPP-Energien dar, die unter ständig wechselnden Bedingungen auf den unterschiedlichen Stufen absorbiert werden. Dazu gehört auch die Menge des Wechselstroms.

Unter optimalen Bedingungen kann ein Wirkungsgrad von bis zu 99,2% erreicht werden. Um diesem Wert so nahe wie möglich zu kommen, ist es sehr wichtig, Störfaktoren ausfindig zu machen und zu eliminieren. Im Zusammenhang mit dem statischen Wirkungsgrad kann dies eine zu große Abweichung vom Maximum Power Point sein, die insbesondere bei speziellen Überwachungsverfahren eine Rolle spielt. Der Maximum Power Point sollte außerdem niemals außerhalb des Spannungsbereiches liegen. Kommt es zu einer Teilbeschattung der Solarmodule, ist es ebenfalls möglich, dass sich das statische Verhalten ändert.

Der statische Wirkungsgrad beeinflusst den dynamischen Wirkungsgrad. Des weiteren spielt beim dynamischen Wirkungsgrad eine Veränderung der MPP-Spannung, der Tracking-Geschwindigkeits-Algorithmus, die Stabilität des Spannungswandlers sowie der Grad der Sonneneinstrahlung eine zentrale Rolle.

Alle Einflussfaktoren können so lange vernachlässigt werden, wie sich die Einstrahlung nur minimal verändert. Schwieriger wird es, wenn es zum Beispiel durch einen Wechsel von Sonne und Wolken plötzlich zu einer gravierenden Veränderung kommt. Hier ist es selbst für sehr leistungsfähige MPP-Tracker sehr schwierig, die daraus resultierenden Spannungsunterschiede schnell auszugleichen.

Wichtige Verfahren beim MPP-Tracking

Der MPP-Tracker nutzt verschiedene Verfahren, um den Maximum Power Point zu ermitteln und die Leistung zu optimieren. Das einfachste dieser Verfahren ist sicherlich das Spannungserhöhungs-Verfahren. Hierbei wird die Spannung in der Solarzelle kontinuierlich erhöht. Die Leistung steigt so lange an, bis der Maximum Power Point erreicht ist. Ab diesem Punkt fällt sie wieder. Hier wird die Suche abgebrochen und in der entgegengesetzten Richtung fortgesetzt. Das Spannungserhöhungs-Verfahren ist ein periodisches Verfahren, das sich sehr gut bei der Anpassung an verschiedene Strahlungsverhältnisse eignet.

Das Schattenmanagement ist eine zusätzliche Funktion, mit der Veränderungen der Sonneneinstrahlung besser erfasst werden können. Alle 5 bis 10 Minuten wird die Kennlinie des Generators überprüft, um den Maximum Power Point zu suchen. Die Funktion des Schattenmanagements ist bei den modernen Photovoltaikanlagen oftmals ab Werk integriert. Wenn nicht, kann sie auch nachträglich installiert werden.

Mit dem Verfahren der Lastsprünge lässt sich eine Änderung der Belastung der Solarzelle in kleinen Schritten erfassen. Die abgegebene Leistung wird gemessen. Das geschieht erst in einer Richtung. Sie wird so lange beibehalten, wie die Leistung steigt. Ist das nicht mehr der Fall, wird die Richtung der Messung geändert. Das geschieht ebenfalls so lange, wie eine Steigerung zu beobachten ist. Das Problem bei diesem Verfahren ist, dass der Maximum Power Point oftmals nicht genau, sondern nur näherungsweise ermittelt werden kann. Der Grund ist, dass eine permanente Suche rund um das Leistungsmaximum erfolgt, die nicht genau auf den Punkt kommt.

Fazit

Der MPP-Tracker spielt eine zentrale Rolle bei der Regelung und Optimierung der Leistung einer Photovoltaikanlage. Er besitzt einen adaptiven Regelungsmechanismus, der in einem engen Zusammenhang mit dem Wechselrichter steht. Der Wechselrichter ist unverzichtbar, um den Gleichstrom, der nach der Aufnahme der Energie der Sonne in der Photovoltaikanlage erzeugt wird, in alltagstauglichen Wechselstrom umzuwandeln.

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