• Langzeiterfahrungen mit Fassadenanlagen

Hochalpine Photovoltaika agen Neben Wechselrichtertests führt die HTI (vormals HTA bzw.ISB) auch seit 1992 Langzeitmessungen an vielen netzgekoppelten Photovoltaikanlagen durch.Gegenwärtig werden 42 PV-Anlagen mit zurzeit 55 Wechselrichtern ausgemessen. Die meisten Anlagen befinden sich in Burgdorf, es werden aber seit 1992 bzw.1993 auch Daten von zwei hochalpinen Fassadenanlagen erfasst, nämlich der Anlage Birg {4,134 kWp, 2670 m ü.M.) und Jungfraujoch {Nennleistung 1,152 kWp, effektive Leistung 1,13 kWp, 3454 mü. M.). Nach lückenlosen Messungen über 11 bzw. 10 Jahre liegen nun auch seriöse Langzeit-Messdaten vor, die belegen, dass die in früheren Arbeiten [1] für solche Anlagen vorausgesagten Energieerträge auch im langjährigen Mittel erreicht werden können und dass solche PV-Anlagen das hochalpine Klima auch langfristig sehr gut ertragen.

Heinrich Häberlin

Bei einer h ochalpinen Fassadenanlage treten typischerweise zwei Produktion s-Maxima pro Jahr au f, nämlich ein Hauptmaximum im Frühling und ein Neb enmaximu m im H erbst . Bei den beiden Anlagen Jungfraujoch (Bild 1) und Birg (Bild 2) ist der Solarge nerator vertikal an der Fassade montiert und es wird die Einstrahlung in die Gen eratoreb ene, die Umgebungs- u n d die Solarmodultemperatur, die Spannung und der Strom auf der Gleich stromseite, die ins Netz eingesp eiste Leistung sowie die Netzspannung gem essen . Diese Werte we rden alle 2 Sekunden ab getast et und in einem Datenlogger CR10 gespeichert. Aus diesen Werten werden 5-Minuten-Mittelwerte gebildet, welch e jeweils in der Nacht ans Photovoltaiklab or überm ittelt werden (weitere Details sieh e [3] und [4] oder unter www.pvtest.ch). • Anlage Jungfraujoch, 3454 m ü. M. (1,152 kWp) Zwei Teilgeneratoren mit je 12 Modulen Siemens M75 (48 Wp) mit einer Westabweichung von Süden von 'Y = 12 ° bzw. 2T . -Nennleistung bei STC: 1,152 Wp - Gemessene effektive Leistung bei STC: 1,13 kW.

- Wech selrichte r: b is Juli 1996 Top Class 1800, danach Thp Class 2500/ 4 Grid III. (STC: Einstrahlung 1 kW /m 2 , T Mod11l = 25 oC.) • Anlage Birg, 2670 m ü.M. (4,134 kWp) Solargenerator: 78 Module Siemens MSS (53 Wp) mit 'Y =5 °. - Nennleistungbei STC: 4,134 kWp - Wechselrichter: SOLGON 3400 bis Jan. 2003, seit Feb. 2003 Thp Class 4000 Grid III. - PV-Generator bezüglich Wechselrichter etwas überdimensioniert!

Normierte Ertragsdarstellung zum fairen Vergleich verschiedener Anlagen Um die Leistung von PV-Anlagen verschiedener Grösse und an verschiedenen Orten miteinander vergleichen zu können, sind normierte Grössen sehr nützlich. Wird die Energiepro-

Bild 1 Blick auf eine Hälfte des Solargenerators der PV-Anlage an der Fassade der hochalpinen Forschungsstation Jungfraujoch (3454 m) mit beheiztem Pyranometer und Referenzzelle zur Strahlungsmessung. Bild 2 Solargenerators der PV-Anlage Birg an der Fassade der Zwischenstation Birg der Schilthornbahn (2670 m). Am rechten Bildrand gerade noch sichtbar: Pyranometer (unbeheizt) und Umgebungstemperatur-Sensor. Elektrotechnik6-7/04

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Normierte Mehrjahrestatistik (Pyranometer) Anlage: Jungfraujoch

Jahre: 1.1994 -12.2003

Normierte Jahresstatistik (Pyranometer)

Anlage: Jungfraujoch

Jahr: 1994

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duktion in einem gegebenen Zeitraum (Monat, Jahr) durch die nominelle Solargenerator-Spitzenleistung bei STC dividiert (bei Jungfraujoch 1,152 kWp, bei Birg 4,134 kWp), erhält man den Generatorertrag Ya (DC) und den Endertrag Yr (AC). Den Strahlungsertrag Yr erhält man, indem die in der gleichen Periode gemessene Strahlungssumme in die Ebene des PV-Generators durch 1 kW /m 2 dividiert wird (für fairen Vergleich bei beiden Anlagen mit Pyranometer gemessen). Wenn die Generatortemperatur gemessen wird, kann damit auch der temperaturkorrigierte Strahlungsertrag YT berechnet werden, indem die temperaturbedingte Reduktion des Wirkungsgrades der Solarmodule berücksichtigt wird (Details siehe [2]). Durch Verwendung durchschnittlicher Tageswerte kann zudem der Einfluss der verschiedenen Monatslängen eliminiert werden.

Anlage Jungfraujoch Betriebserfahrungen Die Anlage hat erfreulicherweise bisher allen Beanspruchungen standgehalten. Sie überstand viele Stürme mit Windgeschwindigkeiten bis über 250 km/h und heftige Gewitter mit Naheinschlägen, die in anderen Experimenten in der Forschungsstation Schäden verursachten. Es traten kurzzeitige Strahlungsspitzen mit Werten bis 1720 W /m 2 auf. Die hohen thermischen und mechanischen Beanspruchungen durch grosse und schnelle Thmperaturänderungen (z. B. Abkühlen der Solarzellen bei Sonnenuntergang: Temperatursturz von etwa 40 oc innerhalb von 30 Minuten, totale Temperaturdifferenz Thg-Nacht bis zu 56 I Elektrotechnik6-7/04

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oc, Modultemperaturen zwischen oc und + 66 OC) konnten ihr eben-

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falls nichts anhaben. Auch der Wechselrichter hatte dank der relativ guten Netzverhältnisse (grosse Trafos in der Nähe) und dank dem aufwendigen Überspannungsschutz keine nennenswerten Probleme und funktionierte ausser ganz wenigen durch Spannungsschwankungen verursachten Kurzabschaltungen einwandfrei. Im Sommer 1999, 2000 und 2001 mussten die Fenster an der Fassade der Forschungsstation ersetzt werden. Deshalb musste ein Gerüst errichtet werden, das in diesen Jahren in den Monaten August bis Oktober eine zeitweise Teilbeschattung des PV-Generators zur Folge hatte. Während der Arbeiten im Jahre 2001 wurde ein Modul mechanisch beschädigt. Beim Ersatz dieses Moduls wurde bemerkt, dass sich bei einem andern Modul im Westgenerator an der Unterkante Delaminationen zu entwickeln begannen. Bei einer visuellen Inspektion 2 Jahre zuvor war davon noch nichts bemerkt worden, deshalb schien sich diese Deiamination relativ rasch entwickelt zu haben. Sie wurde wahrscheinlich durch Feuchtigkeit verursacht, die von der Kante her ins Modul eindrang und eine beginnende elektrolytische Zersetzung der Nachbarzellen verursachte. Es wurde zwar noch kein messbarer Leistungsabfall des PV-Generators registriert, aber als Vorsichtsmassnahme wurde das Modul im Herbst 2001 ebenfalls ersetzt. In mehr als 10 Jahren Betrieb unter extremen klimatischen Bedingungen zeigte nur eines von 24 Modulen sichtbare Zeichen einer Degradation, die von natürlichen Einflüssen verur-

Bild 3 Normierte monatliche Energieproduktion für das Durchschnittsjahr zwischen 1994 und 2003 für die PV-Anlage Jungfraujoch (Einstrahlungsmessung: Pyranometer). Teilweise Schneebedeckungen des PV-Generators im Frühling haben höhere LcM-Werte und tiefere PRWerte speziell in den Monaten Mai und Juni zur Folge. Die Produktion von August bis Oktober ist infolge derTeilbeschattungen zwischen 1999 und 2001 auch etwas beeinträchtigt. Die monatlichen PR-Werte liegen zwischen 75% und 83%, das Jahresmittel beträgt 79,4%. Würden die Werte auf die effektive Generator-Nennleistung von 1,13 kWp bezogen, lägen Y1und PR etwa 2% höher. Bild 4 Normierte monatliche Energieproduktion für 1994, dem Jahr mit der tiefsten Jahresproduktion in 10 Jahren. Von April bis Juni ist die Energieproduktion durch Schnee beeinträchtigt. Bild 5 Normierte monatliche Energieproduktion für 1997,dem Jahr mit der höchsten Jahresproduktion in 10 Jahren. Bild 6 Normierte monatliche Energieproduktion für 2003, dem Jahr mit der zweithöchsten Jahresproduktion und den höchsten Modultemperaturen in 10 Jahren. Bild 7 Normierte monatliche Energieproduktion für das Durchschnittsjahr zwischen 1995 und 2002 für die PV-Anlage Birg (Einstrahlungsmessung: Pyranometer). Die monatlichen PR-Werte liegen zwischen 72% und 81%, das Jahresmittel beträgt 76,8%. Bild 8 Normierte monatliche Energieproduktion für 1999, dem Jahr mit der tiefsten Jahresproduktion. Im Februar und März ist die Energieproduktion durch Schnee beeinträchtigt.

sacht wurde. Vor seinem Ersatz wurde allerdings kein Abfall der elektrischen Leistung registriert. Das einzige betriebliche Problem sind die manchmal grossen Schneemengen im Frühling, die eine zeitweise Schneebedeckung der Osthälfte des PV-Generators bewirken können, die dann einen Verlust der Produktion dieser Generatorhälfte von einigen Tilgen bis einigen

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Normierte Jahrustltlatlk (Pyranometer) Anlage: Junorraujoch Jahr: 1997

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Normierte Jahrentatletlk (Pyranometer) Anlage: Jungrraujoch Jahr: 2003

& Loasu [kWhfd/kWp] (Pgen=1162Wp)

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Wochen zur Folge hat. Die Energieproduktion des Jahres 1994 und im Frühling 2001 war durch dieses Problem deutlich beeinträchtigt.

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zweitbeste Jahr in der Beobachtungsperiode (Bild 6), dagegen erreichte die strahlungsgewichtete Modultemperatur einen Spitzenwert (leicht über dem Wert des Rekordjahres 1997).

Energieertrag Bild 3 zeigt die normierte monatliche Energieproduktion für das Durchschnittsjahr zwischen 1994 und 2003 für die PV-Anlage Jungfraujoch. Die mittlere Jahresenergieproduktion ist mit 1371 kWh/kWp sehr hoch. Die Energieproduktion ist auch relativ gut über das ganze Jahr verteilt, der mittlere Winterenergieanteil beträgt 46,2% (Minimum 43,2%, Maximum 50,7%). Im Jahre 1994 waren die Einstrahlung und der Energieertrag in der Zeit von 1994 bis 2003 am tiefsten (Bild 4), im Jahre 1997 dagegen am höchsten (Bild 5). Im Jahre 2003 wurden im Mittelland Rekordwerte von Einstrahlung und Sommertemperaturen erreicht. Auf Jungfraujochjedoch war 2003 bezüglich Einstrahlung in die Solargeneratorebene und Energieertrag nur das

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Anlage Birg Betriebserfahrungen Wegen schlechter Netzverhältnisse treten beim Anfahren der Ward-Leonard-Gruppe des Seilbahnantriebs oft starke Spannungsschwankungen im Netz auf, welche den Wechselrichter stören. Die Anlage, welche bereits Ende 1992 in Betrieb genommen wurde, hatte deshalb anfänglich oft Probleme mit dem Wechselrichter. Bis Mitte 1994 traten neben sporadischen Wechselrichter-Fehlfunktionen insgesamt 5 Hardwaredefekte am Wechselrichter auf. Nach mehreren Versuchen gelang es dem Hersteller schliesslich, das Gerät soweit gegen diese Störungen zu immunisieren, dass beim Anfahren der Ward-Leonard-Gruppe nur noch Kurzabschaltungen ohne grossen Einfluss auf die

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Normierte Mllhrjahr..tatlstlk (Pyranometer) Anlage: Birg Jahre: 1.1996 ·12-2002

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Energieproduktion, jedoch keine Hardwaredefekte mehr auftreten. Der Wechselrichter Solcon 3400 HE funktionierte danach während über 8 Jahren einwandfrei. Im Januar 2003 ereignete sich ein weiterer Wechselrichterdefekt Wegen des hohen Alters des Geräts und des eingeschränkten Reparaturservice durch den Hersteller entschied sich der Anlagenbetreiber, einen neuen Wechselrichter einzusetzen. Der Wechselrichter wurde daraufhin durch einen neuen ASP Thp Class 4000/6 Grid III ersetzt. Um ein originelles Erscheinungsbild zu erreichen, wurde bei dieser Anlage auf Wunsch des Gebäudeeigentümers der untere Thil des Solargenerators etwas zu weit nach unten gezogen, sodass dieser recht nahe über einem relativ schwach geneigten Vordach liegt. Auf diesem Vordach bildet sich im Winter nach starken Schneefällen eine Schneemauer, die den unteren Teil des Generators abdeckt und die Energieproduktion reduziert. Im Monat Februar ist die

Normierte Jahnutatlatlk (Pyranometer) Anlage: Birg Jahr: 1999

Ylelda & Loaeee [kWh/d/kWp] (Pgen=4134Wp)

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Bild 9 Normierte monatliche Energieproduktion für 1997, dem Jahr mit der höchsten Jahresproduktion.

Normlette Jahresstatistik (Pyranometer) Anlage: Birg Jahr: 1997

tionsverlust von 10,5% zur Folge. Bild 8 und 9 zeigen die normierte monatliche Energieproduktion für die Anlage in Birg für das Jahr mit der tiefsten und der höchsten Jahresenergieproduktion.

Im Vergleich mit anderen Anlagen

Streuung des Ertrags wegen der von Jahr zu Jahr variierenden Schneehöhe auf dem Dach vor dem Generator relativ gross. Auch im März treten oft nennenswerte Ertragsverluste infolge Schneebedeckung des unteren Generators auf. Durch eine bessere Anordnung des Solargenerators hätte dieses Problem leicht vermieden werden können. Wenn keine Schneebedeckung des Solargenerators vorliegt, tritt wegen der leichten Überdimensionierung des Solargenerators an schönen Wintertagen über die Mittagszeit eine Leistungsbegrenzung auf, da der Wechselrichter höchstens mit seiner Nennleistung ins Netz einspeisen kann. An solchen Thgen können während längerer Zeit Einstrahlungswerte von 1,1 bis 1,3 kW /m 2 auftreten. Dies führt an solchen Thgen natürlich zu einem gewissen Energieproduktionsverlust Bei hochalpinen Anlagen ist eine Überdimensionierung des Solargene-

rators deshalb weniger zweckmässig als im Flachland. Energieertrag Für einen fairen Vergleich des Energieertrags mit der Anlage Jungfraujoch wird nur die Zeit von 1995-2002 herangezogen, in der keine Wechselrichter-Ausfälle auftraten . Bild 7 zeigt die normierte monatliche Energieproduktion für das Durchschnittsjahr zwischen 1995 und 2002 für die PVAnlage Birg. Da die Anlage Birg nur auf 2670 m liegt und keinen Gletscher vor dem Generator hat, tritt ein ausgeprägtes Sommerloch auf. Die mittlere Jahresenergieproduktion ist mit 1062 kWh/kWp zwar deutlich tiefer als bei der Anlage Jungfraujoch, aber immer noch höher als bei vergleichbaren Anlagen im Mittelland. Der mittlere Winterenergieanteil beträgt 56,3% (Minimum 53,4%, Maximum 58,4% ). Der Wechselrichterdefekt im Frühjahr 2003 hatte einen Produk-

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Gieller/Burgdorf (3.18kWp, 540m)

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Jungtraujoch (1.16kWp, J454m)

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Mont Soleil (660kWp, 1270m) Bir g (4.134kWp, 2670m)

Bild 10 zeigt die normierte monatliche Energieproduktion, bezogen auf die Solargenerator-Spitzenleistung, in den Jahren 1997 bis 2002 für eine PV-Anlage in Burgdorf (3,18 kWp, 540 m), für die grosse PV-Anlage Mont-Soleil (560 kWp, 1270 m), für die Anlage Birg (4,134 kWp, 2670 m) und für die PV-Anlage Jungfraujoch (1, 15 kWp, 3454 m). In dieser Zeit traten bei allen Anlagen keine Wechselrichterausfälle auf. Bei der Anlage im Mittelland treten ein ausgeprägtes Sommermaximum und ein ebenso prominentes Winterminimum auf (mittlerer Winterenergieanteil 29,1% ), das Verhältnis Maximum zu Minimum kann bis 10: 1 betragen. Bei der höher gelegenen Anlage Mont-Soleil ist die Situation ähnlich, allerdings ist das Verhältnis zwischen Maximum und Minimum i. A. geringer und der Winterenergieanteil steigt auf38, 1%. In einigen Jahren tritt ein Sommer-Maximum wie bei Mittellandanlagen auf, in anderen Jahren treten dagegen zwei Maxima im Frühling und im Herbst auf (wie bei der Anlage Jungfraujoch). Noch günstiger sind die beiden Anlagen in den Alpen. Die Jahresenergieproduktion ist deutlich höher als bei den andem Anlagen und sie verläuft viel gleichmässiger (geringere Streuung der Monatsenergieproduktion) und es treten pro Jahr zwei Produktionsmaxima auf. Die beobachteten Winterenergieanteile variieren zwischen 43,2 und 58,4% . Von Herbst 1999 bis Frühling 2001 wurde die Anlage Mont Soleil nur rudimentär überwacht, was eine wesentliche Minderproduktion infolge lange unentdeckter Strang-Ausfälle zur Folge hatte. Im Juni 2001 wurde durch die HTI eine neue Messtechnik

Bild 10 Normierte monatliche Energieproduktion (bezogen auf Solargenerator-Nennleistung) der PV-Anlagen Jungfraujoch (1,152 kWp), Birg (4, 134 kWp), Mont-Soleil (560 kWp) und Gfeller/Burgdorf (3,18 kWp) in den Jahren 1997 bis 2002. 58

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in Betrieb genommen. Seither ist die Produktion dank der kontinuierlichen Überwachung wieder deutlich angestiegen. Beim direkten Vergleich der beiden hochalpinen Anlagen fällt auf, dass die Anlage Birg im Sommer zwar weit hinter der Anlage Jungfraujoch zurückliegt, dass sie aber in den Wintermonaten manchmal sogar eine etwas höhere spezifische Monatsenergieproduktion als die Anlage Jungfraujoch aufweist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass im Winter oft Südwestlagen mit Niederschlägen auf der Südabdachung der Alpen auftreten, die sich aufdem Jungfraujoch unmittelbar auf dem Alpenhauptkamm stärker auswirken als auf Birg, das etwa 800 m tiefer und einige Kilomete r vom Hauptkamm entfernt liegt und davon weniger betroffen ist. IET041

Prof. Dr. Heinrich Häberlin Berner Fachhochschule, Hochschule für Technik und Informatik Jlcoweg 1, 3400 Burgdorf [email protected] www.pvtest.ch

• Informationen über weitere Aktivitäten des Photovoltaik-Labors der HTI in Burgdorf und weitere Publikationen (teilweise online) sind unter http:/ lwww.pvtest.ch zu finden. Man findet dort unter PV-Messdaten auch die normierten Jahresstatistiken aller erwähnten Anlagen (seit Messbeginn)! • Das PV-Labor der HTI ist auch Partner im nationalen Kompetenznetzwerk BRENET (Gebäudetechnik und erneuerbare Energien).

Sonnenexponierte Fassaden Sonnenexponierte Fassaden von alpinen Gebäuden mit Netzanschluss eignen sich für die Installation von netzgekoppelten Photovoltaikanlagen besonders gut. Die von derartigen Anlagen produzierte Energie passt viel besser ins Lastprofil der Stromversorgung in der Schweiz als die Energie von PV-Anlagen im Mittelland und ergänzt die Energieproduktion von LautKraftwerken sehr gut. In den Monaten November bis Februar produzieren sie pro installiertes kWp Solargeneratorleistung ein Mehrfaches der Energie von entsprechenden Anlagen auf Dächern oder an Fassaden von Gebäuden im Mittelland. Bei alpinen Anlagen ist eine Überdimensionierung des Solargenerators im Gegensatz zu Mittellandanlagen kaum zweckmässig. Dank der meist vor

Verdankungen Die beschriebenen Langzeitmessungen bis Mai 1995 erfolgten im Rahmen eines vom BFE und vom WEA des Kantons Bern finanzierten Messprojektes. Die weiteren Messungen ab Oktober 1996 bis August 2003 wurden im Rahmen zweier weiterer Monitoring-Projekte (Finan zierung: BFE, PSEL, Localnet AG Burgdorf, Gesellschaft Mont Soleil und Elektra Baselland) weitergeführt. All diesen Institutionen sei an dieser Stelle für ihre wertvolle Unterstützung gedankt. Ich danke auch meinen ehemaligen As· sistenten, Herrn Ch. Beutler, der diese Langzeitmessungen von 1992 bis 1997 be· treut hat, und Herrn S. Oberli, der neben Herrn Beutler wesentlich bei der Realisie· rung und dem Ausbau der Auswertesoft· ware mitgewirkt hat. Ebenso danke ich ihrem Nachfolger, Herrn Ch. Renken, der diese Messungen seit Herbst 1997 weiter betreut und meinen übrigen Assistenten, die zeitweise ebenfalls an der Betreuung der Anlagen mitgewirkt haben. Im Laufe von 2004 wird Herr Ch. Geissbühler die Be-

direkten Blitzeinschlägen geschützten Lage in der Fassade lassen sich die in den Alpen häufigen atmosphärischen Überspannungen mit geeigneten Schutzmassnahmen gut beherrschen. Es ist deshalb sinnvoll, derartige Anlagen an möglichst vielen Gebäuden (insbesondere der touristischen Infrastruktur) in den Alpen zu realisieren, falls die Netzverhältnisse einen Wechselrichteranschluss zulassen. Erfreulicherweise sind in den letzten Jahren einige neue derartige Anlagen realisiert worden. Die seit über 10 Jahren durchgeführten Messungen an den Anlagen Jungfraujoch und Birg belegen, dass nach Überwindung allf>. Elektrotechnik 10/ 1999. [5] H. Häberlin: «Langzeiterfahrungen mit PV-Anlagen in der Schweiz". Referate der 5, Nationalen Photovoltaik-Tagung 25./26.3.2004 ETH Zürich .

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