MPP-Tracker
Der Maximum Power Point (MPP) eines Solarmoduls oder eines Strings ist der Punkt der Strom-Spannungs-Kennlinie, an dem das Solarmodul die höchste Leistung erbringt. Der MPP-Tracker ermittelt und optimiert den Maximum Power Point, da dieser von verschiedenen Faktoren abhängig ist und sich somit ständig ändert.
Das MPP-Tracking (auch: Maximum Power Point Tracking, MPPT) ist bei netzgekoppelten Photovoltaik-Anlagen Bestandteil und Aufgabe des Wechselrichters. Bei Inselanlagen übernimmt der Laderegler die Aufgabe des MPP-Trackers. Der MPP-Tracker im Wechselrichter sorgt unentwegt dafür, dass die Leistung der zu Strings zusammengefassten Module immer optimal auf den jeweiligen Strahlungs- und Temperaturzustand abgestimmt ist.
Wie funktioniert ein MPP-Tracker?
Der MPP-Tracker bildet den optimalen Lastwiderstand, um die Leistung der Module, also das Produkt aus Strom und Spannung, zu optimieren und damit möglichst nahe am MPP zu halten. Umgesetzt wird dies mit einem Gleichspannungswandler. Für das MPP-Tracking werden üblicherweise MPP-Tracker als Hochsetzer realisiert.
Die Regulierung von Strom und Spannung wird in modernen Wechselrichtern und Ladereglern von einem Mikrocontroller übernommen und mittels Pulsweitenmodulation (PWM) eingestellt. Der Wechselrichter hat die Aufgabe, die Leistung, die ins Netz gespeist wird, immer möglichst groß zu halten. So kann man den bestmöglichen Ertrag der Solarmodule erzielen. Der MPP-Tracker ist ein adaptiver Regler, der einen Sollwert für die Eingangsspannung (auch: DC-Spannung) festsetzt und sie in der Nähe dieses Sollwerts variiert. Erzielt das Modul bei einer Variation eine höhere Leistung, regelt der MPP-Tracker den Sollwert entsprechend nach: führt eine Änderung der Spannung vom Sollwert nach oben zu mehr Leistung, steigt der Sollwert. Erhöht sich die Leistung aber bei einer Spannungssenkung, sinkt der Sollwert.
Wichtig zu wissen: Jeder Wechselrichterhersteller hat seinen eigenen Algorithmus und seine eigene Software, nach denen das MPP-Tracking erfolgt. Es gibt also keine Universallösung für das MPP-Tracking.
Einsatzmöglichkeiten und Verfahren von MPP-Tracking
Spannungserhöhungs-Verfahren: Um auf die unterschiedliche Strahlungsintensität im Laufe des Tages zu reagieren, arbeitet der MPP-Tracker mit einem Spannungserhöhungsverfahren. Dabei erhöht er die Spannung in den Modulen Schritt für Schritt. Irgendwann entsteht ein Leistungsabfall und der Tracker weiß, dass einer Überschreitung des MPP vorliegt. Als Folge senkt der MPP-Tracker die Spannung wieder.
Schattenmanagement: Zusätzlich kann der MPP-Tracker die Anpassung an sich ändernde Lichtverhältnisse auch durch das sogenannte „Schattenmanagement“ optimieren. Hierbei wird alle 5 bis 10 Minuten die Kennlinie des Generators überprüft, um den MPP zu finden. In modernen Solaranlagen ist diese Funktion bereits integriert. Bei älteren Modellen kann das Schattenmanagement relativ einfach nachgerüstet werden.
Verfahren der Lastsprünge: Das Verfahren der Lastsprünge erfasst Änderungen der Belastung der Solarzellen in kleinen Schritten. Hierbei misst man die abgegebene Leistung. Man misst so lange in eine Richtung, bis die Leistung abfällt. Dann wird sie in die andere Richtung gemessen. Bei diesem Verfahren kann nur ein Näherungswert ermittelt werden und kein genauer Maximum Power Point.
Statischer und dynamischer Wirkungsgrad
Der statische Wirkungsgrad ist das Verhältnis der effektiv aufgenommenen Energie des Wechselrichters zu der umgewandelten Energie, wobei die äußeren Bedingungen grundsätzlich gleichbleiben. Der dynamische Wirkungsgrad hingegen stellt das Verhältnis der Summe aller MPP-Energien zu der umgewandelten Energie dar. Somit berücksichtigt der dynamische Wirkungsgrad, wie nahe an ihrem MPP die Solarmodule betrieben werden und lieg daher immer unter dem statischen Wirkungsgrad.
Unter optimalen Bedingungen können Wechselrichter einen Wirkungsgrad von bis zu 99,2 % erreichen. Um diesem Wert so nahe wie möglich zu kommen, ist es sehr wichtig, Störfaktoren ausfindig zu machen und zu eliminieren. Abgesehen vom statischen Wirkungsgrad kann dies eine zu große Abweichung vom Maximum Power Point sein, die insbesondere bei speziellen Überwachungsverfahren eine Rolle spielt. Die Eingangsspannung sollte außerdem niemals außerhalb des für die Modulen zulässigen Spannungsbereiches liegen.
Einflüsse auf den dynamischen Wirkungsgrad
Der statische Wirkungsgrad beeinflusst den dynamischen Wirkungsgrad. Weiter spielen beim dynamischen Wirkungsgrad folgende Punkte eine zentrale Rolle:
- Veränderung der MPP-Spannung
- Tracking-Geschwindigkeits-Algorithmus
- Stabilität des Spannungswandlers
- Grad der Sonneneinstrahlung
Alle Einflussfaktoren kann man so lange vernachlässigen, wie sich die Einstrahlung durch die Änderung des Sonnenstands nur langsam 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 Betriebsspannung an die daraus resultierenden schnellen Änderungen der optimalen Spannung anzupassen.
Fazit: Maximale Leistung, maximale Erträge mit einem MPP-Tracker
Der MPP-Tracker spielt eine zentrale Rolle bei der Regelung und Optimierung der Leistung einer Photovoltaik-Anlage. Er besitzt einen adaptiven Regelungsmechanismus, der die Eingangsspannung des Wechselrichters an die Gegebenheiten anpasst. 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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