Optimization of number of PV cells connected in series for a direct-coupled PV system with lead-acid and lithium-ion batteries

Paul Ayengo, Sarah; Sauer, Dirk Uwe (Thesis advisor); Garche, Jürgen (Thesis advisor)

Aachen : ISEA (2018, 2019)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Beiträge des ISEA 122
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (114 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2018

Kurzfassung

Netzunabhängige PV-Anlagen können über einen Laderegler direkt an eine Batterie angeschlossen werden oder es wird zusätzlich ein MPP-Tracker genutzt. Ein großer Vorteil einer Anlage mit MPP-Tracker besteht darin, dass diese unabhängig von der Batterie Spannung die maximal verfügbare PV-Leistung nutzen kann, was zu einem höheren Ertrag der PV-Anlage führt. Andererseits erhöht der Einsatz eines MPP-Trackers die Systeminvestitionskosten und macht sie für Menschen mit geringem Einkommen unerschwinglich. Eine direkt gekoppelte PV-Anlage mit Batterie kann eine kostengünstige Alternative sein, wenn der MPP-Tracker eingespart werden kann. In dieser Topologie ohne MPP Tracker werden PV-Module über einen Laderegler an die Batterien parallel angeschlossen. Diese Topologie ist einfach und kostengünstig zu realisieren. Ein PV-Modul besteht aus Zellen, die zur Erhöhung der Ausgangsspannung in Reihe geschaltet sind. Um den Ausgangsstrom zu erhöhen, sind die Zellen parallelgeschaltet. Die Anzahl der PV-Zellen in Reihe bestimmt auch den U_MPP. Da die PV-Module parallel zu den Batterien geschaltet sind, bestimmen die Batterien die Betriebsspannung. Die Batteriebetriebsspannung und die Anzahl der PV-Zellen in Reihe beeinflussen die Leistung des PV-Moduls. Der Hauptnachteil dieser Topologie tritt auf, wenn die Batteriespannung weit vom maximalen Leistungspunkt (U_MPP) des PV-Moduls entfernt ist. Dies verringert die Ausgangsleistung des PV-Moduls. Dies tritt durch unterschiedliche im System angeschlossene Lasten und bei schlechter Auswahl des PV-Modules zur verwendeten Batteriespannung auf und führt zu einer Verschwendung von PV-Leistung. Für diese Systeme ist eine geeignete Auswahl der Batterie- und PV-Spannungen sehr wichtig um hohe Wirkungsgrade zu erreichen. Es gibt eine Reihe von Faktoren, die die PV-Leistung beeinflussen, wenn sie in beiden Topologien betrieben werden. Dazu gehören die Intensität der Sonnenstrahlung, die Lufttemperatur, die Abschattung, die Windgeschwindigkeit und die Art des Materials welches zur Herstellung der PV-Zellen verwendet wird. In dieser Studie wird die Anzahl der in Reihe geschalteten PV-Zellen als der Hauptfaktor angesehen welcher die PV-Leistung der direkt gekoppelten Systeme beeinflusst. Es wurde ein Modell für ein direkt gekoppeltes PV-Modul entwickelt, das unterschiedliche Anzahlen in Reihe geschalteten PV-Zellen berücksichtigt. Andere Faktoren wie Temperatur und Sonneneinstrahlung werden ebenfalls berücksichtigt. Im Rahmen der Arbeit wurde ein Optimierungswerkzeug für ein solches System entwickelt. Das entwickelte Tool kann die optimale Anzahl von PV-Zellen in Reihe und parallel ermitteln. Bei der Ermittlung der optimalen Ergebnisse werden Änderungen der Sonneneinstrahlung, Temperatur und Lastprofile berücksichtigt. Die optimalen Auslegungen haben während des Betriebs weniger Verluste. Sie ermöglichen die Einsparung von bis zu 20% der Investitionskosten. Darüber hinaus haben die ausgewählten optimalen Auslegungen niedrige Stromkosten (LCOE). Die Sensitivitätsanalyse wurde durchgeführt, indem die Lastprofile variiert wurden, um zu sehen, wie die Anzahl der in Serie geschalteten PV-Zellen den Wirkungsgrad beeinflussen. Um herauszufinden, wie sie die optimalen Ergebnisse beeinflussen, wurden verschiedene PV-Module mit unterschiedlichen Zellspannungen verwendet. Zusätzlich wurden die Zinssätze, die Lebensdauer der Batterie, die Kosten für die Batterie und den MPP-Tracker variiert, um zu sehen, wie sie die optimalen Ergebnisse beeinflussen. Um Vertrauen in die Optimierungsergebnisse zu haben, wurde das Modell durch Labortests validiert. In dieser Studie wurden zwei Batterietechnologien verwendet. Dazu gehören Blei-Säure- (Pb) und Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminiumoxid-Batterien (NCA). In den Labortests wurden jedoch aus Sicherheitsgründen nur Bleibatterien verwendet.

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