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

 

Ermittlung des elektrischen Energieertrages von 12 PV-Modultypen, im Vergleich

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

Inhaltsverzeichnis
1. Anlass der Untersuchungen
2. Vor- Überlegungen
2.1. Theoretische Annahme als Kalkulationsbasis
3. Vorgehensweise
3.1. Planung
3.2. Durchführung
4. Messergebnisse
5. Fazit

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 PVArrays
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.


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,
http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/) des Standortes Holysov, siehe Abb. 1.

 Abb. 1: Mittlere Globalstrahlungswerte, sowie PV-Erträge (bezogen auf eine 1 kWp-Anlage)
Abb. 1: Mittlere Globalstrahlungswerte, sowie PV-Erträge (bezogen auf eine 1 kWp-Anlage)

2.1 Theoretische Annahme als Kalkulationsbasis
Als Monate mit quasi völliger Schneebedeckung legten wir die Monate Dezember und
Januar fest. Lt. Abb. 1, Spalte Em, 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.

3.2 Durchführung
Der Wartungsmitarbeiter wurde mit entsprechendem Räumwerkzeug ausgestattet und
reinigte, sobald Schnee auf den Modulen lag, einmal täglich den dafür vorgesehenen
Anlagenteil, siehe Abb. 2
Abb. 2: Der Wartungsmitarbeiter bei der Schneeräumung mit entsprechendem Räumungsgerät
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.

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.

Abb. 4 zeigt den Ertrag der beiden Anlagenteile, vom Beginn der Schneephase
(20.11.2010) bis zum Jahresende (31.12.2010)
Abb. 4: Einträge von Beginn der Schneephase bis zum Jahresende 2010.
Abb. 4: Einträge von Beginn der Schneephase bis zum Jahresende 2010.

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 20.11.2010 bis zum 31.12.2010 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.
Abb. 5: Vergleich der Erträge in den verschiedenen Zeiträumen

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 (20.11.2010 bis 25.01.2011) 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.

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