Maximum Power Point und MPP-Tracking

 

MPP

 
 

Der Maximum Power Point und das MPP-Tracking

Der Maximum Power Point (MPP) beschreibt jenen Betriebspunkt, an dem eine Solarzelle, ein Solarmodul oder ein Solargenerator die höchste Leistung abgeben. Der MPP verändert sich dabei je nach aktueller:

  • Einstrahlungsstärke
  • und Betriebstemperatur.

Damit eine Photovoltaikanlage unter den wechselnden Betriebsbedingungen stets den höchstmöglichen Ertrag erzielt, ist es not­wendig, dass der Solargenerator immer nahe des oder genau am Maximal Power Point arbeitet. Gewährleistet wird dies durch den im Wechselrichter integrierten MPP-Regler, der über das MPP-Tracking den maximalen Arbeitspunkt aufspürt und den aktuellen Betriebspunkt der Anlage entsprechend anpasst.
Besonders wichtig ist das MPP-Tracking bei teilweiser Verschattung der Solarmodule. Hier empfehlen sich Wechselrichter, deren MPP-Regler mit einem speziellen Tracking-Algorithmus ausgerüstet ist.




Definition des maximalen Arbeitspunktes

Grafik: MPP definiert

Kennlinie und Maximum Power Point
© 2012 nau / Photovoltaiksolarstrom.de
Zum Vergrößern bitte anklicken

Jedes Solarmodul bzw. jeder PV-Genera­tor zeichnet sich durch ein spezifisches elektrisches Verhalten aus, d.h. mit der Einstrahlungsstärke und der Temperatur verändern sich Strom­stärke (I) und Spannung (U) in einem bestimm­ten Verhältnis. Für Solarzellen kennzeich­nend ist hierbei, dass die Zelltemperatur vor allem die Spannung beeinflusst, die Intensität der Lichteinstrahlung insbeson­dere die Strom­stärke.
Dargestellt wird das elektrische Verhalten in sogenannten Kennliniendiagrammen, wobei die Kennlinie jeweils einen spezi­fischen Betriebszustand (Temperatur, Ein­strahlung) abbildet.

Die Leistung, die ein Modul oder ein Solargenerator gerade abgibt, errechnet sich nun indem man – wie bei der Flächenberechnung eines Rechtecks – die Stromstärke und die Spannung im aktuellen Arbeitspunkt multipliziert. Jener Arbeitspunkt, an dem die Fläche U x I bzw. die Leistung am höchsten ist, wird als der Maximum Power Point bezeichnet (vgl. Abbildung rechts).
Jeder Betriebszustand einer Photovoltaikanlage hat dabei seinen eigenen MPP, der mit Hilfe des MPP-Trackings aufgefunden wird.

Zum Zusammenhang der zentralen Stromgrößen vgl.
Ampere, Volt und Watt.

Der Maximum Power Point und das MPP-Tracking

Der Maximum Power Point (MPP) beschreibt jenen Betriebspunkt, an dem eine Solarzelle, ein Solarmodul oder ein Solargenerator die höchste Leistung abgeben. Der MPP verändert sich dabei je nach aktueller:

  • Einstrahlungsstärke
  • und Betriebstemperatur.

Damit eine Photovoltaikanlage unter den wechselnden Betriebsbedingungen stets den höchstmöglichen Ertrag erzielt, ist es not­wendig, dass der Solargenerator immer nahe des oder genau am Maximal Power Point arbeitet. Gewährleistet wird dies durch den im Wechselrichter integrierten MPP-Regler, der über das MPP-Tracking den maximalen Arbeitspunkt aufspürt und den aktuellen Betriebspunkt der Anlage entsprechend anpasst.
Besonders wichtig ist das MPP-Tracking bei teilweiser Verschattung der Solarmodule. Hier empfehlen sich Wechselrichter, deren MPP-Regler mit einem speziellen Tracking-Algorithmus ausgerüstet ist.




Definition des maximalen Arbeitspunktes

Grafik: MPP definiert

Kennlinie und Maximum Power Point
© 2012 nau / Photovoltaiksolarstrom.de
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Jedes Solarmodul bzw. jeder PV-Genera­tor zeichnet sich durch ein spezifisches elektrisches Verhalten aus, d.h. mit der Einstrahlungsstärke und der Temperatur verändern sich Strom­stärke (I) und Spannung (U) in einem bestimm­ten Verhältnis. Für Solarzellen kennzeich­nend ist hierbei, dass die Zelltemperatur vor allem die Spannung beeinflusst, die Intensität der Lichteinstrahlung insbeson­dere die Strom­stärke.
Dargestellt wird das elektrische Verhalten in sogenannten Kennliniendiagrammen, wobei die Kennlinie jeweils einen spezi­fischen Betriebszustand (Temperatur, Ein­strahlung) abbildet.

Die Leistung, die ein Modul oder ein Solargenerator gerade abgibt, errechnet sich nun indem man – wie bei der Flächenberechnung eines Rechtecks – die Stromstärke und die Spannung im aktuellen Arbeitspunkt multipliziert. Jener Arbeitspunkt, an dem die Fläche U x I bzw. die Leistung am höchsten ist, wird als der Maximum Power Point bezeichnet (vgl. Abbildung rechts).
Jeder Betriebszustand einer Photovoltaikanlage hat dabei seinen eigenen MPP, der mit Hilfe des MPP-Trackings aufgefunden wird.

Zum Zusammenhang der zentralen Stromgrößen vgl.
Ampere, Volt und Watt.

Der Maximum Power Point und das MPP-Tracking

Der Maximum Power Point (MPP) beschreibt jenen Betriebspunkt, an dem eine Solarzelle, ein Solarmodul oder ein Solargenerator die höchste Leistung abgeben. Der MPP verändert sich dabei je nach aktueller:

  • Einstrahlungsstärke
  • und Betriebstemperatur.

Damit eine Photovoltaikanlage unter den wechselnden Betriebsbedingungen stets den höchstmöglichen Ertrag erzielt, ist es not­wendig, dass der Solargenerator immer nahe des oder genau am Maximal Power Point arbeitet. Gewährleistet wird dies durch den im Wechselrichter integrierten MPP-Regler, der über das MPP-Tracking den maximalen Arbeitspunkt aufspürt und den aktuellen Betriebspunkt der Anlage entsprechend anpasst.
Besonders wichtig ist das MPP-Tracking bei teilweiser Verschattung der Solarmodule. Hier empfehlen sich Wechselrichter, deren MPP-Regler mit einem speziellen Tracking-Algorithmus ausgerüstet ist.




Definition des maximalen Arbeitspunktes

Grafik: MPP definiert

Kennlinie und Maximum Power Point
© 2012 nau / Photovoltaiksolarstrom.de
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Jedes Solarmodul bzw. jeder PV-Genera­tor zeichnet sich durch ein spezifisches elektrisches Verhalten aus, d.h. mit der Einstrahlungsstärke und der Temperatur verändern sich Strom­stärke (I) und Spannung (U) in einem bestimm­ten Verhältnis. Für Solarzellen kennzeich­nend ist hierbei, dass die Zelltemperatur vor allem die Spannung beeinflusst, die Intensität der Lichteinstrahlung insbeson­dere die Strom­stärke.
Dargestellt wird das elektrische Verhalten in sogenannten Kennliniendiagrammen, wobei die Kennlinie jeweils einen spezi­fischen Betriebszustand (Temperatur, Ein­strahlung) abbildet.

Die Leistung, die ein Modul oder ein Solargenerator gerade abgibt, errechnet sich nun indem man – wie bei der Flächenberechnung eines Rechtecks – die Stromstärke und die Spannung im aktuellen Arbeitspunkt multipliziert. Jener Arbeitspunkt, an dem die Fläche U x I bzw. die Leistung am höchsten ist, wird als der Maximum Power Point bezeichnet (vgl. Abbildung rechts).
Jeder Betriebszustand einer Photovoltaikanlage hat dabei seinen eigenen MPP, der mit Hilfe des MPP-Trackings aufgefunden wird.

Zum Zusammenhang der zentralen Stromgrößen vgl.
Ampere, Volt und Watt.

 

Wie das MPP-Tracking funktioniert

Grafik: Auf der Suche nach dem MPP

Prinzip des MPP-Trackings nach dem Suchschwing-Verfahren – © nau 2012, nach Mertens (2011)
Zum Vergrößern bitte anklicken

Technisch umgesetzt wird das MPP-Tracking mittels eines Gleich­spannungswandlers (DC/DC-Wandler), über den die Spannung im Solar­generator weitgehend unabhängig von jener am Verbraucher – bspw. den Elektrogeräten im Haus, dem Strom­netz oder dem Batteriespeicher – ver­ändert werden kann.
Zum Auffinden des maximalen Ar­beits­punktes kommt in MPP-Trackern heute das sogenannte Suchschwing-Verfah­ren zum Einsatz (vgl. dazu die Darstellung links).

Der hierbei verwendete Algorithmus misst zuerst am Ein- oder Ausgang des DC/DC-Wandlers die momentane Leistung des Solargenerators. Anschließend wird die Kennlinie, beginnend bei der Leerlaufspannungspunkt UL, durch Veränderung des Belastungs­widerstands schrittweise abgetastet. Dies wiederholt sich bei permanenter Leistungsmessung solange, bis die neu gemessene Leistung geringer ist als die zuvor ermittelte.
Ist das der Fall, wurde der Maximum Power Point überschritten – die Trackingrichtung muss wieder umgekehrt werden. Der vom MPP-Regler eingestellte tatsächliche Arbeitspunkt des PV-Generators kreist so – genau betrachtet – immer in möglichst geringem Abstand um den MPP.
Für Anlagenbetreiber ist entscheidend:

  • Je genauer diese Annäherung gelingt, desto höher ist der Solarstromertrag, den man mit der Photovoltaik-Anlage ernten kann.
  • Moderne Wechselrichter bzw. Netzein­speisegeräte sind sich in dieser Hinsicht qualitativ sehr nahe – allerdings nur, solange die Anlage nicht verschattet ist.

Sonderfall Verschattung

Bild: MPP-Verschiebung bei verschatteten Modulen

Veränderung des MPP bei Verschattung – © nau 2012 nach Mertens (2011)
Zum Vergrößern bitte anklicken

Ist bei einer Solarstromanlage mit einer teilweisen Verschattung zu rech­nen, schafft es der einfache Tracking-Algorithmus nicht immer, den maxi­malen Arbeitspunkt zu finden – Die Folge ist ein vorübergehender Leis­tungsverlust.
Am Beispiel einer Photo­voltaikanlage mit 6 in Reihe geschal­te­ten Modulen à 150 Watt zeigt sich, das die Verluste dabei be­trächt­lich sein können:

Ohne Verschattung gibt der Generator unter Standard-Testbedingungen eine Leistung von ca. 800 Watt ab (MPP1).
Wird ein Modul zu 3/4 verschattet, sinkt dessen Strom um denselben Faktor ab. Die Module der Anlage wurden aber mit Bypass-Dioden, einem Überbrückungsmechanismus, ausgestattet, sodass die restlichen 5 Module weiterhin ihre Nennleistung abgeben. Der MPP-Punkt verschiebt sich jedoch hin zum MPP2 und liegt jetzt bei einer Spannung U von 191 Volt und einem Strom I von 3,61 Ampere (Grafik rechts). Daraus ergibt sich nach der Formel:

U x I = P eine maximale Leistung von 191 x 3,61 ≈ 690 Watt

Diese Leistung erbringt die Anlage aber nur, wenn der Tracker tatsächlich den MPP2 findet. Dazu ist allerdings ein verbesserter Suchalgorithmus notwendig, der in regelmäßigen Abständen die gesamte Kennlinie des Solargenerators abtastet. Einen derartigen Algorithmus bietet bspw. der deutsche Wechselrichter SMA unter dem Namen OptiTrac Global Peak an.
Der herkömmliche Algorithmus würde in diesem Fall den MPP2 schon bei einer Spannung von rund 260 Volt – also viel zu früh – vermuten. Aus dem dortigen Strom von 1 Ampere ergäbe sich dann eine momentane Leistung von rund 260 Watt, ein vorübergehender Leistungsverlust von 690 – 260 = 430 Watt.

Abschließend:
Wichtig ist der MP auch für die Berechnung des Füllfaktors.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung

Wie das MPP-Tracking funktioniert

Grafik: Auf der Suche nach dem MPP

Prinzip des MPP-Trackings nach dem Suchschwing-Verfahren – © nau 2012, nach Mertens (2011)
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Technisch umgesetzt wird das MPP-Tracking mittels eines Gleich­spannungswandlers (DC/DC-Wandler), über den die Spannung im Solar­generator weitgehend unabhängig von jener am Verbraucher – bspw. den Elektrogeräten im Haus, dem Strom­netz oder dem Batteriespeicher – ver­ändert werden kann.
Zum Auffinden des maximalen Ar­beits­punktes kommt in MPP-Trackern heute das sogenannte Suchschwing-Verfah­ren zum Einsatz (vgl. dazu die Darstellung links).

Der hierbei verwendete Algorithmus misst zuerst am Ein- oder Ausgang des DC/DC-Wandlers die momentane Leistung des Solargenerators. Anschließend wird die Kennlinie, beginnend bei der Leerlaufspannungspunkt UL, durch Veränderung des Belastungs­widerstands schrittweise abgetastet. Dies wiederholt sich bei permanenter Leistungsmessung solange, bis die neu gemessene Leistung geringer ist als die zuvor ermittelte.
Ist das der Fall, wurde der Maximum Power Point überschritten – die Trackingrichtung muss wieder umgekehrt werden. Der vom MPP-Regler eingestellte tatsächliche Arbeitspunkt des PV-Generators kreist so – genau betrachtet – immer in möglichst geringem Abstand um den MPP.
Für Anlagenbetreiber ist entscheidend:

  • Je genauer diese Annäherung gelingt, desto höher ist der Solarstromertrag, den man mit der Photovoltaik-Anlage ernten kann.
  • Moderne Wechselrichter bzw. Netzein­speisegeräte sind sich in dieser Hinsicht qualitativ sehr nahe – allerdings nur, solange die Anlage nicht verschattet ist.

Sonderfall Verschattung

Bild: MPP-Verschiebung bei verschatteten Modulen

Veränderung des MPP bei Verschattung – © nau 2012 nach Mertens (2011)
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Ist bei einer Solarstromanlage mit einer teilweisen Verschattung zu rech­nen, schafft es der einfache Tracking-Algorithmus nicht immer, den maxi­malen Arbeitspunkt zu finden – Die Folge ist ein vorübergehender Leis­tungsverlust.
Am Beispiel einer Photo­voltaikanlage mit 6 in Reihe geschal­te­ten Modulen à 150 Watt zeigt sich, das die Verluste dabei be­trächt­lich sein können:

Ohne Verschattung gibt der Generator unter Standard-Testbedingungen eine Leistung von ca. 800 Watt ab (MPP1).
Wird ein Modul zu 3/4 verschattet, sinkt dessen Strom um denselben Faktor ab. Die Module der Anlage wurden aber mit Bypass-Dioden, einem Überbrückungsmechanismus, ausgestattet, sodass die restlichen 5 Module weiterhin ihre Nennleistung abgeben. Der MPP-Punkt verschiebt sich jedoch hin zum MPP2 und liegt jetzt bei einer Spannung U von 191 Volt und einem Strom I von 3,61 Ampere (Grafik rechts). Daraus ergibt sich nach der Formel:

U x I = P eine maximale Leistung von 191 x 3,61 ≈ 690 Watt

Diese Leistung erbringt die Anlage aber nur, wenn der Tracker tatsächlich den MPP2 findet. Dazu ist allerdings ein verbesserter Suchalgorithmus notwendig, der in regelmäßigen Abständen die gesamte Kennlinie des Solargenerators abtastet. Einen derartigen Algorithmus bietet bspw. der deutsche Wechselrichter SMA unter dem Namen OptiTrac Global Peak an.
Der herkömmliche Algorithmus würde in diesem Fall den MPP2 schon bei einer Spannung von rund 260 Volt – also viel zu früh – vermuten. Aus dem dortigen Strom von 1 Ampere ergäbe sich dann eine momentane Leistung von rund 260 Watt, ein vorübergehender Leistungsverlust von 690 – 260 = 430 Watt.

Abschließend:
Wichtig ist der MP auch für die Berechnung des Füllfaktors.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung

Wie das MPP-Tracking funktioniert

Grafik: Auf der Suche nach dem MPP

Prinzip des MPP-Trackings nach dem Suchschwing-Verfahren – © nau 2012, nach Mertens (2011)
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Technisch umgesetzt wird das MPP-Tracking mittels eines Gleich­spannungswandlers (DC/DC-Wandler), über den die Spannung im Solar­generator weitgehend unabhängig von jener am Verbraucher – bspw. den Elektrogeräten im Haus, dem Strom­netz oder dem Batteriespeicher – ver­ändert werden kann.
Zum Auffinden des maximalen Ar­beits­punktes kommt in MPP-Trackern heute das sogenannte Suchschwing-Verfah­ren zum Einsatz (vgl. dazu die Darstellung links).

Der hierbei verwendete Algorithmus misst zuerst am Ein- oder Ausgang des DC/DC-Wandlers die momentane Leistung des Solargenerators. Anschließend wird die Kennlinie, beginnend bei der Leerlaufspannungspunkt UL, durch Veränderung des Belastungs­widerstands schrittweise abgetastet. Dies wiederholt sich bei permanenter Leistungsmessung solange, bis die neu gemessene Leistung geringer ist als die zuvor ermittelte.
Ist das der Fall, wurde der Maximum Power Point überschritten – die Trackingrichtung muss wieder umgekehrt werden. Der vom MPP-Regler eingestellte tatsächliche Arbeitspunkt des PV-Generators kreist so – genau betrachtet – immer in möglichst geringem Abstand um den MPP.
Für Anlagenbetreiber ist entscheidend:

  • Je genauer diese Annäherung gelingt, desto höher ist der Solarstromertrag, den man mit der Photovoltaik-Anlage ernten kann.
  • Moderne Wechselrichter bzw. Netzein­speisegeräte sind sich in dieser Hinsicht qualitativ sehr nahe – allerdings nur, solange die Anlage nicht verschattet ist.

Sonderfall Verschattung

Bild: MPP-Verschiebung bei verschatteten Modulen

Veränderung des MPP bei Verschattung – © nau 2012 nach Mertens (2011)
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Ist bei einer Solarstromanlage mit einer teilweisen Verschattung zu rech­nen, schafft es der einfache Tracking-Algorithmus nicht immer, den maxi­malen Arbeitspunkt zu finden – Die Folge ist ein vorübergehender Leis­tungsverlust.
Am Beispiel einer Photo­voltaikanlage mit 6 in Reihe geschal­te­ten Modulen à 150 Watt zeigt sich, das die Verluste dabei be­trächt­lich sein können:

Ohne Verschattung gibt der Generator unter Standard-Testbedingungen eine Leistung von ca. 800 Watt ab (MPP1).
Wird ein Modul zu 3/4 verschattet, sinkt dessen Strom um denselben Faktor ab. Die Module der Anlage wurden aber mit Bypass-Dioden, einem Überbrückungsmechanismus, ausgestattet, sodass die restlichen 5 Module weiterhin ihre Nennleistung abgeben. Der MPP-Punkt verschiebt sich jedoch hin zum MPP2 und liegt jetzt bei einer Spannung U von 191 Volt und einem Strom I von 3,61 Ampere (Grafik rechts). Daraus ergibt sich nach der Formel:

U x I = P eine maximale Leistung von 191 x 3,61 ≈ 690 Watt

Diese Leistung erbringt die Anlage aber nur, wenn der Tracker tatsächlich den MPP2 findet. Dazu ist allerdings ein verbesserter Suchalgorithmus notwendig, der in regelmäßigen Abständen die gesamte Kennlinie des Solargenerators abtastet. Einen derartigen Algorithmus bietet bspw. der deutsche Wechselrichter SMA unter dem Namen OptiTrac Global Peak an.
Der herkömmliche Algorithmus würde in diesem Fall den MPP2 schon bei einer Spannung von rund 260 Volt – also viel zu früh – vermuten. Aus dem dortigen Strom von 1 Ampere ergäbe sich dann eine momentane Leistung von rund 260 Watt, ein vorübergehender Leistungsverlust von 690 – 260 = 430 Watt.

Abschließend:
Wichtig ist der MP auch für die Berechnung des Füllfaktors.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung