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Solare Insel- und Backup-Versorgung

Grundlagen, Anwendungen und SMA Lösungen

TechnikKompendium 2

Titelseite:30 kWp Hybrid-Backup-System in Ntarama, Ruanda,zur Versorgung eines Berufsschulzentrums für Solar-TechnikInbetriebnahme: 2009Quelle: juwi Solar GmbH

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INHALT1. Regenerative Inselsysteme 41.1 Komponenten 51.2 Systemdesign 61.2.1 Die DC-Kopplung 61.2.2 DC-/AC-Mischsysteme 71.2.3 Die AC-Kopplung 81.3 Funktionsweise 101.4 Wachstum und Vernetzung von Inselsystemen 111.5 Sunny Backup – die Notstromversorgung von SMA 12

2. Der Insel-Wechselrichter 142.1 Sicherheitsfunktionen 152.2 Betriebs- und Benutzerführung 162.3 Datenerfassung und Datenspeicherung 16

3. Stromerzeuger im Inselnetz 173.1 Wechselrichter für Photovoltaik 173.2 Wechselrichter für Windturbinen 183.3 Wechselrichter für Wasserturbinen 193.4 Blockheizkraftwerke (BHKW) 203.5 Wechselrichter für Brennstoffzellen 213.6 Verbrennungsaggregate 22

4. Die Betriebsführung in Inselsystemen 234.1 Aufgaben und Ziele 244.2 Optimale Betriebsführung: die Laderegelung des Sunny Island 254.2.1 Generatormanagement 264.2.2 Systemmanagement 26

5. Kommunikation im Inselnetz 275.1 Sunny WebBox – die Kommunikationszentrale 285.2 Sunny Portal – Datenspeicherung und Anzeige online 29

6. Auslegung von Inselsystemen 306.1 Hinweise zum Auslegungsbeispiel 306.2 Verbraucher und Nutzungszeiten 316.3 Vorgehen bei der Auslegung 326.4 Auswahl des Insel-Wechselrichters 326.5 Dimensionierung der Batterie 346.6 Dimensionierung der PV-Anlage 366.7 Auslegung des Dieselgenerators 376.8 Kalkulation der Anlagenkosten 37

7. Ökonomische Aspekte von Inselsystemen 388. Kompetent, flexibel, weltweit: der SMA Service 409. Referenzen 4110. Literatur 42

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SMA Solar Technology

1. Regenerative Inselsysteme

Nach Schätzungen der Europäischen Union leben weltweit rund 1,5 Milliarden Menschen ohne Zu-gang zur elektrischen Energieversorgung. Die hohen Investitionskosten, die beim Ausbau der öffentli-chen Netze anfallen, sowie der gleichzeitig niedri-ge Strombedarf werden einen Netzanschluss dieser entlegenen Gebiete auch mittelfristig verhindern. PV-Inselsysteme bieten hier eine sinnvolle Alternative.

PV-Inselsysteme sind autarke Stromnetze, die mit der Energie eines Photovoltaikgenerators gespeist wer-den. Als Beispiele sind hier Stromversorgungssyste-me auf Inseln, für vereinzelte Siedlungen oder auch ganze Dörfer zu nennen. Nach Schätzungen der EU haben allein in Europa etwa 300.000 Gehöfte und Gebäude keinen Anschluss an das öffentliche Strom-netz. Der Einsatz photovoltaischer Inselsysteme ist hier oft die wirtschaftlichste Lösung.

Bei der Planung, Auslegung und Auswahl eines In-selsystems müssen verschiedene Randbedingungen berücksichtigt werden. So hängt die optimale Ausle-gung eines Stromversorgungssystems vor allem von folgenden fünf Faktoren ab:

1. Notwendige Anschlussleistung2. Energieverbrauch3. Art der Verbraucher4. Nutzungszeitraum5. Meteorologische Randbedingungen

Neben diesen technischen Aspekten sind auch kultu-relle, soziale, ökonomische und finanzielle Aspekte zu berücksichtigen.

Abb. 1.1: Elektrifizierungsrate (Quelle: Weltbank)

Bevölkerung mit Zugang zu Elektrizität in Prozent:

© World Bank 2001

3 – 33 %33 – 66 %> 66 %


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1.1 Komponenten

Der PV-Generator ist als regenerative Energiequelle eine zentrale Komponente des Inselsystems. Als weitere Erzeuger stehen Generatoren mit Verbren-nungskraftmaschinen (z. B. Dieselgeneratoren oder BHKW) sowie Wasserkraft- und Windturbinen zur Verfügung.

Generell lassen sich Inselanlagen entsprechend ihrer System-Spannung (DC oder AC) unterschei den. In DC-gekoppelten Systemen wird der PV-Genera-tor über spezielle DC/DC-Laderegler eingebunden (Abb. 1.2). In AC-gekoppelten Systemen kommt ein konventioneller PV-Wechselrichter zur Netzeinspei-sung zum Einsatz (Abb. 1.4).

Der Batterie- oder Insel-Wechselrichter bildet das Herz des AC-gekoppelten Systems. Er gewährleistet zu jedem Zeitpunkt das Gleichgewicht von erzeug-ter und verbrauchter Leistung. Wird zu viel Energie erzeugt, speichert der Wechselrichter diese in den Batterien. Wird mehr Energie benötigt als zur Verfü-gung steht, entlädt der Wechselrichter die Batterien.

Die Hauptunterschiede zwischen Insel- und PV-Wechselrichter werden in der Tab. 1.1 aufgeführt.

Für den bestmöglichen Betrieb einer Inselversorgung ist ein Managementsystem mit Batterie-, Generator- und Lastmanagement unverzichtbar. Diese Kontroll-funktion ist in den Batterie-Wechselrichter integriert. Das vereinfacht den Systembetrieb und senkt die Investitionskosten.

Der Batterie-Wechselrichter Sunny Island bietet alles, was für ein zuverlässiges Systemmanagement nötig ist. Er ist flexibel einsetzbar und eröffnet auch für die AC-Kopplung völlig neue Möglichkeiten beim Auf-bau autarker Energiesysteme.

PV-Wechselrichter Insel-WechselrichterEnergiefl ussrichtung Unidirektional BidirektionalFunktionalitäten MPP-Regelung,

sinusförmiger NetzstromBatterie-, Generator- und Lastmanage-

ment, sinusförmige NetzspannungÜberlastfähigkeit ca. 110 % ca. 300 % (kurzschlussfest)Wirk-/Blindleistung Einspeisung reiner Wirkleistung Lasten mit beliebigem LeistungsfaktorTypische DC-Spannung 125 V – 850 V (Stringtechnik) 12 V, 24 V, 48 V

Tab. 1.1: Gegenüberstellung PV- und Insel-Wechselrichter

Der Batterie-Wechselrichter Sunny Island auf einen Blick

• Optimal für Energieversorgungssysteme von 1 kW bis > 100 kW

• Flexibel ein- und/oder dreiphasig parallel schaltbar

• Modular erweiterbar• Herausragende Überlasteigenschaften• Einsetzbar bei extremen klimatischen

Bedingungen• Optimales Batteriemanagement und

Lade zustandserfassung für lange Batterie-lebens dauer

• Kostengünstige Integration von Standard Wechselstromverbrauchern, regenerativen Quellen und Generatoren

• Einfache Inbetriebnahme


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1.2.1 Die DC-Kopplung

Bei der DC-Kopplung werden alle Verbraucher und Erzeuger ausschließlich auf der Batteriespan-nungsebene gekoppelt (Abb. 1.2). Eine Gleich-spannungsversorgung auf 12-Volt-Basis bietet sich für einfache Systemkonstellationen an. Vor allem dann, wenn der Stromverbrauch primär für die Be-leuchtung genutzt werden soll – wie zum Beispiel bei einem sogenannten Solar-Home-System (SHS) im Leistungsbereich von einigen hundert Watt. Tags-über speichert die Batterie die vom PV-Generator zur Verfügung gestellte Energie, die dann abends für den Betrieb der Beleuchtung wieder zur Verfü-gung steht. Unterstützt durch einen zusätzlichen klei-nen Wechselrichter kann der Nutzer im DC-System auch konventionelle AC-Stromverbraucher einsetzen.

Grundsätzlich ist es von Vorteil, wenn Wechsel-stromverbraucher eingesetzt werden können. Diese sind weltweit verfügbar und kostengünstig in der An-schaffung.

1.2 Systemdesign

Ein PV-Inselsystem besteht – neben Verbrauchern wie Lampen, Radio, Fernseher und Kühlschrank – im Wesentlichen aus vier Komponenten: Stromerzeu-ger (z. B. PV-Generator), Batteriespeicher, Ladereg-ler und Wechselrichter. Diese Komponenten kön-nen auf unterschiedlichen Systemebenen gekoppelt werden: DC-seitig, AC-seitig oder in Mischsystemen.

Abb. 1.2: Solar-Home-System mit der Möglichkeit, Wechselstrom zur Verfügung zu stellen

DC-BusAC-Bus


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1.2.2 DC-/AC-Mischsysteme

DC-/AC-Mischsysteme eignen sich besonders, um AC-Verbraucher des mittleren Leistungsbereichs mit DC-Erzeugern zu koppeln. Gleichzeitig kann so die Batterie auf der DC-Seite über ein Ver bren-nungsaggregat aufgeladen werden (Abb. 1.3).

Die Anforderungen an ein Mischsystem unterschei-den sich von denen an ein Solar-Home-System: Sie dienen der Versorgung entlegener Verbraucher und werden einem höheren Energiebedarf gerecht. Dem-entsprechend kommen DC-/AC-Systeme in Farmhäu-sern, kleineren Betrieben oder Bauernhöfen zum Ein-satz.

Bei der Anlagenauslegung sollte der Planer berück-sichtigen, dass die Wechselrichter-Leistung der not-wendigen Verbraucherleistung entsprechen muss: Auch wenn mehr Leistung aus PV und Wind zur Verfügung steht, begrenzt der Wechselrichter die AC-seitig zur Verfügung stehende Leistung.

Abb. 1.3: Hybridsystem mit DC-gekoppelten Komponenten

DC-BusAC-Bus


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1.2.3 Die AC-Kopplung

Die Kopplung aller Verbraucher und Erzeuger auf der AC-Seite (Abb. 1.4) bietet einen entscheidenden Vorteil: Die Systeme lassen sich flexibel und modular mit standardisierten Komponenten aufbauen oder erweitern.

Je nach Anwendung und verfügbaren Energiequel-len können erneuerbare, aber auch konventionelle Energieträger eingebunden werden. Das ist insbe-sondere bei schwacher Netzstruktur vorteilhaft. Die angeschlossenen Energiequellen laden die Batte rien und stellen im Bedarfsfall Energie zur Verfügung. Sind die Wechselrichter und Verbrennungsaggre-gate dafür vorgesehen, ist ein Anschluss an das öf-fentliche Netz möglich. Das System lässt sich durch zusätzliche Stromerzeuger einfach ausbauen. Damit wird es einem steigenden Energiebedarf gerecht. Hinzugeschaltete AC-Quellen führen AC-seitig zu einer echten Leistungsaddition.

AC-gekoppelte Anlagen können zur Versorgung konventioneller Wechselstromverbraucher genutzt werden. Damit eignen sie sich hervorragend für den Einsatz in ländlichen Regionen von Entwicklungs- und Schwellenländern.

Die Struktur dieser Versorgungssysteme erfordert im mittleren Leistungsbereich (1 – 300 kW) keine zusätz-liche Kontroll- und Überwachungseinheit. Der Batte-rie-Wechselrichter, beispielsweise der Sunny Island, überprüft selbstständig die Verfügbarkeit des Net-zes und der Systemkomponenten. Das vereinfacht den Systembetrieb und senkt die Investitionskosten.

Aus ökonomischer Sicht sind Inselsysteme mit Bat-teriespeicher im kW-Leistungsbereich deutlich güns-tiger als Anlagen, bei denen ausschließlich Diesel-generatoren eingesetzt werden. Sogar größere Hybridsysteme, bei denen ein Dieselgenerator zur Vermeidung langfristiger Batteriespeicherung einge-setzt wird, können zu geringeren Kosten betrieben werden als Systeme, die ausschließlich mit Diesel-aggregaten arbeiten. Dies ist auf den hohen War-tungsaufwand, die kurze Lebensdauer und den sehr schlechten Teillastwirkungsgrad von Dieselgenerato-ren zurückzuführen.

Abb. 1.4: Hybridsystem mit AC-gekoppelten Komponenten

DC-BusAC-Bus


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In Stromversorgungssystemen abseits der Ver bund-netze spielen vor allem die Erweiterbarkeit und die Art der Ankopplung der einzelnen Komponen-ten eine wichtige Rolle. Durch die AC-Kopplung mit dem Sunny Island lassen sich Energieerzeuger jeder Art sowie alle handelsüblichen Verbraucher an das Inselnetz anschließen. Das System ist auf der Ver-braucherseite wie auch auf der Erzeugerseite ein-fach zu erweitern (Abb. 1.5).

Abb. 1.5: Modulares und flexibles AC-gekoppeltes Hybridsystem

Vorteile der AC-Kopplung

• Struktur 100 % kompatibel mit dem öffent-lichen Netz

• Einfache Installation, da Standardkompo-nenten aus der Hausinstallation verwendet werden können

• Leistungsaddition aller ins Netz einspeisenderKomponenten

• Beliebig skalierbar, auch für größere Systeme (von 1 kW bis in den Megawatt-Bereich)

• Problemlos erweiterbar• Mit netzparallelen und netzbildenden

Energieerzeugern (Dieselaggregaten, Kleinwasser kraftwerken, Windenergieanlagen etc.) kombinierbar

• Höchste Zuverlässigkeit durch redundanten Systemaufbau

DC-BusAC-Bus

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1.3 Funktionsweise

Insel-Wechselrichter wie der Sunny Island sind an einen Batteriespeicher angeschlossen und bilden das AC-Netz des Inselsystems. Dabei regeln sie die Spannung und Frequenz auf der AC-Seite. An das AC-Netz sind sowohl Verbraucher als auch Erzeuger direkt angeschlossen. Im Falle eines Überschusses an Energie (z. B. viel Sonneneinstrahlung und wenig Verbrauch) entnimmt der Insel-Wechselrichter dem AC-Netz Energie und lädt damit die Batterien. Bei Energiemangel (wenig oder keine Sonneneinstrah-lung und viel Verbrauch) versorgt der Sunny Island das Netz über die Batterien (Abb. 1.6).

In das Inselnetz lassen sich unterschiedliche Energie-erzeuger einbinden: PV-Anlagen mit Sunny Boy-Wechselrichtern, Windenergieanlagen mit Windy Boys, Wasserkraftwerke und Diesel generatoren. Letztere können einspringen, wenn der Ladezustand der Batterien abnimmt und nicht genügend Sonnen-einstrahlung zur Verfügung steht.

Abb. 1.6: PV-Energieertrag und Verbrauchernachfrage

PV-Energieertrag < Verbrauchernachfrage (zusätzliche Energie aus der Batterie)

PV-Energieertrag = 0 (Versorgung durch die Batterie)

PV-Energieertrag > Verbrauchernachfrage (Batterieladung während des Tages)

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1.4 Wachstum und Vernetzung von Insel-systemen

Inselnetze mit Sunny Island lassen sich durch die Pa-rallelschaltbarkeit aller Einspeiser und Verbraucher nach und nach zu großen Anlagen ausbauen. Sie sind deshalb besonders gut geeignet, um netzferne Regionen, wie etwa abgelegene Dörfer, mit Energie zu versorgen.

Abbildung 1.7 zeigt den Aufbau und die Erweite-rungsmöglichkeiten einer AC-gekoppelten Dorf-stromversorgung. Das autarke Energiesystem lässt sich bei steigendem Strombedarf der Ver braucher problemlos um Stromerzeuger erweitern. Ein weite-rer Vorteil des Inselsystems: Energie, die tagsüber nicht benötigt wird, steht dank der Batteriespeicher nachts beispielsweise für die Straßenbeleuchtung zur Verfügung.

Abb. 1.7: Erweiterungsmöglichkeiten eines AC-gekoppelten Hybridsystems für eine Dorfstromversorgung

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Legende Abb. 1.71: PV-Generator2: PV-Wechselrichter Sunny Boy3: Batterie-Wechselrichter Sunny Island4: Batteriespeicher5: Generator6: Windkraftanlage

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Abb. 1.8: AC-gekoppeltes Hybridsystem mit vier Clustern, angeschlossen an eine Multiclusterbox

Um in größeren Systemen ein Höchstmaß an System-sicherheit zu gewährleisten, werden die Sunny Island-Wechselrichter in sogenannten Clustern aufgebaut. Dabei bilden bis zu drei Geräte (als Drehstromsys-tem) oder sogar vier Geräte (einphasig parallel betrieben) zusammen mit der Batterie eine Einheit. Damit nun die gewünschte Leistung erreicht wird, können mehrere solcher Einheiten parallel geschaltet werden (Cluster). Der Vorteil: Fällt eine Batterie aus, ist nicht das gesamte System betroffen (Abb. 1.8).

1.5 Sunny Backup – Die Notstromversorgung von SMA

Während Inselsysteme eine Netzkopplung überflüs-sig machen, ermöglicht das Sunny Backup-System eine zeitlich begrenzte Unabhängigkeit netzge-koppelter PV-Anlagen vom öffentlichen Strom netz. Kommt es zu einem Stromausfall, übernimmt das Backup-System die Weiterversorgung des Haus-netzes.

Das System besteht im Wesentlichen aus dem Wech-selrichter Sunny Backup, einer PV-Anlage sowie einem Batteriespeicher. Im Normalbetrieb speisen ein oder mehrere Solar-Wechselrichter den Strom aus der PV-Anlage in das öffentliche Netz ein. Erst bei einem Netzfehler bzw. -ausfall wird das Sunny Back-up-System aktiv: Die Umschalteinrichtung trennt so-wohl PV-Anlage als auch Verbraucher normgerecht vom Netz während das Hausnetz aus der Batterie weiter versorgt wird. Der Sunny Backup koordiniert als Systemmanager sämtliche Schalthandlungen. So wird jeder Netzausfall zuverlässig kompensiert.

Die PV-Anlage fungiert hier als Energiequelle zur di-rekten Versorgung der Verbraucher und zur Batterie-

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Abb. 1.9: Die Backup-Lösung von SMA

ladung. So können Verbraucher auch bei Stromaus-fall über lange Betriebszeiten mit Energie versorgt werden. Die Einbindung lokal verfügbarer regene-rativer Energiequellen führt trotz kleiner Batterieka-pazitäten zu einer Verlängerung der Autonomiezeit. Voraussetzung für ein reibungsloses Zusammenspiel von Sunny Backup und Solar-Wechselrichtern ist die konsequente Nutzung der AC-Kopplung.

Als ideale Synthese zwischen Netz- und Inselstrom-betrieb wird das Sunny Backup-System für immer mehr Betreiber interessant. In Entwicklungs- und Schwellenländern bietet es hervorragende Alterna-tiven bei instabilen Netzen. Und auch hierzulande kann es das öffentliche Stromnetz sinnvoll ergänzen. Denn lang andauernde Blackouts und zeitweilige Stromausfälle werden, so die Meinung der Exper-ten, europaweit zunehmen.

Wechselrichter Sunny Backup auf einen Blick

• Optimal für Energieversorgungssysteme von 1 kW bis 100 kW

• Integrierbar in neue und bestehende PV-Anlagen

• Vorkonfiguriertes Set• Kompakte, preiswerte Umschalteinrichtung• Kleine Dimensionierung der Batterie durch

Einbindung der PV-Anlage• Energieversorgung und Batterieladung übers

Netz• Unverändert hoher PV-Wirkungsgrad• Automatische Umschaltung auf Backup-

Versorgung in ca. 20 Millisekunden

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Abb. 2.1: Regelungsalgorithmus im Insel-Wechselrichter von SMA (SelfSync®)

2. Der Insel-Wechselrichter

Der Insel-Wechselrichter Sunny Island ist der erste modulare Batterie-Wechselrichter, der die Kopplung verschiedenster Einspeiser (PV-Anlagen, Windener-gieanlagen, Stromerzeugungsaggregaten, Block-heizkraftwerken, Kleinstwasserkraftwerken) auf der Wechselspannungsseite (AC-Kopplung) ermöglicht.

Der Insel-Wechselrichter verfügt über verschiedene Managementsysteme, um einen zuverlässigen Be-trieb des Energieversorgungssystems zu garantieren. Batterie-, Generator-, Energie- und Lastmanagement ergänzen sich zu einem allumfassenden Systemma-nagement. Sämtliche notwendigen Größen werden vom Sunny Island gemessen oder berechnet, um keine Schalthandlung oder Sollwert-Änderung dem Zufall zu überlassen.

Um den Parallelbetrieb der AC-gekoppelten Span-nungsquellen ohne Kommunikation zu ermöglichen, wird der sogenannte „Droop-Mode“ (SelfSync®) be-nutzt.

Diese Methode basiert auf dem Einsatz von Wirk- und Blindleistungsstatiken, um das Betriebsverhalten der verschiedenen miteinander gekoppelten Strom-richter zu koordinieren (Abb. 2.1). Zum Erreichen eines optimalen Leistungsflusses werden die Netzpa-rameter Spannung und Frequenz gezielt beeinflusst.

Jeder Stromrichter arbeitet mittels einer Kaskaden-regelung als Spannungsquelle. So wird beispielswei-se die Wirkleistungsaufnahme oder -abgabe eines jeden parallelen Stromrichters in Abhängigkeit von der Frequenz im Inselnetz selbstständig geregelt. Steigt die Frequenz bei plötzlicher Entlastung an, reduzieren alle Stromrichter die eingespeiste Leis-tung – das System bleibt im Gleichgewicht.

Diese Regelungsalgorithmen erlauben eine schnelle Reaktion auf typische Leistungsschwankungen im Inselnetz. Sie sind für alle relevanten Netz-konfigurationen (400 V oder 230 V/50 Hz sowie 120 V/60 Hz) verfügbar.

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2.1 Sicherheitsfunktionen

Der Insel-Wechselrichter ist sowohl für thermische als auch für elektrische Überlastbedingungen optimiert. Er passt die maximale Leistung direkt an die Umge-bungsbedingungen an. Mit dem patentierten Kühl-

system OptiCool (Abb. 2.2) bietet SMA jetzt eine technische Lösung, die sowohl passive als auch ak-tive Kühlung miteinander verbindet. Das intelligen-te Temperaturmanagement besteht aus einem Zwei-kammersystem mit einem wasserdichten Bereich für die Elektronik und einem luftdurchströmten Bereich mit den relevanten Wärmequellen. Das gewährleis-tet einen hervorragenden Schutz bei gleichzeitig au-ßergewöhnlichem Überlastverhalten und bestmögli-cher Zuverlässigkeit.

Im Falle von hohen Einschaltströmen kommen Sanft-anlauffunktionen zum Einsatz: Der Überstrom wird beispielsweise beim Sunny Island 5048 für die ersten 0,1 Sekunden auf 120 A begrenzt. Bis zu drei Sekunden liefert der Wechselrichter den 2,5-fachen Überstrom. Erst danach – z. B. bei einem Dauerkurz-schluss – wird das Gerät aus Sicherheitsgründen ab-geschaltet. 16 A Schutzschal ter mit B-Charakteristik werden innerhalb von 100 Millisekunden ausgelöst, wodurch auch die Sicherheitsansprüche netzparalle-ler Installation abgedeckt werden.

Abb. 2.2: Kühlsystem OptiCool ermöglicht Einsatz bei extremen Umgebungsbedingungen

Abb. 2.3: U- und I-Kurve des Sunny Island 5048 vor, während und nach Auftreten eines Kurzschlusses

Span

nung

[V]

Zeit [ms]

Strom

stärk

e [A]

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2.2 Betriebs- und Benutzerführung

Grundlage des Bedienkonzepts der Insel-Wech-selrichter (z. B. Sunny Island 5048, Sunny Island 2224) ist der „Single Point of Operation“ (SPO). Alle Einstellungen, Schaltabläufe oder wichtigen Systemgrößen können zusammengefasst und so auf einem einzelnen Display angezeigt bzw. verändert werden.

SPO erlaubt eine geschlossene Systemübersicht und ermöglicht die Einstellung paralleler Einheiten sowie angeschlossener Laderegler von einem Gerät aus. Informationen über externe Quellen oder Lasten können eingesehen werden, da alle automatischen Schalthandlungen ebenfalls durch den Insel-Wechsel-richter aktiviert werden. Über eine interne Kommuni-kationsstruktur werden alle relevanten Informationen zwischen den Systemkomponenten ausgetauscht – soweit sie eine solche Funktion unterstützen.

Um Installateur und Nutzer die Installation und Be-dienung des Sunny Island so einfach wie möglich zu machen, hat SMA den „Quick-Configuration-Guide“ entwickelt. Über das Menü gibt der Installateur Ant-worten auf einige wenige Fragen und programmiert so das komplette System. Aus ca. sechs einfachen Einstellungen kann der Wechselrichter alle fehlen-den Defaultwerte generieren und gewährleistet so den sicheren Systembetrieb.

2.3 Datenerfassung und Datenspeicherung

Ein wesentlicher Teil des internen Bedienmenüs befasst sich mit der Historie aller aufgetretenen Betriebszustände. Spitzenwerte sowie wichtige Informationen und Ereignisse werden in einem in-ternen, permanenten Speicher abgelegt. Ein in-tegriertes Datenerfassungssystem übernimmt alle Messungen, Berechnungen und Auswertungen. So kann ein umfassendes Bild aller Aktivitäten –von Ladevorgängen bis hin zu automatischen Last-abwürfen – erstellt werden.

Alle wichtigen Daten werden auf einer Flash-Spei-cherkarte gespeichert. Die Daten werden nach dem FIFO-Verfahren (First In – First Out) gespeichert. So stehen die neuesten Informationen nicht nur dem Nutzer, sondern auch dem SMA Support Team zur Verfügung.

Mit Kommunikationsprodukten von SMA lässt sich die Datenerfassung des Sunny Island ganz einfach erweitern. So ist beispielsweise mit dem Datenlogger Sunny WebBox eine einfache und umfassende Fern-überwachung möglich.

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3. Stromerzeuger im Inselnetz

Inselnetze werden in erster Linie errichtet, um netz-ferne Lasten mit Energie zu versorgen. Diese Energie muss in einer für die Verbraucher nutzbaren Form bereitgestellt werden. Für AC-gekoppelte Inselnetze bedeutet das, dass alle Quellen auf der Basis definierter Spannungs- und Frequenzebenen (z. B. 230 V/50 Hz) arbeiten. Die auf dem Markt erhält-lichen Energieerzeuger sind meist auf die landes-üblichen Einstellungen vorkonfiguriert. In einigen Ländern, wie etwa in Brasilien oder Japan, ist es ratsam, die Angaben genau zu überprüfen. So sind in Japan 127 V und 230 V gleichermaßen gängig – und das bei unterschiedlichen Frequenzen (50 Hz oder 60 Hz).

Die Einspeiser decken primär den direkten Energiebedarf der Verbraucher. Energie, die nicht direkt verbraucht wird, speist die Batterien und kann je nach Bedarf später wieder abgerufen werden. Der Energiefluss hängt damit entscheidend vom Verhalten des Verbrauchers ab. Insgesamt lassen sich Energiequellen in erneuerbare und solche auf Basis fossiler Brennstoffe unterscheiden.

3.1 Wechselrichter für Photovoltaik

Die Funktion eines PV-Wechselrichters besteht im Wesentlichen aus der Umwandlung des von den Solar-Modulen gelieferten Gleichstroms in sinus-förmigen Wechselstrom. Das Gerät hat dabei die Aufgabe, die Wellenform von Strom und Spannung synchron zur Inselnetzfrequenz bereit-zustellen. Heute gängige PV-Wechselrichter, wie die Sunny Boy-Wechselrichter von SMA, ermit-teln den Arbeitspunkt mit der größtmöglichen Leistungsausbeute (Maximum Power Point – MPP), verfolgen diesen während des Betriebs und garan-tieren so die optimale Energieausbeute.

In Inselsystemen spielen vor allem die Leis-tungsbereiche bis zu 300 kW eine Rolle. Sunny Boy und Sunny Mini Central von SMA sind optimal für den Einsatz in Systemen dieser Größenordung geeignet. Sie überzeugen durch erstklassige Wirkungsgrade, Anwenderfreundlichkeit und Zuverlässigkeit.

Abb. 3.1: String-Wechselrichter Sunny Boy im Inselsystem

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Sunny Boy und Sunny Mini Central haben als ein-zige Solar-Wechselrichter die Fähigkeit, die Höhe der Frequenz im Inselnetz zu „interpretieren“ und sich – wie auch die Großkraftwerke im öffentlichen Versorgungsnetz – aufgrund der Frequenz an den jeweiligen Energiebedarf anzupassen, d. h. den Energiefluss im Inselnetz zu regulieren. Sie lassen sich sowohl in einphasigen- als auch in dreipha-sigen Netzen problemlos einsetzen. Eine genaue Auslegung lässt sich mit dem Programm „Sunny Design“ ganz einfach durchführen. Neben der Auslegung von Wechselrichter, Modulen und deren Ausrichtung erhält man detaillierte Angaben zu Kabelquerschnitten und dem jeweiligen optima-len Arbeitspunkt der Solar-Anlage. Sunny Design steht unter www.SMA.de kostenfrei zum Download bereit.

3.2 Wechselrichter für Windturbinen

Auch hier besteht die Hauptaufgabe in der Umformung des von der Windkraftanlage geliefer-ten Gleichstroms in Wechselstrom. Ein- und drei-phasige Netze sind kein Problem, da auch die von der SMA hergestellten Windy Boy-Wechselrichter in jedem SMA Inselnetz einsetzbar sind. Wie der Sunny Boy kann sich auch der Windy Boy an den jeweiligen Energiebedarf eines Inselnetzes anpas-sen, um ein Energieüberangebot zu vermeiden. Zur Leistungserhöhung für größere Windkraftanlagen können die Geräte auch einphasig parallel geschal-tet werden.

Die Windy Boy Protection Box, dem Windy Boy vorgeschaltet, bietet optimalen Schutz und gewähr-leistet einen reibungslosen Anlagenbetrieb. Die Protection Box verfügt über einen dreiphasigen Gleichrichter, begrenzt überschüssige Spannung und Leistung des Windgenerators und leitet diese in einen Lastwiderstand um.

Abb. 3.2: Wechselrichter Windy Boy mit Windy Boy Protection Box für Kleinwindkraftanlagen im Inselsystem

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3.3 Wechselrichter für Wasserturbinen

Auch Wasserturbinen lassen sich problemlos in SMA Inselsysteme einbinden. Grundsätzlich kann zwischen solchen mit Asynchrongeneratoren und mit Synchrongeneratoren unterschieden werden. Asynchrongeneratoren mit bis zu 5 kW lassen sich in einfache Dreiphasensysteme integrieren. Eine direkte Aufschaltung ist hierfür ausreichend. Turbinen mit permanent erregten Synchrongeneratoren kön-nen über oben genannte Windy Boy-Wechselrichter eingebunden werden.

Windy Boy-Wechselrichter bieten mit ihren software-seitig hinter legten Turbinenkennlinien für Wind-kraftanlagen auch ideale Voraussetzungen für den Einsatz in der Wasserkraft. Synchrongeneratoren, die über eine eigene Spannungs- und Frequenzregelung verfügen, können in größeren Anlagen mit einer ent-sprechenden Synchronisiereinrichtung eingebunden werden.

Abb. 3.3: Wechselrichter Windy Boy mit Windy Boy Protection Box für Kleinwasserkraftanlagen im Inselsystem

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3.4 Blockheizkraftwerke (BHKW)

Bei mit Diesel oder nichtfossilen Brennstoffen betrie-benen Blockheizkraftwerken handelt es sich um Verbrennungsmaschinen, bei denen neben der erzeugten elektrischen Energie auch die anfallende Wärme am und im Gerät sowie aus der Abluft z. B. zur Warmwassergewinnung genutzt wird. Aufgrund der Leistungsklasse eignen sich für den Einsatz in SMA Inselsystemen vorrangig sogenannte Kleinst-BHKW. Netzbildende BHKW werden wie konventio nelle Dieselgeneratoren in ein Inselnetz eingebunden und vom Sunny Island gestartet und gestoppt. Sie bieten durch ihre Synchrongeneratoren zusätzlich eine Notstromfähigkeit. Im Falle eines Ausfalls des Inselnetzes kann das BHKW selbst ein Netz bilden und die Lasten weiterhin versorgen. Kleinere BHKW arbeiten meist netzparallel, schal-ten sich also auf bereits bestehende Netze auf und speisen in diese stromgeregelt ein. Sie verfügen über Asynchrongeneratoren und können daher kein eigenes Netz bilden.

Die SMA Solar Technology AG hat mit der Firma Power Plus das System EcoIsland entwickelt, beste-hend aus einem Sunny Island und einem eco-power BHKW. Diese optimal aufeinander abge-stimmten Geräte bilden ein zuverlässiges Inselnetz in Gegenden, in denen auch die Wärmegewinnung eine große Rolle spielt.

Mehr Infos hierzu unter: http://www.ecopower.de/ecopower-mini-bhkw/anlagen-und-systeme/ecoisland.html

Abb. 3.4: EcoIsland System mit PV-Anlage und Wärmespeicher

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3.5 Wechselrichter für Brennstoffzellen

Mit dem Hydro Boy bietet SMA die optimale Einbin-dungsmöglichkeit für Brennstoffzellen in ein Sunny Island-System. Der Anspruch von Brennstoffzellen, mit sehr hohen Strömen und vergleichsweise kleinen Spannungen zu arbeiten, macht einen auf die Anwen-dung zugeschnittenen Wechselrichter wie den Hydro Boy unverzichtbar. Ebenso wie ein Sunny Boy besitzt er die Fähigkeit, sich an die jeweiligen energetischen Gegebenheiten des Inselnetzes anzupassen.

Hydro Boy-Wechselrichter sind in den Standard-größen von 1,1 kW und 1,3 kW erhältlich, werden aber auch kundenspezifisch hergestellt.

Brennstoffzellen werden derzeit noch mit den unter-schiedlichsten Spannungs- und Strombereichen pro-duziert. Daher ist hier besonders auf die Kompati-bilität zum Hydro Boy zu achten. Brennstoffzellen können in Sunny Island-Systemen auch DC-seitig, also auf der Batterieseite, eingebunden werden. Sie dienen so der direkten Batterieladung und können bei Bedarf Energie von der DC-Seite über den Sunny Island zur AC-Seite liefern.

Abb. 3.5: Wechselrichter Hydro Boy für Brennstoffzellenanwendung im Inselsystem

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3.6 Verbrennungsaggregate

Verbrennungsaggregate sind eine Kombination aus Verbrennungsmaschine und Stromgenerator, die zunächst die gespeicherte Energie des Brennstoffs in mechanische Energie umwandeln, um daraus anschließend elektrische Energie zu gewinnen (Stromgenerator).

Sowohl die Verbrennungsmaschine als auch der Stromgenerator können in diversen Ausführungen in einem Verbrennungsaggregat integriert sein. Aggregate werden oft als Backup-Generatoren in Hybridsysteme integriert, um die regenera-tiven Erzeuger- und Speichergrößen zu optimie-ren und auch die saisonale Energieverfügbarkeit des Versorgungssystems zu verbessern. Die Verfügbarkeit des Kraftstoffs und der Wirkungsgrad der Maschinen sind zwei erhebliche Faktoren, die bei der Planung eines Hybridsystems berücksichtigt werden müssen. Dabei kann eine nicht optimale Auslegung des Verbrennungsaggregats erhebliche Betriebs- und Wartungskosten verursachen, z. B. durch erhöhten Brennstoffverbrauch. Typischerweise verfügen Verbrennungsaggregate über eine inte-grierte Fernstartmöglichkeit. Sie können anhand von vordefinierten Größen gezielt ein- bzw. ausgeschal-tet werden. Aktuell sind auch Aggregate mit manu-

eller Start/Stop Funktion auf dem Markt verbreitet bzw. vom Anwender bereits eingesetzt. Für diese Aggregate bietet SMA den Generator-Manager GenMan an, der die Fernstartoption ergänzt.

Dieselgeneratoren spielen heute auch in rege-nerativen Hybridsystemen eine wichtige Rolle. Was hier recht paradox klingt, ist schnell erklärt: Angenommen, man würde ein System zu 100 Prozent mit Sonnenenergie versorgen. Dann müsste man Solar-Module in ausreichender Anzahl instal-lieren, um auch in der sonnenärmsten Jahreszeit, also in Zentraleuropa beispielsweise im Winter, genügend Solar-Energie bereitstellen zu können. Ein solches System ist aufgrund des riesigen PV-Generators in der Regel nicht wirtschaftlich zu betreiben. Die Einbindung eines Dieselgenerators stellt die Nutzung einer kurzfristig und sicher verfüg-baren Energiequelle dar, die die notwendige Größe einer Solar-Anlage überproportional reduziert.

Abb. 3.6: Generator für den Einsatz mit Pflanzenöl

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4. Die Betriebsführung in Inselsystemen

Die Betriebsführung spielt bislang in den meisten Hybridanlagen nur eine untergeordnete Rolle.Der Betrieb wird durch definierte Grenzwerte gesteuert, die in den Ladereglern oder im Batterie-Wechselrichter fest eingestellt sind. In Abhängigkeit vom Zustand der Batterie wird das Verbrennungs-aggregat zu- oder abgeschaltet. Dabei werden imeinfachsten Fall ausschließlich feste Spannungs-grenzwerte verwendet. Doch diese Verfahren brin-gen einige Einschränkungen mit sich: Bei sehr großer Belastung der Batterie wird aufgrund des Innenwiderstands der Zellen der Generator ver-früht gestartet. Bei kleinen Entladeströmen wird die Batterie oftmals zu tief entladen. Der Batterie-speicher kann somit weder richtig ausgelastet noch sicher vor Tiefentladungen geschützt werden. Neu-ere Gerätegenerationen nutzen deshalb bereits stromkompensierte Spannungsschwellen.

Eine zuverlässige Information für die Betriebsführung ist der Ladezustand der Batterie, der sich aber mess-technisch nicht unmittelbar erfassen lässt. Um den

genauen Ladezustand einer Batterie zu ermitteln, sind Rechenalgorithmen notwendig, die sich vor allem in der Genauigkeit der Berechnung unterscheiden. Bis heute haben nur wenige Hersteller von Batterie-Wechselrichtern Algorithmen zur Bestimmung des Ladezustands in die Geräte integriert.

Neben der Ladezustandsermittlung ist die Lade-regelung eine wichtige Funktion, um eine lange Batterielebensdauer in Hybridsystemen zu er-reichen. Dafür sind regelmäßige Voll- und Aus-gleichsladungen mit deutlich verlängerten Lade-zeiten notwendig. Bis heute haben nur wenigeHersteller automatische Voll- und Ausgleichs-ladungen in die Geräte integriert.

Soll der Brennstoffverbrauch des Verbrennungs-aggregats niedrig gehalten werden, muss das Aggregat möglichst gut und gleichmäßig ausgelas -tet werden. Dementsprechend darf der Generator nicht größer als der Batterie-Wechselrichter ausge-legt werden. Da die Verbraucherleistung großen

Abb. 4.1: Aufbau eines typischen regenerativen Hybridsystems

24


Schwankungen unterliegt, muss der Batterie-Wechselrichter den Generatorstrom regeln undseine Ladeleistung ständig anpassen. Ein Blindleis-tungsmanagement ist notwendig, um auch mit klei-nen Generatoren zuverlässig laden zu können. Gleichzeitig sind unnötige Blindströme zu vermei-den, die den Wirkungsgrad des Systems verschlech-tern.

4.1 Aufgaben und Ziele

PV-Hybridsysteme (Abb. 4.1) bestehen aus zwei oder mehreren Stromerzeugungs- und Versorgungs-einheiten wie PV- und Windenergieanlagen, Wasser-kraftwerken oder Verbrennungsaggregaten. Häufig werden einige dieser Stromerzeuger parallel geschaltet.

Mit Ausnahme der Verbrennungsaggregate sind die Erzeuger nur bedingt oder gar nicht regel-bar. Daher ist in das Hybridsystem immer eine Batterie als Energie- und Leistungspuffer integriert. Der Batteriespeicher übernimmt zentrale Aufgaben: Bei einem Überangebot an Erzeugung nimmt die Batterie die Energie auf, die nicht gleichzeitig ver-braucht werden kann. Wenn die Erzeugung nicht ausreicht, um den Bedarf zu decken, gibt die Batterie die Energie wieder ab. Allerdings ist die speicher-bare Energie und Leistung begrenzt. Darüber hinaus

unterliegt die Batterie Alterungsprozessen, die sehr stark von der eingesetzten Ladetechnik abhängt. Das Batteriemanagement wird somit zur zentra-len Größe für die gesamte Betriebsführung. Ohne eine intelligente Laderegelung und einen effektiven Tiefenentladeschutz erreichen typische Bleibatterien nur eine sehr kurze Lebensdauer.

Verbrennungsaggregate weisen ebenfalls in ihrer Lebensdauer und im Wirkungsgrad eine starke Abhängigkeit von den aktuellen und häufig auf-tretenden Betriebsbedingungen auf. So erreichen typische Dieselaggregate zur Stromerzeugung ihren maximalen Wirkungsgrad in der Regel bei 100 Prozent ihrer Nennleistung (Abb. 4.2). Bei halber Nennleistung fällt der Wirkungsgrad bereits um 20 Prozent geringer aus. Bei Generatorauslastungen unter 50 Prozent sinkt er sehr stark ab.

Die Betriebsführung von Hybridsystemen hat drei wesentliche Aufgaben:

• Das System immer in einem sicheren Betriebs- zustand zu halten, damit die Lasten zuverlässig mit elektrischer Energie versorgt werden können • Die Minimierung der Brennstoff- und Wartungs- kosten• Die Optimierung der Lebensdauer der Batterie und des Generators

Abb. 4.2: Wirkungsgradkurve eines typischen kleinen Dieselgenerators

Effizi

enz

Generatorleistung [P/Pnom]

25


4.2 Optimale Betriebsführung: Die Laderegelung des Sunny Island

Batterie-Wechselrichter der SMA Solar Techno logy AG arbeiten mit einem sehr genauen Ausgleichsalgorithmus, der sich automatisch an die verschiedenen Batte-rietypen und das Alter der Batterien an-passt. Die Ladezustandserfassung wurde um den Anschluss eines externen Strom-mess-Shunts erweitert. Hierdurch wird auch eine Überwachung und Steuerung von DC-Verbrauchern oder Einspeisern auf der Batterieseite möglich.

Der Batterie-Wechselrichter Sunny Island besitzt eine dreistufige Laderegelung mit automatischer Voll- und Ausgleichsladung (wie in Abb. 4.3 dargestellt). Hierdurch können sowohl Überladung als auch Mangelladung sehr zuverlässig unterbun-den werden.

Abb. 4.4 zeigt die Laderegelung und Lade-zustandserfassung eines PV-Hybridsystems in Grie-chenland. Nach einer Vollladung von ca. fünf

Abb. 4.3: Verschiedene Phasen der Laderegelung des Batterie-Wechselrichters Sunny Island 5048

Stunden wird am darauf folgenden Tag nur eine Er-haltungsladung durchgeführt.

Abb. 4.4: Laderegelung und Ladezustand in einem PV-Hybridsystem in Griechenland über einen Zeitraum von zwei Tagen

26


4.2.1 Generatormanagement

Der Batterie-Wechselrichter generiert anhand des Ladezustands – oder der aktuellen Leistung kom-biniert mit Timerfunktionen – ein Start- und Stopp-Signal für ein Verbrennungsaggregat. Zusätzlich hält er Warm- und Mindestlaufzeiten sowie Abkühlzeiten für den Generator ein. Dies führt zu einem wartungs-armen Betrieb und einer deutlichen Verlängerung der Lebensdauer des Generators.

Eine schnelle und genaue Generatorstromregelung sorgt dafür, dass der Generator immer im opti-malen Betriebspunkt bleibt. Selbst bei plötzlich vorkommenden Laständerungen übernimmt in der Hauptsache der Batterie-Wechselrichter Sunny Island die Lastschwankungen und stützt den Generator durch Energielieferung aus der Batterie. Hierdurch können auch im Verhältnis zur Nennlast kleine Generatoren zuverlässig eingesetzt werden.

Dieses Verfahren funktioniert nicht nur mit Diesel- oder Benzingeneratoren, sondern auch mit kleinen Wasserkraftwerken (Abb. 4.5). Die Spannungsschwankungen sind auf die unterschied-lichen Blindleistungssituationen innerhalb des Systems zurückzuführen.

4.2.2 Systemmanagement

Hybridsysteme, die neben Beleuchtung, Radio, Fernseher und Kühlschränken auch sehr dynamische Lasten (Maschinen, Haushaltsgeräte, Küchengeräte) versorgen, sollten nicht nur anhand von energe-tischen Werten, wie z. B. dem Ladezustand, gesteu-ert werden. Bei einem großen Leistungsbedarf ist dieser nicht notwendigerweise aus der Batterie zu decken, sondern direkt durch den ange-schlossenen Generator. Dies erhöht deutlich den Systemwirkungsgrad und sorgt aufgrund des gerin-geren Energiedurchsatzes durch die Batterie für eine längere Batterielebensdauer. Die Möglichkeit, den Generator bei erhöhter Verbraucherleistung zu star-ten, ist daher vorteilhaft. Auch ein Lastmanagement, das das zeitliche Wegschalten unkritischer Lasten erlaubt, verbessert das Systemverhalten. Diese und weitere Funktionen können im Sunny Island aktiviert werden. Damit der Batterie-Wechselrichter genü-gend Zeit hat, sich auf solche Situationen einzustel-len, besitzt er eine sehr hohe Überlastfähigkeit und kann beispielsweise Anlaufströme von Maschinen sicher bewältigen.

Abb. 4.5: Generatorstromregelung im Zusammenspiel mit einer Wasserturbine

27


5. Kommunikation im Inselnetz

Kommunikationseinrichtungen können in Inselsys-temen zu drei unterschiedlichen Zwecken eingesetzt werden:

1. Funktionsabhängige Kommunikation2. Unterstützende Kommunikation3. Gesamtdiagnose

1. Die Aufgaben des Systems können eine funktions-abhängige Kommunikation erfordern. Werden beispielsweise mehrere Batterie-Wechselrichter parallel geschaltet oder in einem dreipha-sigen Inselnetz betrieben, benötigen sie eine Kommunikation untereinander, um Daten aus-zutauschen oder elektrische Parameter wie Phasenverschiebungen einhalten zu können. Es sind keine weiteren Kommunikationsmittel nötig.

2. Die unterstützende Kommunikation dient der Auswertung von Daten, um den optimalen Betrieb der Anlage überprüfen und lenken zu können. Hierzu reicht meist eine Kommunikation mit dem Sunny Island aus, da dieser gleichzeitig die

Daten der Batterien, externer Quellen und Lasten erfassen kann. Diese Daten können mit einer Sunny WebBox aufgenommen und gespeichert werden. Dies funktioniert über die Anbindung des Datenloggers mit einem RS485-Bus. Auf Wunsch sendet die Sunny WebBox die Daten an Sunny Portal, wo sie weltweit online verfügbar sind.

3. Die Gesamtdiagnose umfasst die Kommunikation mit nahezu jeder Komponente des Systems. Jedes einzelne Gerät kann erfasst und die Daten aufge-zeichnet werden. Über einen Kommunikationsbus (z. B. RS485) ist die Verbindung von Sunny Island, Sunny Boy, Hydro Boy, Windy Boy, Smart Load mit der Sunny WebBox möglich. So kann eine detaillierte Datenanalyse erfolgen.

Sämtliche hier genannten Kommunikationsaufgaben können auch lokal mit einem Laptop oder PC durch-geführt werden. Für solche Anwendungen stehen Softwareprogramme kostenlos zum Download zur Verfügung.

Abb. 5.1: Möglichkeiten der Kommunikation im Inselnetz

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5.1 Sunny WebBox – die Kommunikationszentrale

Die Sunny WebBox ist das Bindeglied zwischen der Inselanlage und dem Anlagenbetreiber. Mit direktem Kontakt zum Sunny Portal via Internet eröffnet der Datenlogger neue Möglichkeiten der Datenerfassung, Auswertung und der individuellen Visualisierung auf jedem PC mit einem Standard Internet-Browser. Von RS232 über RS485 wer-den von der Sunny WebBox alle vorhandenen Kommunikationswege zu den SMA Wechselrichtern unterstützt. Zum Anwender hin, über das Sunny Portal, kann die Datenübertragung sowie die Anlagenkonfiguration über den integrierten Ethernet-Controller oder über Telefonmodem realisiert wer-den. Die Speicherung der Anlagendaten innerhalb der Sunny WebBox erfolgt auf einer austausch-baren Speicherkarte. Der Transfer dieser Daten zum Sunny Portal via Internet kann in konfigurierbaren Zeitintervallen automatisch erfolgen.

Die Sunny WebBox im Überblick:

• Kontinuierliche Anlagenkontrolle• Frühzeitiges Erkennen von Betriebsstörungen• Erfassung der Energieerträge• Diagnose und Anlagenkonfiguration mit

jedem PC (Windows, Linux, Mac OS)• Kostenlose Datenaufbereitung und grafische

Darstellung im Internet über Sunny Portal• Überwachung von bis zu 50 Wechsel-

richtern verschiedenen Typs pro Anlage• Zeitlich nahezu unbegrenzte

Datenspeicherung auf austauschbarer MMC/SD-Card

• Niedriger Energieverbrauch

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5.2 Sunny Portal – Datenspeicherung und Anzeige online

Mit dem kostenfreien Sunny Portal von SMA lassen sich aktuelle Betriebsdaten eines Inselsystems von jedem Ort der Welt abrufen. So ist der Betreiber jederzeit über den Status seiner Energieversorgung informiert. Gleichzeitig ist über eine sichere Internet-verbindung eine zuverlässige Ferndiagnose möglich. Neben der Darstellung von Erträgen und Leistungs-daten ermöglicht der Webservice auch die automa-tische Versendung von Statusberichten per E-Mail.

Das komplett vorkonfigurierte Sunny Portal eignet sich sowohl für kleine Inselnetze als auch für große Energieversorgungssysteme. Die Daten werden dau-erhaft gespeichert. Einzelne Portalseiten können individuell konfiguriert werden. Die Werte einzelner Wechselrichter oder der gesamten Anlage las-sen sich übersichtlich präsentieren. Hierfür stehen ansprechende Grafiktypen wie Säulen-, Linien- oder Streudiagramme zur Verfügung.

Der Datentransfer sowie die Anlagenkonfiguration laufen über eine Ethernet-Verbindung oder ein Telefon mit GSM-Modem. Dabei wird der Datentransfer auto-matisch in den eingestellten Übertragungsintervallen durchgeführt.

Sunny Portal im Überblick:

• Einfache Fernüberwachung von jedem Ort der Welt

• Darstellung der Anlagenmesswerte in Diagrammen und Tabellen

• Kostenfreie Archivierung der Systemdaten• Systeminformationen per E-Mail• Anlegen mehrerer Webseiten mit

Visualisierung der Anlagendaten• Maßgeschneiderte Seitengestaltung durch

HTML

Abb. 5.2: Online-Datenspeicherung und Anzeige in Sunny Portal

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6. Auslegung von Inselsystemen

Die professionelle Systemauslegung, die die Bestimmung der Größe von PV-Generator und Batterie einschließt, ist von zentraler Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit und Betriebszuverlässigkeit eines Inselsystems. Sie muss – neben dem Energieverbrauchsprofil – beim Einsatz regenerativer Energiequellen insbesondere die Schwankungen in der Verfügbarkeit berücksichtigen. Zur Unterstützung des Anlagendesigners kann beispielsweise folgende Simulationssoftware verwendet werden: HYBRID2, PV SOL, Homer.

Die Auslegung eines Systems ist vergleichbar mit der Arbeit eines Architekten, der erst ein Haus auf dem Papier konstruiert, bevor er den Bau veran-lasst. Eine Auslegung beinhaltet im Wesentlichen die Anpassung einer Anlage an die energetischen

und geographischen Verhältnisse sowie an das Energieverhalten des Anlagennutzers. Solche Verhältnisse werden unter anderem beeinflusst durch:

• Solare Deckungsrate• Autonomiezeit• Energieverhalten• Komponentenhersteller• Geographische Lage

Für eine erste Schätzung von Anlagengröße, not-wendiger Komponenten und Kosten kann eine Grobauslegung in fünf Schritten erfolgen. Ein solches Herantasten an die Realität eines Hybridsystems erspart dem Planenden oft unangenehme Überraschungen.

6.1 Hinweise zum Auslegungsbeispiel

Da es sich hier um eine grobe Auslegung handelt, sollten folgende Punkte berücksichtigt werden:

1. Die oben genannten fünf Schritte sind nur eine erste Abschätzung

2. Eine Auslegung umfasst wesentlich mehr An ga-ben, wie z. B.: • Jahreszeitliche Schwankungen • Auslegung auf schlechtesten Monat • Wirkliche Einstrahlungsverhältnisse • Weitere, individuelle Wünsche

3. Wenn SMA Sie bei der Auslegung unter-stützen soll, bitten wir Sie, den Fragebogen zum Sunny Island-System auszufüllen. Dieser dient:• Zur Abklärung technischer Details • Als spätere Hilfe für das Service-Team

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6.2 Verbraucher und Nutzungszeiten

Die Leistung und der Energieverbrauch der Lasten spielt im Inselsystem eine grundlegende Rolle. Tab. 6.1 zeigt eine Übersicht gängiger Lasten, ihre Leistungen sowie die typischen Betriebszeiten pro Tag.

Verbraucher Nennleistung [W] typ. Betriebszeit [h] Energie [kWh]Energiesparlampe 15 4 0,06Umwälzpumpe Heizung 70 2 0,14Wasserpumpe 200 3 0,6Kühlschrank 90 5 0,45Gefriertruhe 200 l 100 5 0,5Herd (Kochfeld + Backofen) 2.300 0,75 1,7Mikrowelle 1.200 0,25 0,3Wasserkocher 1.800 0,25 0,45Toaster 1.200 0,25 0,3Mixer 200 0,25 0,05Geschirrspüler 1.300 1 1,3Staubsauger 1.800 0,25 0,43Bügeleisen 1.000 0,25 0,24Nähmaschine 80 0,25 0,02Waschmaschine 2.000 1 2Trockner 1.000 4 4Radio 5 3 0,015DVD-Player 15 2 0,03Verstärker 100 2 0,2Fernseher (70 cm diagonal) 100 4 0,4Satellitenempfänger 18 3 0,054Videorekorder 20 1 0,02Computer 250 2 0,5Thermisches Faxgerät 10 0,25 0,0025Laserdrucker 100 2 0,2Klimaanlage (Raum) 3.000 2 6Föhn 1.000 0,25 0,25Rasierapparat 15 0,25 0,0038

Tab. 6.1: Übersicht gängiger Lasten

32


6.3 Vorgehen bei der Auslegung

Je mehr Angaben zum Inselsystem erarbeitet werden können, desto hilfreicher ist es für die optimale Anla-genauslegung. Die folgenden Fragen aus sechs ver-schiedenen Bereichen sollten auf jeden Fall beant-wortet werden.

1. Anwendungsgebiete des geplanten Systems• Dient die Anlage als Inselanlage oder als ein

Netzersatzsystem?• Soll das System einphasig oder dreiphasig instal-

liert werden?2. Geographische Eigenschaften• In welchem Land soll das System installiert wer-

den?• Wie hoch sind Einstrahlung und Temperatur?• Wie hoch sind die mittleren Windgeschwindig-

keiten vor Ort?3. Energieerzeuger• Welche Energieerzeuger sollen genutzt werden?

PV, Diesel, Wind, Wasser, andere?

4. Deckungsrate• Wie hoch soll die Deckungsrate durch erneuer-

bare Energien sein (Verhältnis z. B. von PV-Energie zu Diesel-Energie)?

5. Energieverbrauch• Wie hoch ist der Energieverbrauch pro Jahr oder

pro Tag?6. Leistung• Wie hoch ist die maximale Leistung an einem

Tag?

Mit den hier erfragten Daten lässt sich eine erste Auslegung anfertigen, die Auskunft über die Grö-ßenordnung, die geeigneten Energielieferanten sowie Komponenten geben kann.

6.4 Auswahl des Insel-Wechselrichters

Für die Wahl des richtigen Geräts sollte berücksichtigt werden, dass einige Insel-Wechselrichter nur einphasig, andere auch drei-phasig arbeiten können. Zudem unterscheiden sich die Geräte durch ihre Leistungsbereiche.

30-Minuten-Leistung einphasiges System dreiphasiges SystemPmax = 1...2,7 kW SI 2012 —Pmax = 1...2,9 kW SI 2224 —Pmax = 1...8,7 kW — SI 2224 / SI 2012Pmax = 1...4,2 kW SI 3324 —Pmax = 2...6,5 kW SI 5048 —Pmax = 6...78 kW — SI 5048

Tab. 6.2: Auswahl der Insel-Wechselrichter

Gerätebezeichnung Sunny Island

Bei der Gerätebezeichnung SI XYZZ bedeutet:X, Y = AC-Dauerleistung [kW] bei 25 °CZZ = DC-Batteriespannung [V]

33


Dementsprechend lässt sich anhand

• der maximalen Leistung Pmax und• der Phasenzahl

der entsprechende Sunny Island ermitteln:

Beispielrechnung 1

Die Anzahl der Insel-Wechselrichter in einphasigen Systemen mit höheren Leistungen ermittelt man, indem man die maximale Leistung Pmax durch die 30-Minuten-Leistung des Sunny Island teilt:

Die Ergebnisse müssen dann auf die nächsthöhere ganze Zahl aufgerundet werden, um die benötigte Geräteanzahl Sunny Island zu erhalten.

Pmax = 16 kW P30 = 6,5 kW

Die Gerätezahl in dreiphasigen Systemen ermittelt man ebenfalls durch die 30-Minuten-Leistung des Sunny Island. Allerdings muss man das Ergbenis dann auf die nächsthöhere, durch 3 teilbare Zahl, auf-runden. Nur so lassen sich die Wechselrichter symmetrisch auf die Phasen aufteilen:

Pmax = 32 kW P30 = 6,5 kW

34


6.5 Dimensionierung der Batterie

Die Batteriegröße ist in erster Linie abhängig von:

• Überbrückungszeit in Tagen• Jahresenergieverbrauch [Ea] in kWh/a• Mittlerer Batteriewirkungsgrad beim Entladen

(annäherungsweise ƞbatt = 0,9)

Zur Ermittlung der Überbrückungszeit kann eine für die Anwendung sinnvolle Zeitspanne genutzt wer-den. Für die Auslegung empfiehlt sich jedoch die Nutzung der Erfahrungswerte aus der folgenden Tab. 6.3.

Überbrückungszeit (Tage) BatterietypBackup (Europa) 0,5 OGiBackup (schlechtes Netz) 1 OGi zyklenfestPV- oder Wind-Batteriesystem 4 OPzV/OPzS*System mit Diesel 2 OPzV/OPzS*System mit Wasserturbine 1,5 OPzV/OPzS*

Tab. 6.3: Überbrückungszeiten bei verschiedenen Anwendungen * Bei Einsatz von OPzS-Batterien ist auf regelmäßige Kontrolle des

Füllstandes zu achten

35


Beispielrechnung 2

Entsprechend der örtlichen Gegebenheiten ist die Batteriegröße in kWh oder Ah angegeben.

Wichtig: Batterien sind nicht in allen Größen erhältlich. Batteriehersteller bieten Standardgrößen an. Dabei ist die Auswahl der nächsthöheren Standardgröße empfehlenswert.

Die Batteriespannung hängt von den eingesetzten Insel-Wechselrichtern ab: Sunny Island 2012: 12 V Sunny Island 2224 und 3324: 24 V Sunny Island 5048: 48 V

System mit Dieselgenerator Überbrückungszeit: 2 TageJahresenergieverbrauch [Ea]: 4.500 kWhMittlerer Batteriewirkungsgrad [ƞ batt]: 0,9Gewählter Sunny Island: SI 2224

Die Entladetiefe der Batterie (DOD=Depth of discharge) wird bei dieser Abschätzung durch die Auswahl der Überbrückungszeit berücksichtigt. Die angegebenen Überbrückungszeiten in Tab. 6.3 beinhalten eine Entladetiefe von 50 Prozent.

36


6.6 Dimensionierung der PV-Anlage

Die Größe der PV-Anlage ist abhängig von:

• Jahresenergieverbrauch [Ea] in kWh/a• Systemwirkungsgrad

(annäherungsweise ƞsys = 0,7)1

• Solar-Anteil [SF]• Solare Einstrahlung

Im Vorfeld muss festgelegt werden, in welcher Region die Anlage errichtet wird. Die örtliche Solar-Einstrahlung und der sinnvolle Solar-Anteil können sehr unterschiedlich ausfallen (Tab. 6.4).

spezifi scher Energieertrag [EPV]kWh/(kWp ╳ a) sinnvoller Solar-Anteil [SF]

Deutschland 800 – 900 50 – 70 %Südeuropa 1.300 – 1.450 60 – 90 %Nord-, Südafrika oder Südamerika 1.450 – 1.700 60 – 100 %Saudi Arabien (extrem gut) 1.800 60 – 100 %

Tab. 6.4: Örtliche Solar-Einstrahlung und sinnvoller Solar-Anteil

1 Der Systemwirkungsgrad beinhaltet die Lade- und Entladewirkungsgrade, Leitungsverluste, Verluste durch Blindleistung etc.

Beispielrechnung 3

Anhand der oben genannten Werte lässt sich die PV-Anlagengröße in kWp für ein Einfamilienhaus in Südeuropa näherungsweise berechnen.

Jahresenergieverbrauch [Ea]: 4.500 kWh/aMittlerer Systemwirkungsgrad [ƞsys]: 0,7Solar-Anteil [SF]: 70 %Spezifischer Energieertrag [EPV]: 1.300 kWh/(kWp ╳ a)

Eine passgenaue Auslegung des Solar-Felds und des Solar-Wechselrichters sowie die rich-tige Verkabelung lässt sich ganz einfach mit dem Auslegungstool SMA Sunny Design errechnen (http://www.SMA.de/de/produkte/software/sunny-design.html).

37


6.8 Kalkulation der Anlagenkosten

Mit der hier durchgeführten Grobauslegung kann auch eine erste Kostenabschätzung der Anlage statt-finden. Die Kosten in der hier gezeigten Ermittlung setzen sich zusammen aus:

• Kosten für Insel-Wechselrichter• Kosten für den Batteriespeicher• Kosten für die PV-Anlage (Module und Wechsel-

richter)• Kosten für den Dieselgenerator• Kosten für die Montage und Installation

Alle weiteren fehlenden Posten müssen in einer genaueren Betrachtung noch hinzugezogen werden, können hier jedoch aufgrund der Variantenvielfalt der Systeme nicht berücksichtigt werden.

6.7 Auslegung des Dieselgenerators

Die Ermittlung der Größe eines Dieselgenerators ist recht einfach: Seine Nennleistung sollte etwa 80 – 120 Prozent der Sunny Island-Nennleistung betragen. Vorzugsweise sollte der Wert aber eher unterhalb von 100 Prozent liegen, da der Generator so stets optimal belastet wird. Dadurch sind eine hohe Lebensdauer sowie eine gute Dieselausnutzung gewährleistet.

Zusammenstellung der Anlagenkosten:

Kosten Sunny Island Geräteanzahl ╳ GerätepreisKosten Batterie Ebatt [kWh] ╳ 200–300 €2

Kosten PV PPV [kWp] ╳ 3000 €3

Kosten Diesel PDiesel ╳ 1.000 €

Zwischensumme xy €Installation (15 %) 0,15 ╳ Zwischensumme

Gesamtsumme xy €

2 Bei Batteriehersteller zu erfragen 3 Stand 2010

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7. Ökonomische Aspekte von Inselsystemen

Aus ökonomischer Sicht sind kleine Inselsysteme mit Batteriespeicher im Leistungsbereich von einigen Kilowatt heute bereits deutlich günstiger als Anlagen, bei denen ausschließlich Dieselgeneratoren einge-setzt werden. Sogar größere Hybridsysteme, bei denen ein Dieselgenerator nur zur Vermeidung von langfristiger Batteriespeicherung eingesetzt wird, können schon aufgrund der höheren Lebensdauer und des geringeren Wartungsaufwands für die Aggregate zu niedrigeren Kosten betrieben werden als reine Dieselsysteme. Insbesondere muss bei der Bewertung der entstehenden Kosten berücksichtigt werden, dass eine Kilowattstunde in entlegenen Regionen durchaus zwischen 0,50 und 1,50 Euro kosten kann.

Die Investitionskosten für eine Netzerweiterung sind vornehmlich abhängig von der Länge des Netzausbaus. Bei den Hybridsystemen hängen die Investitionskosten davon ab, welche möglichen Lasten versorgt werden müssen. Daraus leitet sich die benötigte Größe der PV-Anlage ab.

Abb. 7.1: Wirtschaftlichkeit von Inselanwendungen in Abhängigkeit der Entfernung zum öffentlichen Stromnetz

Quelle: Alliance for Rural Electrification (ARE)

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PV-Hybridsysteme können schon heute langfristigwirtschaftlich betrieben werden. Unter dem Gesichts-punkt der steigenden Energie- und Rohstoffkosten sind Hybridsysteme auf Basis regenerativer Energien eine echte Alternative und werden zusätzliche Anwendungsfelder erschließen.

Abb. 7.2: Wirtschaftlichkeit von Inselanwendungen

Daten für System mit Diesel Dieselgenerator 25 kVA

Daten für PV-Hybridsystem mit Diesel Dieselgenerator 25 kVA Photovoltaikanlage 30 kWp Insel-Wechselrichter 30 kW Batterie 240 kWh

Die Wirtschaftlichkeit von PV-Hybridsystemen zeigt sich im Vergleich zu reinen Dieselsystemen sehr deut-lich, wenn man die Kosten über die Lebensdauer bei-der Systeme betrachtet. Am Beispiel einer Anwendung in Tansania (Ostafrika) kann man erkennen, dass die höheren Anfangsinvestitionen des PV-Hybridsystems gegenüber einer reinen Dieselstation bereits im sechs-ten Jahr durch die wesentlich höheren Betriebskosten eines Dieselgenerators abgelöst werden. In den Folgejahren wird der Einsatz eines PV-Hybridsystems immer vorteilhafter.

Quelle: Alliance for Rural Electrification (ARE)

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8. Kompetent, flexibel, weltweit: der SMA Service

Bereits seit mehr als 20 Jahren entwickelt und pro-duziert SMA Wechselrichter für netzgekoppelte Photovoltaikanlagen und dezentrale Energiesysteme. Diese langjährige Erfahrung bildet die Grundlage für die kontinuierliche Weiterentwicklung der SMA Produkte. Heute steht eine breite Palette ver-schiedener Insel- bzw. Batterie-Wechselrichter zur Verfügung – sowohl für große Inselnetze als auch für Notstromversorgungssysteme. Die Geräte sind speziell für Ihr jeweiliges Einsatzgebiet konzipiert und gewährleisten auch unter schwierigsten Bedingungen einen einwandfreien Betrieb.

Für eine sichere Energieversorgung bedarf es nicht nur langlebiger Komponenten, sondern auch eines zuver-lässigen Servicepartners. Deshalb bietet SMA innova-tive Spitzentechnologie und umfassenden Service aus einer Hand. Ob SMA Serviceline, Service vor Ort, umfangreiches Garantieprogramm oder Rücknahme der Geräte am Betriebsende: Die flexiblen Leistungen von SMA sind optimal auf Kundenwünsche zuge-schnitten.

Die Fachkräfte der telefonischen Serviceline unterstüt-zen Anlagenbetreiber bei der Planung, Installation und Inbetriebnahme von Sunny Island-Systemen, beraten bei technischen Fragen und geben Tipps zur Systemüberwachung. Der kostenfreie Sunny Island-Service steht unter der Telefonnummer +49 561 9522 399 zur Verfügung.

Mit derzeit über 20 Servicestützpunkten in Deutsch-land und einer gut ausgebauten internationalen Service-Infrastruktur ist SMA vor Ort im Einsatz. Ob Installation, Wartung oder Systemanalyse: Das SMA Serviceteam ist der kompetente Ansprechpartner für Anlagenbetreiber.

SMA Produkte sind von höchster Qualität und mit einer Standardgarantie von fünf Jahren ausgestattet. Zusätzlich bietet SMA eine Garantieverlängerung, mit der sich der Kunde für die Dauer von weiteren 20 Jahren einen Anspruch auf kostenlose Reparatur bzw. ein Austauschgerät sichert.

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9. Referenzen

Mit dem Sunny Island stellt SMA die nötige Technik zum Aufbau modularer Inselnetze zur Verfügung. Ob eine Dorfstromversorgung in China, ein Krankenhaus in Indien, eine Alpenhütte in Italien oder ein Gehöft in Deutschland: Bei SMA finden Anlagenplaner für jede Anwendung das passende Gerät. Mit über 1.000 installierten Inselsystemen auf der ganzen Welt ver-fügt SMA über viel Erfahrung im Bereich der autarken Energieversorgung und hält auch für anspruchsvolle Projekte individuelle Lösungen bereit.

Abb. 9.1: Stromversorgung für Haus in Ghana Abb. 9.2: Mit PV-Strom versorgte Alpenhütte

Abb. 9.3: Dorfstromversorgung in China Abb. 9.4: Dorfstromversorgung in China

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10. Literatur

[1] Beverungen, S.: „Review of Energy Manage ment Strategies for Hybrid Energy Systems“, Internal Report of the University of Kassel, IEE-RE Efficient Energy Conversion; Kassel (2000)

[2] Sauer, D. U., et al.: „Entwicklung und Test von Ladestrategien für Gel- und Vliesbatterien in auto-nomen Systemen“, Final Report of a Research Project, Fraunhofer ISE; Freiburg (2001)

[3] Bopp, G.; Bächler, M.; Wollny, M.; Jossen, A. etal.: „Systemkorrelierende Auswertung und Bewer-tung des Betriebsverhaltens in bestehenden PV- Anlagen“, Final Report of a Research Project, ZSW; Ulm (1999)

[4] SMA Technologie AG: „Stromversorgung netz-ferner Gebiete“, Broschüre; Niestetal (2007)

[5] SMA Technologie AG: „Sunny Island 5048 – Neuer Batteriewechselrichter für Inselanwendun-gen”, Broschüre; Niestetal (2006)

[6] SMA Technologie AG: „Solarstrom auch bei Netzausfall“, Broschüre; Niestetal (2007)

[7] Meinhardt, M.; Rothert, M.; Engler, A.: „New V/f-Statics controlled Battery Inverter: Sunny Island”; Niestetal (2003)

[8] Wollny, M.: „Electrifying China”; Sonderdruck Refocus – „Renewable energy focus“; Oxford (2005)

[9] Cramer, G.; Ibrahim, M.; Kleinkauf, W.: „PV System Technologies”; Sonderdruck Refocus – „Renewable energy focus“; Oxford (2004)

[10] Rothert, M.; Wollny, M.: „Optimized Operation Management in Hybrid Systems“; Niestetal (2006)

INSE

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www.SMA.deSMA Solar Technology AG

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