Photovoltaik-Balkonmodule mit Lithium-Ionen-Batterien von E-Bikes verbinden

Forscher der Hochschule für angewandte Wissenschaften in Offenburg in Deutschland haben versucht, eine handelsübliche Lithium-Ionen-Batterie für E-Bikes mit einer Balkon-Photovoltaik-Anlage zu kombinieren, um das Einsparpotenzial und die Verbesserung der Eigenverbrauchsquote zu ermitteln.

Ihr Ansatz bestand darin, die Batterie mit einem Minimum an zusätzlichen Komponenten und ohne jegliche Modifikation mit dem System zu koppeln, wodurch die Systemkosten niedrig gehalten werden konnten, so die Forscher. Sie wiesen auch darauf hin, dass der Mikrowechselrichter in der vorgeschlagenen Systemkonfiguration nicht „weiß“, dass er an eine Batterie angeschlossen ist, was die Forscher dazu veranlasste, den Einsatz passiver oder aktiver Maßnahmen zu untersuchen, um die Nachführung des maximalen Leistungspunkts (MPP) der Batterie zu vermeiden.

Aus diesem Grund schlug die Forschungsgruppe zwei verschiedene Systemarchitekturen vor, die sie passive Hybridisierung oder direkte Kopplung und aktive Hybridisierung oder aktive Kopplung nannte.

Bei der ersten Variante wird die Batterie mit dem Solarmodul verbunden, ohne dass ein Mikro-Wechselrichter oder Laderegler dazwischengeschaltet ist. „Sie basiert auf der Anpassung des jeweiligen Strom- und Spannungsverhaltens von Photovoltaik und Batterie“, so die Wissenschaftler. Sie merkten an, dass das System selbstregulierend ist und kein Batteriemanagementsystem benötigt wird. „Während des Aufladens der Batterie erhöht sich die Systemspannung und treibt die Photovoltaik-Anlage in Richtung Nullstrom, wenn die Batterie voll geladen ist. Während der Entladung schützt eine Diode die Photovoltaik vor zu niedrigen Spannungswerten.

Bei der aktiven Architektur werden ein Mikrowechselrichter und ein Regler zwischen Batterie und Photovoltaik-Anlage geschaltet, was eine aktive Steuerung von Spannungen und Strömen ermöglicht und die Interaktion zwischen den Komponenten regelt. „Hier wird eine Seite eines Reglers in der Parallelschaltung zwischen PV-Modulen und Wechselrichter platziert“, so die Wissenschaftler. „Die Batterie wird auf der anderen Seite des Reglers angeschlossen.“

Das passive Design ist billiger als das aktive, aber auch weniger effizient als MPP-verfolgte Systeme, so die Forschergruppe.

Die Wissenschaftler nutzten reale Wetterdaten und hochauflösende synthetische Lastprofile, um eine Reihe von Simulationen mit Simulink (MATLAB) durchzuführen, um die Leistung der beiden Systeme über einen Zeitraum von einem Jahr zu bewerten. Sie gingen davon aus, dass das System aus drei in Reihe geschalteten Solarmodulen mit einer Leistung von jeweils 100 Watt, einer 36-Volt-Lithium-Ionen-Batterie für Elektrofahrräder mit einer Nennenergie von 555 Wattstunden und einer Nennkapazität von 15,5 Amperestunden sowie einem 250-Watt-Mikro-Wechselrichter mit MPP-Tracker besteht.

Sie verglichen die Leistung der beiden Architekturen mit der einer Balkon-Photovoltaik-Anlage mit denselben Eigenschaften, aber ohne Speicher. „Die drei Systeme wurden an verschiedenen Tagen mit unterschiedlichen meteorologischen Bedingungen getestet“, erklärten sie weiter. „Sowohl bei den AC- als auch bei den DC-Messungen wurden die Daten in Ein-Sekunden-Schritten aufgezeichnet. Die Wetterdaten wurden in Zehn-Minuten-Schritten aufgezeichnet.“

Bei seiner Analyse kam das deutsche Forscherteam zu dem Schluss, dass sowohl das aktive als auch das passive System technisch realisierbar sind, da sie einen kontinuierlichen und stabilen Betrieb über drei Tage gewährleisten können. „Das passive Hybridsystem ist konzeptionell einfach und ermöglicht einen kontinuierlichen Wechselrichterbetrieb, der für die Deckung der Grundlast im Haushalt von Vorteil ist“, so die Wissenschaftler. „Das aktive System weist einen intermittierenden Wechselrichterbetrieb auf, hat aber einen höheren Systemwirkungsgrad.“

Sie erklärten, dass die finanzielle Tragfähigkeit beider Projektkonzepte weiter untersucht werden sollte, da die Kosten für die Batterie immer noch eine Hürde darstellen könnten, die eventuell durch eine Vergrößerung des Photovoltaik-Balkonsystems beseitigt werden könnte. „Für eine breite Anwendbarkeit sollte der Systemaufbau für mehr Flexibilität angepasst werden, was wahrscheinlich auch die Kommunikation mit der Batterie einschließen muss“, schlussfolgerten sie.

Ihre Ergebnisse zur Studie „Integration of a lithium-ion battery in a micro-photovoltaic system: Passive versus aktive Kopplungsarchitekturen“ veröffentlichten sie im Fachmagazin „Solar Energy“.