Neues Modell für die Konstruktion schwimmender Offshore-Photovoltaik-Systeme

Von pv magazine International

Mithilfe eines Multiphysik-Rahmens, der die mechanischen und optoelektrischen Eigenschaften von schwimmenden Offshore-Photovoltaik-Systemen integriert, haben Forscher der TU Delft in den Niederlanden die strukturellen Belastungen verschiedener schwimmender Photovoltaik-Strukturen sowie die damit verbundenen elektrischen Leistungsverluste untersucht.

„Solche Simulationen geben Aufschluss darüber, welche Konfigurationen am besten funktionieren, bevor sie in einem Pilotsystem umgesetzt werden“, erklärte die Autorin Alba Alcañiz Moya gegenüber pv magazine. Sie wies darauf hin, dass das Modell Ermüdungstests, Extrembelastungen und Lebenszyklusanalysen ermöglicht, die auf einer physischen Testplattform nicht ohne weiteres durchführbar sind. „Schließlich ermöglicht uns die Entwicklung eines solchen Rahmens, einen digitalen Zwilling der Plattform zu entwickeln“, sagte sie.

Für die Analyse wurden mehrere Schwimmerkonfigurationen untersucht, darunter einzelne große Schwimmer und mehrere kleine Schwimmer, die mit freien Scharnieren verbunden sind. Strukturelle Designentscheidungen wurden ebenso eingegeben wie Wellenbewegungen und Wetterbedingungen wie starker Wind, Bestrahlungsstärke und optoelektronische Leistung, um den Ertrag zu berechnen. Die optoelektrische Formulierung wurde mit dem Modellierungswerkzeug PVLIB-Python des Sandia National Laboratory in Python numerisch umgesetzt.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Anzahl der Floater einen Kompromiss bei der Konstruktion darstellt. Weniger Floater schienen weniger Photovoltaik-Bewegung zu verursachen und eine bessere Ausbeute zu erzielen, während mehr Floater tendenziell weniger elastische Spannungen ermöglichten und so eine haltbarere Struktur erzielten.

„Mehr Schwimmer erhöhen die Stabilität des Systems, da die Spannung auf sie verteilt wird und die Scharniere eine größere Flexibilität ermöglichen. Diese Bewegungsflexibilität führt jedoch dazu, dass sich die Module stärker bewegen, was die Verluste durch Leistungsfehlanpassung erhöht“, erklärte Alcañiz Moya. „Dieser Zielkonflikt bietet uns die Möglichkeit, das optimale Gleichgewicht für jeden Standort zu ermitteln. Darüber hinaus gibt uns unsere Studie die Werkzeuge und Erkenntnisse an die Hand, die wir benötigen, um diese ideale Anordnung zu ermitteln.“

Das Team stellte den Einfluss der strukturellen Eigenschaften auf die Verluste durch Leistungsfehlanpassung in einer Reihe von Szenarien fest. „Es wurde festgestellt, dass der Elastizitätsmodul des Materials nur bei längeren Floatern einen Einfluss hat, bei denen die elastische Reaktion dominiert“, so das Team. „Umgekehrt wirken sich Änderungen des Querschnittsfüllungsverhältnisses auf kürzere Schwimmer aus, bei denen die Starrkörperreaktion überwiegt. Die Dicke des Schwimmerbalkens hat den größten Einfluss auf die verschiedenen Schwimmerlängen“.

Die Ergebnisse der 25- und 50-Schwimmer-Szenarien zeigten eine elastische dominante Reaktion für eine geringe Schwimmerdicke und eine Starrkörperreaktion für eine hohe Schwimmerdicke. „Ein dünnerer Schwimmer führte zu geringeren Fehlanpassungsverlusten, da die hydroelastische Reaktion die Elastizität erhöhte. Ein ähnlicher Trend wurde bei der Variation des Füllungsgrads beobachtet, wobei ein niedriger Füllungsgrad aufgrund der hydroelastischen Reaktion zu geringeren Leistungsfehlanpassungsverlusten führte. Daher kann ein Szenario mit geringen Verlusten durch Leistungsfehlanpassung entweder durch einen einzelnen langen Schwimmer mit hoher Biegesteifigkeit oder durch mehrere kleine Schwimmer mit geringerer Biegesteifigkeit erreicht werden“, so die Forscher.

„Das für mich überraschendste Ergebnis war, dass die durch Wellen verursachten Leistungsverluste nicht so hoch waren, wie ich erwartet hatte“, so Alcañiz Moya. „Ich stellte mir vor, dass sich die Module eines schwimmenden Systems aufgrund von Wellen ständig bewegen, jedes mit einer anderen Ausrichtung. Das sollte zu großen Verlusten bei der Leistungsanpassung führen. Die Ergebnisse zeigten jedoch relativ geringe Leistungsverluste.“

In ihren abschließenden Bemerkungen betonte die Gruppe eine „Symbiose“ zwischen Offshore-Photovoltaik- und Offshore-Windkraftanlagen. „Die Entscheidung für eine große Anzahl von kleinen Schwimmern führt zu einem Übergang vom elastischen zum starren Körperverhalten, was zu minimalen elastischen Spannungen führt. Glücklicherweise treten die höchsten Mismatch-Verluste an sonnigen, windigen Wintertagen auf, also in Zeiten mit geringer Erzeugung. Diese geringere Erzeugung kann durch Windturbinen kompensiert werden, was die Symbiose zwischen den beiden erneuerbaren Offshore-Energiequellen fördert“, heißt es.

Die Einzelheiten der Studie wurden in der Fachzeitschrift Applied Energy unter dem Titel „Structural Analysis and Power Losses in Floating Solar Platform in Offshore Environment“ veröffentlicht.

Mit Blick auf die Zukunft sagen die Forscher, dass der Schwerpunkt auf der 3D-Analyse, der Untersuchung von unregelmäßig geformten schwimmenden Photovoltaik-Plattformen und der Interaktion mit Verankerungsleinen liegen wird. „Außerdem wird das hydroelastische Modell entwickelt, um die Nichtlinearität der Meereswellen und die strukturelle Reaktion zu berücksichtigen. Die Erforschung alternativer Standorte und verschiedener schwimmender Strukturen wie zum Beispiel Membranen, ist ebenfalls lohnenswert“, so die Forscher.

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