Im Projekt Voyager-PV haben Forschende Photovoltaikmodule für den gebäudeintegrierten Bereich weiterentwickelt und sie in einem kommunikativen Netzwerk integriert. Ihre Forschungsergebnisse sollen dazu beitragen, einen einfachen und kostengünstigen Aufbau von Photovoltaikanlagen in diesem Bereich sowie Anlagen mit stark unterschiedlicher Ausrichtung und Verschattungssituation zu ermöglichen.

Photovoltaikmodule werden nicht nur auf üblicherweise genutzten Dachflächen installiert, sondern kommen auch immer häufiger in gebäudeintegrierten Bereichen zum Einsatz. Dieser Anwendungsbereich zeichnet sich oftmals durch kleinere, uneinheitlichere Flächen aus, auf denen die Module genutzt werden. Modulnahe beziehungsweise direkt auf den PV-Modulen integrierte Elektronik trägt zu einem einfacheren Aufbau dieser Photovoltaikanlagen und zu einem erhöhten Energieertrag bei. Die dafür benötigte Elektronik zu optimieren, war Ziel des Forschungsteams im Verbundvorhaben Voyager-PV.

Neue technologische Lösungen für smarte Photovoltaikmodule

Im Projekt Voyager-PV haben Forschungseinrichtungen sowie Hersteller aus den Bereichen Elektro-, Fertigungs-, Daten- und Solarmodultechnik zusammengearbeitet. „Die Grundidee hinter dem Forschungsvorhaben ist, Wechselrichter und digitale Technik direkt in das PV-Modul zu integrieren und dadurch die Zuverlässigkeit zu verbessern, die Effizienz zu erhöhen und gleichzeitig die Kosten zu senken“, erklärt Professor Jens Friebe, Koordinator des Projekts an der Leibniz Universität Hannover (LUH).

Im Ergebnis haben die Projektpartner Demonstratoren von kommunikativen Photovoltaikmodulen entwickelt. Die Forschenden haben diese auf den Testständen des Instituts für Solarenergieforschung in Hameln (ISFH) installiert und erfolgreich ein sogenanntes Mesh-Netzwerk aufgebaut. Das ist ein Netzwerk, bei dem alle zugehörigen Geräte miteinander verbunden sind und untereinander kommunizieren können. Mit einem solchen Mesh können die Forschenden eine einfache und sichere Datenkommunikation realisieren.

Effizientes Netzwerk aus Solarmodulen mit optimierter Leistungselektronik

Die vollintegrierten Solarmodule bestehen aus einem Photovoltaikmodul, in dem ein Wechselrichter integriert ist. Darüber hinaus ist in die modulnahe Elektronik eine kostengünstige und zuverlässige Funktechnologie eingebaut, mit der eine selbst organisierende Mesh-Topologie – also die Struktur der verbundenen Netzwerkgeräte – realisiert wird.

© Tobias Brinker, IAL-LUH

Vergossener Mikro-Wechselrichter auf der Rückseite eines PV-Moduls © Tobias Brinker, IAL-LUH | Vergossener Mikro-Wechselrichter auf der Rückseite eines PV-Moduls

Hierdurch ist es möglich, sowohl die einzelnen Solarmodule als auch die zum System gehörenden Komponenten der Infrastruktur (wie zum Beispiel Gateways) flexibel und zuverlässig zu vernetzen. Das so aufgebaute Netzwerk macht es also leichter, die Photovoltaikmodule zu steuern und zu überwachen. Gleichzeitig bietet das Mesh durch redundante Kommunikationswege eine zuverlässige Verbindung zwischen Komponenten.

Forscherinnen und Forscher der LUH haben im Projekt die genutzte Leistungselektronik weiterentwickelt. Hierzu zählen unter anderem die optimierte Auslegung und Integration der dreistufigen Topologie mit Blindleistungsfähigkeit, das Einsatzpotenzial von GaN-Leistungshalbleitern und das Regelungskonzept für die Netzdienlichkeit. Außerdem haben sie Einkapselungstechniken, die zum Beispiel im Automobilbereich kostengünstig eingesetzt werden, um die Elektronikkomponenten vor Umwelteinflüssen zu schützen, in die PV-Modulproduktion übertragen. Dadurch wird die Applikation der Elektronik am Modul wesentlich vereinfacht. Gehäuse, Kabel-Zugentlastung, Klebeschichten und eventuell Kabel zwischen Anschlussbox und Elektronik sind so nicht mehr notwendig, was dazu beitragen kann, Kosten zu reduzieren.

Ein durchgängiges Software-Update-Konzept integriert alle Teile der Elektronik. So können die Forschenden das System stetig an neue Sicherheitsanforderungen anpassen oder Funktionserweiterungen hinzufügen. Gleichzeitig lässt sich das Mesh-Netzwerk ohne größeren Aufwand erweitern.

Erfolgreiche Inbetriebnahme der kommunikativen PV-Module

Im Mai 2024 hat das Forschungsteam das Mesh-Netzwerk in Betrieb genommen. Die Projektpartner konnten erfolgreich die neue Leistungselektronik anhand der Messdaten überwachen und die Betriebsdaten der Anlage (wie beispielsweise Strom-, Spannungs- und Temperaturwerte der PV-Module) erfassen. Die Daten wurden per Funk übermittelt, wobei die Projektpartner einen zeitgleichen, sicheren Zugriff auf das Netzwerk hatten.

Mit ihren Forschungsarbeiten haben sie nachgewiesen, wie das aufgebaute Mesh-Netzwerk über mehrere kommunikative Photovoltaikmodule einen stabilen und selbstoptimierenden Betrieb ermöglicht – und so zukünftig zum Ausbau der Photovoltaik im gebäudeintegrierten Bereich beitragen kann. Das Projekt Voyager-PV startete im März 2020 und wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) mit rund drei Millionen Euro gefördert. (av)