Der MPP-Tracker - Garant für maximale Leistung

Die Zahl der Photovoltaikanlagen auf privaten Dächern steigt stetig. Erste Bundeslänger haben diese Form der dezentralen Energiegewinnung sogar schon zur gesetzlichen Pflicht erhoben. Wer eine PV-Anlage errichtet, hat immer häufiger auch die Eigenbedarfsabdeckung zum Ziel. Eine optimal funktionierende Anlage verspricht einen optimalen Wirkungsgrad und damit auch den bestmöglichen Ertrag. Der Baustein für eine optimierte Leistungsfähigkeit ist der MMP-Tracker im Wechselrichter. Erfahren Sie hier alles Wissenswerte rund um das leistungssteigernde Bauteil.

Wofür ein MPP-Tracker?

Das Herzstück einer jeden Photovoltaikanlage ist der Wechselrichter. Er wandelt die in den Modulen erzeugte Gleichspannung in technisch nutzbaren Wechselstrom in einheitlicher Stromstärke um. Eine mittlerweile übliche Komponente eines jeden Wechselrichters ist der so genannte MPP-Tracker oder auch "Maximum Power Points"-Tracker. Dieser überwacht die PV-Anlage permanent und greift in die Steuerung des Wechselrichters so ein, dass dieser immer am Leistungsmaximum operiert. Wichtig ist der MPP-Tracker, weil sich der Lastwiderstand des Systems permanent ändert und - daraus folgend - der MPP, der Maximum Power Point oder der optimale Leistungsbereich, stetig verschiebt.

Die Ursachen für die Veränderung des Lastwiderstands einer Anlaeg sind unterschiedlich. Mit steigendem Lichteinfall steigt die erzeugte Stromstärke einer Zelle. Parallel dazu steigt auch die Temperatur der stromerzeugenden Zelle. Ein Temperaturanstieg hat aber den umgekehrten Effekt. Die Spannung sinkt. Beides hat direkten Einfluss auf die Leistungsdaten und damit auch auf den MPP. Ersichtlich ist dieser Zusammenhang in der Stromspannungskennlinie. Da sich die generierte Leistung aus den beiden Faktoren Spannung (I) und Stromstärke (U) zusammensetzt, führen Schwankungen dieser beiden Parameter zu unmittelbaren Veränderungen der Leistung. Der MPP-Tracker ermittelt genau diese Parameter und greift so steuernd ein, dass das Zusammenspiel immer zur maximalen Leistung führt.

Wie funktioniert ein MPP-Tracker?

Ein MPP-Tracker ermittelt den Maximum Powert Point einer Photovoltaikanlage in regelmäßigen, vorgegebenen Intervallen. Inhaltlich kommen dabei verschiedene Verfahren zum Einsatz. Das gebräuchlichste ist das so genannte Spannungserhöhungsverfahren. Der Tracker erhöht die Spannung einer Solarzelle stetig und so lange, bis die maximale Leistung erreicht ist. Fällt die Leistung dagegen ab, wurde der MPP überschritten und die Spannung muss wieder bis zum Leistungsmaximum abgesenkt werden.

Eine zweite Aufgabe des MPP-Trackers ist das so genannte Schattenmanagement. Veränderungen der Sonneneinstrahlung führen zu veränderten Leistungsdaten. Der Tracker prüft deshalb in Intervallen zwischen 5 und 10 Minuten die Leistungskennlinie des Generators, also der PV-Module, und sucht für die aktuell vorherrschende Leistung den Maximum Powert Point. Aktuelle Systeme verfügen bereits ab Werk über dieses relativ neue Feature. Ältere Anlagen lassen sich dagegen gut mit einem Schattenmanagement nachrüsten.

Ein MPP-Tracker ist umso wirksamer, umso feiner Laständerungen in der Solarzelle erfasst werden können. Sichergestellt wird eine hohe Wirksamkeit des Trackers durch das Verfahren der Lastsprünge. Dabei wird die Leistungsabgabe einer Zelle in eine Fließrichtung bis zum Erreichen des Leistungsmaximums ermittelt. Sinkt die Leistung wieder ab, wird die Messrichtung umgekehrt, bis auch in dieser Richtung das Leistungsmaximum erreicht wurde. Die Schwäche dieses Vorgehens ist eine nur näherungsweise Bestimmung des MMP. Der Grund dafür liegt in der Methode, den MPP erst durch dessen Überschreitung feststellen zu können. Der Tracker bewegt sich damit immer um den Wert des Maximum Powert Point herum, kann diesen aber nie exakt definieren.

Der MPP-Tracker - Hardware und Software

Eine zentrale Hardware-Komponente des MPP-Trackers ist der Gleichspannungswandler. Er nimmt die erzeugte elektrische Energie der Solarzellen als Gleichstrom auf und führt die Umwandlung in den erwünschten Wechselstrom durch. Der Spannungswandler sitzt an der Eingangsseite des Solarmoduls und ist so konzipiert, dass der Belastungssprung durch die Spannungsumwandlung optimal verarbeitet werden kann. Neben der Spannungswandlung zählt auch die Sicherstellung einer konstanten Ausgangsspannung zu den Funktionen des Gleichspannungswandlers.

Ergänzt wird die Hardware des MPP-Trackers um einen Mikrocontroller oder einen digitalen Signalprozessor. Diese Software hilft dem Wechselrichter, sich auf Spannungsdifferenzen seitens der Solarzelle einzustellen. Da diese Funktion zum Grundsetting einer jeden Solaranlage zählt, ist die Technik in allen gängigen Systemen vorhanden und muss auch bei älteren Baujahren nicht nachgerüstet werden.

Die Funktionsweise

Der MPP-Tracker ist für die Regelung der Eingangsspannung im Solarmodul von zentraler Bedeutung. Da sich der Sollwert für eine optimale Leistungsabgabe des Systems permanent ändert, wird die Spannung durch den Tracker adaptiv geregelt. Steigt der Sollwert der Stromspannung nach einer Veränderung der Leistungsdaten, nimmt der Tracker eine entsprechende Veränderung nach oben vor. Sinkt die Leistung, passt der MPP-Tracker die Werte in die entgegengesetzte Richtung an.

Für die Anpassung der Leistung verfügt der Wechselrichter über eine so genannte Pulsweitenmodulation. Dieses Bauteil schaltet den Wechselrichter gezielt ein und aus, um den Wirkungsgrad der Solarzellen im Optimalbereich zu halten. Moderne Systeme nutzen dafür einen Mikrocontroller. Die Pulsweitenmodulation übernimmt die Aufgabe, die Eingangsspannung der PV-Anlage, sowie die Ausgangsspannung für das öffentliche Versorgungsnetz zu justieren. Teilt der MPP-Tracker einen steigenden Sollwert mit, bleibt der Wechselrichter länger aktiv. Fällt der Wert unter den Maximum-Power-Point ab, wird der Wechselrichter deaktiviert.

Die Integration des MPP-Trackers in den Wechselrichter

Moderne Photovoltaikanlagen mit Netzeinspeisung führen das MPP-Tracking regelmäßig durch den Wechselrichter durch. Der MPP-Tracker zur Ermittlung des Maximum-Power-Points ist deshalb eine feste Komponente des Wechselrichters. Bei netzunabhängigen Inselanlagen dagegen wird die Funktion des MPP-Trackings durch einen Laderegler übernommen.

Statischer und dynamischer Wirkungsgrad - die Einflussfaktoren

Die wichtigsten Einflussfaktoren bei der Erzeugung von Strom aus Sonnenenergie sind der statische und der dynamische Wirkungsgrad. Wird das Verhältnis der effektiv aufgenommen Energie im Wechselrichter zur umgewandelten Energie festgestellt, spricht man vom statischen Wirkungsgrad, solange die äußeren Bedingungen gleichbleibend sind. Der dynamische Wirkungsgrad bezeichnet dagegen das Verhältnis der Summe bei allen Maximum Power Point MPP-Energien, die unter ständig wechselnden Bedingungen absorbiert werden. Auch die Menge des Wechselstroms der Solaranlage fließt in das Verhältnis des dynamischen Wirkungsgrads ein.

Moderne PV-Anlagen weisen einen Wirkungsgrad zwischen 98 und 99 Prozent auf. Um diesen Wirkungsgrad konstant zu halten, müssen mögliche Störfaktoren erkannt und beseitigt werden. Ohne permanentes MPP-Tracking entstünden durch verschiedene Faktoren zu relevanten leistungsmindernden Abweichungen. Spürbar ist das vor allem im statischen Wirkungsgrad. Der Maximum Power Point sollte deshalb immer im vorgegebenen Spannungsbereich liegen. Schon eine Teilbeschattung der Solarmodule kann dafür sorgen, dass sich das statische Verhalten der Photovoltaikanlage verändert.

Der statische Wirkungsgrad hat die Fähigkeit, den dynamischen Wirkungsgrad sowohl positiv als auch negativ zu beeinflussen. Weitere Einflussfaktoren auf den dynamischen Wirkungsgrad sind die Veränderung der Spannung im Maximum Power Point, die Stabilität des Spannungswandlers und der Grad der Sonneneinstrahlung. Führen starke Sonne-Wolken-Wechsel zu gravierenden Strahlungsveränderungen, stößt selbst ein leistungsfähiger MPP-Tracker beim Ausgleich der resultierenden Spannungsunterschiede an seine Grenzen.

Fazit: Mit MPP-Tracking zum maximalen Solarertrag

Für die Leistungsoptimierung einer Photovoltaikanlage spielt der MPP-Tracker eine zentrale Rolle. Er ist heute ein fester Bestandteil eines jeden Wechselrichters. Allerdings sind den Trackern bei der Ermittlung des Maximal Power Points auch Grenzen gesetzt. Der MPP-Tracker ist immer nur in der Lage, auf einen Maximum Power Point zu reagieren. Das führt dazu, dass beispielsweise bei einer Teilverschattung der Gesamtanlage alle Solarmodule gleichbehandelt werden. Trotzdem ist ein Tracker durch den adaptiven Regelungsmechanismus in jeder PV-Anlage unverzichtbar und durch den Wechselrichter in der Lage, den erzeugten Strom in alltagstauglichen Wechselstrom umzuwandeln.