Angesichts der aktuellen Energiewende gewinnen Photovoltaik-Energiespeichersysteme aufgrund ihrer einzigartigen Vorteile zunehmend an Bedeutung für eine nachhaltige Energieentwicklung. Die Kopplung von Solarenergie und Speicherung bildet das entscheidende Bindeglied für eine effiziente Energienutzung.

Heute hilft Ihnen Sailsolar dabei, ein entscheidendes Konzept zwischen zwei Kopplungsarchitekturen in Solarenergiesystemen zu erkunden: DC-Kopplung und AC-Kopplung in Solarspeichersystemen.Der Schlüssel zum Verständnis dieser beiden Architekturen liegt darin, herauszufinden, wo die Energie aus der Photovoltaik und der Speicherbatterie zusammenläuft.

Gleichstromkopplung: Der Stromkreis der Photovoltaikanlage und der Stromspeicherbatterie laufen auf der Gleichstromseite zusammen.

Wechselstromkopplung: Der Stromkreis von PV-Anlage und Speicherbatterie wird auf der Wechselstromseite zusammenlaufen.

1. DC-Kopplungsarchitektur

In der DC-gekoppelten Architektur wird die Gleichstromleistung des PV-Generators durch den DC-DC-Wandler innerhalb eines Hybridwechselrichters (Solar-Speicher-Wechselrichter) stabilisiert und direkt in die Batterie eingespeist.

Bei Bedarf kann die benötigte Energie entweder aus der Photovoltaikanlage oder der Batterie bezogen werden. In beiden Fällen wird der Gleichstrom (DC) im Hybridwechselrichter durch das DC/AC-Modul in Wechselstrom (AC) umgewandelt, bevor er an die Verbraucher abgegeben wird.

Wichtigster Punkt: Die Energie bleibt beim Laden der Batterie über die PV-Anlage vollständig in Gleichstromform erhalten, wodurch verlustbehaftete DC-AC-DC-Wandlungen vermieden werden.

2. AC-Kopplungsarchitektur

In einer AC-gekoppelten Architektur arbeiten die PV-Anlage und der Energiespeicher weitgehend unabhängig voneinander. Der von der PV-Anlage erzeugte Gleichstrom wird zunächst über einen PV-Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt, der dann direkt ins Netz oder zu den lokalen Verbrauchern eingespeist wird.

Soll der vom Solarwechselrichter erzeugte Wechselstrom gespeichert werden, muss er von einem Leistungsumwandlungssystem (PCS) verarbeitet werden, das ihn wieder in Gleichstrom umwandelt, um die Batterie zu laden. Beim Entladen wandelt das PCS den Gleichstrom der Batterie wieder in Wechselstrom um, der dann von den Verbrauchern genutzt werden kann.

Wichtigster Punkt: Das Laden der Batterie über die PV-Anlage erfordert einen DC → AC → DC-Wandlungsprozess, und die Stromversorgung der Verbraucher erfordert eine weitere DC → AC-Wandlung.

3. Vergleich beider Architekturen

(1) Energieflusspfad und Umwandlungsschritte

DC-Kopplung: Der von den PV-Modulen erzeugte Gleichstrom kann die Batterie direkt laden (DC-DC), ohne dass eine DC-AC-DC-Wandlung erforderlich ist, was zu geringeren Energieverlusten führt.

Wechselstromkopplung: Die Speicherung von PV-Energie erfordert eine zweistufige Wandlung (DC-AC-DC). Bei der anschließenden Nutzung durchläuft die Energie insgesamt drei Wandlungsschritte, was zu relativ hohen Energieverlusten führt.

(2) Systemausrüstung und Kosten

DC-Kopplung: Nutzt einen integrierten Hybrid-Wechselrichter (oder Solar-Speicher-Wechselrichter), der PV-MPPT, bidirektionale Wandlung und Batteriemanagement kombiniert. Dadurch reduziert sich die Anzahl der benötigten Komponenten und Verbindungskabel, was die Anfangsinvestition senkt. Weniger Komponenten bedeuten auch geringere Installations- und Wartungskosten.

Wechselstromkopplung: Erfordert separate Solarwechselrichter und einen Batteriewechselrichter (PCS) sowie eine entsprechende Wechselstromverteilung. Die größere Anzahl an Komponenten erhöht die Verkabelungskosten und den Platzbedarf.

(3) Gleichstrom-Wechselstrom-Verhältnis (Wechselrichter-Lastverhältnis)

Bei einer Werkstransformatorleistung von 2,5 MVA ist die Gesamtausgangsleistung des Wechselrichters aus Sicherheitsgründen typischerweise auf 80 % dieser Leistung (ca. 2 MW) begrenzt.

Gleichstromkopplung: Kann eine 4-MWp-Photovoltaikanlage unterstützen. Wenn die Photovoltaikanlage 4 MW Leistung erzeugt, können 2 MW über den Gleichstromzwischenkreis direkt zur Batterieladung fließen (DC-DC-Wandler).

Die verbleibenden 2 MW werden vom PCS im Hybridwechselrichter umgewandelt und als 2 MW Wechselstrom ausgegeben. Die gespeicherte grüne Energie kann während der abendlichen Spitzenlastzeiten genutzt werden, wodurch die Solarstromerzeugung optimal genutzt wird, um den höheren Bedarf von Unternehmen an erneuerbarer Energie zu decken.

Wechselstromkopplung: Die PV-Stromerzeugung wird primär durch die Kapazität des PV-Wechselrichters begrenzt. Bei einem Gleichstrom-Wechselstrom-Verhältnis von 1,3 könnte beispielsweise eine 2,6-MWp-PV-Anlage installiert werden. Erzeugt diese 2,3 MW Gleichstrom, würde der 2-MW-Wechselstrom-PV-Wechselrichter die Leistung begrenzen, was zu einer Drosselung der PV-Stromerzeugung und somit zu Energieverlusten führen würde.

(4) Systemkompatibilität und Skalierbarkeit

DC-Kopplung: Sie zeichnet sich durch eine hohe Integration zwischen PV- und Speichersystem aus. Allerdings ist sie für die Nachrüstung bestehender PV-Systeme nur bedingt geeignet und erfordert häufig den Austausch des ursprünglichen Wechselrichters. Die Systemerweiterung wird zudem durch die maximale Eingangs-/Ausgangsleistung des Hybrid-Wechselrichters und die Spezifikationen des Batterieanschlusses begrenzt.

AC-Kopplung: Ermöglicht die einfache Nachrüstung bestehender PV-Anlagen, da die Speicherung durch Parallelschaltung eines Batteriewechselrichters und von Batterien auf der AC-Seite hinzugefügt werden kann. Dies erlaubt die flexible Auswahl von Geräten verschiedener Hersteller und bietet eine höhere Skalierbarkeit.

4. Wie man die AC/DC-Kopplungslösung auswählt

(1) DC-Kopplung: Szenarien wie der Bau neuer Solarspeichersysteme, das Streben nach höherer Umwandlungseffizienz und einem höheren DC/AC-Verhältnis sowie Situationen, in denen der Installationsraum begrenzt ist.

(2) AC-Kopplung: Szenarien wie das Hinzufügen von Energiespeichern zu bestehenden PV-Systemen, die Kompatibilität mit Geräten verschiedener Hersteller erfordern, und die hybride Integration mehrerer Energiequellen.

Jede Methode hat ihre Vor- und Nachteile, und es gibt keine allgemeingültige optimale Lösung. Die praktische Auswahl muss auf einer umfassenden Bewertung der spezifischen Projektbedingungen und -anforderungen basieren. Da sich beide Technologien stetig weiterentwickeln, versprechen sie ein immer breiteres Spektrum an Lösungen und ermöglichen es den Nutzern, die optimale Wahl für ihre individuelle Energiezukunft zu treffen.