Wind-Solar-Hybrid-System-Fehler und -Lösungen

1. Häufige Fehler und deren Ursachen bei Windkraftanlagen

Als wichtiger Bestandteil von Wind-Solar-Hybrid-Systemen treten bei Windkraftanlagen hauptsächlich Fehler in drei Bereichen auf: mechanische Struktur, elektrische Systeme und Steuerungsfunktionen. Der Verschleiß und Bruch der Flügel sind die häufigsten mechanischen Ausfälle, die meist durch langfristige Windwirkung, Materialermüdung oder Fertigungsfehler verursacht werden. Feldbeobachtungsdaten zeigen, dass die durchschnittliche Lebensdauer eines Flügels in Küstengebieten 3–5 Jahre beträgt, kann aber in Nordwestregionen mit häufigen Sandstürmen auf 2–3 Jahre sinken. Darüber hinaus ist der Verschleiß exzentrischer Lager bei horizontalachsigen Turbinen besonders ausgeprägt, was hauptsächlich auf eine lange Zeit ungleichmäßiger Belastung zurückzuführen ist.

In den elektrischen Systemen sind Phasenausfall und Spannungsschwankungen zwei typische Probleme. Windkraftanlagen erzeugen Wechselstrom in drei Phasen, und schlechte Verbindungen oder lose Kabel können leicht zu ungleichmäßigen oder fehlenden Phasen führen. Branchendaten weisen darauf hin, dass etwa 25% der Turbinenausfälle auf Verkabelungsprobleme zurückzuführen sind. Ein weiteres häufiges Problem ist das Versagen des Bremssystems, bei dem die Rotorgeschwindigkeit nach einem Dreiphasen-Kurzschluss nicht signifikant abnimmt, möglicherweise aufgrund von Bremsscheibenverschleiß oder elektrischer Steuerungsfehler.

Steuerungsfehler manifestieren sich hauptsächlich als fehlerhafte Energieverteilungslogik. Traditionelle Strategien mit festen Schwellenwerten können sich an komplexen und sich ändernden Wetterbedingungen nicht anpassen. Zum Beispiel behält die traditionelle Steuerung bei schwachem Morgenwind und zunehmender Sonneneinstrahlung die Turbinenleistung nur bei 30%–40% der Nennleistung aufgrund unzureichender Windgeschwindigkeit, wodurch erhebliche Windenergie verschwendet wird. Statistiken zeigen, dass Wind-Solar-Hybrid-Systeme, die traditionelle Steuerungsstrategien verwenden, durchschnittlich 15%–20% geringere Energienutzungsgrade haben als intelligente Systeme.

2. Häufige Fehler und deren Ursachen bei Solarpaneele

Solarpaneele in Hybrid-Systemen sind ebenfalls verschiedenen Ausfallrisiken ausgesetzt. Oberflächenbeschädigungen und Defekte an den Anschlusskontakten sind die sichtbarsten physikalischen Fehler, die oft durch harsches Wetter, Sandeinwirkung oder fehlerhafte Installation verursacht werden. In stark windigen Gebieten beträgt der durchschnittliche jährliche Schadensgrad von Solarpaneele 5%–8%, was regelmäßige Inspektionen und Wartungen erforderlich macht.

Elektrisch sind Heißfleck-Effekte und partielle Beschattung die Hauptfaktoren, die die Photovoltaik-Effizienz beeinträchtigen. Wenn ein Teil eines Panels beschattet ist, fließt Energie von unbeschatteten Bereichen rückwärts in den beschatteten Bereich, was zu lokaler Überhitzung und der Bildung von Heißflecken führt. Langanhaltende Heißfleck-Effekte können die Paneleffizienz um 15%–20% reduzieren und sogar dauerhafte Schäden verursachen. Darüber hinaus ist PID (Potential Induced Degradation) ein bedeutender Faktor, der die Panel-Lebensdauer beeinflusst, insbesondere in hochfeuchten Umgebungen, wo die Effizienz innerhalb von 1–2 Jahren um 5%–10% sinken kann.

Leistungsabnahme ist hauptsächlich auf lichtinduzierte Degradation und Versagen des Verkapselungsmaterials zurückzuführen. Branchenstandards verlangen, dass hochwertige PV-Module über einen Zeitraum von 25 Jahren eine jährliche Degradationsrate von weniger als 0,3%–0,5% aufweisen. In der Praxis jedoch können Umweltfaktoren und Materialalterung jährliche Degradationsraten von 0,8%–1,2% verursachen, was die Gesamtsystemeffizienz erheblich beeinflusst.

3. Fehleranalyse von Steuergeräten und Batteriesystemen

Als das „Gehirn“ des Wind-Solar-Hybrid-Systems beeinflusst die Leistung des Steuergeräts direkt die Systemstabilität. Das Hauptproblem liegt in den Grenzen traditioneller Energieverteilungsstrategien, die auf festen empirischen Parametern und einfachen Schwellenwerturteilen basieren, sodass sie sich nicht an realzeitbasierte Energiefluktuationen anpassen können. Bei komplexen Wetterbedingungen können diese Steuergeräte die Energieverteilung nicht zeitnah anpassen, was zu einer Verschlechterung der Spannungsstabilität führt. Beispielsweise kann es bei plötzlichen Wetteränderungen wie schnellen Windrichtungswechseln oder schnell bewegtem Wolkenzug mehrere Minuten dauern, bis traditionelle Steuergeräte reagieren, und sie können den strengen Spannungsqualitätsanforderungen moderner Industrieanlagen nicht gerecht werden.

Batteriesystemfehler lassen sich hauptsächlich in Unterladung, Wassereinbruch und Kapazitätsabbau einteilen. Unterladung tritt auf, wenn die Spannung unter den Startschwellenwert des Steuergeräts fällt; eine lang andauernde Unterladung führt zur tiefen Entladung und verkürzt die Batterielebensdauer. Wassereinbruch ist oft auf fehlerhafte Installation oder mangelhafte Abdichtung zurückzuführen, was extrem niedrige, null oder falsche Spannungsanzeigen verursacht und zu schweren Batterieschäden führt. Statistiken zeigen, dass etwa 15% der Hybrid-Systemausfälle auf Wassereinbruch in Batterien zurückzuführen sind.

Kapazitätsabbau ist ein natürlicher Alterungsprozess, aber Umweltfaktoren können ihn erheblich beschleunigen. In Hochlandregionen kann die niedrige Nachttemperature die Leistung der Solarmodule um 30%–40% verringern und gleichzeitig die nutzbare Kapazität der Batterien reduzieren, was es schwierig macht, die Lastanforderungen bei geringem Licht zu erfüllen. Darüber hinaus fördern hochsalzhaltige Umgebungen die Korrosion von Batterien; in Küstengebieten ist die Batterielebensdauer in Hybrid-Systemen typischerweise 30%–50% kürzer als in Binnenregionen.