Internetbasierte Bemessung von netzgekoppelten Photovoltaikanlagen
©2001
Diplomarbeit
94 Seiten
Zusammenfassung
Inhaltsangabe:Zusammenfassung:
Aufgabe dieser Arbeit war es, ein internetbasiertes Programm zu entwickeln, dass eine netzgekoppelte Photovoltaikanlage simuliert. Es wurde ein Simulationsmodell aufgestellt, dessen Parameter (Solarstrahlungsdaten, Anlagenkomponenten, Kabelverluste) in einer Datenbank vorliegen, um so leicht und übersichtlich die verschiedensten Anlagenkonfigurationen analysieren zu können.
Aufbauend auf Monatsmittelwerten wurde ein Berechnungsprogramm entwickelt, dass die Simulation der einzelnen Komponenten abdeckt. Besonderes Augenmerk wurde auf die Bedienungsfreundlichkeit gerichtet, um so auch nicht versierten Anwendern eine Berechnung zu ermöglichen.
In der Arbeit wurde weiterhin ein Marktüberblick und einen Einteilung von derzeit verfügbaren Photovoltaik- Simulationsprogrammen durchgeführt. Abschließend wurden die Berechnungsergebnisse des Programms SolarCalc mit den Berechnungsergebnissen des Programms PVSol 2.12 verglichen und bewertet.
Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
1.Einleitung8
1.1Regenerative Solarenergie8
1.2Anwendungen der Photovoltaik11
2.PV- SIMULATIONSPROGRAMME16
2.1Anwendung von PV- Simulationsprogrammen16
2.2Ergebnisse von PV- Simulationsprogrammen17
2.3Grenzen von PV- Simulationsprogrammen17
2.3.1Solarstrahlung17
2.3.2Anlagenkomponenten21
2.3.3Verschattung21
2.4Einteilung von PV- Simulationsprogrammen22
2.4.1Kalkulationsprogramme23
2.4.1.1ILSE23
2.4.1.2SOLDIM24
2.4.1.3Pvcalc26
2.4.1.4SOLinvest26
2.4.2Zeitschrittsimulationsprogramme28
2.4.2.1ASHLING28
2.4.2.2GOMBIS28
2.4.2.3DASTPVPS29
2.4.2.4DURESS30
2.4.2.5Pvcad31
2.4.2.6PVSYST33
2.4.2.7PVSol35
2.4.2.8SOLEM38
2.4.2.9PVS 200039
2.4.2.10Solar Studio Suite (PV-DesignPro)41
2.4.3Simulationssysteme42
2.4.3.1INSEL42
2.4.3.2SMILE43
2.4.3.3TRNSYS43
2.4.4Hilfsprogramme44
2.4.4.1METEONORM44
2.4.4.2SUNDI44
2.4.4.3SHELL SOLAR PATH44
2.4.4.4Auswertesoftware für Wechselrichter45
2.4.5tabellarische Programmübersicht46
2.4.5.1Kalkulationsprogramme46
2.4.5.2Zeitschrittanalyseprogramme47
2.4.5.3Simulationssysteme49
2.4.5.4Hilfsprogramme50
3.INTERNETBASIERTES SIMULATIONSPROGRAMM SOLARCALC51
3.1Simulationsmodell51
3.2Programmiertechniken53
3.2.1HTML4.053
3.2.2JavaScript54
3.2.3PHP55
3.2.4MySQL57
3.2.5Programmbeschreibung SOLARCALC58
3.2.5.1Schritt 1 Projektdaten59
3.2.5.2Schritt 2 Standortauswahl59
3.2.5.3Schritt 3 Solarmodul61
3.2.5.4Schritt 4 Modulschaltungsvariante61
3.2.5.5Schritt 5 […]
Aufgabe dieser Arbeit war es, ein internetbasiertes Programm zu entwickeln, dass eine netzgekoppelte Photovoltaikanlage simuliert. Es wurde ein Simulationsmodell aufgestellt, dessen Parameter (Solarstrahlungsdaten, Anlagenkomponenten, Kabelverluste) in einer Datenbank vorliegen, um so leicht und übersichtlich die verschiedensten Anlagenkonfigurationen analysieren zu können.
Aufbauend auf Monatsmittelwerten wurde ein Berechnungsprogramm entwickelt, dass die Simulation der einzelnen Komponenten abdeckt. Besonderes Augenmerk wurde auf die Bedienungsfreundlichkeit gerichtet, um so auch nicht versierten Anwendern eine Berechnung zu ermöglichen.
In der Arbeit wurde weiterhin ein Marktüberblick und einen Einteilung von derzeit verfügbaren Photovoltaik- Simulationsprogrammen durchgeführt. Abschließend wurden die Berechnungsergebnisse des Programms SolarCalc mit den Berechnungsergebnissen des Programms PVSol 2.12 verglichen und bewertet.
Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
1.Einleitung8
1.1Regenerative Solarenergie8
1.2Anwendungen der Photovoltaik11
2.PV- SIMULATIONSPROGRAMME16
2.1Anwendung von PV- Simulationsprogrammen16
2.2Ergebnisse von PV- Simulationsprogrammen17
2.3Grenzen von PV- Simulationsprogrammen17
2.3.1Solarstrahlung17
2.3.2Anlagenkomponenten21
2.3.3Verschattung21
2.4Einteilung von PV- Simulationsprogrammen22
2.4.1Kalkulationsprogramme23
2.4.1.1ILSE23
2.4.1.2SOLDIM24
2.4.1.3Pvcalc26
2.4.1.4SOLinvest26
2.4.2Zeitschrittsimulationsprogramme28
2.4.2.1ASHLING28
2.4.2.2GOMBIS28
2.4.2.3DASTPVPS29
2.4.2.4DURESS30
2.4.2.5Pvcad31
2.4.2.6PVSYST33
2.4.2.7PVSol35
2.4.2.8SOLEM38
2.4.2.9PVS 200039
2.4.2.10Solar Studio Suite (PV-DesignPro)41
2.4.3Simulationssysteme42
2.4.3.1INSEL42
2.4.3.2SMILE43
2.4.3.3TRNSYS43
2.4.4Hilfsprogramme44
2.4.4.1METEONORM44
2.4.4.2SUNDI44
2.4.4.3SHELL SOLAR PATH44
2.4.4.4Auswertesoftware für Wechselrichter45
2.4.5tabellarische Programmübersicht46
2.4.5.1Kalkulationsprogramme46
2.4.5.2Zeitschrittanalyseprogramme47
2.4.5.3Simulationssysteme49
2.4.5.4Hilfsprogramme50
3.INTERNETBASIERTES SIMULATIONSPROGRAMM SOLARCALC51
3.1Simulationsmodell51
3.2Programmiertechniken53
3.2.1HTML4.053
3.2.2JavaScript54
3.2.3PHP55
3.2.4MySQL57
3.2.5Programmbeschreibung SOLARCALC58
3.2.5.1Schritt 1 Projektdaten59
3.2.5.2Schritt 2 Standortauswahl59
3.2.5.3Schritt 3 Solarmodul61
3.2.5.4Schritt 4 Modulschaltungsvariante61
3.2.5.5Schritt 5 […]
Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
ID 6212
Müller, Thomas: Internetbasierte Bemessung von netzgekoppelten Photovoltaikanlagen
Hamburg: Diplomica GmbH, 2002
Zugl.: Paderborn, Universität - Gesamthochschule, Diplomarbeit, 2001
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Diplomica GmbH
http://www.diplom.de, Hamburg 2002
Printed in Germany
Inhaltsverzeichnis
Seite 5 von 95
1
E
INLEITUNG
8
1.1
Regenerative Solarenergie
8
1.2
Anwendungen der Photovoltaik
11
2
PV- S
IMULATIONSPROGRAMME
16
2.1
Anwendung von PV- Simulationsprogrammen
16
2.2
Ergebnisse von PV- Simulationsprogrammen
17
2.3
Grenzen von PV- Simulationsprogrammen
17
2.3.1
Solarstrahlung 17
2.3.2
Anlagenkomponenten 21
2.3.3
Verschattung 21
2.4
Einteilung von PV- Simulationsprogrammen
22
2.4.1
Kalkulationsprogramme 23
2.4.1.1
ILSE 23
2.4.1.2
SOLDIM 24
2.4.1.3
PVcalc 26
2.4.1.4
SOLinvest 26
2.4.2
Zeitschrittsimulationsprogramme 28
2.4.2.1
ASHLING 28
2.4.2.2
GOMBIS 28
2.4.2.3
DASTPVPS 29
2.4.2.4
DURESS 30
2.4.2.5
PVcad 31
2.4.2.6
PVSYST 33
2.4.2.7
PV* Sol 35
2.4.2.8
SOLEM 38
2.4.2.9
PVS 2000
39
2.4.2.10
Solar Studio Suite (PV-DesignPro)
41
2.4.3
Simulationssysteme 42
2.4.3.1
INSEL 42
2.4.3.2
SMILE 43
2.4.3.3
TRNSYS 43
2.4.4
Hilfsprogramme 44
2.4.4.1
METEONORM 44
2.4.4.2
SUNDI 44
2.4.4.3
SHELL SOLAR PATH
44
2.4.4.4
Auswertesoftware für Wechselrichter
45
Inhaltsverzeichnis
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2.4.5
tabellarische Programmübersicht
46
2.4.5.1
Kalkulationsprogramme 46
2.4.5.2
Zeitschrittanalyseprogramme 47
2.4.5.3
Simulationssysteme 49
2.4.5.4
Hilfsprogramme 50
3
I
NTERNETBASIERTES
S
IMULATIONSPROGRAMM
SOLARCALC 51
3.1
Simulationsmodell 51
3.2
Programmiertechniken 53
3.2.1
HTML4.0 53
3.2.2
JavaScript 54
3.2.3
PHP 55
3.2.4
MySQL 57
3.2.5
Programmbeschreibung SOLARCALC
58
3.2.5.1
Schritt 1 Projektdaten
59
3.2.5.2
Schritt 2 Standortauswahl
59
3.2.5.3
Schritt 3 Solarmodul
61
3.2.5.4
Schritt 4 Modulschaltungsvariante
61
3.2.5.5
Schritt 5 Wechselrichter
62
3.2.5.6
Schritt 6 Verschattung
63
3.2.5.7
Schritt 7 Kabelverluste
63
3.2.5.8
Schritt 8 Finanzierung
64
3.2.5.9
Schritt 9 Kurzübersicht
65
3.2.5.10
Schritt 9 Sonneneinstrahlung
65
3.2.5.11
Schritt 9 Solarmodule
67
3.2.5.12
Schritt 9 Wechselrichter
68
3.2.5.13
Schritt 9 Auslegung der PV- Module
68
3.2.5.14
Schritt 9 Modulschaltungsvariante
69
3.2.5.15
Schritt 9 Kabelverluste
70
3.2.5.16
Schritt 9 Wechselrichterverluste
72
3.2.5.17
Schritt 9 vermiedene Emissionen
72
3.2.5.18
Schritt 9 Einspeisevergütung
73
3.2.5.19
Schritt 9 Finanzierung und Amortisation
74
4
E
RGEBNISÜBERPRÜFUNG MIT
PV* SOL 2.12
UND
SOLEM 1.2
76
4.1
Vergleichsbedingungen 76
4.2
Ergebnisübersicht 77
4.3
Abschließende Beurteilung
81
Inhaltsverzeichnis
Seite 7 von 95
5
L
ITERATURVERZEICHNIS
83
5.1
Literatur 83
5.2
weiterführende Internetadressen
86
5.2.1
Photovoltaik 86
5.2.2
HTML, PHP, JavaScript, MySQL und SQL
88
6
A
NHANG
89
6.1
PV- Simulationsprogramme
89
6.2
Quellcode und SQL- Scripte
89
6.3
Berechnungsergebnisse der Anlagenvariante I bis III
90
Einleitung
Seite 8 von 95
1 Einleitung
1.1 Regenerative
Solarenergie
Eine der wichtigsten Herausforderungen der Menschheit des neuen Jahrtausends ist die
Energiewende, weg von fossiler und atomarer Energie, hin zur ressourcenschonenden
Nutzung der Sonnenenergie. Die begrenzte Verfügbarkeit von fossilen Brennstoffen, die
Gefahren von Klimaveränderungen, bedingt durch die Emissionen von Treibhausgasen,
Luftverschmutzung und die für eine nachhaltige Entwicklung notwendige Herstellung
geschlossener Kreisläufe sind Gründe für die Notwendigkeit einer umfassenden
Umorientierung unserer Energiepolitik.
Die Konsequenzen des kurzsichtigen Beharrens auf die konventionelle Energieversorgung
sind weltweit sichtbar: Kriege um Öl am Persischen Golf, die jüngste Ölpest von den
Galapagos Inseln, die Katastrophe von Tschernobyl mit den atomar verseuchten
Gebieten, Hautkrebserkrankungen bedingt durch das Ozonloch, usw. - eine Liste die sich
beliebig verlängern ließe.
Ein Umdenken in der Energieversorgung in Richtung regenerativer Energieträger, also ein
Umstieg auf erneuerbare Energieträger ist nicht nur zur Vermeidung dieser Risiken und
den damit verbundenen politisch oder sogar militärisch ausgetragenen Konflikten
geeignet, sondern birgt auch neue Chancen ins sich. Eine größere Versorgungssicherheit
wird erreicht und einzelne Regionen können ihre Energieautonomie erhöhen. Für Länder
ohne Lagerstätten fossiler Brennstoffe ergeben sich positive Auswirkungen auf die
Zahlungsbilanz durch den Rückgang von Kohle, Öl- und Gasimporten. Neue Aufgaben im
Agrar-, Gewerbe- und Industriebereich schaffen zusätzliche Arbeitsplätze, Wohlstand und
damit weltweit sozialen Frieden.
Die photovoltaische Nutzung ist neben der thermischen Nutzung der Sonnenenergie
bereits heute eine der am weitest verbreiteten Sonnenergieformen, obwohl vielerorts die
Nutzung der Sonnenenergie häufig als nicht ausgereift und unwirtschaftlich bezeichnet
wird. Im Gegensatz zur konventionellen Energieerzeugung sind die Betriebskosten von
Solarstromanlagen sehr gering, da keine Brennstoffe eingesetzt werden, kann der
Photovoltaik ein enormes wirtschaftliches Potenzial zugesprochen werden.
Deutschland hat sich in internationalen Verhandlungen für eine globale nachhaltige
Entwicklung eingesetzt und sich beispielsweise dazu verpflichtet die Vereinbarungen der
Konferenz in Rio in internationale und nationale Politik umzusetzen.
Die Bundesregierung hat die Initiative ergriffen und mit zwei wichtigen Maßnahmen die
Rahmenbedingungen für die Photovoltaik entscheidend verbessert. Zum einen ist seit
dem 1. April 2000 das Gesetz über erneuerbare Energie in Kraft, dass für photovoltaisch
erzeugten Strom derzeit eine Einspeisevergütung von 99Pfg/kWh gewährt. Zum anderen
werden über das 100.000 Dächerprogramm der KfW zinsgünstige Kredite für den Bau von
Photovoltaikanlagen zur Verfügung gestellt.
Einleitung
Seite 9 von 95
Photovoltaikanlagen erzeugen elektrischen Strom ohne Abgase oder Abfall zu erzeugen,
sie sind sehr langlebig und der Wartungsaufwand ist gering. Sonnenenergie steht als
freies Gut unbegrenzt und kostenlos zur Nutzung zur Verfügung und gibt der Solartechnik
daher ein großes wirtschaftliche Potential. Leider sind die Kosten der Solarmodule
aufgrund der aufwendigen Herstellung der Solarzellen sowie der verhältnismäßig
geringen Stückzahlen noch sehr hoch, so dass die Solartechnik auf die Förderung
angewiesen ist. Es wird erhofft, dass hierdurch die Herstellungskosten für die Solartechnik
zukünftig deutlich gesenkt werden können.
Durch die Inanspruchnahme der Förderungsmöglichkeiten ist ein wirtschaftlicher Betrieb
einer Solaranlage möglich geworden. Dies zeigt auch der aktuelle IEA- Report der
Internationalen Energie Agentur (IEA): nach Inkrafttreten des EEG wird für die derzeit
installierte PV- Leistung ein erheblicher Anstieg erwartet, und zwar von ca. 69.500 kW (bis
1999) auf etwa 125.000 kW.
1
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
installierte PV- Anlagen
1,6
3,1
3,3
3,5
5,4
10,1
14
12
15
Prognose
40
50
70
80
100
1991 1992 1993
1994
1995
1996 1997
1998
1999 2000 2001 2002 2003 2004
Abbildung 1-1: jährlich installierte Photovoltaikleistung in MWp
2
Da die Modulpreise heute noch zwei Drittel der Gesamtinvestitionskosten von
Photovoltaikanlagen bestimmen, wird eine Kostenreduktion vor allem durch eine
automatisierte Massenfertigung bei der Modulproduktion erreicht werden. In die
Dünnschichttechnologie werden hier große Hoffnungen gesetzt, da hier im Gegensatz zu
heutigen Silizium- Solarzellen der Material- und Energieeinsatz wesentlich geringer ist.
Rationelle Herstellungsverfahren lassen starke Kostenreduktionen erwarten.
1
Quelle: ,,Sonnenenergie" 02/2001 bzw. IEA- Report:
http://www.iea-pvps.org
2
Quelle: Photovoltaische Anlagen, DGS, 2001
Einleitung
Seite 10 von 95
10%
13%
64%
13%
sonstige
Planung und Montage
Wechselrichter
Module
Abbildung 1-2': Aufteilung der Kosten bei einer netzgekoppelten Anlage
3
Fast alle große Hersteller arbeiten fieberhaft an der Entwicklung von Dünnschichtzellen.
Bereits heute sind Dünnschichtzellen mit einem Wirkungsgrad von ca. 8%
4
erhältlich.
3
Quelle: Photovoltaische Anlagen, DGS, 2001, Quaschning 1999
4
z.B.: Würth Solar WS 11006 43 Watt CIS- Dünnschichtsolarmodul
Einleitung
Seite 11 von 95
1.2 Anwendungen
der
Photovoltaik
Eine Solarzelle hat normalerweise eine Größe von ca. 10x10 cm und liefert einen Strom
von einigen Ampere. Die erzeugte Spannung beträgt ca. 0,5 Volt. Die Solarzelle stellt die
eigentliche Grundeinheit eines Solarstromgenerators dar. Im Regelfall werden mehrere
Solarzellen in einem Solarmodul in einem (Alu-)Rahmen einschließlich Frontscheibe und
Rückseitenabdeckung, den elektrischen Anschlusskabeln oder einer Anschlussbox
zusammengefasst.
Es sind aber auch rahmenlose Solarmodule auf dem Markt erhältlich - bei diesen sind
spezielle Randversiegelungen notwendig.
Abbildung 1-3: Solarzelle
Abbildung 1-4: Solarmodul
Abbildung 1-5: Anschlussdose eines Solarmoduls
Die Solarzellen sind in diesem Gehäuse gegen die Witterung geschützt. Solarmodule
müssen hohen Anforderungen genügen. So müssen die Solarmodule
Temperaturschwankungen von -40°C bis + 80°C überstehen und Feuchtigkeit wie
Regenwasser und Kondenswasser sicher abhalten. Weiterhin müssen Solarmodule starken
Windböen und Niederschlägen (Hagel) standhalten.
Eine netzgekoppelte Solaranlage, wie sie im privaten als auch im gewerblichen Bereich
zu finden ist, besteht im wesentlichen aus mehreren Solarmodulen, dem Wechselrichter
Einleitung
Seite 12 von 95
zur Einspeisung des erzeugten Stroms in das öffentliche Stromnetz (daher netzgekoppelt)
und dem Einspeisezähler.
Abbildung 1-6: Prinzip einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage
Durch das Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien (EEG) wird die Einspeisung des
photovoltaisch erzeugten Stromes ins öffentliche Stromnetz mit derzeit 0,99 DEM je kWh
(0,5062 EUR) vergütet. Der Bezug elektrischer Energie für den Eigenverbrauch erfolgt
dabei nach wie vor aus dem öffentlichen Stromnetz. Der Eigenverbrauch wird über den
Verbrauchszähler ermittelt und abgerechnet, die Menge des photovoltaisch erzeugten
Stromes wird über den Einspeisezähler ermittelt und vergütet. Der Besitzer einer
Photovoltaikanlage ist Stromproduzent für das öffentliche Stromnetz. Diese Art
umweltfreundlich Energie dezentral zu produzieren, bietet die Möglichkeit, unseren
Energiebedarf mit deutlich weniger Eingriffen in Natur und Umwelt zu decken.
Einleitung
Seite 13 von 95
Abbildung 1-7: Wechselrichter
Abbildung 1-8: Anschlüsse am Wechselrichter
An den Orten, an denen kein öffentliches Stromnetz zur Verfügung steht (z.B. nicht
erschlossenen Gebieten), oder nur mit erheblichem Aufwand zu errichten ist, kann der
Einsatz einer netzautarken Solarstromanlage (Inselanlagen) sinnvoll sein. Diese
Solaranlagen benötigen zusätzlich Batterien zur Speicherung der elektrischen Energie und
einem Laderegler. Diese Solaranlagen verursachen daher aber auch wesentlich höhere
Installationskosten. In Australien, Finnland, Frankreich, Israel, Kanada, Korea, Mexiko,
Norwegen, Portugal und Schweden werden bis zu 90% Inselanlagen verkauft - aus
unterschiedlichen Gründen: in Kanada und den skandinavischen Ländern dienen sie
hauptsächlich zur Versorgung abgelegener Ferienhütten und Wochenendhäusern, in
Australien und Korea liefern sie hauptsächlich Strom für Wasserpumpen, Verkehrssignale
und Telekommunikationsstationen. Für solche Anwendungen sind Solarstromanlagen
inzwischen eine ökonomische Alternative zu Dieselgeneratoren oder Stromleitungen. Für
elektrische Geräte, die nur wenig Energie verbrauchen, kann der Einsatz netzautarker
(Klein-)Solaranlagen sinnvoll sein, da hier die Mehrkosten nur gering sind. Als Beispiel sind
hier Parkscheinautomaten, Stauwarnmelder oder Gartenleuchten zu nennen.
Einleitung
Seite 14 von 95
Abbildung 1-9: Insel(klein)anlage Parkscheinautomat
Abbildung 1-10: Insel(klein)anlage Stauwarnmelder
Solarstromanlagen erzeugen elektrischen Strom ohne Abgase oder Abfall zu erzeugen, sie
sind sehr langlebig (ca. 20 Jahre) und der Wartungsaufwand ist gering. Sonnenenergie
steht als freies Gut unbegrenzt und kostenlos zur Nutzung zur Verfügung und gibt der
Solartechnik daher ein großes wirtschaftliche Potential. Leider sind die Kosten der
Solarmodule aufgrund der aufwendigen Herstellung der Solarzellen sowie der
verhältnismäßig geringen Stückzahlen noch sehr hoch, so dass die Solartechnik auf die
Förderung angewiesen ist. Es wird erhofft, dass hierdurch die Herstellungskosten für die
Solartechnik zukünftig deutlich gesenkt werden können.
Derzeit verfügt die Bundesrepublik Deutschland über ein weitreichenden und
umfassendes Programm zu Förderung von Solaranlagen. Grundlage bildet hier das seit
dem 01. April 2000 bundesweit in Kraft befindliche Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer
Energien (EEG) sowie das bundesweit gültige 100.000 Dächer-Solarstrom-Programm, eine
Initiative des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie in Verbindung mit der
Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW). Zusätzlich bieten Länder und Kommunen weitere
Fördermöglichkeiten an. Durch die Inanspruchnahme dieser Förderungsmöglichkeiten ist
ein wirtschaftlicher Betrieb einer Solaranlage möglich geworden. Dies zeigt auch der
aktuelle IEA- Report der Internationalen Energie Agentur (IEA): nach Inkrafttreten des EEG
wird für die derzeit installierte PV- Leistung ein erheblicher Anstieg erwartet, und zwar von
ca. 69.500 kW (bis 1999) auf etwa 125.000 kW.
Einleitung
Seite 15 von 95
Durch die erhöhte Nachfrage nach Solaranlagen ergibt sich die Notwendigkeit einer
einfachen Möglichkeit der Planung von Solarstromanlagen. Hierzu sind unterschiedliche
Simulationsprogramme auf dem Markt erhältlich.
In Kapitel 3 wird ein internetbasiertes Programm dargestellt, welches die Möglichkeit
bietet, eine netzgekoppelt Photovoltaikanlage kostenfrei zu berechnen. Um
netzgekoppelte Solarstromanlagen auszulegen, sind hierfür die Parameter des
Solarmoduls und des Wechselrichters sowie die standortspezifischen Faktoren wie
Ausrichtung und Verschattung einzugeben bzw. aus einer Datenbank auszuwählen. Als
Ergebnis werden alle wichtigen Faktoren in übersichtlicher Darstellung ausgegeben.
PV- Simulationsprogramme
Seite 16 von 95
2 PV- Simulationsprogramme
2.1 Anwendung von PV- Simulationsprogrammen
Vor dem Bau einer Photovoltaikanlage ist eine Simulation der Anlage sinnvoll. Diese
Aufgabe sollte von dem Planungsbüro oder dem Installationsbetrieb vorgenommen
werden. Neben der Präsentation von Simulationsergebnissen beim Kunden
(Marketingeffekt) wird durch die Verwendung von Simulationsprogrammen eine
Planungsunterstützung und Planungssicherheit erlangt. Der Kunde möchte gerne in
Hinblick auf die erhöhe Einspeisevergütung nach dem EEG wissen, welcher Ertrag eine
Photovoltaikanlage erreichen wird. Mit relative geringen Aufwand sind hier mehrere
Anlagenvarianten direkt miteinander vergleichbar.
Potentielle Betreiber von PV- Anlagen können mit Hilfe von Simulationsprogrammen die
optimale Anlagengröße ermitteln, die Höhe der Einspeisevergütung errechnen oder die
vermiedenen Emissionen ermitteln. Immer mehr Planungsbüros und Installationsbetriebe
setzen Simulationssoftware zur Präsentation bei Kunden ein. Die optisch ansprechenden
Ergebnisse dieser Simulationsprogramme können direkt vor Ort z.B. bei Einsatz eines
Notebooks dargestellt werden.
Bei einigen Programmen werden die Ergebnisse in einem Bericht zusammen mit
Balkendiagrammen dargestellt und können direkt ausgedruckt werden. Alle Parameter
der Anlagenkomponenten sind meist in Dateien bzw. einer Datenbank hinterlegt und
werden auf dem Bericht mit ausgegeben. Bei einigen Programmen ist sogar die Wahl
zwischen einem ausführlichen und einem kurzen Bericht möglich. Für die
Angebotserstellung ist dies sehr hilfreich, erspart sie doch die aufwendige manuelle
Auswahl und Zusammenstellung der Anlagenkomponenten. Durch den Einsatz von
Simulationsprogramme kann viel Zeit und Geld eingespart werden. Sofern man in die
Bedienung Simulationssoftware eingearbeitet ist, ist eine schnelle Anlagenauslegung und
Ertragsprognose möglich. Gerade bei zu planenden Photovoltaikanlagen, deren
Parameter von der üblichen Lösung abweichen, können mit Simulationsprogrammen die
Auswirkungen ermittelt und gegebenenfalls optimiert werden.
Das ingenieurtechnische Wissen des Planungsbüros oder Installationsbetriebes wird aber
weiterhin gefragt, um möglichst realistische Ergebnisse zu erhalten. Die Ergebnisse der
Simulationssoftware sind immer nur so gut, wie die Wahl der Eingabewerte und der
Simulationsmethode. Es sollte grundsätzlich eine Plausibilitätskontrolle erfolgen. Den
Ergebnissen der Simulationssoftware sollte dabei nicht blind vertraut werden, sondern
eher kritisch betrachtet werden.
Simulationsprogramme werden branchenübergreifend in Forschung und Entwicklung seit
vielen Jahren erfolgreich eingesetzt. Häufig sind dies firmenspezifisch programmierte
Simulationsprogramme, die Fehlentwicklungen entgegenwirken sollen und aufwendige
Versuchsaufbauten einsparen sollen. Es sind bereits Programme verfügbar, die eine
gewisse künstliche Intelligenz beinhalten. Bei diesen Simulationsprogrammen werden die
PV- Simulationsprogramme
Seite 17 von 95
Eingabewerte von dem Programm willkürlich verändert und die Ergebnisse bewertet.
Diese nach dem ,,Evolutions- Prinzip" arbeitenden Programme können beispielsweise
Flügelprofile für Tragflächen berechnen. Häufig handelt es sich bei den Simulationen um
Vorgänge, die dem Bereich der Chaostheorie zuzuordnen sind. Hier ist eine
mathematische Berechung beispielsweise mit FEM
5
nicht möglich.
2.2 Ergebnisse von PV- Simulationsprogrammen
Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen sind in Deutschland aufgrund der
flächendeckenden Stromversorgung am häufigsten verbreitet. Inselsysteme werden meist
als Stromversorgung in Kleingartenanlagen oder Wochenendhäusern installiert. Diese
autarken Photovoltaikanlagen sind heute bereits als Komplettpaket in Baumärkten
erhältlich. Simulationsprogramme unterstützen häufig netzgekoppelte sowie autarke
Photovoltaikanlagen. Während bei netzgekoppelte Anlagen hauptsächlich auf die
Wirtschaftlichkeit geachtet wird, kann bei netzautarken Anlagen eine falsche Auslegung
zu Ausfällen führen.
Durch den Einsatz von Simulationssoftware können eventuelle Fehler bei der Auslegung
und Bemessung der Anlagen vermieden werden. Voraussetzung ist jedoch eine gewisse
Einarbeitungszeit, um mit der Simulationssoftware sicher umgehen zu können. Fehlerhafte
Ergebnisse sind bei ungeübten Anwendern bei den zum Teil komplexen Eingabemasken
der Programme keine Seltenheit. Die Ergebnisse der Simulationsprogramme sollten immer
einer Plausibilitätskontrolle unterzogen werden. Mit Erfahrungswerten können die
Ergebnisse schnell und sicher überprüft werden. Bei Photovoltaik- Simulationsprogrammen
für netzgekoppelte Anlage ist der sogenannte Performance Ratio ein guter Anhaltspunkt,
um das Ergebnis zu überprüfen. Der Performance Ratio PR beschreibt den
Zusammenhang zwischen idealen und realem Energieertrag und sollte für
Photovoltaikanlagen zwischen 0,6 und 0,8 liegen. Häufig wird dieser Wert von den
Simulationsprogrammen berechnet. Sollte der Wert weit unter 0,6 oder weit über 0,8
liegen, so kann in der Regel von falschen Eingabeparametern ausgegangen werden. Ein
weiterer Anhaltspunkt ist der leistungsbezogenen Jahresertrag. Dieser Wert sollte bei
netzgekoppelten Photovoltaikanlagen zwischen 500 u. 1000 kWh/kW
p
liegen.
2.3 Grenzen von PV- Simulationsprogrammen
2.3.1 Solarstrahlung
Die Grundlage für die Berechnungen von Simulationsprogrammen bilden die
Einstrahlungsdaten am betreffenden Standort der zu simulierenden Photovoltaikanlage.
Einige Programme generieren die Solarstrahlungsdaten selbständig, z.B. durch Eingabe
der geografische Längen- und Breitenangabe und versuchen so, unabhängig vom
Standort die Simulation zu ermöglichen. Andere Programme sind auf umfangreiches
Datenmaterial, meist in stündlicher Auflösung, angewiesen. Diese Daten können vom
Deutschen Wetterdienst bezogen oder aus Veröffentlichungen entnommen werden. Hier
ist beispielsweise der kostenlos erhältliche und erstmals vorgelegte Solaratlas für
5
FEM: Finite Elemente Methode
PV- Simulationsprogramme
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Nordrhein- Westfalen der Energieagentur NRW zu nennen. Meist handelt es sich dabei um
langjährige Mittelwerte. Eine relativ sichere Prognose für die Sonneneinstrahlung am
betreffenden Standort ist damit möglich. Bei Simulationsprogrammen, die mit
Stundenwerten arbeiten, sind die Eingabewerte kritisch zu betrachten, insofern es sich
nicht um langjährige Mittelwerte handelt, sondern um einjährige automatische
Messaufzeichnungen. Die Jahresumme der Globalstrahlung weicht im Mittel in
Deutschland nur wenig vom langjährigem Mittel ab allerdings wurde im Jahr 2000 eine
Abweichung der Globalstrahlung in Stuttgart und Kaiserslautern um 10% vom
langjährigem Mittel
6
festgestellt. In einigen Regionen von Deutschland sind sogar
Abweichungen bis zu 15 % zu verzeichnen gewesen. Die Nutzung von automatisch
aufgezeichneten Stundenwerte ist daher nur bedingt zu empfehlen.
Da die Solarstrahlungsdaten für die Berechnung des Ertrages einer Photovoltaik von
großer Bedeutung sind, soll hier näher auf die Herkunft von Solarstrahlungsdaten erläutert
werden:
Die Bestimmung von Solarstrahlungsdaten bietet große Unsicherheitsfaktoren. Selbst bei
guter Messqualität ist ein langer Messzeitraum notwendig, um für den bestimmten
Standort eine sichere Aussage über die Solarstrahlung machen zu können.
Solarstrahlungsdaten können aus Datenbanken entnommen werden. Die Daten
unterscheiden sich jedoch untereinander erheblich. Während die Werte der
Globalstrahlung sich noch in einen akzeptablen Rahmen bewegen, so sind erhebliche
Unterschiede bei der Übereinstimmung der Direktstrahlung festzustellen. Eine sichere
Ertragsprognose ist daher nur mit Sicherheitszuschlägen möglich.
Solarstrahlungsdaten werden durch Messungen mit dem Pyranometer, dem Silizium-
Strahlungssensor oder durch Auswertung von Satellitenbildern erworben. Die
Globalstrahlung kann in allen drei Verfahren relativ gut bestimmt werden. In der
Solartechnik ist aber eine Aufteilung der Globalstrahlung in Diffusstrahlung und
Direktstrahlung notwendig. Die Diffusstrahlung kann mit dem Pyranometer oder dem
Silizium- Strahlungssensor unter Verwendung eines sogenannten Schattenringes bestimmt
werden. Diese Messung müssen mit großer Vorsicht durchgeführt werden, um
Messergebnisse mit hoher Qualität zu erreichen.
Sofern Messdaten für ein Jahr am betreffenden Standort gemessen wurden, sind immer
noch keinen gesicherten Aussagen über den Ertrag von Photovoltaikanlagen zu machen,
da die Jahressummen der Solarstrahlung von Jahr zu Jahr variieren.
6
Quelle: Sonnenenergie 1/2001 S. 33
PV- Simulationsprogramme
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-15
-10
-5
0
5
10
15
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2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Messperiode in Jahren
m
a
xi
m
a
le
a
b
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ic
h
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n
g
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la
n
g
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rig
e
m
M
itt
e
lw
e
rt
in
%
Abbildung 2-1: Maximale Abweichung unterschiedlich langer Messperioden vom
langjährigem Mittelwert aus den Jahren 1937 bis 1999 am Standort Potsdam
7
Aus obiger Abbildung ist ersichtlich, das bei Messreihen über einen Zeitraum von 5 Jahren
noch Abweichungen im Mittel von 7% zu erwarten sind. Die höchste Jahresumme der
Solarstrahlung liegt um 33% über der niedrigsten. Für andere Standorte z.B. Standorte in
Küsten- oder Bergregionen sind diese Beobachtungen nicht direkt übertragbar. Hier sind
eventuell noch größere Abweichungen zu beobachten.
Solarstrahlungsdaten können aus speziellen Datenbanken, aus dem im Internet oder aus
Strahlungsatlanten entnommen werden. Die Qualität dieser Daten kann für verschiedene
Standorte unterschiedlicher Qualität sein.
0
200
400
600
800
1000
1200
kW
h
/
m
²·
a
Globalstrahlung
Diffusstrahlung
Direktstrahlung
horizontal
Direktstrahlung
Normal
S@ tel-Light 1996
S@ tel-Light 1997
Meteonorm (Stunde)
Meteonorm (Monat)
ERSA 1996
ERSA 2000
NASA ground site data
7
Quelle: ,,Sonnenenergie" 06/2001
PV- Simulationsprogramme
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Abbildung 2-2: Vergleich verschiedener Datenquellen für den Standort Potsdam
8
0
500
1000
1500
2000
kW
h
/
m
²·
a
Globalstrahlung
Diffusstrahlung
Direktstrahlung
horizontal
Direktstrahlung
Normal
S@ tel-Light 1996
S@ tel-Light 1997
Meteonorm (Stunde)
Meteonorm (Monat)
ERSA 1996
ERSA 2000
NASA ground site data
Abbildung 2-3: Vergleich verschiedener Datenquellen für den Standort Mailand
9
Erwartungsgemäß unterscheiden sich die Globalstrahlungswerte von S@ tel-Light aufgrund
der verschiedenen zugrundeliegenden Jahressummen. Die Abweichungen der anderen
Globalstrahlungswerte sind relativ gering, da sie aus langjährigen Mitteln gebildet worden
sind.
METEONORM liefert interessanterweise unterschiedliche Strahlungswerte für Monats- und
Stundenwerte, was das Vertrauen in die Berechnungsmethoden von METEONORM nicht
gerade stärkt.
Bei der Direktstrahlung auf die Horizontalen betragen die Unterschiede zwischen den
höchsten und niedrigsten Werten für Potsdam 17 % und für Mailland sogar stolze 58% .
In vielen Simulationsprogrammen ist eine Datenbank mit Solarstrahlungsdaten enthalten.
Die Anbieter fügen aber keine oder nur wenige Informationen über den Messzeitraum,
die Quelle und die Qualität der Daten bei. Dies trifft analog auf die Programme zu, die
einen sogenannten Strahlungsgenerator zur Generierung von Solarstrahlungsdaten
verwenden. Hier werden die Quellen nicht genannt, auf die sich die Daten stützen und
die Berechnungsverfahren, auf die der Strahlungsgenerator zurückgreift, nicht erläutert.
Zusammenfassend lässt sich also feststellen, dass wirklich zuverlässige
Solarstrahlungsdaten über einen längeren Zeitraum nur schwer oder für den betreffenden
Standort überhaupt nicht zu erlangen sind. Simulationsprogramme sind daher auf
vorhandenes Datenmaterial angewiesen, welches aber im Vergleich mit anderen Quellen
untereinander erhebliche Unterschiede aufweisen kann. Aus dieser Sicht sind die
Ergebnisse von Programmen zur Simulation von Photovoltaikanlagen einer kritischen
Betrachtung zu unterziehen.
8
Quelle: ,,Sonnenenergie" 06/2001
9
Quelle: ,,Sonnenenergie" 06/2001]
PV- Simulationsprogramme
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2.3.2 Anlagenkomponenten
Die Ergebnisse von leistungsfähigen Simulationsprogrammen sind immer nur so gut, wie
die realistische Wahl der Eingabewerte. Die Parameter der Anlagenkomponenten wie PV-
Module und Wechselrichter sind bei den Simulationsprogrammen meist in Dateien oder
einer Datenbank hinterlegt. Dieses Datenmaterial kann mit relativ geringen Aufwand
gepflegt werden, da die Hersteller der Anlagenkomponenten die einzelnen Parameter in
Datenblättern beschreiben. Da die Hersteller der Anlagenkomponenten auch die
Wirkungsgrade angeben, ist eine Berechnung in Simulationsprogrammen relativ einfach.
2.3.3 Verschattung
Einen besonders sensiblen Punkt bei der Simulation von Photovoltaikanlagen bildet die
Berücksichtigung von Verschattungsverlusten. Verschattungen lassen sich nur äußerst
schwer präzise erfassen. Einige Simulationsprogrammen ermöglichen es die Verschattung
mit Hilfe von Verschattungsdiagrammen grafisch einzugeben, andere
Simulationsprogramme erwarten eine Abschätzung des Anwenders. Es gibt auch
Simulationsprogramme, die eine dreidimensionale Verschattungsanalyse ermöglichen.
Diese Systeme verlangen aber eine deutlich aufwendigere Beschreibung der Umgebung
des Standortes. Somit sind weitere Fehlermöglichkeiten gegeben, die die höhere
Genauigkeit der Berücksichtigung von Verschattungen in Frage stellen.
Weiterhin müssen für genauere Berechnungen von Ertragsverlusten Teilverschattungen
und die Modulschaltungsvarianten berücksichtigt werden. Die komplizierten Vorgänge
der Verschattung stellen sich als äußert komplex dar und können daher in
Simulationsprogrammen nur näherungsweise berücksichtigt werden.
Volker Quaschning hat im Rahmen seiner Dissertation ,,Simulation von
Abschattungsverlusten bei solarelektrischen Systemen" hierzu aufwendige Verfahren und
Algorithmen vorgestellt, die sogar die mittlere Gesamteinstrahlung für jede Zelle
berechnen lässt. Allerdings erweist sich als größtes Problem die Abbildung der Umbebung
bei diesen Verfahren. Einfache geometrische Objekte wie Gebäude sind zwar noch
einfach zu erfassen, wesentlich schwieriger erweist sich eine Abbildung von Pflanzen und
Bäumen.
Die Berücksichtigung der Verschattungsverluste in Simulationsprogramme sind daher sehr
kritisch zu betrachten und mit gebotener Vorsicht zu bewerten.
PV- Simulationsprogramme
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2.4 Einteilung von PV- Simulationsprogrammen
Die derzeit auf dem Markt erhältlichen Simulationsprogramme können nach ihrem
Anwendungsschwerpunkt und dem Simulationsverfahren eingeteilt werden in:
!
Kalkulationsprogramme
!
Zeitschrittanalyseprogramme
!
Simulationssysteme
!
Hilfsprogramme
ILSE
SOLDIM
PV Calc
SOLinvest
Kalkulationsprogrammme
Ashling
Gombis
DASTPVPS
DUress
PVCad
PV Design Pro
PVSYST
PV*Sol
Solem
PVS 2000
Zeitschrittanalyseprogramme
INSEL
Smile
TRNSYS
Simulationssysteme
Meteonorm
SUNDI
SunOrb
Hilfsprogramme
Simulationssprogramme
für
Photovoltaische Anlagen
Abbildung 2-4: Einteilung von PV- Simulationsprogrammen
Dieser Arbeit enthält eine CDROM mit zahlreichen oben genannten Programmen aus
dem Bereich Photovoltaik. Einen Überblick über die Software auf der CD-ROM gibt die
tabellarische Auflistung im Anhang. Die Leistungsmerkmale der Programme werden am
Ende dieses Kapitel in einer Tabelle zusammengefasst.
PV- Simulationsprogramme
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2.4.1 Kalkulationsprogramme
Kalkulationsprogramme sind Programme zur Berechnung und Darstellung der Kosten und
des Ertrages von Photovoltaikanlagen. Die Programme sind häufig anwendungsnah und
liefern die Ergebnisse extrem schell. Häufig werden hier nur einfache, auf
Standardsysteme basierende Berechnungsverfahren eingesetzt.
2.4.1.1 ILSE
Das Kalkulationsprogramm ILSE ist unter der Internetadresse
http://emsolar.ee.tu-
berlin/~ ilse
für jedermann freizugänglich. Nach Eingabe des Standortes, der nutzbaren
Dachfläche, der Dachorientierung (Neigung, Azimut), der Modulart (mono, poly, amorph),
und der Anlagengüte (Performance Ration PR) werden die Größe der PV- Anlage, der
Jahresertrag sowie die Stromgestehungskosten berechnet und ausgegeben. Das
Berechnungsverfahren ist sehr einfach und wird auf der Internetseite erläutert. Die
Berechnung ist mit der clientseitigen Programmiersprache JavaScript verwirklicht worden.
Die Berechnung ist daher auch dann möglich, wenn die Internetseite lokal abgespeichert
wird.
Abbildung 2-5: Kalkulationsprogramm ILSE
Neben der Ertragsanalyse von Photovoltaikanlage finden sich unter der genannten
Internetadresse noch Programme zur Berechnung des Sonnenstandes sowie zur
Berechnung von Kennlinien für Solarmodule und Wechselrichter. Diese Programme sind
Details
- Seiten
- Erscheinungsform
- Originalausgabe
- Jahr
- 2001
- ISBN (eBook)
- 9783832462123
- ISBN (Paperback)
- 9783838662121
- Dateigröße
- 1.8 MB
- Sprache
- Deutsch
- Institution / Hochschule
- Universität Paderborn – unbekannt
- Note
- 2,0
- Schlagworte
- solar simulationsprogramme regenerative solarenergie onlineberechnung
