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Dimensionierung netzgekoppelter Solaranlagen
ep6/2004, 4 Seiten
Elektropraktiker, Berlin 58 (2004) 6 486 FÜR DIE PRAXIS Solarplanung Dimensionierung netzgekoppelter Solaranlagen H.-F. Hadamovsky, Kleinmachnow Aussagen zum Energieertrag einer PV-Anlage und zum erwartenden Erlös bei 100%iger Netzeinspeisung müssen vorliegen, um die Vorteile einer Solarstromanlage darzulegen. Im Beitrag werden drei Varianten der Erlösermittlung gezeigt. Unterschiedlichen Methoden zur Anlagenplanung mit praxisnahen Beispielrechnungen sind ein weiter Schwerpunkt. Vereinfachen lässt sich der Dimensionierungsaufwand mit den vorgestellten Simulationsprogrammen. lung von SNenn = 1000 W/m2 bezogen ist. Näherungsweise kann dann die von der Einstrahlung abhängige Leistung nach PModul = PNenn · SEinstrahlung / SNenn berechnet werden. Wird anstelle der Strahlungsleistung die täglich auf das Modul einfallende Sonnenenergie - die Globalstrahlung Gk - in die Beziehung eingesetzt, lässt sich diese zur Berechnung des Energieertrags des Moduls verwenden: EModul = PNenn · Gk / SNenn EModul ist der mittlere tägliche Energieertrag des Moduls [Wh/d] und Gk die auf den Standort, Neigung und Orientierung bezogene mittlere Tagessumme der solaren Einstrahlung [Wh/m2d]. Werden die Verluste in der Anlage durch den Faktor PR berücksichtigt, lässt sich diese Beziehung auch für die näherungsweise Ermittlung des Jahresertrags der kompletten Solarstromanlage verwenden (Einheit: kW h/a): EAC = 365 · PNenn · PR · (Gk / SNenn) (2) Korrigierte Globalstrahlung So einfach Gleichung (2) auch ist, das Problem steckt in der Ermittlung des Wertes der korrigierten Globalstrahlung GK. In Tabellen, z. B. in [2], finden sich Einstrahlungsdaten bezogen auf horizontale Flächen für verschiedene Standorte. Um aber die Einstrahlung auf einer geneigten Fläche und mit zur Südrichtung abweichenden Orientierung zu ermitteln, muss die Globalstrahlung der horizontalen Fläche mit einem entsprechenden Faktor korrigiert werden. Für unterschiedlichste Bedingungen sind diese Faktoren in [2] aufgelistet. In [3] sind für eine Reihe von Standorten für verschiedene Modulneigungen und -orientierungen die korrigierten Globalstrahlungswerte angegeben. Welchen Einfluss Neigung und Abweichungen auf die Globalstrahlung haben, soll mit Tafel nach [3] für den Standort Berlin demonstriert werden. Danach beträgt der Jahresdurchschnitt der täglichen Globalstrahlung auf eine horizontale Fläche 2,80 kWh/m2d, aber auf eine direkt nach Süden ausgerichtete und um 30° geneigte 3,14 kWh/m2d. Sind die tabellierten Daten der korrigierten Globalstrahlung nicht greifbar und sollen die genauen, auf den Standort bezogenen Einstrahlungsdaten benutzt werden, ist es erforderlich entweder auf Software-Programme einiger spezieller Anbieter oder auf Angaben des Deutschen Wetterdienstes Hamburg zurückzugreifen, die in der beschriebenen Weise dann noch zu korrigieren sind. PR sollte aus dem Vergleich mit analogen Anlagen gewonnen werden und kann Werte zwischen 0,8 und 0,75 annehmen. Bezüglich des Flächenbedarfs des Generators rechnet man, dass eine 1kWp-Anlage etwa 8 bis 9 m2 benötigt. Effektiver Ertrag In einem qualifizierten Kundengespräch müssen außer dem Energieertrag einer PV-Anlage auch der erwartete Erlös vorliegen. Dem Kunden sollte von vornherein die Differenz zwischen dem nominellen Leistungswert der Anlage und dem realen Stromertrag erklärt werden. Es ist eine definierte Aussage zu treffen, wie hoch der effektive Ertrag der Anlage in einem Jahr ist. Dazu lassen sich zwei Wege beschreiben. 1.1 Erfahrungswerte nutzen Am einfachsten geht man von statistisch gewonnenen Daten und Erfahrungen des 1000-Dächer-Programms aus. Danach liegen die jährlich gewonnenen Energiebeträge in Deutschland im Mittel bei 700 kWh pro 1 kWp installierte Anlagenleistung. In [1] wurde über die jährlichen Schwankungen im Energieertrag einer 1,9-kWp-Anlage in Nordrhein-Westfalen berichtet. Im betrachteten Zeitraum sind die Schwankungen gering. Offensichtlich unterliegt der Mittelwert der Globalstrahlung bezogen auf verschiedene Jahre keinen großen Schwankungen. Die Auswertung zeigte aber auch eine große Schwankung der Energieerträge der untersuchten Anlagen im Bereich von 400 bis 1000 kWh/a. Es stellte sich heraus, dass hohe Anlagenerträge abhängen von · der Qualität und dem Leistungsvermögen der Anlagenkomponenten, · verschattungsfreier Montage der Module · und einer sorgfältigen Installation [1]. Geht man von dem mittleren Wert von 700 kWh/a einer Anlage mit einer installierten Leistung von 1 kWp aus, so lässt sich damit der Energiebedarf eines 3-Personenhaushalts zu einem Drittel decken. Unter den Bedingungen der augenblicklich geltenden Einspeisevergütung dürfte es sinnvoller sein, die gesamte gewonnene Energie in das Netz des EVU einzuspeisen. Anlagen im privaten Sektor werden im Bereich von 1- bis 5-kWp-Leistung installiert, größere dann als Gemeinschaftsanlagen. 1.2 Standort und Witterungsbedingungen berücksichtigen Die genauere Ermittlung des Ertrags berücksichtigt Standort und Witterungsbedingungen und geht zunächst von der jährlich eingestrahlten Energiemenge in Deutschland aus. Diese liegt im statistischen Mittel pro Jahr bei 1000 kWh/m2 a. Die eingestrahlte Energiemenge und der effektive Wirkungsgrad der ausgewählten Solarmodule bestimmen die maximale Leistung des Solargenerators. Dabei ist zu beachten, dass nicht von dem im Kenndatenblatt angegebenen Wirkungsgrad dSTC auszugehen ist, da der für die Standard-Test-Bedingungen gilt, sondern nur 11 % für kristalline Siliziummodule anzusetzen sind [2]. Faktor PR Um Solarstromanlagen in ihrem Leistungsverhalten im realen Betrieb vergleichen zu können, wurde ein standort- und witterungsabhängiger Faktor PR (Performance Ratio) eingeführt. PR ergibt sich aus Quotient von erzeugter Solarenergie EAC am Wechselrichterausgang und dem Produkt aus solarerer Einstrahlung auf die Modulfläche und dem Nennwirkungsgrad: PR = EAC / SEinstrahlung · dSTC (1) Aus solarer Einstrahlung am Standort SEinstrahlung, Fläche FModul und Wirkungsgrad dModul des Moduls lässt sich die reale Modulleistung berechnen [2]: PModul = SEinstrahlung · FModul · dModul Im Datenblatt wird nicht immer der Wirkungsgrad angegeben. Rechnet man stattdessen mit der Nennleistung PNenn (bezogen auf die Standard-Test-Bedingungen), gilt es zu beachten, dass diese auf eine normierte Einstrah- Autor Prof. Dr.-Ing. habil. Hans-Friedrich Hadamovsky ist freier Fachjournalist, Kleinmachnow. Beispiele zur Ertragsermittlung Im Nachfolgenden sollen drei Varianten für die Ertragsermittlung einer Anlage mit 3,5 kWp installierter Leistung gerechnet werden. Anlagenstandort: Berlin, korrigierte Globalstrahlung = 3,08 kWh/m2d, gilt für 30° Modulneigung und Ausrichtung nach Süd/Ost (Tafel ). Variante A: Beim standortunabhängigen Vergleich wird der Mittelwert des jährlichen Energieertrag in Deutschland etwa 800 kWh je kWp zum Vergleich heran gezogen: 1 kWp = 800 kWh/a 3,5 kWp = 2 800 kWh/a. Variante B geht davon aus, dass unter Nutzung des Wirkungsgrads der Zelle, Kenntnis der korrigierten Globalstrahlung und der Modulfläche zunächst der nominale Gleichstromertrag errechnet wird: EDC = GK · FModul · dModul EDC = 3,08 · 31,5 · 0,11 = 10,67 kWh/d Durch Berücksichtigung von PR und Multiplikation mit der Anzahl der Jahrestage, lässt sich die Energie pro Jahr am Wechselrichterausgang der Anlage ermitteln: EAC = 365 · 10,67 · 0,80 = 3 116 kWh/a Variante C benutzt die nominale Anlagennennleistung und die korrigierte Globalstrahlung zur Berechnung des Jahresertrags der Solarstromanlage: EAc = 365 · PNenn · PR · (GK/SNenn) EAC = 365 · 3,5 · 0,8 · (3,08/1) EAC = 3 148 kWh/a Die nach den Varianten B und C errechneten Beträge unterscheiden sich praktisch nicht. Dimensionierung 5.1 Auswahl von Generator und Wechselrichter Die Dimensionierung einer Solarstromanlage beinhaltet das Problem der richtigen Zuordnung von Generator und Wechselrichter. Im Prinzip kann die Anlagenplanung nach zwei Methoden ausgeführt werden: · Mit Hilfe von Datenblättern wird die Anlage konzipiert und einer Zuordnungsprüfung unterzogen. · Nutzung einer Dimensionierungs-Software, die auch die Anlagenüberprüfung mit durchführt und die Datenblätter der Komponenten liefert. Solarplanung FÜR DIE PRAXIS Ausrichtung Jahresmittelwert in kWh/m2 d Tägl. Globalstrahlung 2,80 bezogen auf eine horizontale Fläche Korrigierte tägliche Globalstrahlung Süd 30° 3,14 45° 3,11 60° 2,97 Süd/Ost 30° 3,08 Süd/West 45° 3,05 60° 2,94 Ost 30° 2,74 West 45° 2,67 60° 2,49 Tafel Korrigierte tägliche Globalstrahlung Bezogen auf das Jahresmittel für den Standort Berlin unter Berücksichtigung der Modulneigung zur Horizontalen und der Südabweichung [3] Der Planungsaufwand lässt sich reduzieren, wenn man auf ein erprobtes Komplettsystem (Anlagenpaket) zurückgreift. Auf dem Markt werden viele solche Systeme angeboten. 5.2 Planungsvorgaben Basis der Planung ist die Vorgabe der Leistung. Die Fixierung der Anlagengröße erfolgt unter Berücksichtigung nachfolgender Gesichtspunkte: · Wieviel Solarstrom soll pro Jahr geerntet werden, der entweder selbst verbraucht oder unter dem Aspekt der kostendeckenden Vergütung in das EVU-Netz abgegeben werden kann. · Die finanziellen Mittel relativieren die Höhe der Investition für die Anlage und damit ihre Größe. · Größe und Ausbildung der Dachfläche bestimmen die Generatorgröße. Betrachtet man diese Kriterien, so ist festzustellen, dass meist eine ausreichende und geeignete Dachfläche vorhanden ist und häufig ein Kompromiss hinsichtlich der Anlagengröße zwischen Finanzmitteln und Wunschertrag zu schließen ist. Dimensionierung mit Datenblatt Diese hier dargestellte Methode der Dimensionierung setzt das Vorhandensein der Datenblätter der Module und Wechselrichter und die Kenntnis der ortsbezogenen Einstrahlungsdaten inklusive der Korrekturfaktoren für Neigung und Orientierung der Module voraus. Im Folgenden ist der Verfahrensweg beschrieben, wie unter Benutzung von Datenblättern eine Dimensionierung erfolgen kann. · Ausgehend vom gewünschten Energieertrag ist die Generatorgröße festzulegen. · Anhand der Datenblätter ist ein geeigneter Modultyp auszuwählen. Um den Montage-und Installationsaufwand zu minimieren, sollte ein möglicht leistungsstarker Typ gewählt werden, d. h. ein Modul mit großer Fläche. · Die Anzahl der benötigten Module ist zu errechnen. · Aus dieser Anzahl ist die benötigte Montagefläche zu ermitteln und mit der vorhandenen Dachfläche zu vergleichen. · Die Verschaltungsart der Anlage ist festzulegen. Vorzugsweise wird die Strangtechnik verwendet, jeweils ein Modulstrang wird an einen Wechselrichter angebunden. · Anhand der Kenndaten ist ein Wechselrichter auszuwählen, wobei die Netzüberwachung und die vom Standort abhängige Schutzgüte zu beachten sind. Der Wechselrichter soll unterdimensioniert und die Eingangsspannungen müssen angepasst sein (siehe Abschnitte 6.1 und 6.2). · Die Art der Netzeinspeisung und Zählerverschaltung ist mit dem EVU zu klären. · Unter Berücksichtigung der im Gleich- und Wechselstromkreis fließenden Ströme und der Verlegungsbedingungen sind Kabelart und -querschnitte festzulegen. 6.1 Leistung des Wechselrichters Bezüglich des auszuwählenden Wechselrichters ist Folgendes zu beachten: Die installierte Generatorleistung bestimmt die Größe des Wechselrichters. Aufgrund der Tatsache, dass die Solarmodule nur in seltenen Ausnahmefällen die im Datenblatt unter Standard-Test-Bedingungen angegebene Leistung erreichen, soll der Wechselrichter zur Verbesserung seiner Auslastung unterdimensioniert sein. Das geschieht durch entsprechende Wahl der Wechselrichterleistung. Man geht dabei entweder von der DC-Nennleistung [2] oder von der maximalen DC-Dauerleistung des Wechselrichters aus [4, 5]. Auf Grund der für die Praxis nicht relevanten Standardisierung der Datenblätter der Wechselrichter sind die Leistungsabgaben oft nicht eindeutig und so wird die Nennleistung häufig mit der Dauerleistung gleichgesetzt. Um eine gute Auslastung zu garantieren, wird die maximale DC-Dauerleistung bevorzugt als Basis zur Anpassung genutzt. Die maximale DC-Dauerleistung soll 10 bis 20 % unter der installierten Generatorleistung und die maximale Dauerleistung am Wechselrichterausgang bis 20 % unter der installierten Generatorleistung liegen [5], wobei die Festlegung der Grenzen eine Ermessensfrage darstellt. 6.2 Anpassung der Spannung Ein weiteres Anpassungskriterium sind die Spannungsgrößen: - Die maximalen und minimalen Ausgangsspannungen des Generators müssen sich im Eingangsspannungsbereich des Wechselrichters befinden. - Zu achten ist besonders auf die maximale Leerlaufspannung des Generators, die bei - 10 °C und 1000 W/m2 maximaler Einstrahlung anliegen kann und unter der zulässigen Eingangsspannung des Wechselrichters liegen muss, während die minimale MPP-Generatorspannung größer als die minimale Eingangsspannung des Wechselrichters zu sein hat. 6.3 Beispiel Das folgenden Beispiel veranschaulicht eine Anlagendimensionierung für eine Solarstromanlage, die einen jährlichen Ertrag von etwa 975 kWh/a liefern soll. Dazu ist nach den eingangs beschriebenen Ertragsrechnungen für den Standort Berlin unter Berücksichtigung einer Modulneigung von 45° und Orientierung nach Süd/Ost ein Generator mit einer Leistung von 1 250 kWp zu installieren. Die Module sollen als ein Strang an einen Strangwechselrichter angeschlossen werden. Ausgewählt werden Module vom Typ BP 3160 mit folgenden Daten: Pmax = 160 W; UOC = 44,2 V; UMPP = 35,1 V. Zum Aufbau des Generators mit einer Leistung von 1 250 kWp werden 8 Module benötigt: 8 · 160 W = 1 280 Wp. Strangleerlaufspannung: 44,2 V · 8 = 354 V MPP-Strangspannung: 35,1 V · 8 = 281 V Ausgewählter Wechselrichter: Sunny Boy 1100E Daten: - max. DC-Spannung am Eingang = 400 V - MPP-PV-Spannungsbereich = 139 bis 400 V - Max. DC-Leistung am Eingang = 1200 W Anpassungsprüfung: Die DC-Spannungen des Strangs liegen im Eingangsspannungsbereich und unterhalb der maximalen Eingangsspannung des Wechselrichters. Die Auslastung bezogen auf die maximale Dauerleistung beträgt 116 %. Ergebnis: Die gewählte Kombination ist für die PV-Anlage geeignet. Dimensionierung mit Software Die Mühe des Suchens in Datenblättern und der Rechnungen lässt sich sparen, wenn man Dimensionierungstools nutzt. Das Arbeiten mit diesen Programmen erfordert Umsicht und Sorgfalt, das gilt insbesondere bei der Eingabe der Basisdaten. Auch ist es zweckmäßig, die Resultate auf Plausibilität zu prüfen und die Ergebnisse mit bereits arbeitenden Anlagen zu vergleichen. Die Anwendung der Software erspart bei der Projektierung der Solarstromanlagen Zeit und bietet dem Fachbetrieb die Möglichkeit dem Kunden ein übersichtliches und auch verständliches Material in die Hand zu geben, auf dessen Basis sich ein qualifiziertes Kundengespräch führen lässt. 7.1 PV-Software METEONORM [6]: Die Bibliothek mit Wetterdaten beruht auf den Messwerten von 7400 weltweiten Stationen und enthält neben Strahlung, Temperatur und Feuchte auch Niederschlags- und Winddaten. Das Programm bietet auch die Möglichkeit durch Interpolationsfunktionen die Berechnung von Standortdaten, die nicht in der Datenbank enthalten sind. PVS 2.001 [7]: Hierbei handelt es sich um ein Simulationsprogramm, welches ebenfalls eine Datenbank der Einstrahlungswerte von etwa 2 000 Standorten rund um den Erdball besitzt. Für netzgekoppelte und autarke Solarstromanlagen sind folgende Berechnungsmöglichkeiten gegeben: · Energieerträge, Dimensionierung, Charakterisierung und Beurteilung des Systems, · Vergleich von verschiedenen Systemvarianten, · Optimierung des Neigungswinkels sowie der Batteriekapazität und · Erstellung von Wirtschaftlichkeitsanalysen. PVSOL [8]: Für einen weiten Bereich europäischer Standorte werden auf der Basis von durchschnittlichen Stundenwerten im Programm die meteorologischen Daten angegeben. Das Programm erlaubt die Optimierung Elektropraktiker, Berlin 58 (2004) 6 488 FÜR DIE PRAXIS Solarplanung der Systemkonfiguration und ist auch für autarke Anlagen geeignet. Der Programmteil „Quick-Design“ ermöglicht, nach Eingabe nur weniger Parameter einen kompletten Systementwurf zu realisieren. Insolar 2 [9]: Das vom Verlag Technik auf den Markt gebrachte Simulationsprogramm orientiert sich bezüglich der Einstrahlungsdaten ausschließlich auf Deutschland, Österreich und die Schweiz. Das Programm ist übersichtlich und einfach zu bedienen. Ein großer Vorteil von Insolar besteht darin, dass sich die Berechnungsergebnisse in das Programm Instrom [10] eingeben lassen, um damit TT- als auch TN-Systeme planen zu können. 7.2 Dimensionierung mit Insolar Der Programmablauf lässt sich wie folgt beschreiben: · Der Standort wird auf einer geographischen Landkarte festgelegt, dann lässt sich diese in eine Strahlungskarte umwandeln und der Wert der Einstrahlung ablesen. · Danach werden die Abmaße der Dachfläche und die Leistung der Anlage eingegeben. Insolar ist sowohl für Schräg- als auch für Flachdach anwendbar. Zur Festlegung der Ausrichtung und Orientierung der Module wird das Fenster „Anlagenausrichtung und Neigungswinkel“ benutzt. Das Programm ermittelt dann die prozentuale Veränderung des Ertrags. Als erstes Zwischenergebnis berechnet Insolar für jedes Modul der Datenbank die benötigte Modulanzahl, die daraus resultierende Gesamtleistung und den Flächenbedarf des Generators. · Nun ist das Anlagenkonzept (Zentral-oder Strangwechselrichteranbindung) auszuwählen. · Im nächsten Schritt liefert das Programm alle Daten, um aus Solarmodulen und Wechselrichtern PV-Anlagen zusammenzustellen. Im Fenster „Auswahlkriterien“ ist die Auslastung des Wechselrichters einzugeben. Auf Basis der Anlagenprüfung kann dann die optimale Konfiguration gewählt werden. Neben der Angabe der Wechselrichterauslastung werden auch die Spannungen (Generator - Wechselrichter) verglichen. · Nach Eingabe der Leitungslängen der Gleich- und Wechselstromleitungen lassen sich Typ und Querschnitte und damit verbundene Verluste errechnen. Danach führt das Programm eine Ertragsberechnung durch und weist die unterschiedlichen Verluste aus. Vervollständigt wird das Ganze durch die Erstellung eines Anlagenschemas in Form eines einpoligen Ersatzschaltbildes. Als zusätzliche Information können die Datenblätter der Komponenten und eine Stückliste aller Komponenten erstellt werden. Die Gesamtheit aller Daten lässt sich in Form eines kundenbezogenen Projekts ausdrucken. Literatur [1] Kleine netzgekoppelte PV-Anlagen im Breitentest - Ergebnisse und Erfahrungen aus dem Breitentestprogramm. Bonn: BINE-profiinfo 1/1998. [2] Ladener, H.: Solare Stromversorgung. Staufen bei Freiburg: Ökobuch, 1995. [3] Hadamovsky, H.-F.; Jonas D.: Solaranlagen, Würzburg: Vogel-Buchverlag, 2000. [4] Firmenschrift Fronius: Photovoltaik Wechselrichter. 02/2002. [5] Lauterbach, F.: Solarstromanlagen zur Netzeinspeisung. Berlin: Verlag Technik, 1999. [6] METEONORM-Software. Freiburg: econcept Energierplanung Gmb H, 2003. [7] PVS.2001 Photo Voltaik Simulation. Freiburg: econcept Energieplanung Gmb H. [8] PV* SOL-Energiesoftware: Berlin: Dr. Valentin & Partner GbR. [9] Insolar 2: Dimensionierung netzgekoppelter Solaranlagen. Berlin: Huss-Medien Gmb H, Verlag Technik. [10] Instrom: Planung und Berechnung von Elektroanlagen. Berlin: Huss-Medien Gmb H, Verlag Technik. Elektropraktiker, Berlin 58 (2004) 6 489 Solarplanung FÜR DIE PRAXIS
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- H.-F. Hadamovsky
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