Planung einer Photovoltaikanlage G. Sundermeier

Berufsbildungsinstitut
Arbeit und Technik
Planung einer Photovoltaikanlage
G. Sundermeier
Lehrveranstaltung CD 05:
„Projektbearbeitung im Hauptstudium
der beruflichen Fachrichtung Elektrotechnik / Informatik“
Prof. Dr. A. Willi Petersen
Betreuung: Carsten Wehmeyer
Planung einer Photovoltaikanlage
Die Energiesituation
.
1 ............................ Energie von der Sonne.
1.1 ......................... Was versteht man unter Photovoltaik?
1.2 ......................... Von der Zelle zum Modul.
1.3 ......................... Technische Daten (Kenndaten) der Module.
2 ............................ Rahmenbedingungen zum Betrieb einer Photovoltaikanlage.
2.1 ......................... Die Sonneneinstrahlung.
2.2 ......................... Beispiel der Sonneneinstrahlung in Berlin.
2.3 ......................... Die Sonnenscheindauer.
2.4 ......................... Die Aufstellung von Solarmodulen.
2.5 ......................... Einfluss der Temperatur auf den Ertrag.
2.6 ......................... Einfluss von Verschmutzungen auf den Ertrag.
3 ............................ Die Photovoltaik-Anlage -E-Laborgebäude.
3.1 ......................... Die Anlagentechnik.
3.2 ......................... Die Dimensionierung.
3.3 ......................... Die Ertragsrechnung
4 ............................ Zusammenfassung
Literaturverzeichnis und Quellenhinweis
Abbildungsverzeichnis
Anhang
Anlagen
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Planung einer Photovoltaikanlage
Die Energiesituation
Das Zeitalter der fossilen Energieträger wie Kohle, Öl oder Gas geht in diesem
Jahrhundert unwiderruflich zuende. Alle Studien über die zukünftige Energieversorgung
sagen eine Verknappung dieser Ressourcen spätestens in zwanzig Jahren voraus.
Energie ist ein kostbares Gut. Daher werden die begrenzten Vorräte zu
unkalkulierbaren Preisentwicklungen auf dem Weltmarkt führen.
Der enorme Energie- und Ressourcenverbrauch der modernen Zivilisation bringt somit
künftige Generationen in grosse Schwierigkeiten zumal auch durch den anstehenden
Ausstieg aus der Atomenergie, der den Glauben an unbegrenzt zur Verfügung
stehender "irdischer" Energie schwinden lässt.
Nicht die Verknappung dieser Energieträger auch die Unmengen des Treibhausgases
Kohlendioxid, welches bei deren Verbrennung (der fossilen Energieträger) in die
Atmosphäre abgegeben wird, lässt alle Überlegungen über alternative Energien sinnvoll
erscheinen.
Die zur Zeit wohl kostengünstigste Form ist die Nutzung über die Solarthermie, also
die Brauchwassererwärmung für den Haushalt über die Nutzung der Sonne. Ebenso die
z. Zt. mit unübersehbarem Aufwand im In- und Ausland erbauten
Windenenergieanlagen tragen zur Begrenzung des Ressourcenabbaus bei.
Aber auch die "Photovoltaik" (PV), also die direkte Umwandlung von Licht in
elektrische Energie, wird zunehmend in Deutschland angewendet. Besonders Kleinund mittelgrosse Anlagen (1,1kWp bis ca. 100kWp PV-Energie) werden als
netzgekoppelte Anlagen erstellt.
Die Photovoltaik ist eine besonders umweltfreundliche Art der Energieumwandlung, da
Sonnenlicht als Energiequelle unbegrenzt zur Verfügung steht und im Betrieb der PVAnlage weder Lärm- noch Schadstoffemissionen auftreten. Die Menge der Solarenergie
reicht aus, um den Weltenergieverbrauch hundertfach zu decken.
Spätestens mit dem 100 000 – Dächerprogramm (seit 01.01.1999) in Deutschland hat
die Erzeugung Elektrischer Energie mittels Photovoltaik dann auf sich aufmerksam
gemacht.
Die Senkung der Anlagenkosten heute (im Gegensatz zu den Kosten 1996)1 durch die
Entwicklung neuer Techniken, messen der regenerativen Energieerzeugung schon
weltweite Bedeutung zu.
Am Berufsbildungsinstitut Arbeit und Technik an der Universität Flensburg soll der
Bedeutung entsprochen werden und zu Lehr- und Übungszwecken der Studierenden
eine netzgekoppelte Photovoltaikanlage errichtet werden.
1
siehe: "Statusbericht 1996 - "Photovoltaik"; bmb+f; Seite 72 - 1
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Energie von der Sonne
1.1
Was versteht man unter Photovoltaik?
Mit Photovoltaik bezeichnet man die Erzeugung von Strom direkt aus
Sonnenlicht. Hierbei wird ohne bewegliche Teile oder den Umweg der Dampferzeugung
die Energie der Sonne mit dem lichtelektrischen Effekt genutzt. Es findet keine
Abnutzung der Photovoltaikzellen statt, ihr Grundstoff ist zumeist Silizium - also Sand.
Zur Wandlung der Sonnenenergie in elektrische Energie benötigt man Solarzellen oder
auch Photovoltaikzellen genannt. Der Zusammenschluss mehrerer Zellen ergibt das
Kernstück einer PV-Anlage, das Solarmodul.
Kommerziell erhältlich sind mehrere Arten von Solarzellen, die sich im Aufbau und in
der Effizienz der Energieumwandlung unterscheiden. Am gebräuchlichsten sind
sogenannte kristalline Solarzellen (zum Aufbau der Solarmodule), die aus einem oder
mehreren Kristallen gezüchtet und dann in dünne Scheiben geschnitten werden.
Man unterscheidet zwischen monokristallinen Solarzellen, die aus einem Kristall
bestehen , und polykristallinen Zellen mit einer erkennbaren Kristallstruktur. Hierbei
zeichnen sich monokristalline Zellen durch einen höheren Wirkungsgrad aus. Wird auf
Glas oder anderes Substratmaterial eine Siliziumschicht abgeschieden, spricht man von
amorphen- oder Dünnschichtzellen.
Hatte Siemens mit 11,8 Prozent seinen bisherigen Rekord (1998), der bei einem
Wirkungsgrad von 11,4 Prozent lag, verbessert, so ist auch hier ein weiterer technischer
Fortschritt zu verzeichnen (siehe Diagramm; Abb.1). Im Vergleich zu allen anderen
Dünnschichttechnologien zur Herstellung von großflächigen Modulen hatte damals
Siemens Solar damit seine weltweite Führungsposition unterstrichen. In der Serie
können so bis zu 17% des einfallenden Sonnenlichts in Strom umgewandelt werden.
Amorphe Solarzellen oder Dünnschichtzellen haben einen deutlich geringeren
Wirkungsgrad, sind aber in der Herstellung weniger aufwendig. Sie werden vor allem
bei kleineren Anwendungen eingesetzt, da sie mehr Platz bei gleicher Leistung
benötigen. Amorphe Solarzellen werden z.B. zur Versorgung von Taschenrechnern
eingesetzt.
Durch den Fortschritt der Technik haben sich heute jedoch auch überwiegend bei
Photovoltaikanlagen Dünnfilm-Solarmodule als Energiewandler durchgesetzt. Niedrige
Herstellungskosten und die verbesserte Leistung sind maßgeblich dafür verantwortlich.
(Quelle: IBC SOLAR AG, Staffelstein)
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Abb. 1: Wirkungsgrad verschiedener Solarzellen
Die an Solarzellen abgreifbare Spannung ist abhängig vom Halbleitermaterial.
Bei Silizium beträgt sie etwa 0,5 V. Die Klemmenspannung ist nur schwach von der
Licht-eEinstrahlung abhängig, während die Stromstärke bei höherer
Beleuchtungsstärke ansteigt. Bei einer 100 cm² großen Siliziumzelle erreicht die
maximale Stromstärke unter Bestrahlung von 1.000 W/m² etwa einen Wert von 2A bis
3A. Die Werte unterscheiden sich nach Zellenart, Hersteller und Aufbau.
Abb. 2: StromKennlinie einer
SpannungsSi-Solarzelle
Die Leistung (Produkt aus Strom und Spannung) einer Solarzelle ist
temperaturabhängig. Höhere Zelltemperaturen führen zu niedrigeren Leistungen und
damit zu einem schlechteren Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad gibt an, wie viel der
eingestrahlten Lichtmenge in nutzbare elektrische Energie umgewandelt wird.
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1.2
Von der Zelle zum Modul!
Um für die unterschiedlichen Anwendungsbereiche geeignete Spannungen bzw.
Leistungen bereitstellen zu können, werden einzelne Solarzellen zu größeren Einheiten
miteinander verschaltet. Eine Serienschaltung der Zellen hat eine höhere Spannung zur
Folge, eine Parallelschaltung einen höheren Strom. Die miteinander verschalteten
Solarzellen werden meist in transparentem Ethylen-Vinyl-Acetat eingebettet, mit einem
Rahmen aus Aluminium oder Edelstahl versehen und frontseitig transparent mit Glas
abgedeckt.
Die typischen Nennleistungen solcher Solarmodule liegen zwischen 10 Wpeak und
100 Wpeak. Die Kenndaten der Solarmodule beziehen sich auf die Standardtestbedingungen von 1000 W/m² Sonneneinstrahlung bei 25 °C Zelltemperatur. Die von
den Herstellern angegebenen Garantiezeiten sind mit in der Regel 10 Jahren (von
Hersteller zu Hersteller unterschiedlich und schon bis zu 25 Jahren) recht hoch und
bezeugen den hohen Qualitätsstandard und die hohe Lebenserwartung heutiger
Produkte.
Dennoch soll man sich nicht unbedingt auf die Datenblattangaben der Hersteller
verlassen; je nach Anlage, verwendeten Modulen und Wechselrichtern und unter
Berücksichtigung der Lage (Sonneneinstrahlung), weichen die Betriebswirkungsgrade
der Solaranlagen von den Modulwirkungsgraden oft erheblich ab.
Zwar setzte die Einführung der Dünnfilmtechnologie neue Maßstäbe zukunftsorientierter
Module, doch natürliche und entsprechend physikalische Grenzen in der Herstellung
und Anwendung lassen Wirkungsgrade und erzeugte elektrische Energie derzeit nicht
"in den Himmel wachsen".
Weiterhin sind jedoch alle Hersteller und Unternehmen bestrebt, die Module und die
modulare Systemtechnik der Photovoltaikanlagen weiter zu entwickeln, um
kostengünstige, einfach zu projektierende und zu wartende Anlagen für jedermann
herzustellen.
1.3
Technische Daten (Kenndaten) der Module!
Die Vielzahl der heute angebotenen unterschiedlichen Module erzwingen eine
deutliche Angabe der technischen Daten, um einen – letztendlich wirtschaftlich bezogenen – Vergleich zu ermöglichen.
Wichtige Daten sind:
1. die Leerlaufspannung an den Anschlussklemmen ohne Belastung
2. die Nennspannung am Modulausgang, wenn der günstigste Arbeitspunkt erreicht
wird, d.h. der Nennstrom wird dem Modul entnommen
3. der Nennstrom, der fliesst, wenn gleichzeitig die Nennspannung gemessen wird.
So wird der Arbeitspunkt definiert, auf den sich die Nennleistung Wp bezieht
4. der Kurzschlussstrom, wenn das Kabel oder die Anschlussklemmen
kurzgeschlossen sind. Durch den Kurzschlussstrom wird das Modul aufgrund der
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entstehenden Verlustwärme erheblich aufgeheizt und die Zellen können
Schäden nehmen. Zu diesem Heizeffekt kommt noch die Erhitzung durch die
Sonneneinstrahlung (in unseren Breitengraden ca. 900 W bis 1000/m²) hinzu, die
dann auch zu mechanischen Schäden am Modul führen kann.
5. die Nennleistung: die elektrischen Werte einer Solarzelle - und damit des
gesamten
Generators ändern sich entsprechend der Rahmenbedingungen, insbesondere
der
Beleuchtungsintensität. In der Photovoltaik wird die maximal mögliche Leistung
eines Solargenerators bei Standardbedingungen als Peak-Leistung definiert, sie
wird in Watt gemessen und als Wp (Watt, Peak) angegeben. Als
Standardbedingung wird eine optimale Sonneneinstrahlung von ca. 900 bis 1000
Watt pro Quadratmeter angesetzt, die in Deutschland in den Mittagsstunden
eines schönen Sommertages erreicht wird. Die Peak-Leistung - manche
Hersteller bezeichnen diese auch als "Nennwert" - basiert also auf Messungen
unter optimalen Bedingungen. Die Nennleistung ergibt sich aus dem Produkt der
Nennspannung und des Nennstroms.
6. der Betriebswirkungsgrad gibt an, wie viel Prozent der eingestrahlten Energie
vom
Solargenerator im realen Betrieb in elektrische Energie umgewandelt wurde.
Dazu
wird die vom Solargenerator abgegebene Energie durch die auf den
Solargenerator
(Gesamtfläche sämtlicher Solarmodule) eingestrahlte Energie dividiert.2
7. Performance Ratio: Unter "Performance Ratio" versteht man in der Photovoltaik
das Verhältnis von Nutzertrag und Sollertrag einer Anlage. Die Performance
Ratio einer Photovoltaikanlage ist der Quotient aus dem Wechselstromertrag und
dem nominalen Ertrag an Generatorgleichstrom. Sie gibt an, welcher Anteil des
vom Generator (Gesamtheit der zusammengeschalteten Photovoltaik-Module)
erzeugten Stroms real zur Verfügung steht. Leistungsfähige PV-Anlagen
erreichen eine Performance Ratio von über 70%. Die Performance Ratio wird oft
auch als Qualitätsfaktor (Q) bezeichnet. Solarmodule auf der Basis von
kristallinen Zellen erreichen einen Qualitätsfaktor von 0,85 bis 0,95,
netzgekoppelte Anlagen liegen im Durchschnitt bei 70 bis 75 %.
Rahmenbedingungen zum Betrieb einer Photovoltaikanlage
2.1
2
Die Sonneneinstrahlung!
siehe:"e Statusbericht 1996 - "Photovoltaik"; bmb+f, Seite 72 - 10
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Für die Energiegewinnung mit Solarmodulen ist dann die Frage wichtig, wie viel
der Sonneneinstrahlung die Erde erreicht. Die Sonne gibt schätzungsweise eine
Strahlungs-leistung von 1,73 x 1017 Watt an die Erde ab. Das ist das 20.000 fache des
gesamten irdischen Leistungsbedarfs. Ein grosser Teil dieser Energie geht auf dem
Weg zur Erde jedoch verloren. Durch Absorption und Streuung in der Atmosphäre wird
zusätzlich die spektrale Verteilung der Sonnenstrahlung verändert.
Bei der eintreffenden Sonnenstrahlung unterscheidet man auch noch zwischen direkter
und indirekter Strahlung. Direkte Strahlung erreicht die Erdoberfläche bei klarem
Himmel (erkennbar an der Schattenbildung), indirekte Strahlung ist ungerichtet und
entsteht durch Reflexion bzw. Streuung (keine Schattenbildung zum Beispiel an trüben
Tagen).
Durch die Drehung der Erde um die Sonne ändert sich der Einfallswinkel der
Strahlung und damit auch die Länge des Weges durch die Atmosphäre. Um diese
Änderung zu charakterisieren, führt man den Begriff der "Air Mass" (AM) ein, als
Grösse der spektralen Absorption der Sonnenstrahlen.
Der "AM" – Wert gibt das Verhältnis von der Länge des tatsächlichen Strahlungswegs
zu dem der Länge bei senkrechtem Einfall an. Die extraterrestrische Strahlung wird mit
AM0 bezeichnet. AM1 kennzeichnet den senkrechten Einfall des Sonnenlichtes auf die
Erde.
Die in der Atmosphäre auftretende Absorption ist dann am kleinsten, wenn die Sonne
im Zenit steht = AM1. Der Wert errechnet sich aus 1/cosΦ (oder γ). Φ ist der
Einfallswinkel.
Als hinreichend und in technischen Unterlagen bestätigt ist der AM1,5 Wert als gegeben
anzunehmen.
2.2
Beispiel der Sonneneinstrahlung in Berlin
Für Berlin schwankt der AM Wert zwischen AM1,15 zum Sommeranfang und
AM4,12 zum Winteranfang. Als internationale Norm zur Vermessung von Solarzellen
hat sich AM1,5 durchgesetzt. Die verschiedenen Luftmassen entsprechen in etwa
folgenden maximalen Bestrahlungsstärken:
AM0: 1350 W/m²; AM1: 925 W/m²; AM1,5: 844 W/m²; AM2: 691 W/m²
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Abb. 3: Höchste Sonnenstände und AM-Werte für verschiedene Tage in Berlin
(Quelle: Volker Quaschning; "Regenerative Energiesysteme"; Carl Hanser Verlag München 1998)
Abb. 4: verschiedene Einfallswinkel; andere Darstellung
Verringerung der Energieaufnahme des Moduls (in Prozent) durch schräg einfallende
Sonneneinstrahlung
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2.3
Die Sonnenscheindauer
Die Sonne schickt jährlich ca.1000 kWh/m² bei 1600 bis 2000 Sonnenstunden
zur Erde. Wie die Sonnenscheindauer regional in Deutschland variiert zeigt
untenstehende Abbildung. Man müßte also mit einem einen Quadratmeter großen
Solarmodul eine Jahresenergiemenge von 1000 kWh erzielen können. Dies ist ein rein
theoretischer Wert.
Optimale Photovoltaikanlagen erreichen einen Jahresertrag zwischen 800 kWh
(Norddeutschland) und 900 kWh (Süddeutschland) pro Kilowatt installierter Leistung
(kWp). Eine Faustregel sagt, daß man mit einem monokristallinem Solarmodul soviel
Energie im Jahr "erzeugen" könnte, wie der Zahlenwert seiner Leistung. D.h. mit einem
75 W - Modul erhält man 75 kWh im Jahr. Ein solches Modul ist ca. 0,6 m² groß.
Man kommt also bei einem Quadratmeter auf 125 kWh.
Abb. 5: mittlere Sonneneinstrahlung
(Quelle: Deutscher Wetterdienst)
Wie gesagt, setzt sich die Sonneneinstrahlung aus der Strahlung, die direkt von
der Sonne kommt und mehreren indirekten Anteilen zusammen. Hierzu zählen die
Reflexions-strahlung der Umgebung, besonders stark reflektieren z.B. Schneeflächen,
die Strahlung des blauen Himmels und sonstige diffuse Strahlung. Für die genaue
Berechnung der Energie, die auf eine Fläche trifft, ist der Winkel zwischen Sonnenstrahl
und Fläche entscheidend. Dieser ändert sich je nach Tages- und Jahreszeit. Die
Einstrahlung wird durch mehrere Faktoren eingeschränkt; selbst bei strahlend blauem
Himmel kommen nur etwa 90% der gesamten Sonnenenergie auf der Erde an. (s.o.)
2.4
Die Aufstellung von Solarmodulen
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Das Solarmodul soll im Betrieb ein Maximum an elektrischer Energie erzeugen.
Um das zu erreichen, muß möglichst viel Strahlungsleistung von den Solarzellen
"eingefangen" werden.
Der direkte Strahlungsanteil auf der Moduloberfläche wird maximal, wenn die Sonnenstrahlung im rechten Winkel einfällt. Ist dies nicht der Fall, so verringert sich die
Leistung mit dem
Cosinus des
Fehlwinkels Beta.
(siehe Abbildung)
cos(β
β)
E = E0 *
Abb. 6: Einfallswinkel auf das Modul
Bei fest installierten Modulen ist der Einfallswinkel der Strahlung nicht konstant,
sondern von der Bewegung der Erde um die Sonne abhängig, s.o.wie gesagt. Der
Einfallswinkel wird durch folgend Umstände bestimmt:
- der geographischen Breite des Aufstellungsortes
- der Deklination der Sonne (Jahresgang)
- dem Stundenwinkel (Tagesgang)
Für festinstallierte Module muß der Neigungswinkel der Module entsprechend gewählt
werden. Um über das gesamte Jahr in unseren Breiten ein Maximum an Energie
umzuwandeln, muß das Modul in südlicher Richtung mit 30 bis 45° angestellt werden.
Soll die Solaranlage auf das Winterhalbjahr optimiert werden, sind Neigungswinkel von
60 bis 70° günstiger. Bei der Aufstellung der Module ist auch darauf zu achten, daß sie
nicht von Bäumen, Häusern oder ähnlichem abgeschattet werden. Insbesondere ist der
tiefste Sonnenstand in südlicher Richtung im Winter zu beachten.
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Abb. 7: Neigungswinkel des Moduls
(andere Darstellung)
2.5
Einfluss der Temperatur auf den Ertrag
Da die Solarzellen im Normalbetrieb nicht unter konstanten Umweltbedingungen
genutzt werden, ist es von Interesse, das Verhalten der Zelle bei verschiedenen
Temperaturen zu kennen. Bei Solarzellen aus Silizium sinkt der Wirkungsgrad bei einer
Temperaturerhöhung von 25°C um etwa 10%.
Der mit steigender Temperatur abnehmende Bandabstand ermöglicht dem Halbleitermaterial zusätzliche Photonen mit größerer Wellenlänge bzw. geringerer Energie zu
absorbieren. Zusätzlich werden noch tief im Material generierte Ladungsträger auf
Grund der vergrößerten Diffusionslänge besser genutzt. Diese Effekte führen zu einer
Photo-stromerhöhung. Bei einer Erwärmung um 50 Kelvin steigt der Photostrom um
etwa 2 %.
Die Summe dieser beiden entgegengesetzt wirkenden Effekte bewirkt ein Absinken
des Wirkungsgrades um bis zu 20 % gegenüber dem unter Laborbedingungen
gemessenen.
Bekanntermaßen führen höhere Zelltemperaturen zu niedrigeren Leistungen und damit
zu einem schlechteren Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad gibt an, wie viel der
eingestrahlten Lichtmenge in nutzbare elektrische Energie umgewandelt wird. Offen
(schräg) aufgestellte Solarmodule mit zwangsweise bedingter Hinterlüftung sind
gegenüber fest auf dem Dach oder an der Hauswand installierten Modulen im Vorteil
2.6
Einfluss von Verschmutzungen auf den Ertrag
Auch die Verschmutzung der Module durch Staub und Vogelkot hat einen
negativen Einfluss auf den Ertrag der Photovoltaik-Anlage. Hierbei ist zu bedenken,
dass die äussere Oberfläche – der mechanische Aufbau – eine grosse Rolle spielt.
Werden die Module mit einer extrem glatten und damit schmutzabweisenden Schicht
(meist hochfestes Glas) versiegelt, so ist die Reflexion ziemlich groß. Wird die
Glasschicht mit einer antireflektierenden Kunststoffschicht beschichtet, so ist die
schmutzabweisende Eigenschaft geringer.
Durch einen etwas steileren Anstellwinkel der Module kann man der Verschmutzung in
geringem Maße entgegenwirken. Ebenso kann die Selbstreinigung durch Niederschlag
berücksichtigt werden. Der Einfluss von Verschmutzungen ist nicht unerheblich und der
Ertrag nach einer Reinigung der Module kann um bis zu um ca. 10 % größer werden.
Eine regelmässige Wartung ist zur Erhaltung der optimalen Bedingungen also
unabdingbar. Idealerweise sollen mit einem 1m2 grossen Solarmodul ca. 125kWh
Energie als Ertrag pro Jahr gewonnen werden.
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Die Photovoltaik-Anlage -E-Laborgebäude
3.1
Die Anlagentechnik
Neben dem technischen Aufbau unterscheidet man Solarstromanlagen auch
nach dem Anwendungsbereich und der Art der Anlage. Man unterscheidet hierbei den
sogenannten Insel- und den Netzbetrieb.
Beim Inselbetrieb wird der gewonnene Solarstrom über Laderegler in Akkus
eingespeist und entweder durch Gleichstromverbraucher (meist 12 oder 24 V, je nach
Anlagenspannung) oder nach Wechselrichtung durch 230 V Wechselstromverbraucher
genutzt. Die Zwischenspeicherung in Akkus ist recht verlustreich und kostspielig, aber
wird in Gegenden ohne Netzanschluss (z.B. Gartenhäuschen) eingesetzt, ebenso wie
bei verschiedenen Verkehrsobjekten (Notrufsäulen).
Beim Netzbetrieb wird der gewonnene Solarstrom über einen (oder mehrere)
Wechselrichter (Stringwechselrichter) in Wechselspannung umgewandelt und über
enthaltene Regeltechnik direkt in das Hausnetz bzw. als netzgekoppelte Anlage in das
Versorgungsnetz des VNB eingespeist. Es ist dabei für Kleinanlagen < ca. 20kWp
einphasiger Anschluss (230VAC) Standard vorgesehen, darüber hinaus wird Drehstrom
(400VAC) vorgesehen.
Die heutige modulare Technik erlaubt eine weite Variation der Auslegung der Anlage
nach Kundenwünschen und entspricht sowohl den geltenden Vorschriften der VDEW
(Verband der Elektrizitätswirtschaft), sowie dem VNB (Versorgungsnetzbetreiber)
einschliesslich der EMV und des Personenschutzes.
- einfacher Wechselrichter
- DC-seitige Reihen- und Parallelschaltung
- ein Wechselrichter für die gesamte Leistung
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- modularer Wechselrichter
- DC-Reihenschaltung mehrere Module
- ggf. zwei oder mehr Wechselrichter
- AC-seitige Parallelschaltung
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Abb. 8:
Abb. 8: Wechselrichterschaltungen
Abb. 9: Schutzkonzept der Stringwechselrichter
N
i
Wg
3.2
hE
α
B
L
j
∠α = 160°
Die Dimensionierung
Das E-Laborgebäude des
biat, hier kurz "E-Scheune"
genannt, bietet von seiner Lage
(Sonneneinstrahlung) und Grösse
der Dachfläche her die durchaus
hinreichend gute Möglichkeit zum
Aufbau einer Photovoltaikanlage
(siehe Lageplan)
Koordinaten:
S
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54° 46,762N
009° 26,213E
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L:ca.
B:ca.
4m
20m
Dachneigung: ca.
∠
15°
Abb. 10: Lageplan der "E-Scheune"
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Die Grösse der zu errichtenden Anlage richtet sich dabei selbstverständlich als
Erstes nach den zur Verfügung stehenden finanziellen Mitteln, andererseits nach der
als Ziel gesetzten zu gewinnenden Energiemenge zur Netzeinspeisung. Darüber hinaus
sollte auch die Verhältnismässigkeit der Anlagengrösse zum erreichbaren und
angewandtem Nutzen (Lehr- und Übungszwecke) bedacht werden.
Ausgehend von der modularen und kompakten Bauweise der heute als Bausatz
lieferbaren Anlagen kann mit einem Preis von ca. 7500.- EUR pro installierter kWp
Leistung gerechnet werden. Hinzu kommen die Kosten für eine Aussen-Grossanzeige,
ggf. für eine Software für die Fernabfrage und die Abnahmekosten durch einen
zugelassen Elektrobetrieb, wenn der Aufbau der Anlage als Eigeninitiative geleistet
wird.
Zu berücksichtigen bei der Planung ist in besonderem Masse die Statik des E-Laborgebäudedaches. Bei einem Gewicht der einzelnen Module zwischen ca. 10kg und 25kg
ist an diesem Ort die Windlast nicht als unerheblich anzusehen. Wird das Dach selbst
bei maximaler Gewichtsbelastung von 500kg (ggf. verteilt 2 Reihen a. 10 Module) und
einer Fläche von ca. 80m² der Belastung standhalten, so ist doch sicherlich die
Verankerung zu überdenken.
3.3
Die Ertragsrechnung
Optimale Photovoltaikanlagen erreichen einen Jahresertrag zwischen 800 kWh
(Norddeutschland) und 900 kWh (Süddeutschland) pro Kilowatt installierter Leistung
(kWp). Ausgehend von 1 kWp Leistung als idealer Zustand werden hier nun nochmals
10 - 15% abgezogen. D.h. will man eine Anlage mit einer max. Leistung von 1 kWp
errichten, so wird diese etwa 850 kWh pro Jahr Energie liefern. Diese Differenz ist auf
Verluste beim Transport des Gleichstromes zum Netzeinspeiser, des Wechselstromes
zum Einspeisezähler und auf die Wechselrichterverluste zurückzuführen.
Die Solaranlage soll teilweise sowohl den Eigenbedarf des E-Labors decken, wie auch
einen Überschuss in das Netz einspeisen. Für die Einspeisung ins Netz wird z.Z. eine
gesetzliche Vergütung von 48,11 CENT / kWp vom VNB gezahlt.
Für den Jahres – Energieverbrauch des E-Labors werden folgende Annahmen getroffen
(Beleuchtungsmittel und sonstige Geräte nicht mitgerechnet):
1.
2.
3.
4.
5.
Anzahl der in Betrieb befindlichen Rechner: 10 Stk
Leistungsaufnahme je Rechner
ca. 250 W
Betriebstunden täglich
ca. 3h
Tage pro Woche
ca. 3d
Wochen pro Jahr
ca. 20w
täglicher Energieverbrauch:
7500Wh
jährlicher Energieverbrauch:
ca. 450kWh
Errechnet man die Differenz zu den "idealen" 850kWh so ergibt sich
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ein Überschuss von:
400kWh
entsprechend der Vergütung durch das VNB eine zu verrechnende
Summe von:
EUR 192,44
Für die netzgekoppelte Solarstromanlage gilt grundsätzlich, je größer diese
seitens
der Anzahl der Solarstrommodule dimensioniert ist, um so geringer fallen die Kosten
für die Netzeinspeisung ins Gewicht, um so billiger wird die eingespeiste Kilowattstunde
(kWh).
Zwei Faktoren sollen bei den Überlegungen zur Grösse der Anlage noch erwähnt
werden, die Energierücklaufzeit (energetische Amortisationszeit) und der Erntefaktor.
Die Energierücklaufzeit ist die Zeitspanne, in der eine Energieanlage soviel Energie
erzeugt hat, wie zu ihrer Herstellung benötigt wurde. Der Erntefaktor gibt an, wie oft
das System die zu seiner Herstellung benötige Energie während seiner Lebensdauer
wieder hereinspielt. Es wird dabei von einer Lebensdauer von 30 Jahren
ausgegangen.
Im Gegensatz zu Photovoltaik-Anlagen amortisieren sich konventionelle Kraftwerke
dagegen energetisch nie, da sie für die Bereitstellung einer bestimmten Menge
nutzbarer Energie immer eine größere Menge an Primärenergie (Kohle, Erdgas, Erdöl,
Uran) einsetzen müssen.
Die in den Tabellen teilweise unterschiedlichen Wirkungsgrade der Module bzw. Zellen
ergeben sich aus der Inanspruchnahme unterschiedlicher Quellen, lassen daraus aber
auch die Komplexität der Photovoltaik erkennen.
Modulmaterial
Wirkungsgrad Amortisationszeit
Erntefaktor
monokristallines
Silizium
14,5...15,5%
48..75 Monate
4,8...7,4 fach
polykristallines
Silizium
12...14%
25..57 Monate
6,2...14 fach
Abb. 11: der Erntefaktor
Quelle: http://emsolar.ee.TU-Berlin.DE/allgemein/enamort.html
Wie im vorhinein in Zusammenhang gebracht, hängt der Preis einer Anlage in
erster Linie von den verwendeten Modulen ab, insbesondere wenn eine
Zusammenstellung der Baugruppen einzelnd bzw. mit diskreten Elementen erfolgt.
Kompaktanlagen lassen hier keine Auswahl zu, bieten aber den Vorteil einer
kompletten, baugruppenmässig aufeinander abgestimmten Anlage einschliesslich aller
peripherer Installationsmaterialien.
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Zusammenfassung
In einer fortschreitenden technisierten Welt stellt die Solarenergie als
"regenerative" Energiequelle eine zunehmende Alternative dar. Mit dem ErneuerbarenEnergie-Gesetz (EEG) und dem 100000-Dächer-Programm zur umfangreichen
Installation von netzgekoppelten PV-Anlagen wird in Deutschland der Einsatz
umweltfreundlicher Technologien gefördert. Ein Wichtiges Ziel dieser Förderprogramme
ist die Senkung der Herstellungs- und Beschaffungskosten. Dies ist eine
Voraussetzung, um die konventionelle Energieversorgung unter dem Aspekt des
überhöhten Ressourcenabbaus zu ersetzen.
Die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer von Photovoltaikanlagen hat sich
insbesondere im letzten Jahrzehnt um ein Vielfaches verbessert, wobei sich auch eine
Kostensenkung ergab. Dünnschichtsolarmodule sind heute Standard und
verschiedenste Hersteller bieten Kompaktanlagen und Zubehör an.
Das Internet bietet hier umfangreiche Information und Rechenbeispiele, wobei
Programme unterschiedlichster Anbieter als Shareware heruntergeladen werden
können. Als Einstieg und Grundlage diente das Programm "INSTROM 5.0" der Firma
Horst Möbius, Groß Düben
Für das E-Labor des biat bieten sich verschiedene Varianten an. Als denkbare Lösung
und kostengünstiger Kompromiss wird der Aufbau einer Kompaktanlage in der
Grössenordnung 2000Wp empfohlen.
Hier sind von Anbieterseite die meisten Varianten im Angebot und die Anlage ist in
Eigeninitiative noch zu handhaben.
Verschiedene Förderprogramme des Bundes sind zu nennen:
1. Erneuerbare Energien Gesetz (EEG)
2. 100.000 Dächer-Solarstrom-Programm
3. CO2-Minderungsprogram
4. Deutsche Ausgleichsbank (DtA)
5. ERP - Umwelt- und Energiesparprogramm
6. Bundesministerium für Umwelt (BMU)
Quelle: http://www.atmosphaere.com/service/finanzierung/foerderprogramme/index.html
Ebenso kann Sponsorenhilfe zum gelingen dieses Projektes beitragen. Mit diesem
Projekt wird sicherlich ein Grundstein für kommende aktuelle Ausbildung am biat der
Universität Flensburg gelegt.
G. Sundermeier
biat Universität Flensburg WS 2001/2002
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Planung einer Photovoltaikanlage
Literaturverzeichnis und Quellenhinweis:
Statusreport 1996 Photovoltaik; bmb+f; Seiten 36-1 / 36-5; 42-1 / 43-7; 45-1 / 45-15;
72-1 / 72-15
palstek, Technisches Wassersport-Journal; Nr.6/2001; Seiten 72-81
Elektropraktiker, Heft 9-2002; Seiten 723 –726
Elektropraktiker, Heft 9-2002; Inlet "Lernen und Können, Seite 1
Sonne Wind & Wärme; Heft 06/2002; Seiten 22, 70-76, 80
IBC Solar AG, ibc-Solartechnik, 96231 Staffelstein, Anbieterprospekt
http://emsolar.ee.tu-berlin.de/allgemein/enamort.html; 30.06.2002
http://www.solarserver.de/wissen/photovoltaik.html; 30.06.2002
http://www.solarfoerderung.de/technik/glossar.cfm; 30.06.2002
http://www.atmosphaere.com/service/download/index.html; 30.06.2002
http://www.atmosphaere.com/service/finanzierung/foerderprogramme/
index.html; 30.06.2002
http://home.t-online.de/home/Andreas.Behr/solar1.htm; 30.01.2002
Abbildungsverzeichnis:
Abb. 1: Wirkungsgrad verschiedener Solarzellen
Abb. 2: Strom-Spannungskennlinie einer Solarzelle
Abb. 3: Höchste Sonnenstände und AM-Werte für verschiedene Tage in Berlin
Abb. 4: verschiedene Einfallswinkel; andere Darstellung
Abb. 5: mittlere Sonneneinstrahlung
Abb. 6: Einfallswinkel auf das Modul
Abb. 7: Neigungswinkel des Moduls, (andere Darstellung)
Abb. 8:
Abb. 8: Wechselrichterschaltungen
Abb. 9: Schutzkonzept der Stringwechselrichter
Abb. 10: Lageplan der "E-Scheune"
Abb. 11: der Erntefaktor
Anhang:
Fotoserie "Musteranlage Süderbrarup"
Musteranschreiben "Sponsoring"
G. Sundermeier
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Planung einer Photovoltaikanlage
Bildbeispiel "netzgekoppelte Photovoltaikanlage"
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Planung einer Photovoltaikanlage
Anlagen
Anlage 1: Lieferprogramm der Firma IBC-SOLAR, Staffelstein
Anlage 2: Ansichtsmaterial der Firma IBC-SOLAR, Staffelstein
Anlage 3: Publikation der VDEW – Richtlinie für Anschluss und Parallelbetrieb von
Eigenerzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz
Anlage 4: Auszug – Handbuch für Netzeinspeiseanlage IBC 1100KC 110-1
Anlage 5: Auszug – Technische Beschreibung zur Datenübertragung für PC-Anschluß,
SUNNY BOY
Anlage 6: Richtlinien zur Förderung von Maßnahmen zur Nutzung erneuerbarer
Energien
Anlage 7: Richtlinien zur Förderung von Photovoltaikanlagen durch ein "100000
DächerSolarstrom-Programm";
http://www.solarserver.de/solatmagazin/100.000daecher_richtlinien.html
Anlage 8: Solarenergie Förderprogramme; http://www.solarserver.de/geld.html
Anlage 9: Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien;
http://www.solarserver.de/eeg_verguetungsaetze.html
G. Sundermeier
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