Fachhochschule München

Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik

 Labor für Solartechnik und Energietechnische Anlagen
und Labor für Leistungselektronik

Diplomarbeit

Entwicklung eines Simulationsprogramms
für netzgekoppelte Photovoltaikanlagen in EXCEL

Thomas Lutzenberger

Fachhochschule München
Fachbereich Elektrotechnik

Bearbeitungsbeginn: 14. April 2000
Abgabetermin: 11. Oktober 2000
Belegschein: 1595

 Kurzfassung:

 Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde ein Simulationsprogramm zur Auslegung netzgekoppelter Solaranlagen in MICROSOFT EXCEL entwickelt. Diese Software ermöglicht dem Anwender eine Solaranlage zur Netzeinspeisung auf stündlicher Basis zu simulieren. Hierdurch können die Systemparameter Ausrichtung, Solargenerator, Wechselrichter und Verkabelung für einen vorgegebenen Standort optimiert werden. Es besteht die Möglichkeit, entweder die Modulanzahl, die Modulfläche oder die Abgabeleistung vorzugeben. Für die Auslegung stehen verschiedene Wechselrichter und Solargeneratoren zu Verfügung, wobei diese bearbeitet und erweitert werden können. Der Anwender kann aus bestehenden Standorten wählen oder neue Standorte aus METEONORM importieren. Bei Bedarf kann die Verschattung mittels eines Verschattungsdiagramms in Winkelrastern berücksichtigt werden. Die Ausgabe der Ergebnisse erfolgt in tabellarischer und graphischer Form.

In der Arbeit werden die Modelle, die zur Simulation benötigt werden, erklärt und bewertet. Hierzu zählen die Modelle zur Umrechnung von Einstrahlungswerten in die geneigte Fläche, die Berechnungsmodelle für Solarmodule und das Berechnungsmodell für Wechselrichter. Es werden der prinzipielle Aufbau der Software sowie die Probleme in der Entwicklung beschrieben. Außerdem wird die Anwendung des Simulationsprogramms detailliert erklärt. Ein Vergleich der Simulationsergebnisse mit einem kommerziellen Programm schließt die Arbeit ab.

Für weiterführende Arbeiten bietet sich die Integration einer Wirtschaftlichkeitsberechnung und die Übersetzung ins Englische an. Des weiteren könnte eine systemabhängige Verschattungsberechnung integriert werden und die Software für die Simulation von Inselanlagen erweitert werden.

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung ... 1

2 Simulationsmodelle netzgekoppelter Solaranlagen 4

2.1 Einstrahlungswert der Horizontalen und Lufttemperatur ... 6

2.2 Bestrahlungsstärke auf der geneigten Ebene ... 7
2.2.1 Direkte Strahlung auf der geneigten Ebene ... 9
2.2.2 Diffuse Strahlung auf der geneigten Ebene ... 10
2.2.3 Bodenreflexion ... 14

2.3 Berechnungsmodelle des Solarmoduls ... 15
2.3.1 Solarmodulmodell nach Sauer Dirk Uwe ... 19
2.3.1.1 Berechnung des MPP-Stromes IMPP ... 19
2.3.1.2 Berechnung des MPP-Spannung UMPP ... 20
2.3.1.3 Berechnung des MPP-Leistung PMPP ... 21
2.3.2 Möglichkeiten der Verschaltung von Modulen ... 22

2.4 Berechnungsmodelle des Wechselrichters ... 24

3. Umsetzung der Modelle auf die Exceloberfläche ... 26

3.1 Prinzipieller Aufbau von NetSol ... 26
3.2 Probleme bei der Realisierung von NetSol ... 28
3.3 Ablauf einer Simulation in NetSol ... 30
3.4 Nützliche Standardfunktionen in EXCEL ... 32

4 Programmbeschreibung von NetSol ... 34

4.1 Installation von NetSol ... 34
4.2 Programmstart von NetSol ... 34
4.3 Prinzipieller Aufbau von NetSol ... 35
4.4 Programmablauf von NetSol ... 37

5 Beurteilung der Simulationsergebnisse von NetSol ... 48

6 Literaturverzeichnis ... 49

7 Anhang ... 50

A Anhang zu Kapitel 2 ... 50 I

1 Einleitung

Wir stehen am Beginn eines neuen Energiezeitalters. In absehbarer Zeit werden die fossilen Energieträge zur Neige gehen und spätestes ab diesem Zeitpunkt werden wir unseren Ener-giebedarf durch Alternativen decken müssen. Bei der kontinuierlich wachsenden Weltbevölkerung und den steigenden Wohlstandansprüchen ist es einerseits unerlässlich mit der vor-handenen Energie sparsam umzugehen, aber andererseits auch dringend notwendig, alternati-ve Energiequellen zur Marktreife zu bringen und diese rechtzeitig in den Markt einzuführen. Die größte regenerative Energiequelle unsers Planeten bildet zweifelsfrei die Sonne. Allein die auf die Fläche der Erde ausstrahlte Energie würde ausreichen, um den Energiebedarf der Menschheit etwa 10.000 mal zu decken [Vol-99].

Die von der Sonne ausgestrahlte Energie kann unmittelbar genutzt werden. Die wichtigsten Vertreter der unmittelbaren Nutzung sind die Solarthermie und die Photovoltaik. Bei der Solarthermie wird das Sonnenlicht direkt in Wärmeenergie umgewandelt; diese Wärme kann Brauchwasser erwärmen, Gebäude heizen, Materialien trocknen, als Prozesswärme dienen und vieles mehr. Bei der Photovoltaik wird die Sonnenenergie direkt in elektrische Energie umgewandelt, welche dann gespeichert, vor Ort verbraucht oder ins öffentliche Netz eingespeist werden kann. Die Einspeisung in das öffentliche Netz durch die sogenannten „Netzgekoppelten Anlagen“ findet zur Zeit vermehrt Anwendung, da sie durch das neue Energieeinspeisegesetz ¹ in den Bereich der Rentabilität kommen kann.

Das zunehmende Interesse an „Netzgekoppelten Anlagen“ und die steigende Nachfrage nach Auslegungshilfen und Simulationswerkzeugen führte schließlich zum Thema meiner Diplomarbeit, welches lautet “ Entwicklung eines Simulationsprogramms für netzgekoppelte Photovoltaikanlagen in EXCEL “. Das Hauptziel meiner Diplomarbeit war ein möglichst einfach zu bedienendes und damit auch für den Laien verständliches Programm zur Simulation netzgekoppelter Solaranlagen zu schreiben.

Da es schon einige Simulationsprogramme auf dem Solarmarkt gab, waren die ersten Fragen, „Benötigen wir ein weiteres Programm zur Simulation von Photovoltaikanlagen zur Netzeinspeisung?“ und „Was hebt unser Produkt von den anderen Produkten ab?“.

Ein Problem nahezu aller kommerziellen Simulationsprogramme ist, dass ihr Quellcode nicht offen liegt, d.h. es können keine Änderungen oder Erweiterungen am Programm durch den Anwender vorgenommen werden. Ebenso ist es in der Regel nicht möglich, mit den Berechnungsergebnissen direkt weiterzurechnen. Dies kann meist nur über die Zwischenablage oder erneutes Eingeben der Ergebnisse erfolgen. Bei dem im Rahmen der Diplomarbeit entwickelten Programm NetSol („Netzgekoppelte Solaranlagen“) ist der Quellcode offen gelegt. So ist es möglich, die Berechnung an individuelle Problemstellungen anzupassen, die Ausgabe der Ergebnisse nach den persönlichen Vorstellungen zu gestalten und zusätzliche Parameter bei der Simulation zu berücksichtigen. Wir hoffen, ähnlich wie es in der LINUX - Gemeinde üblich ist, Verbesserungen und Erweiterungen von NetSol zusammen mit dem Anwender zu realisieren. Hierzu sind wir auf die Kooperationsbereitschaft der Anwender angewiesen. Es können nur Änderungen, von denen wir unterrichtet werden, in die nächste Version von Net-Sol eingehen. Als Entwicklungsoberfläche wurde MICROSOFT EXCEL 97 gewählt, da es sich um eine sehr verbreitetes Programm handelt, mit dem eine Vielzahl von Anwendern bereits Erfahrungen gesammelt haben. Der Anwender kann mit Ergebnissen in MICROSOFT EXCEL direkt weiterrechnen, wodurch für Erweiterungen eine ideale Schnittstelle vorhanden ist.

Ein anderer Grund, der für die Entwicklung von NetSol sprach, sind die hohen Kosten kommerzieller Simulationssoftware, welche potentielle Photovoltaikanlagenbauer abschrecken kann. Mein Programm soll eine günstige Alternative bilden, kleine bis mittlere netzgekoppelte Solaranlagen schnell und einfach auszulegen. Das Programm sollte nicht als Konkurrenz zu kommerziellen Programmen gesehen werden, sondern eher als Ergänzung des momentanen Marktangebotes.

Im zweiten Kapitel dieser Arbeit werden die verschiedenen für die Simulation benötigten mathematischen Modelle vorgestellt und bewertet. Im dritten Kapitel werden die Probleme bei der Umsetzung dieser Modelle auf die Oberfläche MICROSOFT EXCEL beschrieben und erläutert. Die Bedienung der Auslegungshilfe wird ausführlich im vierten Kapitel beschrieben. Im fünften Kapitel wird NetSol mit kommerziellen Programmen verglichen. Für die Entwicklung der Diplomarbeit wurde Literatur in den Bereichen Photovoltaik, Wechselrichter, Energiesysteme, Simulation, EXCEL und VISUAL BASIC verwendet. Außerdem wurde auf die Zeitschriften PHOTON und SONNENENERGIE zurückgegriffen. Im Kapitel sechsten ist eine genau Aufstellung der verwendeten Literatur. An Entwicklungsoberflächen standen MICROSOFT EXCEL 97 und MICROSOFT EXCEL 2000 zu Verfügung. Weitere Hilfestellungen boten die Programme GenAu 5.0, IBC-WB, METEONORM V4.0, PVS 2000, PVSol 2.1, RETScreen und SHELL SOLAR PATH. Mit Rat und Tat standen mir Prof. Dr.-Ing. Martin Bechteler, Prof. Dr.-Ing. Gerd Becker, Dipl.-Ing. (FH) Mike Zehner, Dipl.-Phys. Dirk Uwe Sauer und Rudi Sebald zur Seite.

Durch diese Diplomarbeit möchte ich einen bescheidenen Teil zum raschen Ausbau der „Sauberen“ Energieform “Sonne“ beitragen. Die Entwickelung von NetSol hat mir sehr viel Spaß gemacht, da es ein sehr abwechslungsreiche Aufgabe war. So konnte ich mein mathematisches und programmiertechnisches Verständnis bei vielen Problem beweisen, auf der anderen Seite war bei der Oberflächengestaltung und bei der Benutzerführung eher Kreativität und Logik gefragt. Besonders die offene Programmierung lag mir am Herzen, da ich bereits des öfteren bei kommerziellen Programmen gerne kleine Änderungen vorgenommen hätte.

Diese Diplomarbeit entstand im Labor für Solartechnik und Energietechnische Anlagen und im Labor für Leistungselektronik im Fachbereich Allgemeine Elektrotechnik an der Fachhochschule München

2 Simulationsmodelle netzgekoppelter Solaranlagen

Grundsätzlich können Photovoltaikanlagen in Inselsysteme und netzgekoppelte Anlagen aufgeteilt werden. Eine Insel-Photovoltaikanlage ist ein autarkes Stromversorgungssystem, welches nicht mit dem öffentlichen Versorgungsnetz verbunden ist.

Bild 2-1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Inselanlage.

[...] ABB in Downloaddatei enthalten

Bild 2-1 Prinzipieller Aufbau einer Inselanlage

Eine Inselanlage besteht im Wesentlichen aus dem Solargenerator, einem Batteriesatz zur Energiespeicherung und gegebenenfalls aus einem Wechselrichter. Durch die Batterien ist eine lückenlose Stromversorgung möglich; sie überbrücken Tage mit geringer Sonneneinstrahlung und versorgen Verbraucher während der Nacht. Sind Wechselstromverbraucher vorhanden, wird ein Wechselrichter gebraucht. Bei kleinen Anlagen wird oft auf einen Wechselrichter verzichtet. Hierbei handelt es sich um reine Gleichstromanlagen, wie sie z.B. in Campingmobilen, Ferienhäusern oder Booten zu finden sind. Inselanlagen bieten sich vor allem dort an, wo kein öffentliches Versorgungsnetz vorhanden ist, wie z.B. auf Berghütten, in Einsiedlerhöfen und bei mobilen Fahrzeugen. Inselanlagen haben spezielle Auslegungskriterien, die nicht Gegenstand meiner Diplomarbeit sind.

Netzgekoppelte Solaranlagen speisen direkt ins öffentliche Netz ein. Diese bestehen im Wesentlichen aus einem Solargenerator und einem Wechselrichter. Bild 2-2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer netzgekoppelten Solaranlage. Der Solargenerator wandelt das Sonnenlicht direkt in elektrische Energie um, also ohne den Umweg über andere Energieformen. Die elektrische Energie wird in Form von Gleichstrom bereitgestellt, welcher durch den Wechselrichter in netzkonformen Wechselstrom umgewandelt wird. Dieser wird direkt in das öffentliche Versorgungsnetz eingespeist. Die Anforderungen an einen Wechselrichter zur Netzkopplung sind wesentlich höher als an einen Wechselrichter für Inselanlagen, da es genaue Vorschriften über die Stromform im öffentlichen Netz gibt. Der netzgekoppelte Wechselrichter muss innerhalb dieser vorgeschriebenen Grenzen bleiben, welche durch den Klirrfaktor vorgegeben werden, außerdem ist die Höhe jeder einzelnen Oberschwingung genau definiert.

Darüber hinaus muss er mit der gleichen Frequenz, der gleichen Amplitude und der gleichen Phasenlage ins Netz einspeisen. Auch die Blindleistung, die sich aus der Phasendifferenz von Strom und Spannung ergibt, muss sich in vernünftigen Grenzen bewegen. Die Größe der Blindleistung kann am cos ϕ des Wechselrichters abgelesen werden. Bei Wechselrichtern mit Nennleistung größer 5kW wird üblicherweise dreiphasig ins Netz eingespeist.

[...] ABB in Downloaddatei enthalten

Bild 2-2 Prinzipieller Aufbau einer netzgekoppelten Solaranlage

Zu Beginn der Diplomarbeit war das Ziel, eine möglichst einfache Auslegungshilfe für netzgekoppelte Solaranlagen zu entwickeln. Es war geplant, mit Hilfe von Monatsmittelwerten eine grobe Auslegung von Photovoltaikanlagen zu ermöglichen. Im Laufe der Diplomarbeit stellte sich mehr und mehr die Frage, ob wir anstatt dieser einfachen Auslegungshilfe, nicht besser ein Programm entwickeln sollten, welches eine Anlagensimulation auf Stundenbasis durchführt. Am Anfang war ich etwas skeptisch, da meiner Ansicht nach dieses Vorhaben den Rahmen der Diplomarbeit gesprengt hätte. Meine Befürchtungen haben sich als unnötig erwiesen, was das Resultat der Diplomarbeit beweisen dürfte.

Um nun eine netzgekoppelte Solaranlage simulieren zu können, werden eine Reihe Berechnungsmodelle benötigt. Unter anderem werden folgende Hauptmodelle gebraucht:

• Einstrahlung in die Horizontale

• Algorithmus zur Umrechnung der horizontalen Einstrahlungsdaten in die Modulebene

• Berechnungsmodell des Solarmoduls

• Berechnungsmodell des Wechselrichters

In den folgenden Abschnitten werden verschiedene Berechnungsmodelle verglichen und näher beschrieben. Dabei ist nicht nur die Genauigkeit der Modelle ausschlaggebend, sondern auch die Verfügbarkeit der für das Modell benötigten Parameter sowie der Rechenaufwand bei der Simulation. Ein noch so genaues Modell kann beim Fehlen der Berechnungsparameter oder bei zu langer Berechnungszeit unbrauchbar sein. Deshalb ist es wichtig, ein Modell zu finden, bei dem die Parameter einfach zu erhalten sind und sich der Rechenaufwand in vernünftigen Grenzen hält. 2.1 Einstrahlungswert der Horizontalen und Lufttemperatur

Um eine Photovoltaikanlage über einen Simulationszeitraum - meistens ein Jahr - simulieren zu können, werden zunächst die Wetterdaten dieses Zeitraumes benötigt. Diese eigentlich triviale Grundvoraussetzung stellte mich gleich zu Beginn vor ein schwieriges Problem. Für die Simulation benötigte ich Einstrahlungswerte der Diffus-, Direkt- und Globalstrahlung ¹ in der Horizontalen und die Lufttemperaturen für verschiedenen Standorte auf Stundenbasis. Tatsächlich gemessene Wetterdaten kann man zwar kaufen, diese sind aber sehr teurer und hätten das Budget der Diplomarbeit bei weitem gesprengt. Algorithmen zur synthetischen Erzeugung von stündlichen Einstrahlungswerten sind kaum publiziert und eine eigene Entwicklung solcher Algorithmen wäre bei weitem zu aufwendig und zu unsicher gewesen.

Nach mehreren Diskussionen und einigen Recherchen entschieden wir uns, die Wetterdaten für sechs deutsche Standorte von METEOTEST ² zu erwerben. METEOTEST ist eine Schweizer Firma, die sich intensiv mit dem Problem der synthetischen Generierung von Wetterdaten beschäftigt. Ihre Algorithmen sind international anerkannt und mehrfach mit tatsächlichen Wetterdaten verglichen worden. Damit der Anwender zu den sechs vorhandenen Standorten zusätzlich die Möglichkeit hat, beliebige weitere Standort zu simulieren, wurde eine Importiermöglichkeit von Wetterdaten aus METEONORM in NetSol realisiert. METEONORM ist ein Programm der Firma METEOTEST, welches dem Anwender erlaubt, weltweit Wetterdaten zu generieren. Bild 2-3 zeigt die Standardoberfläche von METEONORM.

[...] ABB in Downloaddatei enthalten

Bild 2-3 METEONORM Programm zur Generierung von Wetterdaten auf stündlicher Basis

[...]

1 Das Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien (Erneuerbare-Energien-Gesetz- EEG) wurde am 25. Febru-ar 2000 in zweiter und dritter Lesung vom Deutschen Bundestag beschlossen.

1 Die sogenannte Globalstrahlung setzt sich aus zwei Anteilen zusammen, die man als diffuse und direkte Strahlung bezeichnet. Die direkte Strahlung kommt aus Richtung der Sonne, während die diffuse Strahlung gleichmäßig aus allen Himmelsrichtungen auf die Erdoberfläche trifft. Der Himmel erscheint daher überall gleich hell. An schönen Tagen ist der diffuse Anteil als blauer Himmel zu sehen. Bei geschlossener Wolkendecke gelangt nur noch der diffuse Anteil der Strahlung auf die Erdeoberfläche. Direkte und diffuse Strahlung sind physikalisch nicht völlig gleichwertig. Der direkte Anteil ist gerichtet, während der diffuse Anteil ungerichtet ist. [FhG-94]

2 METEOTEST Fabrikstrasse 14, CH-3012 Bern www.meteotest.ch