Dimensionierung einer Photovoltaik-Anlage mit netzgekoppeltem Betrieb

Inhaltsverzeichnis

Verzeichnis der Abkürzungen

Kurzreferat

Literaturverzeichnis

1 Einleitung

2 Darstellung der Funktionsweise des Photovoltaikprinzips
2.1 PV-Anlagen, Strom aus Sonnenlicht
2.1.1 Warum Sonnenstrom?
2.1.2 Überblick
2.1.3 Inselsysteme
2.1.4 Netzgekoppelte Systeme [2]
2.2 Sonnenstrahlung
2.2.1 Verteilung der Sonnenstrahlung
2.2.2 Sonnenstand und Einstrahlung auf Photovoltaikanlagen
2.3 Photovoltaischer Effekt [3], [4]
2.3.1 Funktionsprinzip einer Solarzelle
2.3.2 Aufbau einer Solarzelle

3 Herstellungstechnologien und Entwicklungsstand der Photovoltaik [1],[4]
3.1 Einteilung der Zellarten
3.1.1 Zellarten
3.1.2 Kristalline Zellen
3.1.3 Dünnschichtzellen
3.2 Elektrische Eigenschaften und Betriebsverhalten von Solarzellen
3.2.1 Ersatzschaltbilder von Solarzellen
3.2.2 Solarzellenkennlinien
3.2.3 Elektrische Beschreibung von PV-Modulen

4 Problematik der Nachführung von Photovoltaikanlagen
4.1 Warum Photovoltaikanlagen nachführen?
4.2 Einsatzgebiete und Grenzen für Nachführsysteme

5 Planung und Auslegung einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage für ein Einfamilienhaus
5.1 Anlagengröße und Modulauswahl
5.2 Wechselrichterdimensionierung
5.4 Netzeinspeisung
5.5 Erdung und Überspannungsschutz

6 Wirtschaftlichkeit
6.1 Ertragsabschätzung
6.2 Ertragsberechnung ohne Kapitalverzinsung
6.3 Ertragsberechnung mit Kapitalverzinsung

7 Zusammenfassung

Verzeichnis der Abkürzungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Kurzreferat

Naundorf, Roald

Dimensionierung einer Photovoltaik-Anlage mit netzgekoppeltem

Betrieb

Techniker-Abschlussarbeit (Projektarbeit) Weißwasser

Fachschule am Beruflichen Schulzentrum Weißwasser 2001

41 Seiten; 25 Bilder; 1 Tabelle; 8 Literaturen; 4 Anlagen

Ziel der Projektarbeit war die Erarbeitung und Projektierung einer Solarstromanlage mit einer Gesamtleistung von 4400 Wp. Diese Anlage ist für die nachträgliche Montage auf dem Satteldach eines Einfamilienhauses geplant, welches eine gute Standortausrichtung zur Sonne hat. Um die Photovoltaik besser verstehen zu können wurden die Grundlagen und Funktion von Solarzellen mitbehandelt.

Ergebnis dieser Projektarbeit:

- die Grundlagenvermittlung über Aufbau, Funktion und Wirkungsweise von Solarzellen.
- Grundlagen der Sonneneinstrahlung mit Schattenanalyse
- 4,4 kWp-Solarstromprojekt für ein Einfamilienhaus
- wirtschaftliche Betrachtungen

Roald Naundorf

Literaturverzeichnis

Bücher:

[1] - Haselhuhn, R., Berger, F.: Photovoltaische Anlagen.

Berlin: Geisel Druck, 2000

[2] -Lauterbach, F.: Solarstromanlagen zur Netzeinspeisung

Berlin: Verlag Technik, 1999

[3] -Brösicke, W.: Sonnenenergie: Wissen-Planen-Gewinnen.

Berlin: Verlag Technik, 2000

[4] -Quaschning, V.: Regenerative Energiesysteme: Technologie-Berechnung-Simulation. München; Wien: Hanser-Verlag, 1999

[5] -Dugge, K. W.;Eißner, A.: Grundlagen der Elektronik.

Würzburg: Vogel-Verlag, 1997

Internetquellen:

[6] http://www.stadtklima.de

[7] Simulationssoftware ILSE http://emsolar.ee.tu-berlin.de

[8] Simulationssoftware SUNDI http://emsolar.ee.tu-berlin.de

1 Einleitung

Photovoltaik wird die Basis für eine neue Energiewirtschaft, umweltgerecht und weltumspannend. Photovoltaik ist eine junge Technik und hat das große Potential sich durchzusetzen. Die Anwendungsbreite ist riesig, jedoch beträgt ihr Anteil an der hiesigen Stromerzeugung unter einem Prozent.

Elektrizität direkt aus dem Sonnenlicht zu gewinnen, wobei keine Schadstoffe entstehen, keine umständliche Aufbereitung notwendig ist und auch kein Lärm entsteht, ist für viele Menschen faszinierend.

Von den Menschen selbst wird es abhängen, ob eines Tages der Übergang zur solaren Weltwirtschaft geschafft wird und ob es gelingt die Energiequelle „Sonne“ in globalem Stil anzuzapfen, die die Erde seit Milliarden von Jahren mit Energie zum Nulltarif versorgt. Nur ein geringer Teil ihrer gesamten Strahlung fällt auf unsere Erde, aber immer noch 10000 mal mehr Energie als wir verbrauchen.

Photovoltaik ist eine Möglichkeit Energie zu gewinnen, die nicht umweltschädlich ist. Sie nutzt eine Energiequelle, die für menschliche Verhältnisse unendlich lange zur Verfügung steht. Um sie müssen keine Kriege geführt werden und sie verursacht keine Umweltkatastrophen.

Viele unserer ökologischen Probleme sind Folgen der bisherigen Energieversorgung. Das Waldsterben durch Schwefeldioxid, Klimaveränderungen durch Kohlendioxid, Radioaktivität aus Atomkraftwerken, Meeresverschmutzung durch Tankerunfälle u.s.w. sind Folgen einer einseitigen und durch Lobbyismus beherrschten Energiewirtschaft. Der begrenzte und immer knapper werdende Bestand an fossilen Ressourcen wie Kohle, Erdöl und Erdgas zwingt nun auch diese Energiewirtschaft zum Umdenken. So werden sämtliche, von den Menschen zugänglichen Vorkommen an fossilen Energieträgern bereits im 21.Jahrhundert aufgebraucht und lediglich die Kohlevorräte noch über einen etwas längeren Zeitraum verfügbar sein. Somit werden wenige Generationen sämtliche fossilen Vorräte der letzten Jahrmillionen vollständig ausgebeutet haben [4].

Die Sonne als natürliche Energiequelle bietet uns Alternativen zur konventionellen Energieversorgung. Photovoltaik, die direkte Erzeugung von elektrischem Strom aus Sonnenlicht, ist eine der Alternativen. Sie ist eine bereits heute ausgereifte Technologie. Allerdings wird die Photovoltaik alleine das Energieproblem der Zukunft nicht lösen können. Es muss ein gesunder Mix aus allen regenerativen Energien (Solar, Wind, Wasser, Biomasse, Erdwärme, Brennstoffzellen, u.s.w.) entwickelt und gemeinsam genutzt werden.

2 Darstellung der Funktionsweise des Photovoltaikprinzips

2.1 PV-Anlagen, Strom aus Sonnenlicht

2.1.1 Warum Sonnenstrom?

Der französische Physiker Alexander E. Becquerel entdeckte im Jahr 1839, dass zwischen zwei Platinelektroden in elektrolytischer Lösung eine Spannung auftritt, wenn eine der Elektroden beleuchtet und die andere abgedunkelt wird. Eine solche Zellanordnung liefert einen Strom, der mit der Beleuchtungsstärke proportional ansteigt. Die wissenschaftliche Erklärung dieser genialen Erfindung gelang Albert Einstein im Jahr 1905. An eine technische Anwendung des Effektes war, durch den sehr geringen Wirkungsgrad (≈ 1%), in jenen Jahren noch nicht zu denken.

Die Einführung in die Praxis wurde erst viele Jahre später in den Bell Laboratorien in den USA in Angriff genommen. Dort wurde 1954 die erste Siliziumsolarzelle mit einem Wirkungsgrad von ca. 5% entwickelt und gebaut. Hintergrund war die Idee, Satelliten im Weltraum mit Energie zu versorgen.

Die Sonne ist eine im menschlichen Maßstab unerschöpfliche Energiequelle. Sie strahlt jährlich mehr als die 10000-fache Menge des benötigten Weltenergiebedarfes als Strahlungsenergie auf die Erde. Wenn also nur ein zehntausendstel dieser Sonnenenergie genutzt würde, könnte der gesamte Energiebedarf der Menschheit gedeckt werden. Unmittelbar nutzbar wird diese Energie jedoch erst, wenn sie in technischen Anlagen umgewandelt wird z.B. der Photovoltaik.

Photovoltaik ist die eleganteste Art der Stromerzeugung. Sie geschieht lautlos, ohne mechanisch bewegte Teile, wartungsarm und ohne Abgabe von Schadstoffen an die Umwelt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2.1: Jährliche Sonnenenergieeinstrahlung auf die Erde im Vergleich zum Welt- energieverbrauch und den Ressourcen fossiler und atomarer Energieträger.

[Daten: Bundesministerium für Wirtschaft BMWi]

2.1.2 Überblick

Photovoltaische Anlagensysteme können in Inselsysteme und netzgekoppelte Systeme eingeteilt werden. Bei Inselsystemen (autarke Solaranlagen) wird der Energieertrag der PV-Anlage mit dem Energiebedarf der Verbraucheranlage abgestimmt und/oder in Akkumulatoren gespeichert. Auch die Ergänzung durch zusätzliche

Energiequellen (Hybridsysteme) wird genutzt. Hierbei werden mehrere erneuerbare Energiequellen (wie PV - Wind - Wasser) parallel geschaltet, die sich dann gegenseitig ersetzen können.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2.2: Überblick für Photovoltaische Systeme [1]

2.1.3 Inselsysteme

Am Anfang der wirtschaftlichen Nutzung von Photovoltaikanlagen waren diese ausschließlich auf Inselsysteme beschränkt. Nur für weit abgelegene und durch das EVU nicht erreichbare Wohnanlagen und Kleingärten wurden mit Photovoltaikanlagen ausgestattet. Aber auch mobile Photovoltaiksysteme im Haushalt, auf Autos, Booten, Wohnwagen und Modellanlagen kommen vermehrt zum Einsatz.

Das wohl größte Einsatzgebiet für Inselanlagen sind und werden auch weiterhin die Entwicklungsländer der Dritten Welt sein. Hier gibt es noch riesige Gebiete und Siedlungen die keine Energieversorgung haben und auch in Zukunft wohl kaum an die öffentliche Stromversorgung angeschlossen werden.

Dort werden viele dezentrale Photovoltaikanlagen für einzelne Wohnhäuser aber auch zentrale Dorfanlagen errichtet. Seit einigen Jahren werden dort zentrale Trinkwasserbrunnen mit Photovoltaikanlagen ausgestattet um schnell und effektiv dringend benötigtes Trinkwasser auch aus großen Tiefen hoch zu pumpen. Um derartige Anlagen für die schwach bemittelten Menschen finanzierbar zu machen vergeben die westlichen Errichterfirmen Kredite. So können auch einzelne Bauernfamilien mit kleinen monatlichen Raten Ihre Photovoltaikanlage abzahlen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Solargenerator Laderegler Akku- Speicher Wechselrichter AC- Verbraucher

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

DC- Verbraucher

Bild 2.3: Prinzip einer Inselanlage [3]

Da Energie aus Sonnenlicht nicht kontinuierlich zu jeder Tages- und Nachtzeit zur Verfügung steht, ist ein speicherloser Inselbetrieb wenig sinnvoll. Am häufigsten und preiswertesten erfolgt die Speicherung immer noch in Blei-Akkumulatoren. Allerdings sind die Lade- und Entladezyklen sowie die Lebensdauer der Akkumulatoren recht begrenzt und müssen nach 2 – 3 Jahren ausgetauscht werden.

Recht häufig kommen auch noch Nickel–Cadmium–Akkumulatoren zum Einsatz, da sie leichter, robuster und temperaturbeständiger sind. Ein weiterer wichtiger Vorteil gegenüber dem Blei-Akkumulator ist seine längere Lebensdauer.

Nachteilig ist der höhere Preis, sowie durch unzureichende Entladung und permanente Überladung der sogenannte Memory–Effekt. Hierbei steht nach einiger Zeit nicht mehr die gesamte Kapazität zur Verfügung. Durch den Einsatz einer intelligenten Ladungs- und Entladungskontrolle lässt sich diesem Effekt etwas entgegenwirken.

Es kommen auch noch andere Akkumulatortypen je nach Einsatzgebiet zur Anwendung, auf die hier aber nicht weiter eingegangen werden soll. An der Entwicklung neuer elektrischer Energiespeicher wird emsig geforscht, um die Kapazitäten zu erhöhen sowie das Volumen und Gewicht zu senken.

2.1.4 Netzgekoppelte Systeme [2]

Das Hauptmerkmal einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage ist die wechselstromseitige Anbindung an das öffentliche Stromversorgungsnetz des EVU. Sie zählen zu den Eigenerzeugungsanlagen und müssen nach gültigen Richtlinien an das öffentliche Netz angeschlossen werden. Wichtigster Punkt bei netzgekoppelten Photovoltaikanlagen ist die Netzsicherheit. Es muss unter allen Umständen ein sicheres Abschalten und Trennen vom Netz erfolgen, sobald das Netz ausfällt, abgeschalten wird oder ein Fehler in der Photovoltaikanlage auftritt. Die Netzüberwachung muss daher immer zweifach ausgeführt werden, um eine doppelte Sicherheit zu erreichen.

Die klassische Methode ist die Überwachung von Spannung und Frequenz. Spannungen außerhalb des Bereiches 0,8 UN - 1,1 UN gelten als nicht sicherer Netzbetrieb und müssen somit zur Abschaltung der Photovoltaikanlage führen. Zum Erkennen von Unsymmetrien (z.B. bei Ausfall einer Netzphase) müssen hier auch die verketteten Spannungen überwacht werden (auch bei einphasiger Netzeinspeisung). Bleibt bei Ausfall des öffentlichen Netzes die Spannung innerhalb der vorgegebenen Toleranzen (Einspeiseleistung der Photovoltaikanlage entspricht der Leistungsaufnahme der angeschlossenen Verbraucher im Netz), verändert sich auf jeden Fall die Frequenz (Toleranzbereich 49 Hz - 51 Hz), so dass die Frequenzüberwachung die Anlage trennt.

Nachteile dieser klassischen Netzüberwachung ist die dreiphasige Spannungsüberwachung auch bei einphasiger Einspeisung, das geforderte Vorhandensein einer jederzeit zugänglichen Freischaltstelle sowie die ebenfalls geforderten regelmäßigen Wiederholungsprüfungen.

Seit ein paar Jahren setzt sich zunehmend eine neue Netzüberwachungsmethode mit Hilfe der ENS durch. Die Abkürzung ENS steht nach DIN VDE 0126 für

„Selbsttätig wirkende Freischaltstelle aus zwei voneinander unabhängigen diversitären parallelen Einrichtungen zur Netzüberwachung mit jeweils zugeordnetem Schaltorgan in Reihe“. Die Abkürzung ENS wird im Bereich der solarelektrischen Energiegewinnung inzwischen als eigenständiger Begriff verwendet.

Bei dieser Art der Überwachung werden die Spannung, Frequenz und die Netzimpedanz überwacht. Das Erkennen eines abgeschalteten öffentlichen Netzes mit Hilfe der Impedanzüberwachung ist absolut sicher, da eine Netzeinspeisetrennung immer eine Impedanzerhöhung zur Folge hat.

Vor jeder Inbetriebnahme und Anfahren der Photovoltaikanlage führt die ENS einen Selbsttest durch. Wird hierbei ein Fehler hinsichtlich von Spannung, Frequenz oder Impedanz erkannt, bleibt die Photovoltaikanlage vom Netz getrennt und kann nur nach Fehlersuche bzw. Fehlerbehebung manuell wieder zugeschaltet werden.

Bei der automatischen Zuschaltung des Wechselrichters ist ein Impedanzwert von

Ri <1,25 W erforderlich, da sonst keine Netzanschaltung erfolgt. Kommt es zu einem sprunghaften Anstieg um 0,5 W oder auf über 1,75 W muss eine Abschaltung innerhalb von 5 s erfolgen.

Werden bei der Überwachung von Netzspannung und Netzfrequenz die zulässigen Grenzen von 0,85 UN - 1,1 UN sowie 49,8 Hz - 50,2 Hz verlassen, muss eine Abschaltung innerhalb von 0,2 s erfolgen.

Durch die meist im Wechselrichter integrierte ENS ist die dreiphasige Spannungsüberwachung und regelmäßige Wiederholungsprüfung nicht mehr erforderlich. Auch die sonst geforderte jederzeit zugängliche Trennstelle für Mitarbeiter des EVU darf durch den Einsatz einer ENS entfallen.

Durch diese neuartige Netzüberwachung mit Hilfe der ENS wird eine größere Netzsicherheit sowie eine einfachere Installation der Photovoltaikanlage erreicht. Die Einspeisung in das öffentliche Stromnetz erfolgt durch zwei verschiedene Möglichkeiten.

1. Der erzeugte Solarstrom wird nach dem Wechselrichter in das eigene Verbrauchernetz eingespeist. Ist hierbei die Erzeugung größer als der Verbrauch, so wird der Überschuss in das öffentliche Netz eingespeist. Dazu wird der vorhandene Verbrauchszähler gegen einen Zweirichtungszähler ausgetauscht. Dieser Zähler erfasst die elektrische Energie in den Richtungen Lieferung und Bezug. Diese Variante wird gewählt, wenn die Einspeisevergütung von Solarstrom gleich dem Bezugstarif oder gar niedriger ist.

Solargenerator Wechselrichter Zweirichtungszähler Hausanschluss

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

EVU - Netz

AC - Verbraucher

Kundenseite

Bild 2.4: Prinzip der Netzeinspeisung mit einem Zweirichtungszähler

2. Der gesamte Solarstrom wird ins öffentliche Netz eingespeist. Hierzu ist neben dem vorhandenen Bezugszähler noch ein zweiter Zähler für die Lieferung des Solarstromes notwendig. Liegt die Einspeisevergütung über dem Bezugstarif dann wird diese Art der Netzeinspeisung gewählt. Da in Deutschland nach dem vom Bundestag am 25.02.2000 verabschiedeten „Erneuerbare-Energien-Gesetz“ (EEG) Energieversorger ab 01.04.2000 für jede ins öffentliche Netz eingespeiste kWh Solarstrom 99 Pfennig bezahlen müssen, wird ausschließlich diese Variante der Netzeinspeisung genutzt.

Lieferzähler

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Solargenerator Wechselrichter

Hausanschluss

Bezugszähler EVU - Netz

AC - Verbraucher

Kundenseite

Bild 2.5: Prinzip der Netzeinspeisung mit eigenem Lieferzähler

2.2 Sonnenstrahlung

2.2.1 Verteilung der Sonnenstrahlung

Durch die elliptische Umlaufbahn der Erde um die Sonne schwankt der Abstand von Sonne und Erde zwischen 1,47 E8 km und 1,52 E8 km. Die auf der Erde empfangbare Beleuchtungsstärke Ee beträgt daher zwischen 1322 W/m² und 1412 W/m². Für alle solartechnischen Berechnungen einigte man sich international auf einen Mittelwert, der sogenannten Solarkonstante E0 = 1367 ±7 W/m². Dieser Wert ist ein extraterrestrischer und kann außerhalb der Erdatmosphäre auf einer Fläche senkrecht zur Sonneneinstrahlung gemessen werden. Die Erdatmosphäre reduziert durch Reflexion, Absorption und Streuung die Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche auf eine maximale Strahlungsdichte von 1000 W/m² [4].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2.6: Monatssummen der Globalstrahlung für den Raum Cottbus im Jahr 2000 [Daten: Deutscher Wetterdienst]

Für Deutschland beträgt die mittlere Jahressumme der Globalstrahlung 900 kWh/m² bis 1200 kWh/m². Der Raum Cottbus kam im Jahr 2000 auf eine globale Einstrahlungsleistung von 1039 kWh/m².

2.2.2 Sonnenstand und Einstrahlung auf Photovoltaikanlagen

Entscheidend für die Einstrahlungsstärke auf die Erde ist unter anderem der Sonnenwinkel g S (Gamma). Er wird von der Horizontalen ausgehend bestimmt und verändert sich im Verlauf des Tages und eines Jahres.

Bei einem Sonnenhöhenwinkel von 90° ist der Weg der Sonnenenergie durch die Atmosphäre der kürzeste. Verringert sich dieser Winkel, so wird der Weg des Sonnenlichtes durch die Atmosphäre verlängert. Diese Wegverlängerung ist mit einer Zunahme von Reflexion und Streuung des Sonnenlichtes verbunden und demzufolge kommt es zu einer Verringerung der Strahlungsintensität.

In der Solartechnik wird hierfür der Faktor AM (Air Mass) verwendet und er gibt an, wie oft der Weg des Sonnenlichtes durch die Atmosphäre zur Erdoberfläche dem kürzesten Weg entspricht (g S = 90° ≙ AM =1).

Die Definition von Sonnenhöhenwinkel g S und AM lautet: Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In Bild 2.7 sind der jeweils höchste Sonnenhöhenwinkel g S und der zugehörige AM -Wert für unterschiedliche Tage eines Jahres in Forst/ Lausitz dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2.7: Höchster Tagessonnenstand und AM –Werte für ausgewählte Tage eines Jahres in Forst/ Lausitz {Daten: [6]}

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