Planung einer Photovoltaikanlage G. Sundermeier

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1 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

2 Die Energiesituation Energie von der Sonne Was versteht man unter Photovoltaik? Von der Zelle zum Modul Technische Daten (Kenndaten) der Module Rahmenbedingungen zum Betrieb einer Photovoltaikanlage Die Sonneneinstrahlung Beispiel der Sonneneinstrahlung in Berlin Die Sonnenscheindauer Die Aufstellung von Solarmodulen Einfluss der Temperatur auf den Ertrag Einfluss von Verschmutzungen auf den Ertrag Die Photovoltaik-Anlage -E-Laborgebäude Die Anlagentechnik Die Dimensionierung Die Ertragsrechnung 4... Zusammenfassung Literaturverzeichnis und Quellenhinweis Abbildungsverzeichnis Anhang Anlagen G. Sundermeier biat Universität Flensburg WS 2001/2002 Seite 2 von 19

3 G. Sundermeier biat Universität Flensburg WS 2001/2002 Seite 3 von 19

4 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 PV- Anlage weder Lärm- noch Schadstoffemissionen auftreten. Die Menge der Solarenergie reicht aus, um den Weltenergieverbrauch hundertfach zu decken. Spätestens mit dem Dächerprogramm (seit ) 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 "Photovoltaik"; bmb+f; Seite 72-1 G. Sundermeier biat Universität Flensburg WS 2001/2002 Seite 4 von 19

5 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) G. Sundermeier biat Universität Flensburg WS 2001/2002 Seite 5 von 19

6 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 W/m² etwa einen Wert von 2A bis 3A. Die Werte unterscheiden sich nach Zellenart, Hersteller und Aufbau. Abb. 2: Strom- Kennlinie einer Spannungs- Si-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. G. Sundermeier biat Universität Flensburg WS 2001/2002 Seite 6 von 19

7 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 G. Sundermeier biat Universität Flensburg WS 2001/2002 Seite 7 von 19

8 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 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 Die Sonneneinstrahlung! 2 siehe:"e Statusbericht "Photovoltaik"; bmb+f, Seite G. Sundermeier biat Universität Flensburg WS 2001/2002 Seite 8 von 19

9 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 Watt an die Erde ab. Das ist das 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 G. Sundermeier biat Universität Flensburg WS 2001/2002 Seite 9 von 19

10 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 G. Sundermeier biat Universität Flensburg WS 2001/2002 Seite 10 von 19

11 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 G. Sundermeier biat Universität Flensburg WS 2001/2002 Seite 11 von 19

12 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) E = E0 * cos(β) 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. G. Sundermeier biat Universität Flensburg WS 2001/2002 Seite 12 von 19

13 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 1m 2 grossen Solarmodul ca. 125kWh Energie als Ertrag pro Jahr gewonnen werden. G. Sundermeier biat Universität Flensburg WS 2001/2002 Seite 13 von 19

14 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 - modularer Wechselrichter - DC-seitige Reihen- und Parallelschaltung - DC-Reihenschaltung mehrere Module - ein Wechselrichter für die gesamte Leistung - ggf. zwei oder mehr Wechselrichter - AC-seitige Parallelschaltung G. Sundermeier biat Universität Flensburg WS 2001/2002 Seite 14 von 19

15 Abb. 8: Abb. 8: Wechselrichterschaltungen Abb. 9: Schutzkonzept der Stringwechselrichter N 3.2 Die Dimensionierung W L α B E 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) S α = 160 Koordinaten: 54 46,762N ,213E G. Sundermeier biat Universität Flensburg WS 2001/2002 Seite 15 von 19

16 L:ca. B:ca. 4m 20m Dachneigung: ca. 15 Abb. 10: Lageplan der "E-Scheune" G. Sundermeier biat Universität Flensburg WS 2001/2002 Seite 16 von 19

17 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 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. Anzahl der in Betrieb befindlichen Rechner: 10 Stk 2. Leistungsaufnahme je Rechner ca. 250 W 3. Betriebstunden täglich ca. 3h 4. Tage pro Woche ca. 3d 5. Wochen pro Jahr ca. 20w täglicher Energieverbrauch: 7500Wh jährlicher Energieverbrauch: ca. 450kWh Errechnet man die Differenz zu den "idealen" 850kWh so ergibt sich G. Sundermeier biat Universität Flensburg WS 2001/2002 Seite 17 von 19

18 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 polykristallines Silizium 14,5...15,5% Monate 4,8...7,4 fach % Monate 6, fach Abb. 11: der Erntefaktor Quelle: 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. G. Sundermeier biat Universität Flensburg WS 2001/2002 Seite 18 von 19

19 Zusammenfassung In einer fortschreitenden technisierten Welt stellt die Solarenergie als "regenerative" Energiequelle eine zunehmende Alternative dar. Mit dem Erneuerbaren- Energie-Gesetz (EEG) und dem 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) Dächer-Solarstrom-Programm 3. CO2-Minderungsprogram 4. Deutsche Ausgleichsbank (DtA) 5. ERP - Umwelt- und Energiesparprogramm 6. Bundesministerium für Umwelt (BMU) Quelle: 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 Seite 19 von 19

20 Literaturverzeichnis und Quellenhinweis: Statusreport 1996 Photovoltaik; bmb+f; Seiten 36-1 / 36-5; 42-1 / 43-7; 45-1 / 45-15; 72-1 / palstek, Technisches Wassersport-Journal; Nr.6/2001; Seiten Elektropraktiker, Heft ; Seiten Elektropraktiker, Heft ; Inlet "Lernen und Können, Seite 1 Sonne Wind & Wärme; Heft 06/2002; Seiten 22, 70-76, 80 IBC Solar AG, ibc-solartechnik, Staffelstein, Anbieterprospekt index.html; 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 biat Universität Flensburg WS 2001/2002 Seite 20 von 19

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