Andreas Wagner Photovoltaik Engineering

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1 Andreas Wagner Photovoltaik Engineering

2 Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH

3 Andreas Wagner Photovoltaik Engineering Die Methode der Effektiven Solarzellen-Kennlinie Mit 86 Abbildungen, Springer

4 Prof. Dr.-Ing. Andreas Wagner Fachhochschule Dortmund Rationelle Energieanwendung FB Elektrische Energietechnik SonnenstraBe Dortmund ISBN Die Deutsche Bibliothek - Cip-Einheitsaufnahme Wagner, Andreas: Photovoltaik-Engineering: die Methode der effektiven Solarzellen-Kennliniel Andreas Wagner. (VDI-Buch) ISBN ISBN (ebook) DOI / Dieses Werk ist urheberrechtlich geschutzt. Die dadurch begriindeten Rechte, insbesondere die der Obersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder Vervie1fâltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfâltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einze1fall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulassig. Sie ist grundsatzlich vergiitungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer-V erlag Berlin Heidelberg 1999 Urspriinglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1999 Softcover reprint of the hardcover 1 st edition 1999 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dab solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden diirften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.b. DIN, VDl, VDE) Bezug genommen oder aus ilmen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewahr fur die Richtigkeit, Vollstandigkeit oder Aktualitat iibernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls fur die eigenen Arbeiten die vollstandigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils giiltigen Fassung hinzuzuziehen. Einbandgestaltung: Struve & Partner, Heidelberg Satz: Reproduktionsfertige Vorlagen des Autors SPIN: / o - Gedruckt auf siiurefreiem Papier

5 Vorbemerkung Photovoltaische Stromversorgungssysteme sind heute (1999) keine exotischen Anlagen mehr, deren Funktionsflihigkeit in Demonstrationsanlagen erst noch bewiesen werden muß. Es gibt inzwischen mehr als 1000 Dächer in Deutschland, staatlich gefördert z.b. im,,1000-dächer-programm", auf denen photovoltaische Anlagen schon seit einigen Jahren Sonnenlicht in elektrische Energie wandeln und ins öffentliche Stromversorgungsnetz einspeisen. Das 1999 initiierte Dächer-Programm zeigt den politischen Willen, die Verbreitung von PV Systemen noch stärker zu fördern. Auch andere Anwendungen ohne Netzanschluß haben insbesondere in den sonnenreichen Ländern in Äquatornähe einen beachtlichen kommerziellen Erfolg. Diese erfreuliche Verbreitung photovoltaischer Anlagen wirft in der praktischen Anwendung neue Fragen auf, beispielsweise die folgende zur Qualitätskontrolle: Stimmt die Peakleistung des Solarmoduls? Wie kann aus einer Kennlinienmessung, die unter realen Umgebungsbedingungen durchgeführt wurde, die Datenblattangabe der Peakleistung, die nur unter sogenannten Standard-Testbedingungen gilt, kontrolliert werden? Standard-Testbedingungen treten in der realen Umgebungen praktisch nicht auf Eine Umrechnung der realen Meßergebnisse auf die Erwartungswerte der Ergebnisse bei Standard Testbedingungen mit einer ftir technische Praxisanwendungen geforderten Genauigkeit (besser als 5%) wäre hier eine Lösung. Der Autor des Buches stand Anfang der Achtziger-Jahre vor ähnlichen Problemen, als er in Projekten der Technischen Zusammenarbeit mit den Philippinen und Senegal bei der Erprobung und Verbreitung photovoltaischer Systeme tätig war. In Ermangelung geeigneter Fachliteratur wurden neue Methoden zur Berechnung des Solarzellenverhaltens unter realen Einstrahlungsbedingungen und Umgebungstemperaturen entwickelt. Insbesondere die Berechnung der Solarzellenkennlinie aus den Meßwerten Kurzschlußstrom Ise, Leerlaufspannung Uoe, Strom Ipmax und Spannung Upmax im Punkt maximaler Leistung war ohne aufwendige Iterationsmethoden mit einer Genauigkeit von 1 % möglich. Aufbauend auf diese Berechnungsmethode wurden weitere Lösungsmethoden ftir Aufgaben im Photovoltaik-Engineering entwickelt, die die Grundlage ftir das vorliegende Buch darstellen. Der Autor hofft, mit diesem Buch eine Lücke in der Berechnung der Solarzellenkennlinie zu schließen. Dank sagen möchte ich meiner Frau Helga, die mir in den Auslandsjahren und bei der Verfassung des Buches durch ihre Unterstützung und durch ihr Verständnis bei auftretenden Problemen diese Arbeit ermöglichte. Iserlohn, im Mai 1999 Andreas Wagner

6 Inhaltsverzeichnis Vorbemerkung... V Inhaltsverzeichnis... VII Liste der Formelzeichen... XI 1 Einführung Solares Strahlungsangebot Spektrum des Sonnenlichtes Astronomische Gegebenheiten Meteorologische Gegebenheiten Solargenerator Ersatzschaltbild und Kennlinie der Solarzelle Ideale Solarzelle Ersatzschaltbilder mit konzentrierten Elementen Effektive Solarzellen-Kennlinie Kennlinien-Gleichung Berechnung der Gleichungs-Parameter Approximationsfunktion für die Steigung M Berechnungsbeispiel zur effektiven Solarzellen-Kennlinie Verlustwiderstände Serien-Innenwiderstand Rs Fallbeispiel zur Rs-Berechnung Parallel-Innenwiderstand Rp Messung der Kennlinie Ausgewählte Prinzipschaltbilder zur Kennlinienmessung Realisierung eines Kennlinien-Meßgerätes Wirkungsgrad-Abhängigkeiten Abhängigkeit des Wirkungsgrades von der Bestrahlungsstärke Abhängigkeit des Wirkungsgrades von der Temperatur Die Zellentemperatur Experimentelle Ergebnisse zur Wirkungsgrad-Abhängigkeit Verlustbegrenzung durch Bypass-Diode Innere Anpassungsverluste im Solargenerator Verluste durch Staub-Belag... 84

7 VIII Inhaltsverzeichnis 4 Komponenten von PV-Systemen PV -Systeme mit Batterie-Speicher Batterie Betriebsverhalten der Batterie Batterie-Lebensdauer Laderegler Schutzfunktion und Anpassungsaufgabe Wirtschaftlicher Nutzen von Ladereglem Wechselrichter Verbraucher Dimensionierung von PV-Anlagen Dimensionierung des Solargenerators Dimensionierung der Batterie Defmition der Systemverrugbarkeit Verrugbarkeit als Zielgröße der Dimensionierung Einfluß der Batteriegröße auf die Verrugbarkeit Dimensionierung ausgewählter Anwendungen Solare Heimsysteme Dorfstromversorgungsanlagen Medizin-Kühlschrank Wochenendhaus Einfamilien-Wohnhaus Wirtschaftliche Bewertung von PV-Systemen Kosten-Annuitäten-Methode Sensitivitätsanalyse Wirtschaftliche Bewertung ausgewählter Anwendungen Einfamilien-Wohnhaus Netzeinspeiseanlage Kostendeckende Vergütung Staatliche Förderprogramme Dimensionierung von Hybrid-Systemen Kombination Solargenerator-Dieselgenerator Sensitivitätsanalyse Solarzellenpreis und Dieselpreis Erweiterung des Optimierungsverfahrens Inselanlage vs. Netzerweiterung Literaturverzeichnis

8 Inhaltsverzeichnis IX Anhang A.l Solares Strahlungsangebot A.l.1 Spektrum des Sonnenlichtes A1.2 Astronomische Gegebenheiten A1.3 Deklination Januar bis Juni A1.4 Deklination Juli bis Dezember A.1.5 Zeitgleichung Januar bis Juni Al.6 Zeitgleichung Juli bis Dezember Al.7 Meteorologische Gegebenheiten A.2 Solargenerator A2.1 Effektive Solarzellen-Kennlinie A.2.2 Normierte Effektiv-Kennlinienparameter A.2.3 Ermittlung der Kennwerte A2.4 Wirkungsgrad-Abhängigkeiten A.2.5 Match-Verluste A.3 Anlagenkomponenten A.3.1 Batterie (Bleiakkumulator) A.3.2 Wechselrichter A.4 Systemdimensionierung A.4.1 Täglicher Energiebedarf A.4.2 Dimensionierung der Batterie A.4.3 Dimensionierung des Solargenerators A4.4 Mittlere Verfügbarkeit A.5 Wirtschaftliche Bewertung A.5.1 Kostenannuitäten-Methode A5.2 Wiedergewinnungsfaktor WF A.5.3 Barwertfaktor BF A.5.4 Aufzinsungsfaktor qt

9 Liste der Formelzeichen A A a Solarzellen fläche Autonomiefaktor der Batterie Verfiigbarkeit mittlere Verfiigbarkeit AM AN an Air-Mass, relative Weglänge des Sonnenlichtes durch die Erdatmosphäre Annuität einer Investition (Indizes wie bei Investition) spezifische Annuität Annuität des gemeinsamen Anlagenteils C Kapazität Nennkapazität der Batterie Temperaturkoeffizient der maximalen Leistung d D E Eo ein Tag, täglich tägliche Entladetiefe der Batterie Bestrahlungsstärke 1000 W/m2 (Bestrahlungsstärke bei STC) 800 W/m 2 (Bestrahlungsstärke fiir NOCT) f FF G Funktion (allgemein), Wahrscheinlichkeitsdichte Füllfaktor täglich eingestrahlte Energiedichte (tägliche Einstrahlung)

10 XII Liste der Fonnelzeichen G G dim Geff HOG mittlere Einstrahlung Dimensionierungs-Einstrahlung effektive Dimensionierungs-Einstrahlung Lebensdauer des Dieselgenerators in Betriebsstunden normierter Strom I Strom 10 Sperrstrom Ib Batteriestrom 10 Diodenstrom lev Im in INbat INOG INGH IN GT IN inst IN sg Ipb Ipmax I sc K k), k 2 ko Eigenverbrauchs-Strom Kurzform ftlr Ipmax spezifische Investition Investition der Batterie Investition des Dieselgenerators Investition des Generatorhauses Investition des Montagegestells Investition der Installation Investition des Solargenerators Photostrom Strom im Punkt maximaler Leistung Kurzschlußstrom (engl. short circuit current) Stromgestehungskosten (EUR/kWh) Parameter ftlr den Wirkungsgradverlauf spezifischer Dieselpreis (EURIl)

11 Liste der Formelzeichen XIII ke Kgem Kres ks Ksg LK OG m Proportionalitätsfaktor Stromgestehungskosten des gemeinsamen Anlagenteils resultierende Kosten pro Kilowattstunde spezifischer Schmiermittelpreis (EUR/I) Stromgestehungskosten des Solargenerators laufende Kosten des Dieselgenerators normierte Steigung der Solarzellenkennlinie M Steigung der Solarzellenkennlinie bei 1=0 MPP NOCT n p nr P Maximum Power Point andere Bezeichnung für P max Nominal Operating Cell Temperature, Zellen-Betriebstemperatur, die sich bei T ambn und EN einstellt. Anzahl von Zellen in Parallelschaltung Anzahl von Zellen in Reihenschaltung Leistung p. Ausgangsleistung Pe Pein P eq Pev P max P N P pk PV Q Eingangsleistung einfallende Strahlungsleistung äquivalente Spitzenleistungskompensation Eigenverbrauchs-Leistung aktuelle Spitzenleistung einer Solarzelle Nennleistung Peak-Power, Nenn-Spitzenleistung der Solarzelle bei STC Photovoltaik, photovoltaisch Ladung

12 XIV Liste der Fonnelzeichen q Zins faktor 1 +z q mittlerer täglicher Trübungsfaktor durch Verstaubung r R RE R F R ib Rpv R s Rse Rsh Rn S SHS STC T t Nutzungsgrad einer Energiequelle Widerstand Emitterwiderstand Faraday-Widerstand Innenwiderstand der Batterie Photovoltaik-Widerstand Serienwiderstand Selbstentladungswiderstand Nebenwiderstand, Shunt ohmscher Widerstand Schalter Solar-Horne-System Standard Test Conditions Standardprüfbedingungen zur Ermittlung von P pk Lebensdauer Zeit T amb Umgebungstemperatur (ambient temperature ) T ambn T DG T GH 20 C (Umgebungstemperatur rur NOCT) Lebensdauer des Dieselgenerators in Jahren Lebensdauer des Generatorhauses T j Zellentemperatur (junction temperature ) T jo T N 25 C (Zellentemperatur bei STC) Nominal-Zellentemperatur (Alternative fiir NOCT)

13 Liste der Formelzeichen XV u U normierte Spannung Spannung Wechselspannung Batteriespannung Hilfsspannung Basis-Emitter-Spannung Ladeschlußspannung der Batterie Entladeschlußspannung der Batterie Diodenspannung Gleichspannung Kurzform für Upmax Nennspannung der Batterie Leerlaufspannung (engl. open circuit voltage) Spannung im Punkt maximaler Leistung Steuerspannung Ur Vo Temperaturspannung spezifischer Dieselverbrauch (l/kwh) spezifischer Schmiermittelverbrauch (Vb) W Energie Energiekapazität der Batterie täglich gelieferte Energie erzeugte Energie des Dieselgenerators elektrische Energie WF Wiedergewinnungsfaktor

14 XVI Liste der Formelzeichen W jahr Wnutz. W v W ver z Z ZT <I> Ei Eu TI Tllo TI a TI bat TI Ir Tlrel TI s Tlsp TI sr Tlwr Tlo Jahresenergiebedarf während eines Jahres genutzte Energie Energieverlust täglicher Energiebedarf (Energieaufnahme der Verbraucher) Kalkulationszinssatz Zyklenfestigkeit der Batterie Teilzyklenfestigkeit der Batterie Lichtfluß Streubreite der Ströme Streubreite der Spannungen Wirkungsgrad Wirkungsgrad bei 10 % der Nennleistung Wirkungsgrad bei 100 % der Nennleistung Anpassungswirkungsgrad Energiewirkungsgrad der Batterie Wirkungsgrad des Ladereglers relativer Wirkungsgrad Schaltungswirkungsgrad Schaltungswirkungsgrad bei Parallelschaltung Schaltungswirkungsgrad bei Reihenschaltung Wirkungsgrad des Wechselrichters Wirkungsgrad bei Nennbedingungen 0" Standardabweichung der Einstrahlung