Einfluss der Einstrahlungs-Häufigkeitsverteilung bei der Simulation von PV-Anlagen

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1 Tel.+49 ()3/ Fax+49 ()3/ Einfluss der Einstrahlungs-Häufigkeitsverteilung bei der Simulation von PV-Anlagen G. Valentin, R. Hunfeld, B. Gatzka Dr. Valentin EnergieSoftware GmbH, Stralauer Platz Berlin 19. Symposium Photovoltaische Solarenergie Kloster Banz

2 Zusammenfassung Simulationsprogramme für PV-Systeme arbeiten in der Regel nicht mit gemessenen Strahlungsdaten, sondern mit generierten Daten, die aus Monatsmittelwerten erzeugt wurden. Vergleicht man gemessene stündliche Strahlungswerte mit Werten, die synthetisch aus Monatswerten generiert wurden, stellt man fest, dass sich diese in der Häufigkeitsverteilung der Einstrahlung unterscheiden. Die Unterschiede werden sichtbar, wenn man die Häufigkeitsverteilungen gemessener und generierter Daten miteinander vergleicht. Hierzu werden die Einstrahlungen in Strahlungsklassen von zum Beispiel 25 W sortiert und aufsummiert. Bei gemessenen Werten zeigt sich in der Häufigkeitsverteilung eine geschwungene Kurve mit einer leichten Erhöhung bei niedriger Einstrahlung, ein Tal bei mittleren Einstrahlungen und eine Erhöhung bei hohen Einstrahlungen. Wetterdatensätze, die synthetisch aus Monatswerten generiert wurden, fehlen die Erhöhungen in der Häufigkeitsverteilung. Hier ergibt sich eine relativ glatte Glockenkurve. Diese Tendenz gilt für alle bekannten Strahlungsgeneratoren. Durch diese Unterschiede werden Wechselrichter in der Realität in anderen Teillastbereichen belastet als in der Simulation. In diesem Beitrag soll untersucht werden, welchen Einfluss diese Unterschiede auf die Simulationsergebnisse von PV*SOL haben. Hierbei sollen unter anderem folgende Aspekte berücksichtigt werden: Wie ändert sich der Einfluss auf das Simulationsergebnis bei unterschiedlichen Häufigkeitsverteilungen welchen Einfluss haben die Häufigkeitsverteilungen auf die Auslegung eines Wechselrichters Als Ergebnis der Untersuchungen ist festzuhalten, dass der Ertrag einer PV-Anlage durch die unterschiedlichen Charakteristika der Häufigkeitsverteilung der Einstrahlung bei stündlicher Auflösung nicht signifikant verändert wird. Simuliert man eine PV-Anlage mit stündlichen generierten Einstrahlungswerten und mit 5-minütigen gemessenen Werten, so ergibt sich eine Verschiebung des maximalen Ertrags bei unterschiedlichen Wechselrichterauslegungen von PWR/PGp von,75 auf,85 der STC-Leistung des Solargenerators.

3 Inhalt Aufbau von Strahlungsdateien Unterschiede von gemessenen und generierten Werten Einfluss auf den Energieertrag von Modulen Einfluss auf die Ausgangsleistung des Wechselrichters Einfluss der zeitlichen Auflösung von Strahlungswerten Fazit 2

4 Monatswerte der Einstrahlung als Datenbasis für die Generierung stündlicher Werte kwh/m² 16 Monatswerte der Einstrahlung Jan Mrz Apr Mai Ju n Jul Aug Okt Dez Zeitraum spez.einstrahlung auf Horizontale 1.1 kwh/m² 3 Langjährige Monatswerte der Einstrahlung werden als Grundlage für die Generierung von stündlichen Einstrahlungswerten verwendet. Generierte stündliche W erte als Eingangsgröße für die Simulation Stundenwerte der Einstrahlung kwh/m²,8,72,64,56,48,4,32,24,16,8, Di Mi Do Fr Sa So Mo Zeitraum spez.einstrahlung auf Horizontale 35 kwh/m² 4 Die stündlichen Werte der Einstrahlung sind die Datenbasis für die Berechnungen in Simulationsprogrammen.

5 Zeitliche Auflösung auf M inutenw erte M ittelung von M inutenwerten der Bestrahlung auf Stundenwerte Bestrahlung[W] Stundenwerte 5 Minutenwerte 6: 8: 1: 12: 14: 16: 18: Stunde Für den Vergleich von Simulationen mit unterschiedlicher Datenbasis der Einstrahlung werden neben generierten stündlich Werten der Einstrahlung auch gemessene 5-minütige Werte sowie aus diesen Messwerten gemittelte Stundenwerte verwendet. Häufigkeitsverteilung horizontal V ergleich der Häufigkeitsverteilung gem essener Minuten- und Stundenwerten mit generierten Stundenwerten bei Neigung (Heilbronn) Einstrahlung [kwh] Be strahlungs stärk e [W ] 1 M inu ten w erte Stundenw erte Meteonorm 4 7 Die Aufsummierung nach Strahlungsklassen von bis 1 in W/m² ergibt für die drei unterschiedlichen Datenbasen eine unterschiedliche Charakteristik des Verlaufs der Verteilung (Einstrahlungs-Häufigkeitsverteilung). Die gemessenen 5- Minutenwerte haben ihr Maximum bei höherer Einstrahlung als gemessene und generierte Stundenwerte. Die Fläche unter den drei Kurven bleibt jeweils gleich groß. Die Kurven gelten für eine horizontale Fläche.

6 Häufigkeitsverteilung 45% Neigung V ergleich der Hä ufigke itsverteilung ge m e sse ne r Minuten- und Stundenwerten m it generierten Stundenwerten bei 45 Neigung (Heilbronn) Einstrahlung [kwh] Bestrahlungsstärke [W] 1 Minutenw erte Stundenw erte Meteonorm 4 8 Wird die Häufigkeitsverteilung für eine geneigte Fläche von 45 Grad aufgetragen, so verstärken sich die Verschiebungen der Charakteristik zwischen generierten Stundenwerten und gemessenen 5- Minutenwerten der Einstrahlung. Simulationsprogramme verwenden ausschließlich generierte Stundenwerte und geben somit die Häufigkeitsverteilung der Einstrahlung nicht korrekt wieder. Leistungskennlinien eines monokristallinen Moduls Shell Solar GmbH Shell SM1-12 % W/m² rel. Wirkungsgrad C rel. Wirkungsgrad25 C rel. Wirkungsgrad5 C rel. Wirkungsgrad75 C 1 Der Einfluss der Höhe der Einstrahlung auf den Wirkungsgradverlauf bei kristallinen Modulen. Eine Verschiebung der Einstrahlungs- Häufigkeit auf niedrigere Werte bewirkt einen geringeren Wirkungsgrad und damit einen geringfügig geringeren simulierten Ertrag.

7 Kennlinie des W echselrichters SMA 5 MS % % 11 Der Wirkungsgrad verlauf moderner Wechselrichter wird bei hoher Leistung geringfügig geringer und bewirkt dadurch bei geringeren Einstrahlungen im relevanten Bereich eine eher höhere Ertragsberechnung. Leistungsbegrenzung des Wechselrichters Auswirkung einer Wechselrichterunterdimenisionierung auf de n Ertrag Einstrahlung[kWh] nicht genutzter Anteil genutzter Anteil Maximalleistung Wechselrichter Bestrahlungsstärke[W] 1 12 Durch die Leistungsbegrenzung des Wechselrichters bei einer Auslegung < STC Leistung des PV- Generators bewirken höhere Einstrahlungswerte einen höheren Anteil von nicht nutzbarer Leistung und damit einen geringeren simulierten Ertrag der PV-Anlage.

8 Einfluß der WR- Leistung auf den Ertrag bei stündl. Einstrahlung 9 Simulationen mit PV*SOL kwh/kwp ,5,1,15,2,25,3,35,4,45,5,55,6,65,7,75,8,85,9,95 1 1,5 1,1 1,15 1,2 1,25 1,3 1,35 1,4 1,45 P,Wechselrichter/PPeak Meteonorm stündliche Messwerte 13 Der Einfluss der gewählten Wechselrichterleistung hat bei der Simulation mit gemessenen sowie im Vergleich mit generierten Stundenwerten der Einstrahlung ab einer Größe der WR- Leistung von,8 zur STC Leistung des PV-Generators keine Auswirkungen Einfluß der WR- Leistung auf den Ertrag bei stündl. Einstrahlung Simulationen mit PV*SOL kwh/kwp ,5,1,15,2,25,3,35,4,45,5,55,6,65,7,75,8,85,9,95 1 1,5 1,1 1,15 1,2 P,Wechselrichter/PPeak Meteonorm stündliche Messwerte Minutenwerte 14

9 Einfluss der zeitl. Auflösung auf die Begrenzung des WR Auswirkung der Mittelung auf Stundenwerte der Bestrahlung auf die Wechselrichterdimensionierung Bestrahlung, Wechselrichterleistung[ W] Stundenwerte 5 Minutenwerte nicht genutzt Maximalleistung Wechselrichter 6: 8: 1: 12: 14: 16: 18: Stunde Die Leistungsbegrenzung des Wechselrichters wird bei 5-Minutenwerten der Einstrahlung häufiger erreicht als bei der Verwendung von aus diesen 5-Minutenwerten gemittelten Stundenwerten.

10 Einfluß der WR- Leistung auf den Ertrag bei stündl. Einstrahlung Simulationen mit PV*SOL kwh/kwp ,5,1,15,2,25,3,35,4,45,5,55,6,65,7,75,8,85,9,95 1 1,5 1,1 1,15 1,2 P,Wechselrichter/PPeak 15 Meteonorm stündliche Messwerte Minutenwerte Der Punkt des maximalen Ertrags verschiebt sich bei der Simulation mit 5- Minutenwerten auf eine Wechselrichtergröße von,85 der STC Generatorleistung gegenüber,75 bei einer Simulation mit generierten Stundenwerten.

11 Fazit 18 Die optimale relative WR-Leistung PWR/PGp liegt bei der Simulation von PV- Anlagen mit PV*SOL bei generierten Stundenwerten um ca. 1 Prozentpunkte niedriger als bei der Simulation mit 5 Minutenwerten. Der max. Ertrag einer PV-Anlage bei kristallinen Zellen wird bei 5- Minutenwerten erreicht bei PWR/PGp =,85 Der Wechsel der zeitlichen Auflösung der Einstrahlung von Stunden- auf Minutenwerte als Eingang für die Simulation ist durch geeignete Korrekturfunktionen auszugleichen.

12 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit PV*SOL rechnet für Nepal 19