Jürgen Schlabbach Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen 2. Auflage Rolf R. Cichowski (Hrsg.) Anlagentechnik für elektrische Verteilungsnetze Info
Jürgen Schlabbach Info zu Schlabbach, Jürgen: Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen, 2. Auflage. Frankfurt am Main:EW Medien und Kongresse GmbH 2011. www.ew-online.de Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen 2. Auflage 2011 Herausgeber Rolf Rüdiger Cichowski Anlagentechnik für elektrische Verteilungsnetze VDE VERLAG GMBH Berlin Offenbach EW Medien und Kongresse GmbH Frankfurt am Main Berlin Essen
Die Ratschläge und Empfehlungen dieses Buches wurden von Autoren und Verlag nach bestem Wissen und Gewissen erarbeitet und sorgfältig geprüft. Dennoch kann eine Garantie nicht übernommen werden. Eine Haftung der Autoren, des Verlages oder seiner Beauftragten für Personen-, Sach- oder Vermögensschäden ist ausgeschlossen. Info zu Schlabbach, Jürgen: Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen, 2. Auflage. Frankfurt am Main:EW Medien und Kongresse GmbH 2011. www.ew-online.de Auszüge aus DIN-Normen mit VDE-Klassifikation sind wiedergegeben mit Genehmigung 282.008 des DIN Deutsches Institut für Normung e. V. und des VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e. V. Maßgebend für das Anwenden der Normen sind deren Fassungen mit dem neuesten Ausgabedatum, die bei der VDE VERLAG GMBH, Bismarckstr. 33, 10625 Berlin, www.vde-verlag.de und der Beuth Verlag GmbH, Burggrafenstr. 6, 10787 Berlin erhältlich sind. 2011 EW Medien und Kongresse GmbH, Frankfurt am Main EW Medien und Kongresse GmbH Kleyerstraße 88 D-60326 Frankfurt am Main www.ew-online.de ISBN 978-3-8022-1052-5 vde verlag gmbh Bismarckstraße 33 D-10625 Berlin www.vde-verlag.de ISBN 978-3-8007-3340-8
Info zu Schlabbach, Jürgen: Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen, 2. Auflage. Frankfurt am Main:EW Medien und Kongresse GmbH 2011. www.ew-online.de Geleitwort zur Buchreihe Die Anlagentechnik in elektrischen Verteilungsnetzen ist seit jeher sehr vielfältig. Anlagen, Betriebsmittel und Bauteile vieler Jahrzehnte mischen sich mit neuen, hochmodernen Komponenten. Historisch gewachsene Kabel-, Freileitungs- und Beleuchtungsnetze unterschiedlichster Bauweisen bedürfen der sachgerechten wirtschaftlichen Erneuerung und Instandhaltung. Verfahren einer systematischen Zustandsbewertung und Dokumentation, eines optimierten Netzbetriebs und einer effizienten Instandhaltung bestimmen die Strategie vieler Netzbetreiber. So ändern sich gerade in den Verteilungsnetzen die technischen Anforderungen und äußeren Rahmenbedingungen rasant. Fundierte Kenntnisse der einzelnen Netzkomponenten und ihres Zusammenwirkens sind unverzichtbar. Wer aufhört zu lernen, ist alt! Er mag zwanzig oder achtzig sein! Mit diesem Ausspruch hat Henry Ford bereits zu seiner Zeit die Notwendigkeit der Weiterbildung unterstrichen und deren Bedeutung für den Einzelnen hervorgehoben. Um wie viel mehr ist beim derzeitigen Tempo des technischen Fortschritts Weiterbildung ein Gebot der Stunde. Wer heute einen technischen Beruf ausübt, sieht sich schnelllebigen Veränderungen mit ständig neuen Anforderungen ausgesetzt. Sein Wissen von heute ist morgen zum Teil schon überholt. Die Bereitschaft, lebenslang Lernender zu sein, ist für den Techniker Voraussetzung zum beruflichen Erfolg und für einen zukunftssicheren Arbeitsplatz. In den oft sehr praxisnahen Themen der Buchreihe sehe ich eine weitere wichtige Zielsetzung. Die gründliche und fundierte Ausbildung von Technikern und Ingenieuren legt sicher eine gute Basis für das Verständnis technischer Zusammenhänge. Sie liefert aber auch und dies ist vielleicht noch wichtiger die Methodenkompetenz, im späteren Berufsleben weitergehende technische Fragestellungen zu vertiefen und sich in Spezialgebiete einzuarbeiten. Neue Themen wie Energieeffizienz und Nutzung regenerativer Energien bestimmen nicht nur die öffentliche Diskussion, sondern schlagen sich auch in neuen und sich ändernden beruflichen Tätigkeiten nieder. So dient die vorliegende Fachbuchreihe sicher nicht nur der Weiterbildung, sie will auch dem Berufseinsteiger die Möglichkeit bieten, sein mehr theoretisches Wissen praxisnah auszurichten. 7
Info zu Schlabbach, Jürgen: Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen, 2. Auflage. Frankfurt am Main:EW Medien und Kongresse GmbH 2011. www.ew-online.de Für die Autoren der Buchreihe ergibt sich die Forderung nach möglichst effizienter Wissensvermittlung. So ist es ein Qualitätsmaßstab für jede Fachliteratur, dass sie nicht allein vom fachlichen Inhalt her korrekt ist, sondern sich auch durch übersichtliche Gestaltung und flüssigen, leicht verständlichen Stil auszeichnet. Die vorliegende Buchreihe orientiert sich an diesem Anspruch. Aus- und Weiterbildung ist für alle Unternehmen des Elektro- und Energiebereichs und deren Mitarbeiter eine Voraussetzung für ein erfolgreiches Agieren am Markt, auch unter veränderten energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen. Möge die vorliegende Buchreihe auch zukünftig so wie schon in den vergangenen zwei Jahrzehnten ihren Beitrag leisten zum Einstieg und zur Weiterbildung der in den elektrischen Verteilungsnetzen tätigen Praktiker. Dipl.-Ing. Thomas Niemand RWE Rheinland Westfalen Netz AG, Essen
Info zu Schlabbach, Jürgen: Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen, 2. Auflage. Frankfurt am Main:EW Medien und Kongresse GmbH 2011. www.ew-online.de Vorwort des Herausgebers der Fachbuchreihe Sehr geehrter Leser, lieber Fachkollege, Ihnen liegt die Fachbuchreihe Anlagentechnik für elektrische Verteilungsnetze vor. Sie haben sich für den Ihnen vorliegenden Band oder gar für die gesamte Fachbuchreihe entschieden und nutzen diese Bücher zur Unterstützung Ihrer praktischen Arbeit. Dafür gilt Ihnen von mir als Herausgeber dieser Fachbuchreihe mein herzlichster Dank, beweist Ihr Interesse doch, dass das Vorhaben, ein solches Werk für diesen Fachbereich schaffen zu wollen, richtig war. Die Anforderungen an elektrische Anlagen und Betriebsmittel für Verteilungsnetze nehmen ständig aus verschiedenen Bereichen zu, wie der Gesetzgebung, der Sicherheitstechnik, der Ökonomie, der Zuverlässigkeit des Umweltschutzes, der Raumplanung und der Kundenanforderungen. Die Technik der Verteilungsnetze und damit die Anlagentechnik in öffentlichen Netzen und in Industrienetzen ist schon längst nicht mehr eine statische Angelegenheit, sondern die Fachleute dieser Technik sind gefordert, ständig sich verändernden Gegebenheiten anpassen zu müssen. Selbstverständlich stehen bereits andere Fachbücher für elektrische Anlagen oder einzelne Betriebsmittel zur Verfügung. Mit dieser Fachbuchreihe möchten die Autoren, die Verlage und ich als Herausgeber Ihnen als Leser jedoch etwas Neues bieten: Die Thematik wird zusammenfassend als eine Fachbuchreihe angeboten, in der zum einen die wesentlichen Bestandteile der Anlagentechnik und zum anderen wichtige Tätigkeitsbereiche, wie die Qualitätssicherung, behandelt werden. Jeder Band ist für sich abgeschlossen und somit auch für den Leser einzeln anwendbar. Die Autoren sind jeweils Spezialisten der einzelnen Themenbereiche und stellen somit kompetent dem Leser ihr Wissen zur Verfügung. Die Fachbuchreihe kann dem Leser als Weiterbildungs- bzw. in ihrer Gesamtheit als Nachschlagewerk dienen. Auf theoretische Abhandlungen ist möglichst zugunsten von Darlegungen aus bzw. für die Praxis verzichtet worden. Es ist jeweils der neueste Stand der Technik berücksichtigt; alte Techniken werden nur erwähnt, wenn es zum Verständnis erforderlich erscheint. 9
Zur Unterstützung der verbalen Aussagen ist der Anteil an Fotos, Checklisten, Tabellen, Bildern und Textzusammenfassungen gegenüber anderen Fachbüchern erhöht worden. Die äußere Gestaltung als Taschenbuch ist bewusst so gewählt, damit dem Praktiker die Anwendung erleichtert wird. (Benutzen nicht nur am Schreibtisch, sondern u. U. auch in der Werkstatt, an der Baustelle oder im Gespräch mit anderen Fachkollegen.) Info zu Schlabbach, Jürgen: Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen, 2. Auflage. Frankfurt am Main:EW Medien und Kongresse GmbH 2011. www.ew-online.de Ich darf den Autoren für ihre intensive Arbeit und ihr Bemühen, aus der Praxis für die Praxis zu schreiben, recht herzlich danken. Mein Dank gilt auch den beiden Verlagen, die es meines Erachtens durch ihre Kooperation für dieses Werk erreicht haben, dass diese Buchreihe einen großen Leserkreis erreicht. Meinen besonderen Dank möchte ich der Verlagsleitung des VWEW Energieverlages (heute: EW Medien und Kongresse GmbH) aussprechen, die meine Idee zur Schaffung dieses Werkes nicht nur sofort aufgegriffen, sondern auch die praktische Umsetzung initiativ bis zum Erscheinen dieser Bücher betreuend begleitet hat. Für die redaktionelle bzw. organisatorische Bearbeitung sei Frau Junge krüger, EW Medien und Kongresse GmbH, gedankt. Rolf Rüdiger Cichowski Holzwickede 10
Vorwort Info zu Schlabbach, Jürgen: Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen, 2. Auflage. Frankfurt am Main:EW Medien und Kongresse GmbH 2011. www.ew-online.de Die vorliegende 2. Auflage des Buches Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen der Reihe Anlagentechnik trägt der wachsenden Bedeutung der Photovoltaik in der Ausführung elektrotechnischer Anlagen Rechnung. Der Beitrag der Photovoltaik zur Elektroenergieversorgung, obwohl nach wie vor gering, verzeichnete in den letzten Jahren große Zuwachsraten. Die Bedeutung für die Auslegung elektrischer Anlagen, für den Netzbetrieb und den wirtschaftlichen Einsatz aller Erzeugungsanlagen nimmt zu. Durch die Neufassung des EEG vom 11. August 2010 sind die verlässlichen Rahmenbedingungen für die weitere Entwicklung der netzgekoppelten photovoltaischen Energieerzeugung erhalten worden, die neuen Technischen Richtlinien für Erzeugungsanlagen am Niederspannungs- bzw. am Mittelspannungsnetz legen die technischen Mindestanforderungen auch von PV-Anlagen für den Betrieb in Netzen fest. Basierend auf grundlegenden Darstellungen des photovoltaischen Effektes und der solaren Strahlung als Quelle aller photovoltaischer Energieerzeugung, werden in den Hauptkapiteln die einzelnen Komponenten von netzgekoppelten Photovoltaikanlagen, Solarmodule und Wechselrichter, erläutert und ihr Betriebsverhalten dargestellt. Auslegungskriterien für das sinnvolle Zusammenwirken der beiden Hauptkomponenten werden ebenso behandelt wie Fragen zur Auslegung der Gleich- und Wechselstromleitungen, der Bewertung von Störaussendungen, des Netzanschlusses und des Überspannungsschutzes. Die rechtlichen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen, basierend auf dem EEG, werden ergänzend zu den technischen Kapiteln in knapper Form dargestellt. Einzelne Anwendungsbeispiele und die Darstellung einiger ausgewählter Projekte aus dem Arbeitsumfeld des Autors runden die Darstellungen ab. Für die Richtigkeit der Anlagen und etwaige, bei der Zusammenstellung entstandene Irrtümer wird keine Haftung übernommen. Die in diesem Buch angegeben Kommentare zu VDE-Bestimmungen, Normen, Verbandsempfehlungen und Richtlinien stellen lediglich die Meinung des Autors dar. 11
Info zu Schlabbach, Jürgen: Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen, 2. Auflage. Frankfurt am Main:EW Medien und Kongresse GmbH 2011. www.ew-online.de Allen Unternehmen und Personen, die durch ihre Unterstützung, durch Informationsmaterial und die Bereitschaft zu Messungen zum Gelingen dieses Buches beigetragen haben, sei an dieser Stelle herzlich gedankt. Besonderen Dank schulde ich Frau Dipl.- Ing. N. Hanke, Firma Schüco International KG, für die Unterstützung bei der Anfertigung der IR-Thermographiebilder, Herrn Kollegen Prof. Dr. H. Häberlin, Berner Fachhochschule in Burgdorf/ Schweiz, für die Überlassung von Messergebnissen hochfrequenter Störaussendungen und der Firma Schüco International für einige Messwerte zu solaren Strahlung in Bielefeld. Studentinnen und Studenten aus meinem Arbeitsgebiet, heute als Ingenieurinnen und Ingenieure in der Industrie tätig, haben im Rahmen ihrer studentischen Arbeiten viele Anwendungsbeispiele erarbeitet. Hierfür allen meinen herzlichen Dank. Letztendlich möchte ich mich bei den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Verlages EW Medien und Kongresse für die wie immer sehr gute Zusammenarbeit bedanken. Falls Sie Fehler im Buch entdecken, schicken Sie mir einen Hinweis per Email. Korrekturen zum Fachbuch finden Sie unter www.fh-bielefeld.de/fb3/labor-ev. Bielefeld, im Januar 2011 Jürgen Schlabbach juergen.schlabbach@fh-bielefeld.de 12
Inhalt Info zu Schlabbach, Jürgen: Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen, 2. Auflage. Frankfurt am Main:EW Medien und Kongresse GmbH 2011. www.ew-online.de 1 Einführung 17 1.1 Grundlagen der solaren Strahlung 17 1.2 Globalstrahlung, Direktstrahlung, Himmelsstrahlung 19 1.3 Strahlung auf die geneigte Fläche 28 1.4 Regionale Verteilung der solaren Strahlung 31 2 Grundlagen der Photovoltaik 37 2.1 Bändermodell und photovoltaischer Effekt 37 2.2 Ersatzschaltbild der PV-Zelle, Strom-Spannungs-Kennlinien 46 2.3 Kennlinien für unterschiedliche Strahlungsdichte und Temperatur 53 2.3.1 Abhängigkeit von der Strahlungsdichte 53 2.3.2 Einfluss der Zellentemperatur 55 2.3.3 Einfluss von Temperatur und Strahlung auf die Leistung 57 2.3.4 Spektraler Wirkungsgrad 60 2.4 Typen von Solarzellen 62 2.4.1 Kristalline Siliziumzellen 62 2.4.2 Amorphe Siliziumzellen 65 2.4.3 Dünnschicht-Zellen 66 2.4.4 Andere Photovoltaikzellen und Zelltechnologien 67 3 Aufbau und Betriebsverhalten von Photovoltaikanlagen 70 3.1 Allgemeines 70 3.2 Verhalten einer Reihenverschaltung bei Verschattung 74 3.3 Parallelverschaltung von Modulen 77 3.4 Weitere elektrische Komponenten in PV-Anlagen 80 13
3.5 Fehlanpassungen (Mismatch) von Modulen und Strings 80 3.5.1 Definition 80 3.5.2 Fertigungsbedingte Toleranzen 80 3.5.3 Alterungsbedingten Kennlinienänderungen 81 3.5.4 Strahlungsinhomogenitäten 82 3.5.5 Temperaturbedingte Abweichungen der Arbeitspunkte 87 Info zu Schlabbach, Jürgen: Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen, 2. Auflage. Frankfurt am Main:EW Medien und Kongresse GmbH 2011. www.ew-online.de 4 Wechselrichter in PV-Anlagen 89 4.1 Allgemeines 89 4.2 Netzgeführte Stromrichter 90 4.3 Selbstgeführte Stromrichter 93 4.3.1 Allgemeines 93 4.3.2 Pulsweitenmodulation 93 4.4 Gleichspannungswandler 96 4.4.1 Tiefsetzsteller 96 4.4.2 Hochsetzsteller 98 4.5 Wechselrichter in PV-Anlagen 100 4.5.1 Allgemeines 100 4.5.2 Funktioneller Aufbau von PV-Wechselrichtern 103 4.6 Wechselrichter-Wirkungsgrad 104 5 Elektrisches Betriebsverhalten von PV-Anlagen 113 5.1 Wechselrichterkonzepte 113 5.2 MPP-Tracking 115 5.2.1 Allgemeines 115 5.2.2 Indirektes MPP-Tracking 117 5.2.3 Direkte MPP-Tracker 117 5.3 Auslegung des Wechselrichters 120 5.3.1 Bereich des MPP-Tracking 120 5.3.2 Leistungsbereich und Wirkungsgrad 123 5.4 Netzüberwachung 124 5.5 Verschiebungsfaktor, Leistungsmanagement 126 14
Info zu Schlabbach, Jürgen: Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen, 2. Auflage. Frankfurt am Main:EW Medien und Kongresse GmbH 2011. www.ew-online.de 6 Auslegung von PV-Anlagen 129 6.1 Randbedingungen 129 6.2 Modulverschaltung und Wechselrichterkonzept 133 6.2.1 Reihen- und Parallelschaltung, Teilgeneratoren 133 6.2.2 Auslegung des Wechselrichters nach der Spannung 136 6.2.3 Auslegung des Wechselrichters nach der Leistung 138 6.3 Aufstellungort 142 6.4 Auslegung der DC-Leitungen 143 6.4.1 Allgemeines 143 6.4.2 Eingekoppelte Blitzüberspannungen und Spannungsfestigkeit 143 6.4.3 Strombelastbarkeit 145 6.4.4 Auslegung von Strangsicherungen 148 6.4.5 Minimierung der Verluste 148 6.5 Auslegung der AC-Leitung 150 6.6 Anschlusskasten 150 6.7 Fehlerstrom-Schutzeinrichtung 151 6.8 Erdung und Blitzschutz von Photovoltaikanlagen 152 6.8.1 Erdung allgemein 152 6.8.2 Erdung aktiver Teile 152 6.8.3 Blitzschutz 155 7 Netzanschluss von PV-Anlagen 161 7.1 Rechtliche Rahmenbedingungen 161 7.2 Netzanschlussbedingungen Netzbetrieb 166 7.2.1 Allgemeine Angaben 166 7.2.2 Kurzschlussströme und Schutzeinrichtungen 166 7.2.3 Blindleistungskompensation 169 7.2.4 Dynamische Netzstützung 174 7.2.5 Wirkleistungsreduzierung und Leistungsfrequenzregelung 177 7.3 Netzrückwirkungen 179 7.3.1 Zuschaltbedingte Spannungsänderungen, Spannungsanhebung 180 7.3.2 Oberschwingungen und Zwischenharmonische 181 7.3.3 Spannungsschwankungen und Flicker 189 15
Info zu Schlabbach, Jürgen: Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen, 2. Auflage. Frankfurt am Main:EW Medien und Kongresse GmbH 2011. www.ew-online.de 7.3.4 Spannungsunsymmetrie 190 7.3.5 Kommutierungseinbrüche 191 7.3.6 Hochfrequente Störaussendungen 192 7.4 Beispiele 195 7.4.1 Störaussendungen von PV-Anlagen 195 7.4.2 Überlagerung von Oberschwingungsströmen 197 7.4.3 HF-Störspannungen 199 7.4.4 Einfluss der Netzüberwachung auf die Störaussendung 201 7.4.5 Flicker durch PV-Anlagen 203 8 Entwicklung der Photovoltaik, Rahmenbedingungen 204 8.1 Installierte Leistung, erzeugte Energie, wirtschaftliche Bedeutung 204 8.2 Rahmenbedingungen und Fördermöglichkeiten 206 8.2.1 Allgemeines 206 8.2.2 Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) 207 8.2.3 Weitere Fördermöglichkeiten 209 8.3 Überlegungen zur Wirtschaftlichkeit 210 8.3.1 Grundsätzliches 210 8.3.2 Kreditfinanzierung 211 8.3.3 Investitionsvergleichsrechnung 212 9 Projektbeispiele 215 9.1 Photovoltaikanlage für ein Einfamilienhaus 215 9.2 PV-Anlage für ein landwirtschaftliches Wirtschaftsgebäude 219 9.3 Kleinanlage auf einem Runddach 221 Literaturverzeichnis 226 Anhang Normen im Bereich Photovoltaik 231 Stichwortverzeichnis 237 16
1 Einführung 1.1 Grundlagen der solaren Strahlung Info zu Schlabbach, Jürgen: Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen, 2. Auflage. Frankfurt am Main:EW Medien und Kongresse GmbH 2011. www.ew-online.de Grundlage für die Nutzung solarer Strahlung, z.b. mittels Photovoltaik, ist die Abstrahlung von Materie und elektromagnetischer Strahlung durch die Sonne mit Wellenlängen zwischen 10-20 m für kosmische Ultrastrahlung und 10 6 m für Hochfrequenzstrahlung. Die Strahlungsleistung wird aber nicht gleichmäßig über das gesamte Strahlungsspektrum ausgesandt, sondern hat sein Maximum bei etwa 500 nm, zwischen blauem und grünem Licht. Im Wellenlängenbereich 300 nm (mittleres UV-Licht) bis 1500 nm (nahes oder kurzwelliges Infrarotlicht) strahlt die Sonne etwa 90% der gesamten Strahlungsleistung ab. Näherungsweise kann das Strahlungsverhalten der Sonne mit dem eines schwarzen Körpers mit der Temperatur T S = 5762 K erläutert werden. Die solare Strahlung G S, bzw. hier die Strahlungsdichte, berechnet sich gemäß dem Stefan-Boltzmann-Gesetz nach Gl. (1.1a). Mit A S D S σ T S Sonnenoberfläche Sonnendurchmesser D S = 1,39 Mio. km Stefan-Boltzmann-Konstante Temperatur der Sonnenoberfläche T S = 5762 K ergibt sich die solare Strahlungsdichte G S nach Gl. (1.1b). (1.1a) (1.1b) Im Mittel benötigt die Erde ein Jahr für ihre Bahn um die Sonne. Der Abstand zwischen Erde und Sonne schwankt dabei zwischen 147,1 Mio. km (Perihel) und 152,1 Mio. km (Aphel). Setzt man als mittleren Abstand Erde-Sonne die Größe der astronomischen 17
Einheit AE ein, so ergibt sich die Strahlungsdichte G 0 am äußersten Rand der Atmosphäre nach Gl. (1.2a) Mit (1.2a) Info zu Schlabbach, Jürgen: Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen, 2. Auflage. Frankfurt am Main:EW Medien und Kongresse GmbH 2011. www.ew-online.de AE mittlerer Abstand Erde-Sonne berechnet sich die Solarkonstante G 0, eine Strahlungsdichte, nach Gl. (1.2b) (1.2b) Bild 1.1 zeigt die spektrale Leistungsdichte der solaren Strahlung am äußersten Atmosphärenrand im Wellenlängenbereich 200 nm und 4000 nm. Bild 1.1 Spektrale Leistungsdichte der solaren Strahlung am äußersten Atmosphärenrand im Wellenlängenbereich 200 nm bis 4000 nm 18
Merke Die größte Leistungsdichte der solaren Strahlung liegt im Bereich des sichtbaren Lichtes. Info zu Schlabbach, Jürgen: Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen, 2. Auflage. Frankfurt am Main:EW Medien und Kongresse GmbH 2011. www.ew-online.de Durch den Einfluss der Sonnenflecken und den veränderlichen Abstand Erde-Sonne im Verlauf eines Jahres variiert die Solarkonstante zwischen 1293 W/m 2 und 1412 W/m 2 [1.3]. Andere Quellen nennen einen leicht abweichenden Bereich zwischen 1322 W/m 2 und1414 W/m 2 [1.1] bzw. 1325 W/m 2 und1412 W/m 2 [1.2]. 1.2 Globalstrahlung, Direktstrahlung, Himmelsstrahlung Beim Auftreffen auf bzw. Durchgang durch die Atmosphäre wird die solare Strahlungsdichte durch Reflexion, Absorption, Extinktion und Streuung abgeschwächt. Dabei erfahren die einzelnen Wellenlängenbereiche unterschiedliche Abschwächungen. Strahlung mit kleinen Wellenlängen bis etwa 10-7 m (kurzwellige UV- Strahlung, Röntgenstrahlung und Ultrastrahlung) wird nahezu vollständig absorbiert, ebenso ist die Atmosphäre im Bereich 10-5 m (langwelliges Infarot) bis 10-1 m (UKW-Strahlung) und für Wellenlängen ab 10 2 m (Mittelwellen- und Langwellenstrahlung) nahezu undurchlässig. Für die Nutzung der solaren Strahlung stehen auf der Erde daher nur zwei sogenannte optische Fenster zur Verfügung, Fenster 1 im Bereich des sichtbaren Lichtes und nahen Infrarot sowie Fenster 2 im Bereich der Kurzwellenstrahlung. Betrachtet man die Leistungsdichte der solaren Strahlung in den beiden optischen Fenstern, so kommt für eine sinnvolle technische Nutzung lediglich Fenster 1 mit einer Leistungsdichte von etwa 10 3 W/m 2 in Betracht. Bild 1.2 zeigt die Lage der optischen Fenster und die zugehörige Leistungsdichte. Reflexion der Strahlung tritt nur im geringen Maß am Atmosphärenrand auf, vornehmlich aber an Wolken in Höhen bis zu 12 km, und an der Erdoberfläche. Diese Rückstrahlung der Erde bezeichnet man als Albedo, sie beträgt im Mittel etwa 28% und ist stark von der Jahreszeit, der Tageszeit, der geographischen Lage, der Art der rückstrahlenden Oberfläche und der Wolkenbildung abhängig. 19
Info zu Schlabbach, Jürgen: Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen, 2. Auflage. Frankfurt am Main:EW Medien und Kongresse GmbH 2011. www.ew-online.de Bild 1.2 Optische Fenster und Leistungsdichte der solaren Strahlung [nach 1.3] a, oben: Gesamter Frequenzbereich der solaren Strahlung b, rechts: Optisches Fenster 1 (Bereich des sichtbaren Lichts) 20
Info zu Schlabbach, Jürgen: Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen, 2. Auflage. Frankfurt am Main:EW Medien und Kongresse GmbH 2011. www.ew-online.de Im Bereich der Stratosphäre zwischen etwa 17 km und 70 km erfolgt Absorption durch Ozon (O 3 ). Abhängig von der Ozonkonzentration und der Dicke der Ozonschicht werden bis zu 4% der Strahlungsleistung, überwiegend im Bereich des ultravioletten Lichtes, aber auch im Bereich des sichtbaren Lichtes absorbiert. Absorption erfolgt auch an anderen atmosphärischen Bestandteilen wie Wasser, Eis, Wasserdampf (H 2 O), Sauerstoff (O 2 ) und Kohlendioxid (CO 2 ) sowie durch Dunst- und Staubteilchen in unterschiedlicher Höhe und bei verschiedenen Wellenlängen. Zu erwähnen sind hier insbesondere die Absorptionen im Bereich des infraroten Lichtes durch Wasserdampf bis etwa 2000 nm und durch Kohlendioxid im Bereich ab etwa 1400 nm bis 2800 nm, die sich zum Teil als Extinktionslinien (Auslöschung) im Spektrum der solaren Strahlung darstellen, siehe auch Bild 1.3. Andere Gase wie Methan (CH 4 ), Kohlenmonoxid (CO), Lachgas (N 2 O) und Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe (FCKW) tragen ebenfalls zur Absorption von Strahlung bei. Merke Die Atmosphäre filtert die solare Strahlung durch Sauerstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf und andere Bestandteile. 21
4 Wechselrichter in PV-Anlagen 4.1 Allgemeines Info zu Schlabbach, Jürgen: Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen, 2. Auflage. Frankfurt am Main:EW Medien und Kongresse GmbH 2011. www.ew-online.de Photovoltaik-Anlagen zum Anschluss an Drehstrom- und Wechselstromnetze benötigen Wechselrichter, um die auf Gleichspannung erzeugte Energie in das Netz einzuspeisen. In Photovoltaikanlagen für Gleichstromnetze werden u.u. DC/DC-Wandler zur Anpassung und Regelung der Gleichspannung benötigt. Je nach Anwendung kommen Wechselrichter mit Leistungen von einigen Watt für DC/AC-Wandler bis in den MW-Bereich für Zentralwechselrichter von Photovoltaik-Großanlagen zum Einsatz. Bedingt durch die Notwendigkeit, Photovoltaik-Anlagen auf den Punkt maximaler Leistung (MPP) zu regeln, ist eine elektronische Nachführung des Arbeitspunktes, MPP-Tracking genannt, erforderlich. Die entsprechende Funktionalität ist typischerweise im Wechselrichter bzw. im DC/AC-Wandler integriert. Generell unterscheidet man Stromrichter nach der Funktion zwischen Gleichrichtern, Wechselrichtern, Gleichspannungswandlern und Frequenzumrichtern, dem Steuerverfahren, wobei fremdgeführte Stromrichter, auch als netzgeführt bezeichnet, für die Weiterschaltung der Stromführung von einem Ventil auf das nächste, Kommutierung genannt, eine Gegenspannung benötigen bzw. selbstgeführte Stromrichter, die für die Kommutierung keine Gegenspannung benötigen, dem Aufbau, insbesondere bei Frequenzumrichtern und DC/ DC-Wandlern, die mit und ohne Zwischenkreis (Strom- oder Spannungszwischenkreis) ausgeführt sein können, den Störaussendungen, wobei zu unterscheiden ist, ob es sich bei den Störaussendungen um eingeprägte Oberschwingungsströme oder eingeprägte Oberschwingungsspannungen handelt. Die Art des Stromrichters hat entscheidenden Einfluss auf sein Betriebsverhalten am Netz, insbesondere in Bezug auf den Blind- 89
leistungsbedarf, die Regelbarkeit der Blindleistung sowie die Störaussendungen im Bereich von Oberschwingungen und Zwischenharmonischen. Näheres ist in [4.1] ausgeführt. 4.2 Netzgeführte Stromrichter Info zu Schlabbach, Jürgen: Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen, 2. Auflage. Frankfurt am Main:EW Medien und Kongresse GmbH 2011. www.ew-online.de Netzgeführte Stromrichter benötigen für die Kommutierung Blindleistung, die durch Kompensationseinrichtungen bereitgestellt oder aus dem Netz entnommen werden muss. Die Blindleistung setzt sich zusammen aus den Grundschwingungsblindleistungen für Steuerung und Kommutierung, sowie aus der Verzerrungsleistung, welche die erzeugten Oberschwingungsströme mit den entsprechenden Oberschwingungsspannungen umsetzen. Die bei netzgeführten Stromrichtern generierten Oberschwingungsströme sind durch den Aufbau und die Aussteuerung des Stromrichters hinsichtlich Frequenz und Betrag weitgehend festgelegt. Zwischenharmonische treten im quasistationären Betrieb nicht auf. Allerdings kann es bei Umrichtern, die auf der Netzseite als netzgeführte, auf der Lastseite als selbstgeführte Stromrichter ausgeführt sind, zur Übertragung von zwischenharmonischen Strömen oder Spannungen über den Zwischenkreis auf die Netzseite kommen. Große Verbreitung in der industriellen Anwendung haben Drehstrombrückenschaltungen gefunden, die als ungesteuerte und gesteuerte Schaltungen mit sechs, zwölf oder höherer Pulszahl aufgebaut sein können. Der grundsätzliche Aufbau einer sechspulsigen gesteuerten Drehstrombrückenschaltung mit Thyristoren ist in Bild 4.1 dargestellt. Wenn die Last im Gleichstromkreis nahezu induktiv ist, fließt in den einzelnen Thyristorzweigen ein Gleichstrom für jeweils ein Drittel der Periodendauer, in den anderen Leitern jeweils um ein Drittel der Periodendauer versetzt. Diese Ströme fließen auch in den netzseitigen Zuleitungen der Drehstrombrücke. Die Fourier- Analyse des Stromverlaufs der Drehstromseite liefert Oberschwingungen der Ordnung ν nach Gl. (4.1). (4.1) 90
Info zu Schlabbach, Jürgen: Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen, 2. Auflage. Frankfurt am Main:EW Medien und Kongresse GmbH 2011. www.ew-online.de Bild 4.1 Drehstrombrückenschaltung mit Thyristoren [4.2] a, oben: Schaltbild b, unten: Verlauf von Strömen und Spannungen 91
mit n = 1,2,3,... und der Pulszahl p, die angibt, wie viele Kommutierungen während einer Netzperiode auftreten. Der Betrag der Oberschwingungen kann nach Gl. (4.2) abgeschätzt werden. mit I 1 dem Effektivwert der Grundschwingung nach Gl. (4.3) (4.2) Info zu Schlabbach, Jürgen: Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen, 2. Auflage. Frankfurt am Main:EW Medien und Kongresse GmbH 2011. www.ew-online.de (4.3) wobei I d der Effektivwert des Gleichstromes der Lastseite ist. Da die Reaktanzen des speisenden Netzes den Stromanstieg der netzseitigen Leiterströme begrenzen, verringern sich die in Gl. (4.2) angegebenen Oberschwingungsströme. Weiterhin reduziert die Welligkeit des Gleichstromes den Betrag der Oberschwingungen für Ordnungen ν > 5. Die fünfte Oberschwingung ist meist deutlich stärker ausgeprägt, als nach Gl. (4.2) ermittelt wird. Merke Netzgeführte Wechselrichter erzeugen keinen sinusförmigen Strom auf der AC-Seite. Der Strom ist oberschwingungsbehaftet. Bild 4.2 92 Grundsätzlicher Aufbau eines dreiphasigen Spannungs-Umrichters
6 Auslegung von PV-Anlagen 6.1 Randbedingungen Info zu Schlabbach, Jürgen: Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen, 2. Auflage. Frankfurt am Main:EW Medien und Kongresse GmbH 2011. www.ew-online.de Vor Beginn von elektrotechnischen Planungen und Auslegungen der PV-Anlage ist eine Datenaufnahme der baulichen Gegebenheiten vor Ort, wenn es sich um einen Neubau handelt an Hand der Planlage, durchzuführen. Dabei sind die Größe der verfügbaren Dachfläche, die Ausrichtung und der Neigungswinkel der Dachfläche sowie mögliche Verschattungen durch Dacheinbauten wie Gauben, Schornsteine sowie Verschattungen durch benachbarte Gebäude und Bäume zu ermitteln und in einer Planskizze festzuhalten. Bei Fassadenanlagen sind Ausrichtung der Fassade, Fensterflächen, Abstände und Höhen der Nachbargebäude aufzunehmen. Weiterhin ist festzulegen, ob die PV-Anlage als Dach- oder Fassadenintegration, ggfls. mit Hinterlüftung oder auf die vorhandene Dachhaut oder vor die vorhandene Fassade montiert werden soll. Bild 6.1 Katasterplanausschnitt zur Ermittlung der Lage des Gebäudes 129
Beispielhaft werden einige Angaben für ein Projekt zur Errichtung einer PV-Anlage auf einem landwirtschaftlichen Gebäude (Hof Bönder, Herford-Diebrock) angegeben. Bild 6.1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Katasterplan zur Ermittlung der Ausrichtung (Azimut) des Gebäudes, in Bild 6.2 ist die Ansicht der Dachfläche, in Bild 6.3 die Giebelansicht des landwirtschaftlichen Gebäudes zur Ermittlung der Dachneigung dargestellt. Info zu Schlabbach, Jürgen: Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen, 2. Auflage. Frankfurt am Main:EW Medien und Kongresse GmbH 2011. www.ew-online.de Bild 6.2 Süd-Südostansicht des landwirtschaftlichen Gebäudes Bild 6.3 130 Giebelansicht mit Vermaßung
Info zu Schlabbach, Jürgen: Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen, 2. Auflage. Frankfurt am Main:EW Medien und Kongresse GmbH 2011. www.ew-online.de Es ergeben sich für die in Frage kommende Dachfläche folgende Daten: Azimut = -42 Dachneigung = 44 Gebäudebreite b = 30 m Ortgang l = 11 m Bei Anlagen auf Flachdächern oder bei Freiflächenaufstellungen spielen Ausrichtung und Neigungswinkel der Aufstellungsfläche keine Rolle. Hier kann mittels geeigneter Auslegungsprogramme die optimale Ausrichtung und Neigung der Module festgelegt werden. Eine optimale Ausrichtung hat entscheidenden Einfluss auf die zu erwartende Energieerzeugung der PV-Anlage und damit auf die Wirtschaftlichkeit der Investition. Bild 6.4 zeigt den Einfluss von Ausrichtung (Azimut) und Neigungswinkel einer PV- Anlage mit einer installierten Leistung von P rac = 5 kw auf die jährliche Energieerzeugung (Angaben in kwh/m 2 ). Die Größe der verfügbaren Fläche ist maßgeblich für die zu installierende Leistung der PV-Anlage. Je nach verwendeter Technologie, d. h. in diesem Fall Material der PV-Zellen, sind Leistungen zwischen 50 W/m 2 (amorphes Si) bis zu 150 W/m 2 (Hochleis- Bild 6.4 Jährliche Energieerzeugung (Angaben in kwh/m 2 ) einer Photovoltaikanlage mit einer installierten Leistung P rac = 5 kw in Abhängigkeit von Azimut und Neigungswinkel [6.1]. 131
Info zu Schlabbach, Jürgen: Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen, 2. Auflage. Frankfurt am Main:EW Medien und Kongresse GmbH 2011. www.ew-online.de tungszellen aus monokristallinem Si) möglich. Man benötigt also für eine installierte Leistung von P rpv = 1 kw je nach Zellmaterial zwischen 6 m 2 (msi) und 15 m 2 (asi). Zu beachten ist bei der Auslegung, dass die verfügbare Fläche nur dann optimal genutzt werden kann, wenn deren Abmessungen Vielfache von Höhe und Breite von Standardmodulen sind. Maßanfertigungen von Modulen sind möglich aber entsprechend teurer als Module mit Standardabmessungen. Aus architektonischen Gründen kann es aber u. U. erforderlich sein Sonderabmessungen von Modulen zu verbauen, um ein einheitliches und geschlossenes Erscheinungsbild der PV-Anlage auf dem Dach oder an der Fassade zu erreichen. Nicht unwesentlich für die Auslegung und die Ertragsberechnung einer Photovoltaikanlage sind Verschattungen der Anlage z.b. durch Bäume, Schornsteine und Nachbargebäude. Inwieweit ein Objekt die Bestrahlungsstärke auf die Empfangsfläche beeinträchtigt, hängt von dessen Höhe, Breite, Entfernung und seinem Azimut in Bezug auf einen Beobachterpunkt ab. Als Beobachterpunkt wählt man meist den untersten Punkt der Empfangsfläche, der erfahrungsgemäß die größte Abschattung erfährt. Die Abschattungseffekte sind im Winter wegen des geringen Sonnenhöhenwinkels stärker als im Sommer. Um darzustellen, in welchen Monaten und zu welcher Zeit die PV-Empfangsfläche abgeschattet ist, kann man die Objekte, die Verschattungen hervorrufen können, in das Sonnenbahndiagramm übertragen (siehe Kapitel 1.3 und Kapitel 9.1). Da nicht die Höhe eines Objekts direkt, sondern der Höhenwinkel zwischen der Horizontalen und dem höchsten Punkt des Hindernisses in das Sonnenbahndiagramm eingetragen wird, müssen der Abstand des Objekts d und die Höhendifferenz h zwischen Bezugspunkt und höchstem Punkt des Hindernisses bekannt sein, wie in Bild 6.5 dargestellt. Der zugehörige Höhenwinkel γ kann nach Gl. (6.1) berechnet werden. (6.1) Ein Beispiel für die Verschattungsanalyse ist in Kapitel 9 enthalten. 132
Info zu Schlabbach, Jürgen: Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen, 2. Auflage. Frankfurt am Main:EW Medien und Kongresse GmbH 2011. www.ew-online.de Bild 6.5 Bestimmung des Höhenwinkels γ für die Verschattungsanalyse Merke Eine sorgfältige Datenaufnahme vor Ort ist zwingende Grundlage für jede Planung und Projektierung von PV-Anlagen. 6.2 Modulverschaltung und Wechselrichterkonzept 6.2.1 Reihen- und Parallelschaltung, Teilgeneratoren Die Verschaltung der Module zum PV-Generator kann in Reihenoder Parallelschaltung oder als Kombination von beiden erfolgen. Dabei ist zu beachten, dass dies nur in enger Abstimmung mit der Wechselrichterauswahl erfolgen kann, da Spannungs- und Stromeingangsbereiche bei vorgegebener Leistung des Wechselrichters durch das Verschaltungskonzept der Solarmodule festgelegt sind. Weiterhin ist der zu erwartende Mismatch der Module bzw. der Modulanordnung (siehe Kapitel 3.6) zu berücksichtigen. Eine Reihenschaltung sollte demnach möglichst nur Module in gleicher horizontaler Anordnung umfassen. Weiterhin müssen die Module gleiche Größe aufweisen, um bei einheitlichen Strahlungsbedingungen den gleichen Strom zu erzeugen. Sind Standardmodule zusammen mit Sonderanfertigungen gemeinsam im 133
8 Entwicklung der Photovoltaik, Rahmenbedingungen 8.1 Installierte Leistung, erzeugte Energie, wirtschaftliche Bedeutung Info zu Schlabbach, Jürgen: Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen, 2. Auflage. Frankfurt am Main:EW Medien und Kongresse GmbH 2011. www.ew-online.de Photovoltaische Energieerzeugung mit Netzkopplung ist der am stärksten wachsende Bereich der Nutzung erneuerbarer Energiequellen. Aus kleinen unbedeutenden Anfängen in den Achtziger Jahren des vorigen Jahrhunderts sind heute in Deutschland (Angaben Ende August 2010) [8.1] und [8.2] netzgekoppelte Anlagen mit einer installierten Leistung von ca. 14.680 MW installiert. Neben Kleinanlagen im Bereich bis zu wenigen kw zum Anschluss an das Niederspannungsnetz werden auch zunehmend Großanlagen mit Leistungen im MW-Bereich zum Anschluss an das Mittelspannungsnetz gebaut. Die Erzeugung elektrischer Energie aus netzgekoppelten Photovoltaikanlagen betrug im Jahr 2009 ca. 6,2 TWh. Die Entwicklung der installierten Leistung netzgekoppelter Photovoltaikanlagen in Deutschland ist in Bild 8.1 dargestellt. Einen deutlichen Schub in Bezug auf die installierte Leistung ist durch das EEG vom April 2000, insbesondere aber durch die EEG-Novelle vom August 2004 erzielt worden. Insgesamt beträgt der Anteil netzgekoppelter Photovoltaikanlagen (Angaben Ende 2009 aus [8.2]) 21,2% der gesamten installierten Leistung aller Anlagen zur Elektroenergieerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen. Setzt man die ins Netz jährlich eingespeiste Elektroenergie in Relation zu der installierten Leistung, so erhält man die sog. Volllaststunden(-zahl). Über den statistisch erfassten Zeitraum seit 1990 ergibt sich eine durchschnittliche Volllaststundenzahl von 672 h, in den letzten 10 Jahren von 694 h mit einer Schwankungsbreite zwischen 640 h und 784 h. In der Europäischen Union [8.2] ist Deutschland mit einer installierten PV-Anlagenleistung von 9.830 MW eindeutig Spitzenreiter, gefolgt von Spanien (3.520 MW), Italien (1.032 MW), Tschechien (466 MW) und Frankreich einschl. Übersee-Departments (289 MW). Die Volllaststunden für Elektroenergieerzeugung aus netz- 204
14000 14000 Info zu Schlabbach, Jürgen: Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen, 2. Auflage. Frankfurt am Main:EW Medien und Kongresse GmbH 2011. www.ew-online.de Installierte e Leistung in MW 12000 10000 8000 6000 4000 2000 Bild 8.1 0 1990 1992 1994 Werte für 2010 hochgerechnet auf Basis der Daten 1. Hj. 2010 1996 1998 2000 Leistung Energie 2002 Jahr 12000 10000 6000 Entwicklung von installierter Leistung und Energieerzeugung netzgekoppelter Photovoltaikanlagen in Deutschland [8.2] gekoppelten Photovoltaikanlagen liegen in Frankreich, Spanien und Italien mit bis zu 1100 h deutlich darüber. Bedingt durch die im August 2010 verabschiedete letzte Novelle des EEG ist zu erwarten, dass die Photovoltaik in Deutschland weiterhin deutliche Zuwächse erfährt. Aus dem Vergleich der Volllaststunden ist allerdings zu erkennen, dass es sinnvoller wäre Photovoltaikanlagen in Spanien, Italien oder anderen Mittelmeeranrainerstaaten zu errichten, da bei gleicher installierter Leistung und damit gleichen Investitionskosten deutlich mehr Elektroenergie erzeugt werden kann. Die wirtschaftliche Bedeutung der Photovoltaik liegt zum einen in der Herstellung von Komponenten, wie Modulen, Wechselrichtern und Montagematerial sowie in den Kosten für Planung, Projektierung und Errichtung. Im Jahr 2009 [8.2] betrug der Umsatz aus der Errichtung von netzgekoppelten Photovoltaikanlagen ca. 12 Mrd. und damit ca. 60% des Umsatzes aus der Errichtung aller Anlagen zur Nutzung erneuerbarer Energiequellen. Die Wertschöpfung aus dem Betrieb der PV-Anlagen lag im Jahr 2009 bei 2,95 Mrd.. Bezogen auf das Brutto-Inlandsprodukt (BIP) in Deutschland von 2.397 Mrd. (vorläufige Zahlen des Statistischen Bundesamtes für 2009) liegt der Beitrag am BIP durch Errichtung und Betrieb von PV-Anlagen bei ca. 6,2%o. 205 2004 2006 2008 2010 8000 4000 2000 0 in GWh rzeugung Energieer
Stichwortverzeichnis Info zu Schlabbach, Jürgen: Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen, 2. Auflage. Frankfurt am Main:EW Medien und Kongresse GmbH 2011. www.ew-online.de A Abschaltstrom der Sicherungen 145 Absorption 19, 21, 23f., 26 AC-Leitung, Auslegung 150 Akzeptorniveau 42 Albedo 19, 23, 85 allstromsensitive Fehlerstromschutzeinrichtung 151, 166 Amortisationsrechnung 212f. AM-Zahl 23, 71 Annuitätendarlehen 211 Anschlusskasten 150 Anschlussverpflichtung 162 astronomische Einheit 17 Aufstellungsort 142 Auslegung nach der Leistung 138 Auslegung nach der Spannung 136 Auslegungsfaktor 140 äußerer Photoeffekt 37 AVBEltV 163 AWE 168 Azimut 28 B Bandabstand 38, 45 BDEW 127, 164, 171f., 177f., 186 BINE-Informationsdienst 206 BIP 205 BISI 124, 168 Blindleistung 169f. Blitzkugelverfahren, 158 Blitzschutz (Potentialausgleich, innerer, äußerer) 155 Blitzschutzklassen 157 Bohr, Niels 37 Bundesverband Solarwirtschaft 206 Bypass-Dioden 75 C Cash-Flow 214 D DC/AC-Wandler 89f. DC/DC-Wandler 89f. DC-Hauptschalter 151 DC-Leitungen 143, 148 Degressionssätze EEG 208 Deklination 28f. Diffusionsspannung 42 Diffusstrahlung 22, 36 DIN 5034 30 DIN EN 50160 125, 203 DIN EN 55014 199 DIN EN 55014-1 192 DIN EN 61000-3-11 189, 203 DIN EN 61000-3-12 183 DIN EN 61000-3-2 181 DIN EN 61000-3-3 189, 203 DIN-Normen 236 Direktstrahlung 22,36 Donatorniveau 42 Dotierung 40 E EEG 127, 161, 207f. Effektives PV-Kennlinien-Modell 50f. Einphasiger Anschluss 138, 190 Einspeisevergütung 207 Elektrisches Ersatzschaltbild 48f. Energieagentur 206 Energielücke 38, 45 Energiewirtschaftsgesetz 161f. ENS 124, 200 Erdung 152f. ERP 210 Erzeugungsanlagen MS-Netz 164, 172, 177 Erzeugungsanlagen NS-Netz 164, 171, 176 237
Info zu Schlabbach, Jürgen: Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen, 2. Auflage. Frankfurt am Main:EW Medien und Kongresse GmbH 2011. www.ew-online.de F FH Bielefeld 82 Flickerstörfaktor 189, 203 Fördermöglichkeiten 206, 209 Füllfaktor 57 Funkstörspannungen 192f. G Generator 73 Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien 127, 161, 207f. Globalstrahlung (geneigte Fläche) 22, 36 H halbleitende Materialien 39 HF-Störspannungen 199f. HF-Störströme 192f. Hot-Spot 75 I IEC 61683 112 IEEE 929 124, 168 innerer Photoeffekt 37 Inselnetzerkennung 168 Ionisation 37 IP 54 142, 150 Isolationsüberwachung 153 Isolator 39 K Kapitalwert 212 Kapitalwertmethode 212 Kataster 129 Kenngrößen, Module 70 Kennlinien 49, 51, 54f., 58f. KfW-Förderbank 206, 209 Kleinspannungskonzept 149 Kohlendioxid 21 Kurzschlussstrom 44, 52, 68, 75, 166 Kurzschlussverhältnis 183 L Langzeitflickerstärke 189, 203 Leerlaufspannung 41f., 52, 70, 136 Leistungsverhältnis 183 Leiter 39 Leitungsband 38 LPS 157 M Maschenverfahren 157 Maximum Power Point, siehe MPP Mismatch 80f., 130 Modul-Wechselrichter 113 MPP 51, 57, 75, 115 MPP-Regelung, -Regler 102f., 106f., 115f. MPP-Spannung 136f. MPP-Tracking 89 MPP-Tracking-Verfahren 115f. MPP-Tracking-Wirkungsgrad 106f. N NAV 163, 169 Nennwirkungsgrad 140 Netzanschluss 161f. Netzausbau 162 Netzdienstleistungen 127 Netzrückwirkungen 179f. Netzüberwachung 124 nominal operating cell temperature 59 Nutzung erneuerbarer Energiequellen 204 O Oberschwingungen 90f., 181, 196 optische Fenster 20f., 38 optische Weglänge 23f. Ozonschicht 21 P Parallelschaltung 71, 133 Parallelwiderstand 49 peak-leistung 71 Photoeffekt 37f. 238
Info zu Schlabbach, Jürgen: Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen, 2. Auflage. Frankfurt am Main:EW Medien und Kongresse GmbH 2011. www.ew-online.de Photostrom 47 Planck, Max 37 Planung und Projektierung 129 pn-übergang 41 Projektbeispiele 215f. PV-Wechselrichter 100f. R Raumladung 41 RCD 151, 166 Reduktionsfaktoren 147 Reihenschaltung 72, 133 Reihenwiderstand 49 Rendite 213 Rentabilitätsrechnung 212 S Schutzisolierung 134, 166 Schutzklasse 134, 152 Schutzkleinspannung 134, 153 Schutzwinkelverfahren 159 Serienwiderstand 49 Solare Strahlung 17f., 139 Solarkonstante 18 Solarleitungen 143 Solarzellen 62f. Spektraler Wirkungsgrad 60 Sonnenbahndiagramm 31, 216 Sonnenscheinstunden 32 spektrale Empfindlichkeit 67 spektrale Leistungsdichte 18, 22 Standard-Test-Bedingungen 59, 71, 123, 149 STC, siehe Standard-Test-Bedingungen Störabstrahlung 192f. Störstellenleitung 40 Strahlung, Strahlungsdichte 19f., 22, 28, 31f. Strahlungsspektrum 17 Strang 73 Strang-Dioden 79 Strang-Wechselrichter 113f. Streuung 22 String 73 Strombelastbarkeit 145f. Stromrichter 89f., 113f. Stundenwinkel 28f. T Tastverhältnis 98f. technische Anschlussbedingungen 164 Teilgenerator 73, 217 Teillastverhalten 105f., 196 Temperaturspannung 47 Temperaturabhängigkeit 55, 58 Thermobild 87f. Tilgungsplan 211 TN-Netz 151 Transmission 24 Transmissionsgesetz 23 Transmissionskoeffizient 24 Trübungsfaktor 24 TT-Netz 151 U Überlagerung von Oberschwingungen 187f., 197f. Überspannungen 143 Umwandlungswirkungsgrad 105f. Unsymmetriefaktor 191 unsymmetrische Leistung 138, 184, 190 V Valenzband 38, 42 VDE 0100-410 134 VDE 0100-430 148 VDE 0100-444 155 VDE 0100-530 151 VDE 0100-540 152 VDE 0100-712 78, 145, 151, 148, 166 VDE 0126-1-1 125, 168 VDE 0185-305-3 156f. VDE 0298-4 145f., 150 VDE 0838-11 189, 203 VDE 0838-12 183 VDE 0838-2 181 239
Info zu Schlabbach, Jürgen: Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen, 2. Auflage. Frankfurt am Main:EW Medien und Kongresse GmbH 2011. www.ew-online.de VDE 0838-3 189, 203 VDE 0839-6-3 192 VDE-Bestimmungen 163, 232f. VDEW, -Richtlinien 170f., 174f., 187, 237 VDI 3786 30 verbotene Zone 38 Verknüpfungspunkt 183 Verlustanteile 45 Verschattung 74f., 129, 132 Verschattungsanalyse 132 Verschiebungsfaktor 126, 169, 171f. Vier-Quadrantenbetrieb 93 Volllaststundenzahl 204 W Wasserdampf 21 Wechselrichter, siehe Stromrichter Wechselrichterauslegung 120f. Wechselrichterkonzept 113f. Wirkungsgrad 45, 61, 69, 106, 108 Wirtschaftlichkeit 210f. Z Zeitgleichung 30 Zentral-Wechselrichter 113f. 240
Info zu Schlabbach, Jürgen: Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen, 2. Auflage. Frankfurt am Main:EW Medien und Kongresse GmbH 2011. www.ew-online.de Dipl.-Ing., Dipl.-Wirtsch.-Ing., MBA Rolf Rüdiger Cichowski (Jahrgang 1945) hat sich ab 1972 als Mitarbeiter der Vereinigten Elektrizitätswerke Westfalen AG (VEW), Dort mund nach Tätigkeiten in der elektrotechnischen Planung und dem Betrieb im Bereich Verteilungsnetze als Leiter der Abteilung Netzanlagen über mehrere Jahre mit der Regel setzung und den qualitativen Anforderungen aus den verschiedenen Bereichen an elektrischen An lagen und Betriebsmitteln für das Ver sorgungsgebiet der VEW beschäftigt. Nach der politischen Wende in Deutschland war er einige Jahre Leiter der Elektrischen Verteilung bei der Mitteldeutschen Energieversorgung AG (MEAG) in Halle/Saale. In den Jahren 1994 und 1995 war der Herausgeber Geschäftsführer der Energie versorgung Industriepark Bitterfeld/Wolfen GmbH. 1995 stieg er in die Telekommunikation ein und leitete als Geschäfts führer bis zum Jahr 2000 die VEW TELNET in Dortmund, einen Regional-Carrier und Tochterunternehmen der VEW Energie AG. Danach war er ein Jahr als Leitender Consultant bei der DETECON GmbH, Bonn tätig, einem Tochterunternehmen der Deutschen Telekom. Seit 2001 ist er Geschäftsführer der SSS Starkstrom- und Signal-Baugesellschaft mbh mit Sitz in Essen, einem Dienst leistungsunternehmen für Strom, Daten, Gas und Wasser mit etwa 600 Mitarbeitern. Im Rahmen des BDEW Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft und der Deutschen Elektrotechnischen Kommission im DIN und VDE (DKE) arbeitet er in Ausschüssen und Komitees mit. Als Autor hat Rolf Rüdiger Cichowski in den letzten Jahrzehnten Fachaufsätze und Fachbücher veröffentlicht und sich als Referent in Seminaren und Kongressen betätigt. Darüber hinaus war er über mehrere Jahre Lehrbeauftragter an den Fachhochschulen Dortmund und Berlin. Rolf Rüdiger Cichowski ist außerdem Herausgeber der Buchreihe Anlagentechnik für elektrische Verteilungsnetze, die bei der EW Medien und Kongresse GmbH und im VDE VERLAG erscheint. homepage: www.cichowski.de oder www.sss-gruppe.de Kontakt: rolf@cichowski.de oder rolf.cichowski@sss-gruppe.de
Inhalt Die Nutzung der solaren Strahlungsenergie durch Photovoltaikanlagen gilt als die umweltverträglichste Energieerzeugung aus regenerativen Energien und stellt den am schnellsten wachsenden Bereich der erneuerbaren Energien dar. Das vorliegende Buch erläutert ausgehend von grundlegenden Darstellungen zur Photovoltaik und zur solaren Strahlung die einzelnen Komponenten von netzgekoppelten Photovoltaikanlagen sowie deren Zusammenwirken zu einer Erzeugungseinheit für Elektroenergie. Auslegungskriterien und Vorgehens weisen zur Dimensionierung der Wechselrichter, der Gleich- und Wechselstromleitungen, des Netzanschlusses sowie Grundsätze für die Bewertung der Netzverträglichkeit werden ausführlich auf Grundlage der anzuwendenden Normen vorgestellt. Rechtliche und wirtschaftliche Rahmenbedingungen, basierend auf der mit Datum 11.08.2010 geänderten Fassung des EEG, werden ebenso vorgestellt wie die neuesten Anschlussregeln (Technische Richtlinie bzw. Mindestanforderungen) des BDEW für Nieder- und Mittelspannungsnetze. Projektierungsbeispiele aus dem Arbeitsumfeld des Autors runden die Darstellungen ab. Das Buch wendet sich an Ingenieure und Techniker, die ein knapp gefasstes Arbeitsbuch zur Auslegung von Photovoltaikanlagen benö tigen und sich ergänzend über die theore tischen Grundlagen informieren möchten. Das Buch ist auch für Studierende in den Studienrichtungen Elektroenergieversorgung und/oder Erneuerbare Energien gedacht. Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schlabbach, Jahrgang 1952, Mitglied IEEE, VDE und VDI, studierte Elektri sche Energietechnik an der TH Darmstadt (heute TU), wo er 1982 bei Prof. Dipl.-Ing. Oeding promoviert wurde. Anschließend war er bei einem großen deut schen Ingenieurunternehmen mit der Planung von öffentlichen und industriellen Elektroenergieversorgungsnetzen im In- und Ausland betraut. Seit 1992 arbeitet er an der Fachhochschule Bielefeld und vertritt dort die Lehrgebiete Elektrische Energieerzeugung und -verteilung und Regenerative Energienutzung. Schwerpunkte der Tätigkeit sind Netzanschluss regenerativer Energien, Planung von Elektroenergieversorgungsnetzen und Störungsaufklärung. EW Medien und Kongresse VDE Verlag ISBN 978-3-8022-1052-5 ISBN 978-3-8007-3340-8 ISBN 978-3-8007-3340-8