Photovoltaik: Strom aus Sonnenlicht für Verbundnetz und Inselanlagen
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| 1. Verfasser: | |
|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Aarau
AZ-Verl.
2007
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| Ausgabe: | 1. Aufl. |
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| Online-Zugang: | Beschreibung für Leser Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Ausführliche Beschreibung Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | XVIII, 606 S. Ill., graph. Darst. |
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Inhaltsverzeichnis
1 Einführung und Übersicht l
1.1 Photovoltaik Was ist das? 1
1.2 Zum Aufbau dieses Buches 9
1.3 Einige für die Photovoltaik wichtige Begriffe und Definitionen 11
1.3.1 Begriffe aus der Meteorologie, Astronomie und Geometrie 11
1.3.2 Begriffe aus der Photovoltaik 12
1.4 Richtwerte für Potenzialabschätzungen bei Photovoltaikanlagen 14
1.4.1 Solarzellenwirkungsgrad r/py 15
1.4.2 Solarmodulwirkungsgrad rjM 15
1.4.3 Energiewirkungsgrad (Nutzungsgrad, Gesamtwirkungsgrad) t]e 15
1.4.4 Jahresenergieertrag pro installiertes Kilowatt Solargenerator Spitzenleistung 16
1.4.5 Flächenbedarf von Photovoltaikanlagen 17
1.4.6 Kosten pro installiertes Kilowatt Spitzenleistung 18
1.4.7 Einspeisetarife und Subventionen 18
1.4.8 Weltweite Produktion von Solarzellen 19
1.4.9 In Photovoltaikanlagen installierte Spitzenleistung 20
1.4.10 Voraussichtliche zukünftige Entwicklung der Weltproduktion 22
1.5 Beispiele zu Kapitel 1 22
1.6 Literatur zu Kapitel 1 24
2 Wichtige Eigenschaften der Sonnenstrahlung 25
2.1 Sonne und Erde 25
2.1.1 Die Sonnendeklination 26
2.1.2 Die scheinbare Bahn der Sonne 27
2.2 Die extraterrestrische Strahlung 28
2.3 Die Einstrahlung auf die horizontale Erdoberfläche 30
2.3.1 In Horizontalebene eingestrahlte Energie H 31
2.4 Einfache Methode für die Berechnung der Strahlung auf geneigte Flächen 38
2.4.1 Jahres Globalstrahlungsfaktoren 43
2.4.2 Beispiele zur elementaren Strahlungsberechnung auf geneigte Flächen 47
2.5 Berechnung der Strahlung auf geneigte Flächen mit Dreikomponentenmodell 48
2.5.1 Die Zusammensetzung der Globalstrahlung auf die Horizontalebene 49
2.5.2 Die am Boden reflektierte Strahlung 49
2.5.3 Die drei Komponenten der Strahlung auf geneigte Flächen 5 0
2.5.3.1 Die Direktstrahlung auf eine geneigte Fläche 51
2.5.3.2 Die Diffusstrahlung auf eine geneigte Fläche 51
2.5.3.3 Die vom Boden reflektierte Strahlung auf eine geneigte Fläche 52
2.5.3.4 Auf eine geneigte Fläche eingestrahlte Gesamtenergie bei tiefem Horizont 52
2.5.4 Näherungsweise Berücksichtigung der Beschattung durch den Horizont 53
2.5.4.1 Die Beschattung durch wandartige Strukturen 55
2.5.5 Der Einfluss der Elevation von Horizont und Fassade (resp. Dachkante)
auf die Diffusstrahlung 57
2.5.5.1 Der Einfluss der diffusen Himmelsstrahlung 59
2.5.5.2 Der Einfluss der vom Boden resp. der Fassade reflektierten Strahlung 59
VIII
2.5.6 Auf geneigte Flächen eingestrahlte Gesamtenergie im allgemeinen Fall 60
2.5.7 Nachträgliche Berechnung der Einstrahlung auf den geneigten Solargenerator
mit gemessenen Globalstrahlungswerten in die Horizontalebene 62
2.5.8 Beispiele für Strahlungsberechnung mit Dreikomponentenmethode 62
2.6 Approximativer Jahresenergieertrag netzgekoppelter PV Anlagen 66
2.6.1 Beispiele zur approximativen Energieertragsberechnung 67
2.7 Die Zusammensetzung der Sonnenstrahlung 67
2.8 Messung der Sonneneinstrahlung 69
2.8.1 Pyranometer 69
2.8.2 Referenzzellen 70
2.8.3 Vergleich zwischen Messungen mit Referenzzellen und Pyranometern 71
2.9 Literatur zu Kapitel 2 74
3 Aufbau und Funktionsprinzip von Solarzellen 75
3.1 Der innere Photoeffekt in Halbleitern 75
3.2 Kurze Halbleitertheorie 77
3.2.1 Dotierung von Halbleitern 78
3.2.2 Der p/n Übergang 79
3.2.3 Kennlinien einer Halbleiterdiode 81
3.3 Die Solarzelle eine spezielle Halbleiterdiode mit grosser lichtexponierter
Sperrschicht 82
3.3.1 Prinzipieller Aufbau einer kristallinen Silizium Solarzelle 82
3.3.2 Ersatzschaltung einer Solarzelle 83
3.3.3 Kennlinien von Solarzellen 85
3.4 Der Wirkungsgrad von Solarzellen 89
3.4.1 Der spektrale Wirkungsgrad rjs (bei einem Übergang) 89
3.4.2 Der theoretische Wirkungsgrad tjt (bei einem Übergang) 92
3.4.3 Der praktische Wirkungsgrad r/pv (bei einem Übergang) 96
3.4.4 Methoden zur Erhöhung des Wirkungsgrades 100
3.4.4.1 Optische Konzentration des Sonnenlichtes 100
3.4.4.2 Tandem und Tripeizellen 101
3.4.4.3 Noch höhere Grenzen des Wirkungsgrades? 103
3.5 Die wichtigsten Solarzellenarten und ihre Herstellung 104
3.5.1 Kristalline Silizium Solarzellen 104
3.5.1.1 Die Kugel Solarzelle 108
3.5.2 Galliumarsenid Solarzellen 109
3.5.5 Dünnschicht Solarzellen 109
3.5.3.1 Solarzellen aus amorphem Silizium (a Si) 110
3.5.3.2 Solarzellen aus Cadmiumtellurid (CdTe) 113
3.5.3.3 Solarzellen aus Kupferindiumdiselenid (CuInSe2, CIS) und (Cu(In,Ga)Se2, CIGS) 114
3.5.3.4 Tandemzellen aus mikrokristallinem und amorphem Silizium 115
3.5.4 Farbstoff Solarzellen (photoelektrochemische Solarzellen, Grätzel Zellen) 116
3.6 Bifacial Solarzellen (beidseitig aktive Solarzellen) 117
3.7 Beispiele zu Kapitel 3 117
3.8 Literatur zu Kapitel 3 120
IX_
4 Solarmodule und Solargeneratoren 121
4.1 Solar module 121
4.2 Probleme bei der Zusammenschaltung von Solarzellen 131
4.2.1 Kennlinien von Solarzellen in allen Quadranten 131
4.2.1.1 Rückstromverhalten (Verhalten im Dioden Durchlassbereich) 131
4.2.1.2 Verhalten der Solarzelle bei Spannungsumkehr (im Dioden Sperrbereich) 133
4.2.1.3 Richtwerte für zulässige totale flächenspezifische thermische Verlustleistung 133
4.2.2 Serieschaltung von Solarzellen 134
4.2.2.1 Gefahr der Bildung von "Hot Spots" 134
4.2.2.2 Bypassdioden in Modulen 137
4.2.2.3 Möglicher Verzicht auf Bypassdioden 139
4.2.3 Parallelschaltung von Solarzellen 140
4.3 Zusammenschaltung von Solarmodulen zu Solargeneratoren 142
4.3.1 Serieschaltung von Solarmodulen zu einem Strang oder String 143
4.3.1.1 Strangdioden 143
4.3.1.2 Strangsicherungen 144
4.3.1.3 Strang Sicherungsautomaten 144
4.3.2 Parallelschaltung von Solarmodulen 145
4.3.3 Solargenerator mit parallel geschalteten Seriesträngen 145
4.3.3.1 Rückströme und Kurzschlussströme bei Solargeneratordefekten 147
4.3.3.2 Direkte Parallelschaltung von Strängen 149
4.3.4 Solargenerator mit Matrixschaltung der Solarmodule 150
4.4 Leistungsverluste im Solargenerator durch Teilbeschattungen + Mismatch 151
4.4.1 Verluste infolge Beschattung einzelner Module 151
4.4.2 Mismatch oder Fehlanpassungs Verluste infolge Exemplarstreuungen 154
4.4.3 Mismatch Verluste infolge Strahlungsinhomogenitäten 157
4.5 Praktischer Aufbau von Solargeneratoren 157
4.5.1 Montagearten für Solargeneratoren 157
4.5.1.1 Freifeldmontage 15 8
4.5.1.2 Flachdachmontage 158
4.5.1.3 Schrägdachmontage mit separatem Aufbau 161
4.5.1.4 Schrägdachmontage in Dachfläche integriert 162
4.5.1.5 Fassadenmontage und Fassadenintegration 163
4.5.1.6 Montage auf geeigneten bereits vorhandenen Strukturen 165
4.5.1.7 Nachgeführte Photovoltaikanlagen 165
4.5.2 Realisierung der Tragstruktur 167
4.5.2.1 Mechanische Dimensionierung der Tragstruktur 167
4.5.2.2 Geeignete Materialien für die Tragstruktur 170
4.5.3 Elektrische Verschaltung des Solargenerators 171
4.5.3.1 Die Gefahr durch die dauernd anliegende Spannung bei Photovoltaikanlagen 171
4.5.3.2 Das Brandrisiko durch Lichtbögen bei Photovoltaikanlagen 172
4.5.3.3 Anforderungen an die Spannungsfestigkeit und Witterungsbeständigkeit der Komponenten 173
4.5.3.4 Hinweise zur Komponentenauswahl und zur Realisierung des PV Generators 174
4.5.3.5 Der (Teil )Generatoranschlusskasten (Arrayanschlusskasten) 177
4.5.4 Verluste in der Gleichstromverkabelung 181
X
4.5.5 Erdungsprobleme auf der Gleichstromseite 183
4.5.5.1 Erdung von Metallgehäusen und metallischen Tragstrukturen 183
4.5.5.2 Erdung aktiver Teile des Solargenerators 183
4.5.6 Prinzipieller A ufbau grösserer Solargeneratoren 185
4.5.7 Schutz von Personen gegen gefährliche Berührungsspannungen 186
4.5.7.1 Betrieb der Anlage mit Schutzkleinspannung (Schutzklasse III) 186
4.5.7.2 Schutz durch räumliche Distanz 187
4.5.7.3 Sonderisolation (doppelte Isolation), Schutzklasse II 187
4.5.8 Beeinträchtigungen der Solargeneratorleistung im praktischen Betrieb 188
4.5.8.1 Teilbeschattung durch lokale Verschmutzung 188
4.5.8.2 Schmutzablagerungen an Modulrahmen oder Laminateinfassungen 188
4.5.8.3 Generelle Leistungsreduktion durch Schmutzablagerungen 190
4.5.8.4 Schneebedeckung des Solargenerators 192
4.6 Beispiele zu Kapitel 4 193
4.7 Literatur zu Kapitel 4 196
5 Photovoltaische Energiesysteme 197
5.1 Photovoltaische Inselanlagen 198
5.1.1 Akkumulatoren in Photovoltaikanlagen 201
5.1.1.1 Einsatz von Nickel Cadmium Akkumulatoren in Photovoltaikanlagen 201
5.1.1.2 Wichtige elektrische Eigenschaften von Bleiakkumulatoren 202
5.1.1.3 Für Photovoltaikanlagen geeignete Typen von Bleiakkumulatoren 212
5.1.2 A ufbau photovoltaischer Inselanlagen 216
5.1.2.1 Wahl der Systemspannung und der Modulspannung 216
5.1.2.2 Rückstromdiode, Tiefentladeschutz und Überladeschutz 217
5.1.2.3 Anlagen mit Seriereglern 217
5.1.2.4 Anlagen mit Parallelreglern oder Shuntreglern 219
5.1.2.5 Anlagen mit Maximum Power Tracker (MPT) 220
5.1.2.6 Beispiele kommerziell erhältlicher Solarregler (Laderegler mit Tiefentladeschutz) 221
5.1.3 Wechselrichterför photovoltaische Inselanlagen 223
5.1.3.1 Rotierende Umformer 224
5.1.3.2 Rechteckwechselrichter 224
5.1.3.3 Pulsbreitengeregelte Rechteckwechselrichter 224
5.1.3.4 Sinuswechselrichter 225
5.1.3.5 Notwendige Akkugrösse in Funktion der Wechselrichterleistung 230
5.1.3.6 Stromverlauf auf der DC Seite von Sinuswechselrichtern für Inselbetrieb 231
5.1.4 Gleichstromverbraucher für Inselanlagen 231
5.1.5 Photovoltaik Inselanlagen mit 230 V Wechselstrom 232
5.1.6 Photovoltaik Inselanlagen mit Wechselstrom Energiebus 234
5.2 Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen 236
5.2.1 Prinzip des Netzverbundbetriebs 236
5.2.1.1 Mögliche Zählerschaltungen bei netzgekoppelten Photovoltaikanlagen 238
5.2.1.2 Mögliche Anlagenkonzepte bei netzgekoppelten Photovoltaikanlagen 238
5.2.1.3 Grundsätzliche Problematik bei netzgekoppelten Photovoltaikanlagen 240
XI_
5.2.2 Aufbau und Funktionsprinzip von Photovoltaik Netzwechselrichtern 241
5.2.2.1 Anforderungen an Photovoltaik Wechselrichter für Netzverbundanlagen 241
5.2.2.2 Netzgefflhrte Wechselrichter 242
5.2.2.3 Unterschiede zwischen selbstgeführten und netzgeführten Wechselrichtern 246
5.2.2.4 Selbstgeführte pulsweitenmodulierte Wechselrichter mit NF Trafo 247
5.2.2.5 Selbstgeführter pulsweitenmodulierte Wechselrichter ohne Trafo 248
5.2.2.6 Selbstgeführte pulsweitenmodulierte Wechselrichter mit HF Zwischenkreis 251
5.2.2.7 Neuere Ideen und Weiterentwicklungen bei PV Netzverbund Wechselrichtern 252
5.2.2.8 Bilder einiger PV Netzverbund Wechselrichter 253
5.2.3 Auf Netzverbund Wechselrichter anwendbare Normen und Vorschriften 254
5.2.3.1 Provisorische Sicherheitsvorschrift für photovoltaische Anlagen 254
5.2.3.2 Provisorische Sicherheitsvorschrift für Wechselrichter für photovoltaische
Stromerzeugungsanlagen 255
5.2.3.3 Niederfrequente Störungen in Stromversorgungsnetzen 255
5.2.3.3.1 Spannungsänderungen 255
5.2.3.3.2 Immunität gegen Rundsteuersignale 256
5.2.3.3.3 Grenzwerte für Oberschwingungsströme 257
5.2.3.4 Hochfrequente Störungen (150 kHz 30 MHz) 259
5.2.3.4.1 Funkstörspannungen auf Netzanschlussleitungen 260
5.2.3.4.2 Übrige Leitungen (insbesondere Gleichstrom Anschlussleitungen) 260
5.2.3.5 Weitere Normen 262
5.2.4 Vermeidung von Selbstlauf resp. Inselbetrieb bei Netzwechselrichtern 262
5.2.4.1 Selbstlauf bei angepasster Last 266
5.2.4.2 Prinzipielle Möglichkeiten zur Detektion eines unerwünschten Inselbetriebs 268
5.2.4.3 Dreiphasige Über und Unterspannungsüberwachnung 269
5.2.4.4 Frequenzschiebeverfahren 270
5.2.4.5 Permanente Überwachung der Netzimpedanz durch ENS 271
5.2.4.6 Neue selbsttätige Schaltstelle zwischen Eigenerzeugungsanlage und Netz 275
5.2.5 Betriebsverhalten und Eigenschaften von Photovoltaik Netzwechselrichtern 276
5.2.5.1 Umwandlungs Wirkungsgrad 280
5.2.5.2 Maximalleistungs (MPP )Regelverhalten und MPP Tracking Wirkungsgrad 283
5.2.5.3 Totaler Wirkungsgrad oder Gesamtwirkungsgrad eines Wechselrichters 286
5.2.5.4 Dynamische MPP Tracking Tests 288
5.2.5.5 Oberschwingungsströme 289
5.2.5.6 Emission hochfrequenter Störspannungen 291
5.2.5.7 Entwicklung der Wechselrichterzuverlässigkeit 293
5.2.5.7.1 Systematische Untersuchung der Rundsteuersignal Empfindlichkeit 294
5.2.5.7.2 Entwicklung der Wechselrichterzuverlässigkeit im Laufe der Zeit 295
5.2.5.8 Leistungsbegrenzung bei überdimensioniertem Solargenerator 297
5.2.5.9 Geräuschentwicklung im Betrieb 300
5.2.5.10 Ausschaltvorgänge bei Netzunterbruch unter Last 301
5.2.6 Auftretende Probleme und mögliche Gegenmassnahmen beim Netzverbund¬
betrieb von Photovoltaikanlagen 302
5.2.6.1 Bestimmung der Netzimpedanz ZN am Verknüpfungspunkt 303
5.2.6.1.1 Mittlere sekundärseitige Impedanzwerte von Mittelspannungstransformatoren 304
5.2.6.1.2 Approximative Werte für Reaktanzbeläge von Leitungen 304
5.2.6.1.3 Widerstand und Reaktanz der Leitung 305
5.2.6.1.4 Gesamte 50Hz Netzimpedanz Zn 305
XII
5.2.6.1.5 Kurzschlussleistung am Verknüpfiingspunkt 306
5.2.6.2 Spannungsanhebung am Anschluss und Verknüpfungspunkt 306
5.2.6.2.1 Die Speiseleitungsverluste 310
5.2.6.3 Oberschwingungen 311
5.2.6.3.1 Störende Auswirkungen von Oberschwingungsströmen 311
5.2.6.3.2 Beurteilung auf Grund gemessener Oberschwingungsströme 312
5.2.6.3.3 Grobbeurteilung bei netzgefuhrten Wechselrichtern 312
5.2.6.3.4 Reduktion der störende Auswirkungen von Oberschwingungsströmen 313
5.2.6.4 Elektromagnetische Verträglichkeit 314
5.2.6.5 Wechselrichterdefekte 314
5.2.6.6 Tipps für den Praktiker für die Dimensionierung des Netzanschlusses 315
5.2.6.7 Berechnungsbeispiele für den Netzanschluss 315
5.2.6.8 Optimale DC Betriebsspannung bei Netzverbundanlagen 318
5.2.6.8.1 Definition der verwendeten Grossen 319
5.2.6.8.2 Verhalten des PV Generators bei verschiedenen Einstrahlungen und Temperaturen 320
5.2.6.8.3 Definition der relevanten Spannungsfaktoren (mit Angabe typischer Werte) 321
5.2.6.8.4 DC seitige spannungsmässige Dimensionierung von PV Anlagen 321
5.2.6.8.5 Beispiele zur DC seitigen spannungsmässigen Dimensionierung von PV Anlagen 323
5.2.6.9 Mögliche DC seitige Probleme beim Einsatz neuartiger Zelltechnologien 323
5.2.6.10 Rückblick auf die gewonnenen Erkenntnisse und Ausblick 323
5.2.7 Regelungs und Stabilitätsprobleme im Verbundnetz 324
5.2.7.1 Prinzip der Leistungsregelung im Verbundnetz 324
5.2.7.2 Belastung des Stromnetzes im Tagesverlauf 326
5.2.7.3 Dauerlinien, Energieausnutzung, Volllaststunden und Auslastung 327
5.2.7.4 Maximal ins Netz einspeisbare Energie 330
5.2.7.4.1 Situation bei Verwendung fest montierter Anlagen am Beispiel der Schweiz 330
5.2.7.4.2 Mögliche Verbesserung durch weitere technische und tarifliche Massnahmen 331
5.2.7.4.3 Situation im europäischen Verbundnetz 332
5.2.7.5 Möglichkeiten zur Substitution von Bandenergie 333
5.2.7.5.1 Stromspeicherung in Pumpspeicherwerken 334
5.2.7.5.2 Wasserstoffwirtschaft 336
5.2.7.5.3 Globales elektrisches Verbundnetz 336
5.2.7.6 Wirtschaftliche Konsequenzen auf den Betrieb anderer Kraftwerke 336
5.2.7.7 Zusammenfassung und Ausblick 337
5.3 Literatur zu Kapitel 5 338
6 Blitzschutz von Photovoltaikanlagen 343
6.1 Wahrscheinlichkeit von direkten Blitzeinschlägen 343
6.1.1 Beispiele zur Berechnung der jährlichen Anzahl Direkteinschläge 345
6.2 Kennwerte und prinzipielle Auswirkungen von Erdblitzen 345
6.2.1 Arten von Blitzen 346
6.2.2 Auswirkungen von Blitzen 347
6.2.3 Schutzklassen und Wirksamkeit von Blitzschutzanlagen 347
6.2.4 Verwendung von Näherungslösungenför die Blitzschutz Dimensionierung 347
6.3 Grundprinzipien des Blitzschutzes 348
6.3.1 Ausserer und innerer Blitzschutz 348
6.3.2 Bestimmung des Schutzbereichs mit dem Blitzkugelverfahren 348
XIII
6.3.3 Schutzbereich von Fangstäben und Fangleitungen 350
6.3.4 Massnahmen zum Blitzschutz elektrischer Anlagen 350
6.4 Aufteilung von Blitzströmen auf die einzelnen Ableitungen 351
6.5 Potenzialanhebung und Potenzialausgleich 352
6.5.1 Realisierung des Potenzialausgleichs 353
6.5.2 Teilblitzströme auf den in den Potenzialausgleich einbezogenen Leitungen 354
6.5.3 Ableiter 355
6.6 Durch Blitzströme induzierte Spannungen und Ströme 356
6.6.1 Gegeninduktivitäten und induzierte Spannungen bei Rechteckschleifen 358
6.6.1.1 Rechteckschleifen mit Teilstrecken von Ableitungen 358
6.6.1.2 Von Ableitungen getrennte Rechteckschleifen 359
6.6.2 Näherungen zwischen Ableitungen und anderen Installationen 362
6.6.3 Induzierte Ströme 364
6.6.3.1 In verlustloser Schleife induzierter Kurzschlussstrom 365
6.6.3.2 Induzierte Ströme in Schleifen mit Überspannungsableitern 365
6.6.3.3 Induzierte Ströme in Bypassdioden 373
6.6.4 Spannungen im Innern von blitzstromführenden Zylindern 379
6.7 Experimente zum Blitzschutz von Photovoltaikanlagen 381
6.7.7 Einführung 381
6.7.2 Der Stossstromgenerator 381
6.7.2.1 Für PV Anlagen wichtige Blitzkennwerte 381
6.7.2.2 Aufbau und Kenndaten der verwendeten Stossstromanlage 382
6.7.3 Testplatz für Solarmodulkennlinien 383
6.7.4 Beschädigungen durch im Rahmen oder in unmittelbarer Nähe von einzelnen
Solarzellen und Solarmodulen fliessende Ströme 3 84
6.7.4.1 Ergebnisse der Zellen und Modultests 385
6.7.5 Erhöhung der Immunität von Modulen gegenüber Blitzströmen 387
6.7.6 Miniatur Blitzfänger für Photovoltaikanlagen 388
6.7.7 Messungen der in einzelnen Modulen induzierten Spannungen 389
6.7.7.1 Einführung 389
6.7.7.2 Induzierte Spannungen bei einem additiven Modul in Parallel Position 390
6.7.7.3 Induzierte Spannungen bei einem additiven Modul in Normal Position 392
6.7.7.4 Rahmen Reduktionsfaktor bei verschiedenen Modultypen 393
6.7.7.5 Einfluss von Aluminiumfolie auf der Modulrückseite 394
6.7.7.6 Praktische Messungen der Blitzstromempfindlichkeit von Bypassdioden 395
6.7.7.7 Einfluss von gerahmten Nachbarmodulen auf die induzierten Spannungen 397
6.7.8 Induzierte Spannungen bei verdrahteten Solargeneratoren 397
6.7.8.1 Überlagerungssatz für induzierte Maximalspannungen 397
6.7.8.2 Reduktion der induzierten Verdrahtungsspannung bei gerahmten Modulen 398
6.7.8.3 Einfluss der Erdung von Solargeneratoren 400
6.7.8.3.1 Geerdeter Solargenerator ohne Teilblitzstrom in DC Hauptleitung 401
6.7.8.3.2 Geerdeter Solargenerator mit Teilblitzstrom in abgeschirmter DC Hauptleitung 403
6.7.8.3.3 Geerdeter Solargenerator mit Teilblitzstrom in DC Hauptleitung mit parallelem Erdleiter 405
6.7.9 Zusammenfassung über die durchgeführten Experimente 406
6.8 Blitzschutztechnisch optimale Dimensionierung des PV Generators 407
6.8.1 Gegeninduktivität von Solarmodulen 408
6.8.2 Gegeninduktivität der Verdrahtung 409
6.8.3 Berechnungsbeispiel für auftretendes Ms und umax in einem ganzen Strang 410
XIV
6.8.4 Auswirkungen von Ferneinschlägen 411
6.8.4.1 Bei Femeinschlägen kapazitiv eingekoppelte Verschiebungsströme 411
6.8.4.2 Dimensionierung der Überspannungsabieiter auf die Verschiebungsströme 412
6.8.4.3 Abschätzung der von Verschiebungsströmen verursachten Spannungen 413
6.8.4.4 Beispiele zur Abschätzung der Einflüsse eingekoppelter Verschiebungsströme 417
6.9 Praktische Realisierung des Blitzschutzes bei PV Anlagen 419
6.9.1 Prinzipiell mögliche Schutzmassnahmen 419
6.9.2 Schutz nur gegen Ferneinschläge 421
6.9.3 Schutz gegen Ferneinschläge und Naheinschläge (bis ca. 20 m) 422
6.9.4 Schutz vor Direkteinschlägen bei PV Anlagen auf Gebäuden 423
6.9.4.1 Direkteinschlag bei PV Anlage mit Solargenerator im Schutzbereich von
Fangeinrichtungen ohne Teilblitzstrom in DC Hauptleitung 423
6.9.4.2 Direkteinschlag bei PV Anlage mit Solargenerator im Schutzbereich von
Fangeinrichtungen mit Teilblitzstrom in DC Hauptleitung 424
6.9.5 Blitzschutz von grossen Photovoltaikanlagen auf freiem Feld 426
6.9.6 Blitzschutz von Photovoltaikanlagen auf Flachdächern 428
6.9.7 Blitzschutz von PV Anlagen nach bestehenden Vorschriften in der Schweiz 430
6.10 Zusammenfassung und Ausblick 431
6.11 Literatur zu Kapitel 6 432
7 Normierte Darstellung von Energieertrag und Leistung bei
Photovoltaikanlagen 433
7.1 Einführung 433
7.2 Normierte Erträge, Verluste und Performance Ratio 433
7.2.1 Die normierten Erträge (Yields) 433
7.2.2 Definition der normierten Verluste (Losses) 435
7.2.3 Die Performance Ratio 435
7.2.4 Übersichtstabelle mit den neuen normierten Grossen 436
7.3 Standardgrafiken für normierte Erträge und Verluste 436
7.3.1 Normierte Jahres und Monatsstatistiken 436
7.3.2 Normierte Tagesstatistik mit Stundenwerten 439
7.4 Normierte Leistungen bei Photovoltaikanlagen 441
7.4.1 Normiertes Tagesdiagramm mit Momentanwerten 442
7.4.2 Berechnung der Tages Energieerträge aus normierten Momentanwerten 443
7.4.3 Definition der Korrekturfaktoren kG, kT und des Nutzungsgrades nf 443
7.4.4 Auswertungsmöglichkeiten mit normierten Tagesdiagrammen 443
7.4.5 Beispiele zu den normierten Tagesdiagrammen 444
7.5 Fehlereingrenzung mit den verschiedenen Darstellungsarten 447
7.6 Zusammenfassung und Ausblick 450
7.7 Literatur zu Kapitel 7 450
8 Dimensionierung von Photovoltaikanlagen 451
8.1 Prinzip und Ausgangsgrössen für die Ertragsberechnung 451
8.1.1 Strahlungsberechnung 452
8.1.2 Bestimmung des Temperatur Korrekturfaktors kr 452
8.1.2.1 Näherungsweise Bestimmung der strahlungsgewichteten Zellentemperatur 453
xv_
8.1.2.2 Berechnung von kT und YT 455
8.1.2.3 Verwendung der kT Werte der Referenzstationen 456
8.1.3 Wahl des Generator Korrekturfaktors kc 457
8.1.3.1 Einflüsse auf den Generator Korrekturfaktor ko 457
8.1.3.1.1 Korrekturfaktor kPM für Minderleistung der Module 457
8.1.3.1.2 Korrekturfaktor kNG für niedrige Einstrahlung 457
8.1.3.1.3 Korrekturfaktor koR für Glasreflexionsverluste 458
8.1.3.1.4 Korrekturfaktor kSp für spektralen Mismatch 458
8.1.3.1.5 Korrekturfaktor kTB für Teilbeschattung einzelner Module 458
8.1.3.1.6 Korrekturfaktor kMiu für Mismatch 458
8.1.3.1.7 Korrekturfaktor kR für ohmsche Verluste 459
8.1.3.1.8 Korrekturfaktor kv für Verluste infolge Modulverschmutzungen 459
8.1.3.1.9 Korrekturfaktor ks für Verluste infolge Schneebedeckung 459
8.1.3.1.10Korrekturfaktor kMpp für Verluste infolge MPP Tracking Fehlern 459
8.1.3.1.11 Diskussion der in der Praxis besonders ins Gewicht fallenden Faktoren 460
8.1.3.2 Richtwerte für den Generator Korrekturfaktor ko 460
8.2 Ertragsberechnung bei netzgekoppelten PV Anlagen 464
8.2.1 Beispiele zur Ertragsberechnung bei netzgekoppelten PV Anlagen 466
8.2.1.1 Beispiele mit vereinfachter Strahlungsberechnung nach Kap. 2.4 466
8.2.1.2 Beispiele mit Strahlungsberechnung mit Dreikomponentenmodell nach Kap. 2.5 469
8.3 Dimensionierung von PV Inselanlagen mit Akku 472
8.3.1 Berechnung des mittleren täglichen Energieverbrauchs der Verbraucher All
8.3.2 Notwendige Akkukapazität K 474
8.3.3 Dimensionierung des Solargenerators A1A
8.3.3.1 PV Generator Dimensionierung bei normalen Ladereglern 475
8.3.3.2 PV Generator Dimensionierung bei Ladereglern mit MPT 476
8.3.3.3 Richtwerte für einige Grossen bei PV Inselanlagen 477
8.3.4 Tabellen für Dimensionierung von PV Inselanlagen 478
8.3.5 Beispiele zur Dimensionierung von Inselanlagen 481
8.3.5.1 Beispiele mit vereinfachter Strahlungsberechnung nach Kap. 2.4 481
8.3.5.2 Beispiel mit Strahlungsberechnung mit Dreikomponentenmodell nach Kap. 2.5 488
8.4 Programme auf dem Internet zur Strahlungsberechnung 490
8.4.1 P VGIS des EU Forschungszentrums JRC in Ispra/Italien 490
8.4.2 Europäische Strahlungsdatenbank Satel Light 490
8.5 Simulationsprogramme 491
8.6 Literatur zu Kapitel 8 491
9 Wirtschaftlichkeit von Photovoltaikanlagen 493
9.1 Die Kosten photovoltaisch erzeugten Stromes 493
9.1.1 Beispiele mit genauerer Energiepreisberechnung 495
9.1.2 Vergleich der Kosten von PV Strom mit denen von konventionellem Strom 497
9.1.3 Kosten von durch Pumpspeicherkraftwerke veredeltem PV Strom 499
9.2 Graue Energie, Energierücklaufzeit und Erntefaktor 500
9.3 Literatur zu Kapitel 9 504
10 Betriebserfahrungen 505
10.1 Beispiele von einigen realisierten PV Anlagen mit gemessenen Ertragsdaten 505
XVI
10.1.1 PV Anlage Gfeller, Burgdorf 505
10.1.2 PV Anlage Mont Soleil im Berner Jura (1270 m) 509
10.1.3 PV Anlage Jungfraujoch (3454 m) 513
10.1.4 PV Anlage Birg (2670 m) 519
10.1.5 PV Anlage Stade de Suisse in Bern 523
10.1.6 PV Anlage Newtech mit Dünnschichtzellen Modulen 525
10.1.7 PV Anlage Neue Messe München 532
10.1.8 PV Anlage Leipziger Land 534
10.1.9 PV Anlage Springerville (USA) 537
10.2 Vergleich zwischen einigen PV Anlagen in der Schweiz 538
10.3 Literatur zu Kapitel 10 541
11 Zusammenfassung und Ausblick 543
A Anhang mit Berechnungstabellen und Strahlungsdaten 549
AI Kopiervorlagen der Tabellen zur Strahlungsberechnung nach Kap. 2 549
ALI Einfache Strahlungsberechnung nach Kap. 2.4 549
AI.2 Strahlungsberechnung mit Dreikomponentenmodell nach Kap. 2.5 549
A2 Monatssummen der horizontalen Globalstrahlung
Tabelle mit Monatsmittelwerten der Einstrahlung H in die Horizontalebene
(global+diffus) für 173 verschiedene Orte auf der ganzen Welt 550
A3 Globalstrahlungsfaktoren für einige Referenzstandorte
Globalstrahlungfaktoren für Strahlungsumrechnung in geneigte Ebene für neun
Referenz Standorte (für vereinfachte Strahlungsberechnung nach Kap. 2.4) 557
A4 RB Faktoren für Strahlungsberechnungen mit der Dreikomponentenmethode
(für Standorte zwischen 24°N und 60°N) 560
A5 Beschattungsdiagramme für verschiedene geografische Breiten (41°N.53°N) 572
A6 Kopiervorlagen für Tabellen zur PV Ertragsberechnung 575
A6.1 Tabellen zur Ertragsberechnung bei netzgekoppelten PV Anlagen (Kap. 8.2) 575
A6.2 Tabellen zur Dimensionierung von PV Inselanlagen (Kap. 8.3) 577
A7 Zusatzkarten zur Strahlungs und Ertragsberechnung 580
A7.1 Beispiel eines Sonnenstandsdiagramms in Polardarstellung (für Burgdorf) 580
A7.2 Strahlungskarten (für die ganze Welt, die Alpenländer und Deutschland) 580
A7.3 Karte fürmöglichen PV Jahresenergieertrag in Europa 584
B Anhang B:
Links, Bücher, Stichwörter, Symbole, Abkürzungen usw. 585
Bl Einige Internet Links zu Photovoltaik Webseiten 585
B2 Bücher zur Photovoltaik und verwandten Gebieten 587
B3 Stichwortverzeichnis 590
B4 Liste der wichtigsten verwendeten Symbole (mit Einheiten) 597
B5 Liste der wichtigsten verwendeten Abkürzungen 604
B6 Vorsilben für dekadische Bruchteile und Vielfache von Einheiten 605
B7 Einige nützliche Umrechnungsfaktoren 605
B8 Wichtige Natur konstanten 605
Verdankungen 606 |
| adam_txt |
vn_
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung und Übersicht l
1.1 Photovoltaik Was ist das? 1
1.2 Zum Aufbau dieses Buches 9
1.3 Einige für die Photovoltaik wichtige Begriffe und Definitionen 11
1.3.1 Begriffe aus der Meteorologie, Astronomie und Geometrie 11
1.3.2 Begriffe aus der Photovoltaik 12
1.4 Richtwerte für Potenzialabschätzungen bei Photovoltaikanlagen 14
1.4.1 Solarzellenwirkungsgrad r/py 15
1.4.2 Solarmodulwirkungsgrad rjM 15
1.4.3 Energiewirkungsgrad (Nutzungsgrad, Gesamtwirkungsgrad) t]e 15
1.4.4 Jahresenergieertrag pro installiertes Kilowatt Solargenerator Spitzenleistung 16
1.4.5 Flächenbedarf von Photovoltaikanlagen 17
1.4.6 Kosten pro installiertes Kilowatt Spitzenleistung 18
1.4.7 Einspeisetarife und Subventionen 18
1.4.8 Weltweite Produktion von Solarzellen 19
1.4.9 In Photovoltaikanlagen installierte Spitzenleistung 20
1.4.10 Voraussichtliche zukünftige Entwicklung der Weltproduktion 22
1.5 Beispiele zu Kapitel 1 22
1.6 Literatur zu Kapitel 1 24
2 Wichtige Eigenschaften der Sonnenstrahlung 25
2.1 Sonne und Erde 25
2.1.1 Die Sonnendeklination 26
2.1.2 Die scheinbare Bahn der Sonne 27
2.2 Die extraterrestrische Strahlung 28
2.3 Die Einstrahlung auf die horizontale Erdoberfläche 30
2.3.1 In Horizontalebene eingestrahlte Energie H 31
2.4 Einfache Methode für die Berechnung der Strahlung auf geneigte Flächen 38
2.4.1 Jahres Globalstrahlungsfaktoren 43
2.4.2 Beispiele zur elementaren Strahlungsberechnung auf geneigte Flächen 47
2.5 Berechnung der Strahlung auf geneigte Flächen mit Dreikomponentenmodell 48
2.5.1 Die Zusammensetzung der Globalstrahlung auf die Horizontalebene 49
2.5.2 Die am Boden reflektierte Strahlung 49
2.5.3 Die drei Komponenten der Strahlung auf geneigte Flächen 5 0
2.5.3.1 Die Direktstrahlung auf eine geneigte Fläche 51
2.5.3.2 Die Diffusstrahlung auf eine geneigte Fläche 51
2.5.3.3 Die vom Boden reflektierte Strahlung auf eine geneigte Fläche 52
2.5.3.4 Auf eine geneigte Fläche eingestrahlte Gesamtenergie bei tiefem Horizont 52
2.5.4 Näherungsweise Berücksichtigung der Beschattung durch den Horizont 53
2.5.4.1 Die Beschattung durch wandartige Strukturen 55
2.5.5 Der Einfluss der Elevation von Horizont und Fassade (resp. Dachkante)
auf die Diffusstrahlung 57
2.5.5.1 Der Einfluss der diffusen Himmelsstrahlung 59
2.5.5.2 Der Einfluss der vom Boden resp. der Fassade reflektierten Strahlung 59
VIII
2.5.6 Auf geneigte Flächen eingestrahlte Gesamtenergie im allgemeinen Fall 60
2.5.7 Nachträgliche Berechnung der Einstrahlung auf den geneigten Solargenerator
mit gemessenen Globalstrahlungswerten in die Horizontalebene 62
2.5.8 Beispiele für Strahlungsberechnung mit Dreikomponentenmethode 62
2.6 Approximativer Jahresenergieertrag netzgekoppelter PV Anlagen 66
2.6.1 Beispiele zur approximativen Energieertragsberechnung 67
2.7 Die Zusammensetzung der Sonnenstrahlung 67
2.8 Messung der Sonneneinstrahlung 69
2.8.1 Pyranometer 69
2.8.2 Referenzzellen 70
2.8.3 Vergleich zwischen Messungen mit Referenzzellen und Pyranometern 71
2.9 Literatur zu Kapitel 2 74
3 Aufbau und Funktionsprinzip von Solarzellen 75
3.1 Der innere Photoeffekt in Halbleitern 75
3.2 Kurze Halbleitertheorie 77
3.2.1 Dotierung von Halbleitern 78
3.2.2 Der p/n Übergang 79
3.2.3 Kennlinien einer Halbleiterdiode 81
3.3 Die Solarzelle eine spezielle Halbleiterdiode mit grosser lichtexponierter
Sperrschicht 82
3.3.1 Prinzipieller Aufbau einer kristallinen Silizium Solarzelle 82
3.3.2 Ersatzschaltung einer Solarzelle 83
3.3.3 Kennlinien von Solarzellen 85
3.4 Der Wirkungsgrad von Solarzellen 89
3.4.1 Der spektrale Wirkungsgrad rjs (bei einem Übergang) 89
3.4.2 Der theoretische Wirkungsgrad tjt (bei einem Übergang) 92
3.4.3 Der praktische Wirkungsgrad r/pv (bei einem Übergang) 96
3.4.4 Methoden zur Erhöhung des Wirkungsgrades 100
3.4.4.1 Optische Konzentration des Sonnenlichtes 100
3.4.4.2 Tandem und Tripeizellen 101
3.4.4.3 Noch höhere Grenzen des Wirkungsgrades? 103
3.5 Die wichtigsten Solarzellenarten und ihre Herstellung 104
3.5.1 Kristalline Silizium Solarzellen 104
3.5.1.1 Die Kugel Solarzelle 108
3.5.2 Galliumarsenid Solarzellen 109
3.5.5 Dünnschicht Solarzellen 109
3.5.3.1 Solarzellen aus amorphem Silizium (a Si) 110
3.5.3.2 Solarzellen aus Cadmiumtellurid (CdTe) 113
3.5.3.3 Solarzellen aus Kupferindiumdiselenid (CuInSe2, CIS) und (Cu(In,Ga)Se2, CIGS) 114
3.5.3.4 Tandemzellen aus mikrokristallinem und amorphem Silizium 115
3.5.4 Farbstoff Solarzellen (photoelektrochemische Solarzellen, Grätzel Zellen) 116
3.6 Bifacial Solarzellen (beidseitig aktive Solarzellen) 117
3.7 Beispiele zu Kapitel 3 117
3.8 Literatur zu Kapitel 3 120
IX_
4 Solarmodule und Solargeneratoren 121
4.1 Solar module 121
4.2 Probleme bei der Zusammenschaltung von Solarzellen 131
4.2.1 Kennlinien von Solarzellen in allen Quadranten 131
4.2.1.1 Rückstromverhalten (Verhalten im Dioden Durchlassbereich) 131
4.2.1.2 Verhalten der Solarzelle bei Spannungsumkehr (im Dioden Sperrbereich) 133
4.2.1.3 Richtwerte für zulässige totale flächenspezifische thermische Verlustleistung 133
4.2.2 Serieschaltung von Solarzellen 134
4.2.2.1 Gefahr der Bildung von "Hot Spots" 134
4.2.2.2 Bypassdioden in Modulen 137
4.2.2.3 Möglicher Verzicht auf Bypassdioden 139
4.2.3 Parallelschaltung von Solarzellen 140
4.3 Zusammenschaltung von Solarmodulen zu Solargeneratoren 142
4.3.1 Serieschaltung von Solarmodulen zu einem Strang oder String 143
4.3.1.1 Strangdioden 143
4.3.1.2 Strangsicherungen 144
4.3.1.3 Strang Sicherungsautomaten 144
4.3.2 Parallelschaltung von Solarmodulen 145
4.3.3 Solargenerator mit parallel geschalteten Seriesträngen 145
4.3.3.1 Rückströme und Kurzschlussströme bei Solargeneratordefekten 147
4.3.3.2 Direkte Parallelschaltung von Strängen 149
4.3.4 Solargenerator mit Matrixschaltung der Solarmodule 150
4.4 Leistungsverluste im Solargenerator durch Teilbeschattungen + Mismatch 151
4.4.1 Verluste infolge Beschattung einzelner Module 151
4.4.2 Mismatch oder Fehlanpassungs Verluste infolge Exemplarstreuungen 154
4.4.3 Mismatch Verluste infolge Strahlungsinhomogenitäten 157
4.5 Praktischer Aufbau von Solargeneratoren 157
4.5.1 Montagearten für Solargeneratoren 157
4.5.1.1 Freifeldmontage 15 8
4.5.1.2 Flachdachmontage 158
4.5.1.3 Schrägdachmontage mit separatem Aufbau 161
4.5.1.4 Schrägdachmontage in Dachfläche integriert 162
4.5.1.5 Fassadenmontage und Fassadenintegration 163
4.5.1.6 Montage auf geeigneten bereits vorhandenen Strukturen 165
4.5.1.7 Nachgeführte Photovoltaikanlagen 165
4.5.2 Realisierung der Tragstruktur 167
4.5.2.1 Mechanische Dimensionierung der Tragstruktur 167
4.5.2.2 Geeignete Materialien für die Tragstruktur 170
4.5.3 Elektrische Verschaltung des Solargenerators 171
4.5.3.1 Die Gefahr durch die dauernd anliegende Spannung bei Photovoltaikanlagen 171
4.5.3.2 Das Brandrisiko durch Lichtbögen bei Photovoltaikanlagen 172
4.5.3.3 Anforderungen an die Spannungsfestigkeit und Witterungsbeständigkeit der Komponenten 173
4.5.3.4 Hinweise zur Komponentenauswahl und zur Realisierung des PV Generators 174
4.5.3.5 Der (Teil )Generatoranschlusskasten (Arrayanschlusskasten) 177
4.5.4 Verluste in der Gleichstromverkabelung 181
X
4.5.5 Erdungsprobleme auf der Gleichstromseite 183
4.5.5.1 Erdung von Metallgehäusen und metallischen Tragstrukturen 183
4.5.5.2 Erdung aktiver Teile des Solargenerators 183
4.5.6 Prinzipieller A ufbau grösserer Solargeneratoren 185
4.5.7 Schutz von Personen gegen gefährliche Berührungsspannungen 186
4.5.7.1 Betrieb der Anlage mit Schutzkleinspannung (Schutzklasse III) 186
4.5.7.2 Schutz durch räumliche Distanz 187
4.5.7.3 Sonderisolation (doppelte Isolation), Schutzklasse II 187
4.5.8 Beeinträchtigungen der Solargeneratorleistung im praktischen Betrieb 188
4.5.8.1 Teilbeschattung durch lokale Verschmutzung 188
4.5.8.2 Schmutzablagerungen an Modulrahmen oder Laminateinfassungen 188
4.5.8.3 Generelle Leistungsreduktion durch Schmutzablagerungen 190
4.5.8.4 Schneebedeckung des Solargenerators 192
4.6 Beispiele zu Kapitel 4 193
4.7 Literatur zu Kapitel 4 196
5 Photovoltaische Energiesysteme 197
5.1 Photovoltaische Inselanlagen 198
5.1.1 Akkumulatoren in Photovoltaikanlagen 201
5.1.1.1 Einsatz von Nickel Cadmium Akkumulatoren in Photovoltaikanlagen 201
5.1.1.2 Wichtige elektrische Eigenschaften von Bleiakkumulatoren 202
5.1.1.3 Für Photovoltaikanlagen geeignete Typen von Bleiakkumulatoren 212
5.1.2 A ufbau photovoltaischer Inselanlagen 216
5.1.2.1 Wahl der Systemspannung und der Modulspannung 216
5.1.2.2 Rückstromdiode, Tiefentladeschutz und Überladeschutz 217
5.1.2.3 Anlagen mit Seriereglern 217
5.1.2.4 Anlagen mit Parallelreglern oder Shuntreglern 219
5.1.2.5 Anlagen mit Maximum Power Tracker (MPT) 220
5.1.2.6 Beispiele kommerziell erhältlicher Solarregler (Laderegler mit Tiefentladeschutz) 221
5.1.3 Wechselrichterför photovoltaische Inselanlagen 223
5.1.3.1 Rotierende Umformer 224
5.1.3.2 Rechteckwechselrichter 224
5.1.3.3 Pulsbreitengeregelte Rechteckwechselrichter 224
5.1.3.4 Sinuswechselrichter 225
5.1.3.5 Notwendige Akkugrösse in Funktion der Wechselrichterleistung 230
5.1.3.6 Stromverlauf auf der DC Seite von Sinuswechselrichtern für Inselbetrieb 231
5.1.4 Gleichstromverbraucher für Inselanlagen 231
5.1.5 Photovoltaik Inselanlagen mit 230 V Wechselstrom 232
5.1.6 Photovoltaik Inselanlagen mit Wechselstrom Energiebus 234
5.2 Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen 236
5.2.1 Prinzip des Netzverbundbetriebs 236
5.2.1.1 Mögliche Zählerschaltungen bei netzgekoppelten Photovoltaikanlagen 238
5.2.1.2 Mögliche Anlagenkonzepte bei netzgekoppelten Photovoltaikanlagen 238
5.2.1.3 Grundsätzliche Problematik bei netzgekoppelten Photovoltaikanlagen 240
XI_
5.2.2 Aufbau und Funktionsprinzip von Photovoltaik Netzwechselrichtern 241
5.2.2.1 Anforderungen an Photovoltaik Wechselrichter für Netzverbundanlagen 241
5.2.2.2 Netzgefflhrte Wechselrichter 242
5.2.2.3 Unterschiede zwischen selbstgeführten und netzgeführten Wechselrichtern 246
5.2.2.4 Selbstgeführte pulsweitenmodulierte Wechselrichter mit NF Trafo 247
5.2.2.5 Selbstgeführter pulsweitenmodulierte Wechselrichter ohne Trafo 248
5.2.2.6 Selbstgeführte pulsweitenmodulierte Wechselrichter mit HF Zwischenkreis 251
5.2.2.7 Neuere Ideen und Weiterentwicklungen bei PV Netzverbund Wechselrichtern 252
5.2.2.8 Bilder einiger PV Netzverbund Wechselrichter 253
5.2.3 Auf Netzverbund Wechselrichter anwendbare Normen und Vorschriften 254
5.2.3.1 Provisorische Sicherheitsvorschrift für photovoltaische Anlagen 254
5.2.3.2 Provisorische Sicherheitsvorschrift für Wechselrichter für photovoltaische
Stromerzeugungsanlagen 255
5.2.3.3 Niederfrequente Störungen in Stromversorgungsnetzen 255
5.2.3.3.1 Spannungsänderungen 255
5.2.3.3.2 Immunität gegen Rundsteuersignale 256
5.2.3.3.3 Grenzwerte für Oberschwingungsströme 257
5.2.3.4 Hochfrequente Störungen (150 kHz 30 MHz) 259
5.2.3.4.1 Funkstörspannungen auf Netzanschlussleitungen 260
5.2.3.4.2 Übrige Leitungen (insbesondere Gleichstrom Anschlussleitungen) 260
5.2.3.5 Weitere Normen 262
5.2.4 Vermeidung von Selbstlauf resp. Inselbetrieb bei Netzwechselrichtern 262
5.2.4.1 Selbstlauf bei angepasster Last 266
5.2.4.2 Prinzipielle Möglichkeiten zur Detektion eines unerwünschten Inselbetriebs 268
5.2.4.3 Dreiphasige Über und Unterspannungsüberwachnung 269
5.2.4.4 Frequenzschiebeverfahren 270
5.2.4.5 Permanente Überwachung der Netzimpedanz durch ENS 271
5.2.4.6 Neue selbsttätige Schaltstelle zwischen Eigenerzeugungsanlage und Netz 275
5.2.5 Betriebsverhalten und Eigenschaften von Photovoltaik Netzwechselrichtern 276
5.2.5.1 Umwandlungs Wirkungsgrad 280
5.2.5.2 Maximalleistungs (MPP )Regelverhalten und MPP Tracking Wirkungsgrad 283
5.2.5.3 Totaler Wirkungsgrad oder Gesamtwirkungsgrad eines Wechselrichters 286
5.2.5.4 Dynamische MPP Tracking Tests 288
5.2.5.5 Oberschwingungsströme 289
5.2.5.6 Emission hochfrequenter Störspannungen 291
5.2.5.7 Entwicklung der Wechselrichterzuverlässigkeit 293
5.2.5.7.1 Systematische Untersuchung der Rundsteuersignal Empfindlichkeit 294
5.2.5.7.2 Entwicklung der Wechselrichterzuverlässigkeit im Laufe der Zeit 295
5.2.5.8 Leistungsbegrenzung bei überdimensioniertem Solargenerator 297
5.2.5.9 Geräuschentwicklung im Betrieb 300
5.2.5.10 Ausschaltvorgänge bei Netzunterbruch unter Last 301
5.2.6 Auftretende Probleme und mögliche Gegenmassnahmen beim Netzverbund¬
betrieb von Photovoltaikanlagen 302
5.2.6.1 Bestimmung der Netzimpedanz ZN am Verknüpfungspunkt 303
5.2.6.1.1 Mittlere sekundärseitige Impedanzwerte von Mittelspannungstransformatoren 304
5.2.6.1.2 Approximative Werte für Reaktanzbeläge von Leitungen 304
5.2.6.1.3 Widerstand und Reaktanz der Leitung 305
5.2.6.1.4 Gesamte 50Hz Netzimpedanz Zn 305
XII
5.2.6.1.5 Kurzschlussleistung am Verknüpfiingspunkt 306
5.2.6.2 Spannungsanhebung am Anschluss und Verknüpfungspunkt 306
5.2.6.2.1 Die Speiseleitungsverluste 310
5.2.6.3 Oberschwingungen 311
5.2.6.3.1 Störende Auswirkungen von Oberschwingungsströmen 311
5.2.6.3.2 Beurteilung auf Grund gemessener Oberschwingungsströme 312
5.2.6.3.3 Grobbeurteilung bei netzgefuhrten Wechselrichtern 312
5.2.6.3.4 Reduktion der störende Auswirkungen von Oberschwingungsströmen 313
5.2.6.4 Elektromagnetische Verträglichkeit 314
5.2.6.5 Wechselrichterdefekte 314
5.2.6.6 Tipps für den Praktiker für die Dimensionierung des Netzanschlusses 315
5.2.6.7 Berechnungsbeispiele für den Netzanschluss 315
5.2.6.8 Optimale DC Betriebsspannung bei Netzverbundanlagen 318
5.2.6.8.1 Definition der verwendeten Grossen 319
5.2.6.8.2 Verhalten des PV Generators bei verschiedenen Einstrahlungen und Temperaturen 320
5.2.6.8.3 Definition der relevanten Spannungsfaktoren (mit Angabe typischer Werte) 321
5.2.6.8.4 DC seitige spannungsmässige Dimensionierung von PV Anlagen 321
5.2.6.8.5 Beispiele zur DC seitigen spannungsmässigen Dimensionierung von PV Anlagen 323
5.2.6.9 Mögliche DC seitige Probleme beim Einsatz neuartiger Zelltechnologien 323
5.2.6.10 Rückblick auf die gewonnenen Erkenntnisse und Ausblick 323
5.2.7 Regelungs und Stabilitätsprobleme im Verbundnetz 324
5.2.7.1 Prinzip der Leistungsregelung im Verbundnetz 324
5.2.7.2 Belastung des Stromnetzes im Tagesverlauf 326
5.2.7.3 Dauerlinien, Energieausnutzung, Volllaststunden und Auslastung 327
5.2.7.4 Maximal ins Netz einspeisbare Energie 330
5.2.7.4.1 Situation bei Verwendung fest montierter Anlagen am Beispiel der Schweiz 330
5.2.7.4.2 Mögliche Verbesserung durch weitere technische und tarifliche Massnahmen 331
5.2.7.4.3 Situation im europäischen Verbundnetz 332
5.2.7.5 Möglichkeiten zur Substitution von Bandenergie 333
5.2.7.5.1 Stromspeicherung in Pumpspeicherwerken 334
5.2.7.5.2 Wasserstoffwirtschaft 336
5.2.7.5.3 Globales elektrisches Verbundnetz 336
5.2.7.6 Wirtschaftliche Konsequenzen auf den Betrieb anderer Kraftwerke 336
5.2.7.7 Zusammenfassung und Ausblick 337
5.3 Literatur zu Kapitel 5 338
6 Blitzschutz von Photovoltaikanlagen 343
6.1 Wahrscheinlichkeit von direkten Blitzeinschlägen 343
6.1.1 Beispiele zur Berechnung der jährlichen Anzahl Direkteinschläge 345
6.2 Kennwerte und prinzipielle Auswirkungen von Erdblitzen 345
6.2.1 Arten von Blitzen 346
6.2.2 Auswirkungen von Blitzen 347
6.2.3 Schutzklassen und Wirksamkeit von Blitzschutzanlagen 347
6.2.4 Verwendung von Näherungslösungenför die Blitzschutz Dimensionierung 347
6.3 Grundprinzipien des Blitzschutzes 348
6.3.1 Ausserer und innerer Blitzschutz 348
6.3.2 Bestimmung des Schutzbereichs mit dem Blitzkugelverfahren 348
XIII
6.3.3 Schutzbereich von Fangstäben und Fangleitungen 350
6.3.4 Massnahmen zum Blitzschutz elektrischer Anlagen 350
6.4 Aufteilung von Blitzströmen auf die einzelnen Ableitungen 351
6.5 Potenzialanhebung und Potenzialausgleich 352
6.5.1 Realisierung des Potenzialausgleichs 353
6.5.2 Teilblitzströme auf den in den Potenzialausgleich einbezogenen Leitungen 354
6.5.3 Ableiter 355
6.6 Durch Blitzströme induzierte Spannungen und Ströme 356
6.6.1 Gegeninduktivitäten und induzierte Spannungen bei Rechteckschleifen 358
6.6.1.1 Rechteckschleifen mit Teilstrecken von Ableitungen 358
6.6.1.2 Von Ableitungen getrennte Rechteckschleifen 359
6.6.2 Näherungen zwischen Ableitungen und anderen Installationen 362
6.6.3 Induzierte Ströme 364
6.6.3.1 In verlustloser Schleife induzierter Kurzschlussstrom 365
6.6.3.2 Induzierte Ströme in Schleifen mit Überspannungsableitern 365
6.6.3.3 Induzierte Ströme in Bypassdioden 373
6.6.4 Spannungen im Innern von blitzstromführenden Zylindern 379
6.7 Experimente zum Blitzschutz von Photovoltaikanlagen 381
6.7.7 Einführung 381
6.7.2 Der Stossstromgenerator 381
6.7.2.1 Für PV Anlagen wichtige Blitzkennwerte 381
6.7.2.2 Aufbau und Kenndaten der verwendeten Stossstromanlage 382
6.7.3 Testplatz für Solarmodulkennlinien 383
6.7.4 Beschädigungen durch im Rahmen oder in unmittelbarer Nähe von einzelnen
Solarzellen und Solarmodulen fliessende Ströme 3 84
6.7.4.1 Ergebnisse der Zellen und Modultests 385
6.7.5 Erhöhung der Immunität von Modulen gegenüber Blitzströmen 387
6.7.6 Miniatur Blitzfänger für Photovoltaikanlagen 388
6.7.7 Messungen der in einzelnen Modulen induzierten Spannungen 389
6.7.7.1 Einführung 389
6.7.7.2 Induzierte Spannungen bei einem additiven Modul in Parallel Position 390
6.7.7.3 Induzierte Spannungen bei einem additiven Modul in Normal Position 392
6.7.7.4 Rahmen Reduktionsfaktor bei verschiedenen Modultypen 393
6.7.7.5 Einfluss von Aluminiumfolie auf der Modulrückseite 394
6.7.7.6 Praktische Messungen der Blitzstromempfindlichkeit von Bypassdioden 395
6.7.7.7 Einfluss von gerahmten Nachbarmodulen auf die induzierten Spannungen 397
6.7.8 Induzierte Spannungen bei verdrahteten Solargeneratoren 397
6.7.8.1 Überlagerungssatz für induzierte Maximalspannungen 397
6.7.8.2 Reduktion der induzierten Verdrahtungsspannung bei gerahmten Modulen 398
6.7.8.3 Einfluss der Erdung von Solargeneratoren 400
6.7.8.3.1 Geerdeter Solargenerator ohne Teilblitzstrom in DC Hauptleitung 401
6.7.8.3.2 Geerdeter Solargenerator mit Teilblitzstrom in abgeschirmter DC Hauptleitung 403
6.7.8.3.3 Geerdeter Solargenerator mit Teilblitzstrom in DC Hauptleitung mit parallelem Erdleiter 405
6.7.9 Zusammenfassung über die durchgeführten Experimente 406
6.8 Blitzschutztechnisch optimale Dimensionierung des PV Generators 407
6.8.1 Gegeninduktivität von Solarmodulen 408
6.8.2 Gegeninduktivität der Verdrahtung 409
6.8.3 Berechnungsbeispiel für auftretendes Ms und umax in einem ganzen Strang 410
XIV
6.8.4 Auswirkungen von Ferneinschlägen 411
6.8.4.1 Bei Femeinschlägen kapazitiv eingekoppelte Verschiebungsströme 411
6.8.4.2 Dimensionierung der Überspannungsabieiter auf die Verschiebungsströme 412
6.8.4.3 Abschätzung der von Verschiebungsströmen verursachten Spannungen 413
6.8.4.4 Beispiele zur Abschätzung der Einflüsse eingekoppelter Verschiebungsströme 417
6.9 Praktische Realisierung des Blitzschutzes bei PV Anlagen 419
6.9.1 Prinzipiell mögliche Schutzmassnahmen 419
6.9.2 Schutz nur gegen Ferneinschläge 421
6.9.3 Schutz gegen Ferneinschläge und Naheinschläge (bis ca. 20 m) 422
6.9.4 Schutz vor Direkteinschlägen bei PV Anlagen auf Gebäuden 423
6.9.4.1 Direkteinschlag bei PV Anlage mit Solargenerator im Schutzbereich von
Fangeinrichtungen ohne Teilblitzstrom in DC Hauptleitung 423
6.9.4.2 Direkteinschlag bei PV Anlage mit Solargenerator im Schutzbereich von
Fangeinrichtungen mit Teilblitzstrom in DC Hauptleitung 424
6.9.5 Blitzschutz von grossen Photovoltaikanlagen auf freiem Feld 426
6.9.6 Blitzschutz von Photovoltaikanlagen auf Flachdächern 428
6.9.7 Blitzschutz von PV Anlagen nach bestehenden Vorschriften in der Schweiz 430
6.10 Zusammenfassung und Ausblick 431
6.11 Literatur zu Kapitel 6 432
7 Normierte Darstellung von Energieertrag und Leistung bei
Photovoltaikanlagen 433
7.1 Einführung 433
7.2 Normierte Erträge, Verluste und Performance Ratio 433
7.2.1 Die normierten Erträge (Yields) 433
7.2.2 Definition der normierten Verluste (Losses) 435
7.2.3 Die Performance Ratio 435
7.2.4 Übersichtstabelle mit den neuen normierten Grossen 436
7.3 Standardgrafiken für normierte Erträge und Verluste 436
7.3.1 Normierte Jahres und Monatsstatistiken 436
7.3.2 Normierte Tagesstatistik mit Stundenwerten 439
7.4 Normierte Leistungen bei Photovoltaikanlagen 441
7.4.1 Normiertes Tagesdiagramm mit Momentanwerten 442
7.4.2 Berechnung der Tages Energieerträge aus normierten Momentanwerten 443
7.4.3 Definition der Korrekturfaktoren kG, kT und des Nutzungsgrades nf 443
7.4.4 Auswertungsmöglichkeiten mit normierten Tagesdiagrammen 443
7.4.5 Beispiele zu den normierten Tagesdiagrammen 444
7.5 Fehlereingrenzung mit den verschiedenen Darstellungsarten 447
7.6 Zusammenfassung und Ausblick 450
7.7 Literatur zu Kapitel 7 450
8 Dimensionierung von Photovoltaikanlagen 451
8.1 Prinzip und Ausgangsgrössen für die Ertragsberechnung 451
8.1.1 Strahlungsberechnung 452
8.1.2 Bestimmung des Temperatur Korrekturfaktors kr 452
8.1.2.1 Näherungsweise Bestimmung der strahlungsgewichteten Zellentemperatur 453
xv_
8.1.2.2 Berechnung von kT und YT 455
8.1.2.3 Verwendung der kT Werte der Referenzstationen 456
8.1.3 Wahl des Generator Korrekturfaktors kc 457
8.1.3.1 Einflüsse auf den Generator Korrekturfaktor ko 457
8.1.3.1.1 Korrekturfaktor kPM für Minderleistung der Module 457
8.1.3.1.2 Korrekturfaktor kNG für niedrige Einstrahlung 457
8.1.3.1.3 Korrekturfaktor koR für Glasreflexionsverluste 458
8.1.3.1.4 Korrekturfaktor kSp für spektralen Mismatch 458
8.1.3.1.5 Korrekturfaktor kTB für Teilbeschattung einzelner Module 458
8.1.3.1.6 Korrekturfaktor kMiu für Mismatch 458
8.1.3.1.7 Korrekturfaktor kR für ohmsche Verluste 459
8.1.3.1.8 Korrekturfaktor kv für Verluste infolge Modulverschmutzungen 459
8.1.3.1.9 Korrekturfaktor ks für Verluste infolge Schneebedeckung 459
8.1.3.1.10Korrekturfaktor kMpp für Verluste infolge MPP Tracking Fehlern 459
8.1.3.1.11 Diskussion der in der Praxis besonders ins Gewicht fallenden Faktoren 460
8.1.3.2 Richtwerte für den Generator Korrekturfaktor ko 460
8.2 Ertragsberechnung bei netzgekoppelten PV Anlagen 464
8.2.1 Beispiele zur Ertragsberechnung bei netzgekoppelten PV Anlagen 466
8.2.1.1 Beispiele mit vereinfachter Strahlungsberechnung nach Kap. 2.4 466
8.2.1.2 Beispiele mit Strahlungsberechnung mit Dreikomponentenmodell nach Kap. 2.5 469
8.3 Dimensionierung von PV Inselanlagen mit Akku 472
8.3.1 Berechnung des mittleren täglichen Energieverbrauchs der Verbraucher All
8.3.2 Notwendige Akkukapazität K 474
8.3.3 Dimensionierung des Solargenerators A1A
8.3.3.1 PV Generator Dimensionierung bei normalen Ladereglern 475
8.3.3.2 PV Generator Dimensionierung bei Ladereglern mit MPT 476
8.3.3.3 Richtwerte für einige Grossen bei PV Inselanlagen 477
8.3.4 Tabellen für Dimensionierung von PV Inselanlagen 478
8.3.5 Beispiele zur Dimensionierung von Inselanlagen 481
8.3.5.1 Beispiele mit vereinfachter Strahlungsberechnung nach Kap. 2.4 481
8.3.5.2 Beispiel mit Strahlungsberechnung mit Dreikomponentenmodell nach Kap. 2.5 488
8.4 Programme auf dem Internet zur Strahlungsberechnung 490
8.4.1 P VGIS des EU Forschungszentrums JRC in Ispra/Italien 490
8.4.2 Europäische Strahlungsdatenbank Satel Light 490
8.5 Simulationsprogramme 491
8.6 Literatur zu Kapitel 8 491
9 Wirtschaftlichkeit von Photovoltaikanlagen 493
9.1 Die Kosten photovoltaisch erzeugten Stromes 493
9.1.1 Beispiele mit genauerer Energiepreisberechnung 495
9.1.2 Vergleich der Kosten von PV Strom mit denen von konventionellem Strom 497
9.1.3 Kosten von durch Pumpspeicherkraftwerke veredeltem PV Strom 499
9.2 Graue Energie, Energierücklaufzeit und Erntefaktor 500
9.3 Literatur zu Kapitel 9 504
10 Betriebserfahrungen 505
10.1 Beispiele von einigen realisierten PV Anlagen mit gemessenen Ertragsdaten 505
XVI
10.1.1 PV Anlage Gfeller, Burgdorf 505
10.1.2 PV Anlage Mont Soleil im Berner Jura (1270 m) 509
10.1.3 PV Anlage Jungfraujoch (3454 m) 513
10.1.4 PV Anlage Birg (2670 m) 519
10.1.5 PV Anlage Stade de Suisse in Bern 523
10.1.6 PV Anlage Newtech mit Dünnschichtzellen Modulen 525
10.1.7 PV Anlage Neue Messe München 532
10.1.8 PV Anlage Leipziger Land 534
10.1.9 PV Anlage Springerville (USA) 537
10.2 Vergleich zwischen einigen PV Anlagen in der Schweiz 538
10.3 Literatur zu Kapitel 10 541
11 Zusammenfassung und Ausblick 543
A Anhang mit Berechnungstabellen und Strahlungsdaten 549
AI Kopiervorlagen der Tabellen zur Strahlungsberechnung nach Kap. 2 549
ALI Einfache Strahlungsberechnung nach Kap. 2.4 549
AI.2 Strahlungsberechnung mit Dreikomponentenmodell nach Kap. 2.5 549
A2 Monatssummen der horizontalen Globalstrahlung
Tabelle mit Monatsmittelwerten der Einstrahlung H in die Horizontalebene
(global+diffus) für 173 verschiedene Orte auf der ganzen Welt 550
A3 Globalstrahlungsfaktoren für einige Referenzstandorte
Globalstrahlungfaktoren für Strahlungsumrechnung in geneigte Ebene für neun
Referenz Standorte (für vereinfachte Strahlungsberechnung nach Kap. 2.4) 557
A4 RB Faktoren für Strahlungsberechnungen mit der Dreikomponentenmethode
(für Standorte zwischen 24°N und 60°N) 560
A5 Beschattungsdiagramme für verschiedene geografische Breiten (41°N.53°N) 572
A6 Kopiervorlagen für Tabellen zur PV Ertragsberechnung 575
A6.1 Tabellen zur Ertragsberechnung bei netzgekoppelten PV Anlagen (Kap. 8.2) 575
A6.2 Tabellen zur Dimensionierung von PV Inselanlagen (Kap. 8.3) 577
A7 Zusatzkarten zur Strahlungs und Ertragsberechnung 580
A7.1 Beispiel eines Sonnenstandsdiagramms in Polardarstellung (für Burgdorf) 580
A7.2 Strahlungskarten (für die ganze Welt, die Alpenländer und Deutschland) 580
A7.3 Karte fürmöglichen PV Jahresenergieertrag in Europa 584
B Anhang B:
Links, Bücher, Stichwörter, Symbole, Abkürzungen usw. 585
Bl Einige Internet Links zu Photovoltaik Webseiten 585
B2 Bücher zur Photovoltaik und verwandten Gebieten 587
B3 Stichwortverzeichnis 590
B4 Liste der wichtigsten verwendeten Symbole (mit Einheiten) 597
B5 Liste der wichtigsten verwendeten Abkürzungen 604
B6 Vorsilben für dekadische Bruchteile und Vielfache von Einheiten 605
B7 Einige nützliche Umrechnungsfaktoren 605
B8 Wichtige Natur konstanten 605
Verdankungen 606 |
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