Photovoltaik-Wirkungsgrad: die zu bewertenden Faktoren

Der Photovoltaik-Wirkungsgrad hängt von zahlreichen Variablen ab. Entdecken Sie die Faktoren, welche die Leistung der gesamten Anlage beeinflussen

Die Installation einer Photovoltaikanlage kann sowohl aus ökologischer als auch aus wirtschaftlicher Sicht zahlreiche Vorteile mit sich bringen.

Der Wirkungsgrad von Solarmodulen wird jedoch von verschiedenen Aspekten beeinflusst, die sich erheblich auf die jährliche Energieerzeugung auswirken. Eine unzureichende Bewertung dieser Elemente könnte die Effizienz der gesamten Anlage beeinträchtigen.

Um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen und eine Photovoltaikanlage korrekt zu dimensionieren, empfehlen wir Ihnen, die kostenlose Testversion einer Photovoltaik-Software zu verwenden, die Sie bei der Planung unterstützten kann.

Was versteht man unter Photovoltaik-Wirkungsgrad

In der Planungsphase sollten bestimmte Merkmale berücksichtigt werden, die sich auf die Menge der aufgefangenen und erzeugten Energie sowie auf den Wirkungsgrad der PV-Anlage auswirken.

Bevor die Wirtschaftsanalyse der Photovoltaikanlage bestimmt wird, muss der Wirkungsgrad der einzelnen Photovoltaikmodule analysiert werden.

Die Leistung der Solarmodulen wird unter STC-Bedingungen (Standard Test Condition) berechnet, d. h. bei einer Sonneneinstrahlung von 1000 W/m², einer Temperatur von 25 C und einer spektralen Verteilung = 1,5.

Der Wirkungsgrad eines Solarmoduls ist die Menge an Sonnenenergie, die es pro Flächeneinheit in elektrische Energie umwandeln kann, und ist immer der maximale Wirkungsgrad bei STC-Bedingungen.

Der Wirkungsgrad eines Solarmoduls kann berechnet werden, wenn man die Spitzenleistung und Abmessungen kennt:

Berechnung des Photovoltaik-Wirkungsgrad

wobei:

• die Leistung die Spitzenleistung darstellet und in W ausgedrückt wird;
• die Fläche die Modulfläche in m² ist;
• 1000 die Bestrahlungsstärke von 1000 W/m² ist;
• 100 der prozentuale Faktor ist.

Nehmen wir ein praktisches Beispiel: Bei einem 250 W_p -Solarmodul mit Abmessungen  1,65 m x 1 m (Fläche von 1,65 m²) erzielen wir Folgendes:

Wirkungsgrad   = (250 / 1,65 / 1000) * 100 = 15,15%

Die Abmessungen und die Spitzenleistung sind in den Datenblättern der Solarmodulen oder auf deren Etiketten angegeben.

An dieser Stelle kann das Konzept des Wirkungsgrads der Photovoltaikanlage eingeführt werde, welche das Verhältnis zwischen der produzierten Menge und der maximal produzierbaren Mengen ausdrückt.

Der Wirkungsgrad der Anlage wird von mehreren Faktoren beeinflusst (und nicht nur vom Ertrag der Solarmodule).

Faktoren, die den Wirkungsgrad der Solarmodulen beeinflussen

Die wichtigsten Faktoren sind:

• Eigenschaften der Solarmodule;
• Neigungswinkel der Solarmodule;
• Ausrichtung der Solarmodule;
• Verschattung;
• Reihenabstand;
• Energieverluste.

Einflussfaktoren des Photovoltaik-Wirkungsgrads

Wahl der Ausrichtung und Neigungswinkel der Solarmodule

Vor der Installation der Photovoltaikanlage sollte geprüft werden, dass das Solarmodul die richtige Sonnenausrichtung und der korrekten Neigung ausgesetzt ist.

Um ein Maximum an Sonneneinstrahlung einzufangen, sollten die Solarmodule nach Süden ausgerichtet sein; aber auch Module, die nach Südosten und Südwesten ausgerichtet sind, können gute Ergebnisse erzielen.

Die Neigung (Tilt-Winkel) ist variabel und hängt vom Breitengrad ab. Die Richtwerte in unseren Breitengraden liegen bei 20-40.

Für die genaue Bestimmung des besten Wertes je nach Installationsbereich empfehlen wir Ihnen, sich auf eine Photovoltaik-Software zu verlassen, mit der Sie die Solarproduktion anhand konkreter Sonneneinstrahlungsdaten aus den wichtigsten Klimareferenzdatenbanken schätzen können:

• PVGIS™ für Europa, Afrika, Mittelmeerraum und Südwestasien.

Winkelneigung 30-35° – Südausrichtung

Reihenabstand

Bei der Auslegung einer horizontalen Fläche muss neben der Ausrichtung und Neigung auch der Abstand zwischen den Modulreihen berechnet werden, um den richtigen Kompromiss zwischen maximaler Leistung, die auf der Fläche installiert werden kann, und minimaler Verschattung zwischen den Reihen zu finden. Dies ist ein grundlegender Aspekt, um den Wirkungsgrad von Photovoltaikmodulen zu maximieren.

Um den optimalen Reihenabstand zu bestimmen, muss die Fläche berücksichtigt werden, auf der die Anlage installiert wird:

• bei einer geneigten Fläche, werden die Solarmodule im Allgemeinen in der gleichen Ebene wie die Dachneigung verlegt, und es ist nicht erforderlich den Abstand zu berechnen (die Neigung entspricht die des Dachs);
• wenn die Anlage auf dem Boden oder auf einem Flachdach installiert wird, müssen die Neigung und der Reihenabstand korrekt bestimmt werden, um eine Verschattung durch die Module selbst zu vermeiden, was auch unter Berücksichtigung der Tages- und Jahreszeiten erfolgt.

Es ist daher erforderlich, die Höhe (H) und den Abstand (D) zwischen den einzelnen Modulreihen zu berechnen. Falls der Abstand nicht korrekt berechnet wird, kann es zu Eigenverschattungen kommen, d.h. vorgelagerte Solarmodule werfen einen Schatten auf die dahinter liegenden.

Reihenabstand der Solarmodule

Um diese Unannehmlichkeiten zu vermeiden und zuverlässige Ergebnisse zu erzielen, empfehle wir Ihnen, eine Photovoltaik-Software zu verwenden, die in der Lage ist, den Mindestabstand zwischen den Reihen der Solarmodulen auf jeder beliebigen Fläche (horizontal, vertikal oder geneigt) automatisch zu berechnen).

Verschattungsfaktor

Ein weiterer Schlüsselfaktor für eine optimale Leistung der Solarmodule ist der Verschattungsfaktor, der mit Hilfe einer Verschattungsanalyse berechnet wird.

Die Verschattungsanalyse ermöglicht, die Auswirkungen der in der Nähe liegenden Hindernisse zu beurteilen und ermöglicht zu überprüfen, wie diese die einfallende Sonnenstrahlung beeinflussen können sowie ob sich Verschattungen auf den Oberflächen ergeben.

Für eine korrekte Verschattungsanalyse ist außerdem auch eine Ortsbesichtigung notwendig, um das Vorhandensein von Objekten zu analysieren, welche Schatten verursachen könnten und der Azimut berechnet wird.

Der Azimut wird wie folgt gemessen:

1. wir positionieren uns an der Stelle, an der wir die Anlage installieren werden und mit einem Kompass wird festgestellt, an welcher Kardinalstelle sich das Element in Bezug auf uns befindet (in diesem Fall befindet sich der Baum nach Osten);
2. es wird die Höhe des Elements berechnet (z.B. 10°);
3. es wird der Neigungswert berechnet: Man schaut mit einem Fernglas oder einer Kamera auf die Spitze des Baumes, welche die Grenze zwischen dem Himmel und dem Element, das einen Schatten werfen kann, darstellt, und beobachtet die Höhe der Neigung, dargestellt durch den Winkel α. Um diesen Winkel α zu messen, verwendet man den Neigungsmesser, d. h. ein Goniometer mit einem Bleidraht, mit dem man sehen kann, wie hoch man im Verhältnis zu einer horizontalen Ansicht steht.

Messung des Azimuts eines Baumes

Dieser Faktor wird für jedes Objekt berechnet, das einen Schatten auf den Solarmodulen verursachen kann. Anschließend werden diese Werte in eine Sonnenkarte mit kartesischen Koordinaten (Sonnenstandsdiagramm) integriert und mit einer speziellen Photovoltaik-Software analysiert, mit der man überprüfen kann, ob diese Elemente in einem beliebigen Zeitraum (jährlich, monatlich, täglich, stündlich) Schatten auf die Anlage werfen.

Sonnenstandsdiagramm zur Überprüfung der Beschattung

Das Bild oben zeigt ein Beispiel eines Sonnenstandsdiagramms mit:

• Kardinalpunkten auf den Abszissen;
• Höhenwerten auf den Ordinaten;
• Sonnenkurven durch gelbe Linien dargestellt;
• geometrische Schematisierung von Elementen, welche Schatten verursachen (z. B. grüne Kreise zur Darstellung von Bäumen).

Mit Solarius PV, der Software für die Planung von Photovoltaikanlagen können Sie die Verschattung von Hindernissen, die entfernt von der Anlage liegen (wie z.B. Hügel, Gebäude, Bäume usw.) durch eine einfache Landschaftsfotografie und direkt auf dem Solardiagramm des Installationsortes erstellen.

Energieverluste

Um den tatsächlichen Ertrag der Solaranlage zu berechnen, müssen die verschiedenen Energieverluste berücksichtigt werden, die bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Strom auftreten können.

In diesem Zusammenhang wird das Balance of System (BOS) verwendet, um die Energieverluste der Anlage aufgrund verschiedener Faktoren, wie der Kopplung zwischen verschiedenen PV-Modulen, der Verbindungen zum Wechselrichter, der Verluste in den Schaltanlagen, der Verluste in den Leitern usw. in Prozent ausdrückt.

Dabei handelt es sich um:

• Reflexionsverluste;
• Ertragsverlust durch Verschattung;
• Verluste durch Mismatching;
• Verluste aufgrund von Temperatureinflüssen;
• Verluste in Gleichstromkreisen;
• Verluste in den Wechselrichtern;
• Verluste in Wechselstromkreisen.

Verluste im Gleichstrom hängen von der Länge der Solarkabel ab: Längere Verkabelungen führen zu größeren Verlusten.

Das Mismatching ist auf den kleinen Unterschieden der elektrischen Eigenschaften der verschiedenen Solarmodule zurückzuführen. Je nach Konfiguration der Strings kann es zu einer Verringerung der erzeugten Energie führen.

Um den tatsächlichen Wirkungsgrad von Photovoltaikmodulen zu berechnen, sollten alle oben genannten Faktoren berücksichtigt werden. Dazu empfehlen wir Ihnen eine Software für die Planung einer Photovoltaikanlage zu verwenden, die Sie herunterladen und 30 Tage lang kostenlos verwenden können, um die Sonneneinstrahlung zu berechnen und die verschiedenen Energieverluste zu berücksichtigen.