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Wenn man Sonnenstrahlung technisch nutzen will, muß man sie messen und kalibrieren können. Erfahren Sie mehr darüber wie Satelliten uns dabei unterstützen, die Sonnenstrahlung an jedem Ort der Erde zu ermitteln.

Der Frage und Antwort Bereich gibt Auskunft zu Solarenergie. Wer Wissenswertes zu Sonnenklima und Solartechnik erfahren möchte, wird hier fündig.

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Wie kann man Solarenergie mit Satelliten messen?

Der Europäische Wettersatellit macht alle 15 Minuten ein Bild von der Erde. Auf diesen Bildern kann man sehr schön die Wolken und das Land erkennen. Der Beitrag von focus solar besteht darin, die Informationen über Wolken mit einem Modell über Solarenergie zu kombinieren. Das ist eine typische Arbeitsaufgabe von Physikern. In der Physik beobachtet man die Natur und rechnet etwas aus. Hier ist das ganz genauso: aus der Beobachtung von Wolken wird die Solarenergie ausgerechnet. Ehrlich gesagt, rechnet heute der Computer alles aus. Die Physiker geben ihre Gleichungen in einen Computer ein und dann ist der Computer schlau genug, die Solarenergie auszurechnen.

solar_day.gif

Hier ist als Beispiel ein Tagesverlauf über Europa zu sehen. Dargestellt ist die Solarenergie auf der Erdoberfläche in verschiedenen Farbschattierungen von violett bis dunkelrot. Man sieht wie die Sonne morgens im Osten aufgeht und abends im Westen wieder untergeht. Außerdem sieht man die Wolken als dunkle Flecken, welche die Sonne nicht zu durchdringen vermag. Man kann sogar beobachten wie die Wolken sich bewegen!

Welche sind die sonnigsten Städte Europas?

Hier sind 30 ausgewählte europäische Städte nach ihrer Sonneneinstrahlung aufgelistet. Die sonnigste Stadt ist Izmir in der Türkei und die am wenigsten sonnige Stadt ist Oslo in Norwegen.

Rang
Stadt
Land
Jahreswert der Sonneneinstrahlung (in kWh/m²)
1
Izmir
Türkei
1724
2
Athen
Griechenland
1710
3
Lissabon
Portugal
1683
4
Madrid
Spanien
1666
5
Valencia
Spanien
1666
6
Marseille
Frankreich
1634
7
Neapel
Italien
1622
8
Rom
Italien
1565
9
Istanbul
Türkei
1486
10
Sofia
Bulgarien
1398
11
Bukarest
Rumänien
1389
12
Belgrad
Serbien
1348
13
Ljubljana
Slowenien
1274
14
Budapest
Ungarn
1274
15
Bratislava
Slowakei
1226
16
Wien
Österreich
1222
17
München
Deutschland
1220
18
Zürich
Schweiz
1206
19
Prag
Tschechien
1113
20
Paris
Frankreich
1096
21
Warschau
Polen
1015
22
Berlin
Deutschland
1002
23
Amsterdam
Niederlande
981
24
Brüssel
Belgien
971
25
London
England
952
26
Kopenhagen
Dänemark
952
27
Dublin
Irland
894
28
Helsinki
Finnland
894
29
Stockholm
Schweden
872
30
Oslo
Norwegen
831

Wie ist der Wirkungsgrad von PV-Anlagen definiert?

Der Anlagenwirkungsgrad, manchmal auch Performance Ratio genannt, misst den Ertrag einer Anlage relativ zu ihrer Grösse in  kW peak und relativ zur einfallenden Solarenergie:

Ertrag in kWh
----------------------------------------------------------
(kW peak) * (Solarenergie in kWh/m²)

Der Anlagenwirkungsgrad drückt aus wieviel der zur Verfügung stehenden Solarenergie tatsächlich in elektrische Energie umgewandelt wird. Wie auch sonst üblich ist der Wirkungsgrad ein Verhältnis aus zwei Grössen, nur dass hier der Wirkungsgrad nicht absolut angegeben wird, sondern relativ zur durch den Hersteller spezifizierten Modulleistung. Deshalb erscheint die kW peak Angabe im Nenner des obigen Ausdrucks. Der Anlagenwirkungsgrad wurde eingeführt, um PV-Anlagen unabhängig von ihrer Grösse, ihrer Aufstellung und ihres geographischen Standortes vergleichen zu können.

Schauen wir einmal auf ein typisches Beispiel. Ein Kunde in Deutschland hat eine 3 kW Anlage und die jährliche Menge an Solarenergie an seinem Standort beträgt 1000 kWh/m². Wenn es keinerlei Verluste gäbe, dann würde diese Anlage theoretisch bis zu 3 x 1000 = 3000 kWh pro Jahr produzieren. Beträgt der tatsächlich produzierte Ertrag 2500 kWh, dann hat diese Anlage einen Wirkungsgrad von 2500 kWh / 3000 kWh = 83%. Ein Wert von 83% heisst, dass diese Anlage 83% ihrer Nennleistung erreicht, also effektiv eine 2,5 kW Anlage ist. Nur die Module haben, separat betrachtet, eine Leistung von 3 kW.

Käufer von PV-Anlagen sollten sich bewusst sein, dass es eine Diskrepanz zwischen Modul- und Anlagenleistung gibt. Unterm Strich zählt die Anlagenleistung und deshalb sollte man beim Kauf auch auf den Anlagenwirkungsgrad achten. Schliesslich kaufen Sie nicht nur Module, sondern eine ganze Anlage. Leider bieten Verkäufer noch nicht immer ausreichende Informationen zum Anlagenwirkungsgrad an, teilweise ist er auch gar nicht bekannt.

Der Anlagenwirkungsgrad kann für eine Vielzahl von Zeitskalen berechnet werden, nicht nur für ein Jahr, wie im Beispiel angegeben. Sinnvolle Zeitskalen sind z.B. ein Monat oder auch ein Tag. Es ist nur wichtig, dass die Zeitskala immer die gleiche ist, sowohl für die produzierte Menge an elektrischer Energie als auch für die einfallende Solarenergie. Ansonsten wäre es so, als ob man Äpfel mit Birnen vergleichen würde.

Warum ist der Anlagenwirkungsgrad nicht 100%?

Es gibt zwei verschiedene Arten von Verlusten: solche die technischer Natur sind und die ein Fachmann beheben kann, aber auch solche die mit Zertifizierungsmethoden von PV-Modulen zu tun haben. Letzere sind fast schwieriger zu beheben als erstere, weil diese von der menschlichen Wahrnehmung geprägt sind. In der Tat gibt es in der Solarbranche gute Gründe, die Leistungsangabe für PV-Module zu überarbeiten.

Technische Verluste:
Die wichtigsten technischen Verluste sind solche die im Wechselrichter auftreten (typischerweise 4%, neuere Modelle schaffen bis zu 2%), Verluste durch Verschattung und Verluste durch Verschmutzung der Module. Verschattung und Verschmutzung sind stark vom Standort abhängige Bedingungen. Staubablagerungen sind eher dort ein Problem, wo lockerer Erdboden leicht aufgewirbelt werden kann und wo es wenig regnet. Daneben gibt es noch Verluste in den Kabeln (insbesondere wenn diese zu dünn sind), Verluste in Verbindungselementen und Schutzdioden, wie auch Schaltungsverluste, wenn ungleiche Module am gleichen Strang hängen, und Steuerungsverluste, wenn z.B. die Elektronik dem Arbeitspunkt nicht optimal folgen kann. Der Gesamteffekt der letztgenannten Verluste ist jedoch eher gering und in den meisten Fällen kleiner als 5%.

Verluste, die eher psychologischer Natur sind:
Mit "psychologischen" Verlusten sind solche gemeint, die durch die Zertifizierung der Module bedingt sind, also die Art und Weise, wie Module für den Verbraucher "verpackt" werden. Wenn auf einem Modul 100 W drauf steht, heisst das nicht, dass auch wirklich 100 W drin sind, zumindest nicht da wo Verbraucher typischerweise ihre Module einsetzen. Die 100 W beziehen sich auf ganz spezielle Laborbedingungen, wo es Sonnensimulatoren gibt, die Vergleichsbedingungen erzeugen an denen PV-Module ihre höchste Effizienz erreichen, wie sie aber in der Realität so kaum anzutreffen sind. Der englische Fachausdruck  für diese Vergleichsbedingungen heisst "Standard Test Conditions" und ist dadurch charakterisiert, dass die Einstrahlung 1000 W/m² und die Modultemperatur 25°C beträgt. Das ist ungefähr soviel Einstrahlung wie in der Sahara bei Temperaturen wie sie eher an der Nordseeküste vorherrschen. Einen Ort, für den diese Umweltbedingungen typisch wären, gibt es leider nirgendwo auf der Erde, außer in den wenigen Testlabors, die PV-Module zertifizieren dürfen. Nun muss man zur Ehrenrettung der Erfinder der "Standard Test Conditions" sagen, dass der Standard ursprünglich wohl für einen anderen Zweck bestimmt war. Dieser Standard ist durchaus für Wissenschaftler geeignet, die an Solarzellen forschen und ihre Forschungsergebnisse so unabhängig testen lassen können. Dafür ist der Laborstandard sehr sinnvoll. Die Übertragung des Standards auf Verkaufsprodukte, die bei ganz anderen Bedingungen eingesetzt werden, ist jedoch weniger sinnvoll.

Die Schwächen des augenblicklichen Standards werden deutlich, wenn man einen Blick auf die Funktionsweise von Sonnensimulatoren wirft. Sonnensimulatoren funktionieren wie Blitzlampen, die die Module nur kurzzeitig beleuchten. Dadurch bleibt die Modultemperatur von der intensiven Einstrahlung weitgehend unbeinflusst und kann leicht bei Zimmertemperatur von 25 °C stabilisiert werden. Bei kontinuierlicher Sonneneinstrahlung von 1000 W/m² würden sich die Module aber erheblich aufheizen, was zu Ertragsminderungen führt. Genau das passiert auch, wenn die Module in der "echten" Sonne liegen. Im Unterschied zu Sonnensimulatoren blitzt die Sonne eben nicht, sondern scheint doch eher kontinuierlich.

Das Dilemma ist, dass die Referenzbedingungen in sich nicht konsistent sind. Die Modultemperatur passt nicht zur Einstrahlung. Ein Ausweg wäre möglich, wenn die Industrie Anstrengungen unternimmt, einen eigenen Standard zu definieren, der realistischere Leistungsangaben ermöglicht. Ganz wird sich das Problem nie lösen lassen, da sich Umweltbedingungen von Ort zu Ort unterscheiden und es die Standard-Umweltbedingungen als solche nicht gibt. Verbesserungspotenzial zur heutigen Praxis gibt es aber durchaus. Eine Überarbeitung ist auch dringend geboten, weil mit den Dünnschichtmodulen eine neue Technologie auf dem Markt Einzug hält, bei der die Umwelteinflüsse anders gelagert sind. Durch Verwendung des heutigen Standards würden Dünnschichtmodule relativ zu herkömmlicher Siliziumtechnologie benachteiligt werden. Die Diskrepanz zwischen angegebener und tatsächlicher Leistung macht Preisvergleiche schwierig und führt zur Undurchsichtigkeit des Marktes. Am Ende können nur noch Spezialisten den Durchblick behalten was nicht im Sinne der Kunden sein kann. Eben deshalb ist eine realitätsnahe Kennzeichnung von PV-Modulen dringend geboten!

Da die Temperatureffekte bei der Zertifizierung von Modulen nicht berücksichtigt werden ist die kW peak Angabe immer etwas geschönt. Selbst wenn man die gleiche Anzahl an Sonnenstunden (d.h. Stunden mit einer Einstrahlung von 1000 W/m²) zugrunde legt, wird die Nennleistung nicht erreicht. Quantitativ beträgt die Leistungsüberschätzung von Siliziummodulen in Deutschland um die 5%, während sie in südlicheren Regionen, wo es wärmer ist, bis an die 10% betragen kann. Je wärmer es an einem Standort ist, um so grösser ist die Diskrepanz. Durch diesen zertifizierungsbedingten Effekt entstehen scheinbar zusätzliche Verluste. Solche Verluste sind jedoch nicht als Anlagenmangel zu interpretieren, sondern einfach Ausdruck der gegenwärtigen Zertifizierungspraxis. Als Gesamteffekt ergeben sich Verluste von 10-20%, die als normal zu bezeichnen sind. Nur wenn die Verluste diese Marke übersteigen ist davon auszugehen, dass mit der Anlage etwas defekt ist. Deshalb können Sie mit einem Wirkungsgrad von 80% ganz zufrieden sein.

Was sagt der Anlagenwirkungsgrad über meine PV-Anlage aus?

Der Anlagenwirkungsgrad ist ein wichtiger Indikator für die Qualität einer PV-Anlage. Man darf ihn jedoch auch nicht überbeanspruchen. So kann ein niedriger Wirkungsgrad die Existenz eines Problems anzeigen, aber man kennt damit noch nicht die Ursache. Um die Ursache zu identifizieren, muss man weitere Nachforschungen anstellen, einschliesslich einer Inspektion der Anlage durch einen Fachmann. Der Anlagenwirkungsgrad ist für eine Bestandsaufnahme geeignet: Funktioniert die Anlage so wie sie sollte? Ausserdem bringt die Leistungszahl an's Licht wie häufig Fehler aufgetreten sind und welche Konsequenzen das auf die Erträge hatte.

Drastische Einbrüche im Wirkungsgrad signalisieren Ereignisse, welche die Anlage massiv in Mitleidenschaft ziehen wie z.B. Ausfälle des Wechselrichters, die Abschaltung der Anlage durch den Lasttrennschalter oder der Ausfall eines ganzes Modulstrangs auf Grund einer Leitungsunterbrechung. Geringe Abfälle im Wirkungsgrad sind ein Hinweis auf Fehlerquellen, die zwar nicht zum völligen Versagen der Anlage führen, aber gerade solchen Abfällen ist besondere Aufmerksamkeit zu widmen, weil sich hier die kleinen Fehlerquellen einschleichen, die leicht übersehen werden, aber langfristig zu Mindereinnahmen führen. Zeitweise Probleme wie  Verschattung, Schneebedeckung und Schmutzablagerungen führen zu sporadisch auftretenden Beeinträchtigungen des Wirkungsgrades mit einer An/Aus-Charakteristik. Die Degradation der Module über viele Betriebsjahre äussert sich als eine langsame und kontinuierliche Abnahme des Wirkungsgrades. Kurzum, man kann aus dem Verhalten des Anlagenwirkungsgrades eine ganze Menge über den Zustand einer PV-Anlage lernen und man gewinnt wertvolle Hinweise was man bei einer Vor-Ort Inspektion mal näher unter die Lupe nehmen sollte.