ZIEL: Erneuerbare Energien sind die ökonomisch, ökologisch und politisch optimale Möglichkeit um Energieversorgungssicherheit, wirtschaftliche Stabilität und Wachstum sowie ökologische Nachhaltigkeit zu erreichen. Deutschland ist dabei technologisch, industrietechnisch- und markttechnisch wie auch bzgl. der pol. Rahmenbedingungen weltweit Vorreiter. Die dena dient als Schnittstelle und Kompetenzzentrum um Austausch, Transfer und Kooperation zwischen Ausland und deutschem Know-how zu fördern, wofür sie verschiedene Dienstleistungen im In- und Ausland anbietet. Solarstrahlung

Inhalt Einleitung Solarstrahlung Ausrichtung und Neigung des PV-Generators Auswirkung von Verschattung Vermeidung von Verlusten durch Verschattung Vermeidbare Fehler

Potential erneuerbarer Energien Die Kraft der Sonne Erdwärme Biomasse jährlicher Weltenergiebedarf Wasserkraft und Meeresenergie Windenergie Sonnenenergie

Energiequelle Sonne Oberflächentemperatur ca. 5.777 K Solarkonstante E0 (Strahlungsleistung beim Eintritt in die Erdatmosphäre) 1.367 W/m2

Strahlungsverluste auf der Erde Reflexionen an der Atmosphäre Absorption in der Atmosphäre (z.B. H2O) Rayleigh Streuung an Molekülen Mie Streuung an Verunreinigungen (z.B. Staubteilchen)

Einstrahlungsverluste in Abhängigkeit von Sonnenhöhenwinkel und Standort AM Absorption Rayleigh Mie Gesamt 90° 1 8,7 % 9,4 % 0 – 25,6 % 17,3 – 38,5 % 60° 1,15 9,2 % 10,5 % 0,7 – 29,5 % 19,4 – 42,8 % 30° 2 11,2 % 16,3 % 4,1 – 44,9 % 28,8 – 59,1 % 10° 5,76 16,2 % 31,9 % 15,4 – 74,3 % 51,8 – 85,4 % 5° 11,5 19,5 % 42,5 % 24,6 – 86,5 % 65,1 – 93,8 % Quelle: DGS

Air Mass www.solarpraxis.de Sonnenhöhe im Jahresverlauf in Berlin

Spektrum des Sonnenlichts Spektrale Strahlungsleistungs-sichte in W/(m² m) www.solarpraxis.de Wellenlänge in m AM 0 im Weltall, AM 1,5 bei einem Sonnenhöhenwinkel von 41.8°

Sensibilität verschiedener Zellmaterialien Relative Intensität Quelle: ISET Kassel Wellenlänge in nm Amophes Silizium Kristallines Silizium Cadmium Tellurid (CdTe) Kupfer Indium Diselenid (CIS)

Triple-junction Dünnschicht Solarzelle Relative Intensity Quelle: Uni-Solar Wellenlänge in nm

Komponenten der Solarstrahlung Direkte Strahlung Reflexion, Streuung Reflexions- strahlung Diffuse Strahlung, Himmelsstrahlung

Albedo Umgebungsreflexionen, durchschnittlich 0.2 in Deutschland Asphalt 0,15 Wald 0,05 – 0,18 Sand 0,10 – 0,25 Trockenes Gras 0,28 – 0,32 Rasen 0,18 – 0,23 Sauberer Beton 0,55 Erdboden 0,17 Quelle: DGS

Sonnen-Erd-Geometrie 21. Dezember 21. September 21. Juni 21. März

Sonnenbahn über Jahr und Tag (nördliche Hemisphäre) W S N O 04:00 08:33 06:20 21. Dezember 21. September 21. Juni Zenit 21. März

Strahlungsleistung bei unterschiedlichem Wetter Bewölkt Klarer Himmel, sonnig Vorwiegend Diffusstrahlung Vorwiegend Direktstrahlung Einstrahlung in W/m2

Direkt- und Diffusstrahlung in Berlin verglichen…. www.solarpraxis.de Diffusstrahlung Direktstrahlung Erstellt mit meteonorm 6.0

…mit Direkt- und Diffusstrahlung in Kuwait City ) www.solarpraxis.de Diffusstrahlung Direktstrahlung Erstellt mit meteonorm 6.0

Einstrahlung am 21. Juni in Berlin und Kuwait City www.solarpraxis.de Erstellt mit meteonorm 6.0

Einstrahlung am 21. Dezember in Berlin und Kuwait City www.solarpraxis.de Erstellt mit meteonorm 6.0

Einstrahlungsmessung- Pyranometer Die Solarstrahlung fällt durch die halbkreisförmigen Glashauben senkrecht auf die Absorberfläche und erwärmt diese in Abhängigkeit von der Einstrahlung. Mit Hilfe von Thermoelementen wird die Temperaturdifferenz zur Umgebung ermittelt. Weiterhin erzeugen sie eine der Temperaturdifferenz entsprechende Spannung, die mit einem Datenlogger ausgewertet werden kann. Um diffuse Strahlung zu messen wird ein Ring aufgesetzt, der die direkte Strahlung abhält. Ein Pyranometer ist langsam, aber sehr genau (ca. 0,8 %) www.solarpraxis.de / Pischel

Einstrahlungsmessung – Einstrahlungssensor aus Silizium Sollte immer aus dem gleichen Zellmaterial wie die zu messende Anlage bestehen und kalibriert sein für belastbare Messungen Liefert eine definierte Spannung , Datenlogger interpretieren die Spannung Sollte exakt in der gleiche Ausrichtung und Neigung wie die Module montiert werden www.solarpraxis.de / Eva Schubert

Weltweite Verteilung der jährlichen Sonnnenein-strahlung in kWh/m² nicht erforscht

Mittlere jährliche Sonnen- einstrahlung in Deutschland Quelle: DWD

Mittlere Globalstrahlung Indien Durchschnittliche tägliche Einstrahlung Im Juni Globalstrahlung Indien kWh/m² täglich kWh/m² jährlich www.solarpraxis.de

Mittlere jährliche Globalstrahlung in Tschechien Globalstrahlung Tschechien kWh/m² täglich kWh/m² jährlich

Durchschnittlicher spezifischer Ertrag in Deutschland www.solarpraxis.de

Solarstromerzeugung im Jahresverlauf 2004 - 2007

Winkel am PV-Generator Quelle: DGS

PV-Generatoren mit unterschiedlicher Neigung Benutzen Sie zwei Wechselrichter oder Multi-string Wechselrichter!

Pretoria, 25.5°sB, 28.1°öL, Höhe 1369 m Erstellt mit PVSYST 4.3

Berlin, 52.3°nB, 13.2°öL, Höhe 33 m Erstellt mit PVSYST 4.3

Abu Dhabi, 24.5°nB, 54.4°öL, Höhe 0m Erstellt mit PVSYST 4.3

Einstrahlungsverluste bei nicht optimaler Ausrichtung und Neigung (Mitteleuropa) W S O

Einstrahlungsverluste bei nicht optimaler Ausrichtung und Neigung (Mitteleuropa) Quelle: DGS

Einstrahlungsverluste aufgrund nicht optimaler Neigung Einstrahlung in kWh/(m²a) Verluste aufgrund nicht optimaler Neigung horizontal 1.010 kWh/(m²a) - 12,8 % Süd / 10° 1.079 kWh/(m²a) - 6,8 % Süd / 20° 1.128 kWh/(m²a) - 2,6 % Süd / 30° 1.153 kWh/(m²a) - 0,4 % Süd / 35° * 1.158 kWh/(m²a) 0,0 % Süd / 45° 1.149 kWh/(m²a) - 0,8 % Süd / 60° 1.089 kWh/(m²a) - 6,0 % Süd / 90° 832 (m²a) - 28,2 % * Optimum Standort Berlin, polykristalline Module, ca. 100 kWp, erstellt mit PV*Sol 3.0

Erhöhung der Einstrahlung durch eine spezielle Glasstruktur www.solarpraxis.de

Erhöhung der Einstrahlung mit nachgeführten Systemen Bei korrekter Funktion der Nachführung ohne Eigenverschattung Einstrahlung in kWh/(m²a) Zusätzliche Einstrahlung in kWh/(m²a) Zusätzliche Einstrahlung Süd / 35° Berlin Süd / 24° Kuwait C. 1.159 1.855 0,0 % Nachführung Berlin einachsig Kuwait C. 1.399 2.132 + 240 + 277 + 20% + 15 % Nachführung Berlin zweiachsig* Kuwait C. 1.480 2.330 + 321 + 475 + 28 % + 26 % *Optimum Standort Berlin, polykristalline Module, ca. 100 kWp, erstellt mit PV*SOL 3.0

Aufteilung des Jahresertrages über das Jahr Mär. Apr. Mai Jun. Jul. Aug. Sept. Okt. Nov. Dez. Jan. Feb. Berlin Kuwait City 7,9 9,2 11,2 8,4 13,2 9,5 12,2 13,3 12,1 9,4 9,1 7,8 8,9 3,3 6,3 2,0 6,5 3,0 6,8 4,6 7,7 Frühling Sommer Herbst Winter 32,3 27,1 37,6 27,6 20,5 24,3 9,6 21,0 Monatlicher Ertrag in Prozent des Jahresertrages, erstellt mit PV*SOL 3.0

Ertragsverluste bei nicht optimaler Ausrichtung und Neigung, Berlin Ausrichtung / Neigung Ertrag in kWh/kWp Ertragsverluste Süd / 25° 889 - 1,9 % Süd-Ost 45° / 25° 846 - 6,6 % Süd / 30° 900 - 0,7 % Süd-Ost 45°/ 30° 852 - 6,0 % Süd, 35° * 906 0,0 % Süd-Ost 45° / 35° Süd / 45° Süd-Ost 45° 841 - 7,2 % * Optimum Standort Berlin, polykristalline Module, ca. 100 kWp, erstellt mit PV*SOL 3.0

Ertragsverluste bei nicht optimaler Ausrichtung und Neigung, Kuwait City Ausrichtung / Neigung Ertrag in kWh/kWp Ertragsverluste Süd / 15° 1.330 - 1,2 % Süd-Ost -45° / 15° 1.301 - 3,3 % Süd / 20° 1.342 - 0,3 % Süd-Ost -45°/ 20° 1.305 - 3,0 % Süd, 24° * 1.346 0,0 % Süd-Ost -45° / 24° 1.303 - 3,2 % Süd / 30° Süd-Ost -45°, 30° 1.293 - 4,0 % * Optimum Standort Kuwait, polykristalline Module, ca. 100 kWp, erstellt mit PV*SOL 3.0

Meteonorm für die Wetterdatengenerierung weltweit www.meteonom.com

Meteonorm - Wetterdaten - Resultate www.meteonom.com

Integrated Simulation Environment Language - Insel www.inseldi.eu

Integrated Simulation Environment Language - Insel www.inseldi.eu

Verschattung Schattenwurf auf die Module möglichst vermeiden Verschattung, auch schmale Schatten, vermindern den Ertrag beträchtlich Ist Verschattung nicht vollständig zu vermeinden, so ist eine Verschaltung zu wählen, welche die geringsten Verluste verursacht www.inseldi.eu

Auch wir mögen Schatten, aber nie auf den Modulen Solare Zukunft / Dürschner

Auswirkung von Verschattung bei kristallinen Modulen Das schwächste Glied einer Kette bestimmt den maximalen Strom und damit die maximale Leistung (P = U x I) Beispiel Wasserpumpensystem Solarzelle Strom in A Spannung in V Leistung in W Volumen in l Förderhöhe in m Leistung in l x m Modul mit 36 Zellen in Reihe (= Kette) kleiner, schmaler Schatten auf einer Zelle Quelle: solid gGmbH

Normaler Betrieb Pumpsystem Solarmodul Z1 Z2-7 Z18 Z19 Z20-35 Z36 36 x 0,5 V x 2,8 A = 50 W "4 Meter x 10 Liter = 40 lm" Quelle: solid gGmbH

Leistungsverlust in einem “Kettenglied" Pumpsystem Solarmodul 36 x 0,5 V x 2,8 A = 50 W Z1 Z2-7 Z18 Z19 Z20-35 Z36 Wärme "4 Meter x 10 Liter = 40 lm" Quelle: solid gGmbH

Leistungsverlust in einem “Kettenglied" Pumpsystem Solarmodul 36 x 0,5 V x 0,28 A = 5 W Z1 Z2-7 Z18 Z19 Z20-35 Z36 Wärme "4 Meter x 1 Liter = 4 lm" Quelle: solid gGmbH

Schutz durch Bypassdiode Pumpsystem Solarmodul Bypassdiode 18 x 0,5 V x 2,8 A = 25 W "2 Meter x 10 Liter = 20 lm" Quelle: solid gGmbH

Schutz durch Bypassdiode 18 x 0,5 V x 2,8 A = 25 W Solarmodul Bypassdiode Das schwächste Glied einer Kette bestimmt den maximalen Strom und damit die maximale Leistung (P = U x I) Modul mit 36 Zellen in Reihe (= Kette) kleiner, schmaler Schatten auf einer Zelle Ohne Bypassdiode: 36 x 0,5 V x 0,28 A = 5 W

Funktion der Bypassdioden Zelle Zelle Zelle Zelle Zelle Die verschattete Zelle verhält sich wie ein großer ohmscher Widerstand. Sind keine Bypassdioden vorhanden oder defekt, kann sich die Zelle stark erwärmen und irreparable Schäden (Hot spot) können auftreten.

Kennlinie eines Moduls mit und ohne Bypassdiode Strom I [A] Quelle:DGS Spannung U [V]

Dünnschichtmodule Das schwächste Glied einer Kette bestimmt den maximalen Strom und damit die maximale Leistung (P = U x I) Verschattung Ein Schatten bedeckt im Allgemeinen nicht die gesamte Modulfläche; der Ertragsverlust ist proportional zur Größe der verschatteten Modul-fläche: 10% Verschattung  ca. 10 % Ertragsverlust Unisolar: Jede Zelle ist mit einer Bypassdiode geschützt! Quelle: DGS e.V.

Schattenverlauf über den Tag solid gGmbH

Verschattung durch Bäume Quelle:DGS  = arctan [ (h2- h1) / d ] = arctan (h / d)

Verschattung durch Schnee www.solarpraxis.de / Schubert

Beurteilung und Abschätzung von Verschattung Südost Süd Südwest Azimutwinkel in Grad www.solarpraxis.de

Verschattung solid gGmbH

Analyse von Verschattung Verschattung vorhanden? Wo und wann gibt es Verschattung? Nutzen Sie den Sonnenbahnindikator! Neu: Elektronische Gerät wie SunEye oder Solar pathfinder www.solaropraxis.de

Schattenanalyse mit Sonnenbahnindikator und SunEye www.soleg.de www.soleg.de

Sonnenbahndiagramm Berlin www.solarpraxis.de

Ergebnisse eines Sonnenbahnindikator Sonnenbahndiagramm mit Verschattung für 40°nB Sonnenhöhenwinkel Azimutwinkel Quelle: Reprinted with permission © Home Power Inc., www.homepower.com

Vermeidung von Eigenverschattung bei aufgeständerten Anlagen Höhe Abstand zwischen den Reihen ca. 4 – 6 x die Höhe Breite

Berechnung des minimalen Abstands zwischen den Modulreihen Höhe der Module= Sinus des Neigungswinkels (z.B. 30°) * Modulbreite Abstand = Höhe der Module/ Tangens des Sonnenhöhenwinkels (Berlin ca. 14°)

Eigenverschattung 21.Dezember gegen 12:00 Solare Zukunft / Dürschner

Vorsicht: Nahe Schatten sind besonders kritisch Bei unvermeidbarer Verschattung... Senkrechte Montage Horizontale Montage ! Vermeidbare Verschattung Verschattendes Objekt entfernen oder Fläche nicht mit Modulen belegen Unvermeidbare Verschattung Verminderung der Ertragsverluste durch angepasstes Design (Verschaltung und Anordnung der Module etc.) Vorsicht: Nahe Schatten sind besonders kritisch

Bei nicht zu vermeidender Verschattung, die günstigste Anordnung wählen Jeder String ist verschattet => -100 % Ertrag Nur die Hälfte eines Moduls ist verschattet => -25 % Ertrag

Ertragsverluste durch Schmutz & Ruß Solare Zukunft / Dürschner Modulreinigung durch Regen, wenn der Aufstellwinkel größer als 15° ist! Solare Zukunf t/ Dürscner

Schmutz auf Modulen nach einigen Wochen ohne Regen Neigung von 30° Schmutz auf Modulen nach einigen Wochen ohne Regen Neigung von 30° und 10° www.solarpraxis .de / Schubert

Verschattung durch einen Kamin www.solarpraxis.de

Typischer Fehler, Verschattung durch eine Blitzfangstange www.solarpraxis .de / Schubert

Verschattung durch zu geringen Tischabstand Solare Zukunft / Dürschner

Ohne Worte www.solarpraxis .de / Schubert

Ohne Worte www.solarpraxis .de / Schubert

Sicherheit oder verschattungsfrei www.solarpraxis .de / Schubert

Verschattung der gesamten Anlage Solare Zukunft / Dürschner

Verschattung der gesamten Anlage Solare Zukunft / Dürschner