ZIEL: Erneuerbare Energien sind die ökonomisch, ökologisch und politisch optimale Möglichkeit um Energieversorgungssicherheit, wirtschaftliche Stabilität.

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1 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

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

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

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

5 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)

6 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

7 Air Mass Sonnenhöhe im Jahresverlauf in Berlin

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

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

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

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

12 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

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

14 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

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

16 Direkt- und Diffusstrahlung in Berlin verglichen….
Diffusstrahlung Direktstrahlung Erstellt mit meteonorm 6.0

17 …mit Direkt- und Diffusstrahlung in Kuwait City
) Diffusstrahlung Direktstrahlung Erstellt mit meteonorm 6.0

18 Einstrahlung am 21. Juni in Berlin und Kuwait City
Erstellt mit meteonorm 6.0

19 Einstrahlung am 21. Dezember in Berlin und Kuwait City
Erstellt mit meteonorm 6.0

20 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 %) / Pischel

21 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 / Eva Schubert

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

23 Mittlere jährliche Sonnen- einstrahlung in Deutschland
Quelle: DWD

24 Mittlere Globalstrahlung Indien
Durchschnittliche tägliche Einstrahlung Im Juni Globalstrahlung Indien kWh/m² täglich kWh/m² jährlich

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

26 Durchschnittlicher spezifischer Ertrag in Deutschland

27 Solarstromerzeugung im Jahresverlauf 2004 - 2007

28 Winkel am PV-Generator
Quelle: DGS

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

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

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

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

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

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

35 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

36 Erhöhung der Einstrahlung durch eine spezielle Glasstruktur

37 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

38 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

39 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

40 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

41 Meteonorm für die Wetterdatengenerierung weltweit

42 Meteonorm - Wetterdaten - Resultate

43 Integrated Simulation Environment Language - Insel

44 Integrated Simulation Environment Language - Insel

45 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

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

47 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

48 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

49 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

50 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

51 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

52 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

53 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.

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

55 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.

56 Schattenverlauf über den Tag
solid gGmbH

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

58 Verschattung durch Schnee
/ Schubert

59 Beurteilung und Abschätzung von Verschattung
Südost Süd Südwest Azimutwinkel in Grad

60 Verschattung solid gGmbH

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

62 Schattenanalyse mit Sonnenbahnindikator und SunEye

63 Sonnenbahndiagramm Berlin

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

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

66 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°)

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

68 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

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

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

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

72 Verschattung durch einen Kamin

73 Typischer Fehler, Verschattung durch eine Blitzfangstange
.de / Schubert

74 Verschattung durch zu geringen Tischabstand
Solare Zukunft / Dürschner

75 Ohne Worte .de / Schubert

76 Ohne Worte .de / Schubert

77 Sicherheit oder verschattungsfrei
.de / Schubert

78 Verschattung der gesamten Anlage
Solare Zukunft / Dürschner

79 Verschattung der gesamten Anlage
Solare Zukunft / Dürschner