Simu­lation der Abschat­tungs­verluste
bei solar­elektrischen Systemen

207 Seiten, 100 Bilder, 20 Tabellen, Kartoniert
ISBN 3-89574-191-4

Verlag Dr. Köster Berlin 1996

Kurzfassung

Bei Photovoltaikanlagen können Abschattungen überproportinal starke Leistungseinbußen hervorrufen. Abschattungen lassen sich niemals vollständig verhindern. Vogelexkremente, Blätter, Schneebelag oder Schatten von anderen Objekten in der Umgebung der Photovoltaikanlage verursachen Abschattungen. Bei den Photovoltaikanlagen des deutschen 1000-Dächer-Programms waren Abschattungen die Hauptursache für einen reduzierten Energieertrag. Bei mehr als der Hälfte aller Anlagen wurden standortbedingte Teilabschattungen beobachtet. Dies sind wichtige Gründe, den Aspekt der Abschattungen in die Simulation von Photovoltaikanlagen zu integrieren.

Im ersten Teil der Arbeit werden Berechnungen zum elektrischen Verhalten von Solarzellen und Solarmodulen betrachtet. Gleichungen und Kurven für den Abschattungsfall bilden hier einen wichtigen Teil. Weiterhin werden numerische Lösungen für die Solarzellengleichungen, Temperaturberechnungen zur Vermeidung von Zellbeschädigungen und Untersuchungen für optimale Zellanordnungen durchgeführt.

Der zweiten Teil dieser Arbeit beschreibt die Berechnung der Einstrahlung bei einer Solarzelle. Es werden Gleichungen sowohl für die Berechnung der Einstrahlung auf einer geneigten Ebene als auch der Einstrahlung im Abschattungsfall aufgestellt.

Die Methoden zur Berechnung der Einstrahlung und der Photovoltaikleistung im Abschattungsfall ermöglichen eine Simulation und einen Leistungsvergleich bei einem Photovoltaikgenerator unter normalen Betriebsbedingungen und im Abschattungsfall. Die Berechnungen wurden mit verschiedenen Messungen verglichen, um die Qualität der Algorithmen unter Beweis zu stellen. Die Simulationsergebnisse zeigen hierbei stets eine gute Übereinstimmung mit den Meßwerten. Die meisten Algorithmen wurden in Computerprogrammen implementiert und lassen sich nun für schnelle und exakte Simulationen von abgeschatteten Photovoltaikanlagen verwenden.

Am Ende der Arbeit werden Möglichkeiten aufgezeigt, die Abschattungsverluste bei einem Photovoltaiksystem zu reduzieren. Der Energieertrag kann durch die Wahl eines optimalen Standortes entscheidend gesteigert werden. Die Verluste können durch den Einsatz verschiedener schattentoleranter Photovoltaiksysteme reduziert und somit eine Beschädigung im Abschattungsfall vermieden werden. Durch einfache Maßnahmen wie die Änderung der Modulorientierung lassen sich ebenfalls höhere Energieerträge im Abschattungsfall erzielen.

Diese Arbeit beschreibt alle notwendigen Methoden für die Simulation der Leistung eines Photovoltaikgenerators speziell im Abschattungsfall und zeigt Möglichkeiten auf, die Leistungseinbußen im Abschattungsfall zu minimieren. Somit kann diese Arbeit einen Beitrag leisten, den Energieertrag von Photovoltaikanlagen zu steigen und damit die Kosten zu senken. Weitere Schritte in dieser Richtung sind erforderlich, da wir dringend den Einsatz erneuerbarer Energien vorantreiben müssen, um unsere zukünftige Energieversorgung umweltverträglich zu gestalten.

Abstract

Shading may cause a high loss in the performance of photovoltaic systems. It can however never be totally avoided. Bird droppings, leaves, snow, or the shadows of objects in the surroundings of the photovoltaic generator often cause shading. The main reason for performance loss in the German "1000-Roofs-Programme" is shading. More than a half of the generators are partially shaded. These are just a few important arguments in favor of including shading in the simulations of photovoltaic systems.

In the first part of this study I have given consideration to the electrical behavior of solar cells and photovoltaic generators. Characteristic equations and characteristic curves of both unshaded and shaded solar cells make up an important part of the second chapter. I have included numerical solutions, the results of thermodynamic examinations, as well as a survey undertaken to avoid cell damage and advice regarding optimal cell interconnection. The second part of this study describes the calculation of irradiance at a solar cell, including equations for a tilted plane, and methods of assessing irradiance after shading reduction. The methods applied in assessing irradiance after shading reduction and the equations used for calculating the photovoltaic generator performance provide optimal opportunities for the simulation of unshaded and shaded photovoltaic generators, allowing a comparison of their performance. To prove the usefulness of the algorithms I have compared them with measurements. Most of the algorithms are implemented in simulation programs that can be used for efficient and rapid simulations of shaded photovoltaic generators.

Chapter seven offers advice on how to reduce the performance loss of shaded photovoltaic systems. One may, for example, ensure a high energy output by choosing an optimal location, or by using shading tolerant systems which reduce loss in performance and prevent cell damage caused by shading. Some simple measures, such as changing the module arrangement may also reduce the loss in performance.

This study describes all the necessary methods for simulating the performance of photovoltaic generators especially in the case of shaded cells and offers advice on how to reduce loss in performance. It may be considered as a contribution towards increasing the efficiency of photovoltaic generators and reducing the high costs of photovoltaic electricity. Further efforts in the same direction are necessary in order to make more efficient use of renewable energies. And this is one of the major issues at stake if we do not intend to gamble with our future.