Photovoltaik in der Praxis

Vorbemerkung

Überlegt hatte ich vorab für Photovoltaik in der Praxis in welchem Umfang ich, und dabei eine ordentliche Portion „Passion“ zuzulassen, hier etwas über unsere Photovoltaikanlage (PVA) mit wissenschaftlichem Anspruch schreibe. Was mich dazu „ausweist“ schreibe ich gleich.

Nun habe ich mich aber (erstmal) dafür entschieden unsere Anlage vorzustellen und an geeigneten Stellen weiterführende Links einzubringen. Hierbei ermutige ich an dieser Stelle ausdrücklich eigene Gedanken bzgl. der Aktualität anzustellen.

[Anmerkung: Wechselrichter – Hersteller wie z.B. SMA haben herstellerseitig Tools mit denen „alles“ Elektrische ausgelesen werden kann – auch online. Außerdem bereiten sie Ertragsdaten grafisch für den Nutzer auf und stellen ihm diese online zur Verfügung.]

D.h. die Infrastruktur ist zum Beispiel für eine Bachelor- oder Masterarbeit aber auch Dissertation schon vorhanden.

Das erschließe ich mir aus dem, worauf ich online als Nutzer Zugriff habe und meinem Know How. Connections zu entsprechenden Herstellern habe ich keine.

Sinn dieser Seite ist es, einen Anhaltspunkt zu geben – ein „Otto – Normal – Vergleichsobjekt“ – damit Sie bei Bedarf konkreter einschätzen können in welche Richtung eine PVA bei Ihnen Sinn ergeben könnte.

Einen Artikel, der ein guten Einstieg in die Materie bietet, findet man hier.

» Die fünf größten Irrtümer bei Solaranlagen

Kurz zum ursprünglichen Plan

Ich wollte ursprünglich mit wissenschaftlichem Anspruch Kennzahlen herausarbeiten, um die Performance von PVAs zu quantifizieren und ein halbautomatisches Excel – Tool dafür kredenzen. Hiermit wollte ich Photovoltaik in der Praxis aus technischer Sicht thematisieren, nicht nur theoretisch.
Das Ganze mit starkem Fokus auf Umweltfaktoren (Ausrichtung, Winkel, Wohnumgebung, Wetter, …).

Zu bieten habe ich breite Basics in den Bereichen Elektrotechnik, Werkstoffkunde (z.B. in Bezug auf Halbleitermaterialien) und Physikkenntnisse.
Last but not least habe ich eine wissenschaftliche Arbeit verfasst, in der ich Kennzahlen zur Quantifizierung der Performance von umrichtergespeisten Antriebssystemen definiert habe.

Photovoltaik in der Praxis
– jetzt aber 😉

Die PVA ist in zwei Bereiche unterteilt. Der Hauptteil ist die Ost-West-Ausrichtung mit jeweils 2,97 kWp und 10° Winkelstellung der Solarmodule. Die Leistungsangabe „kWp“ (Kilowatt – Peak) bezieht sich ebenfalls auf die Solarmodule als Generator. Eine Ost-West-Ausrichtung soll den ganzen Tag über, also ab Sonnenaufgang bis Sonnenuntergang, Strom erzeugen. Die Südseite ist mit 1,92 kWp dimensioniert.

Bemerkung zur Einheit kWp (Kilowatt-Peak)

Die Angabe kWp (Kilowatt-Peak) ist eine nicht normgerechte Hilfsbezeichnung für die elektrische Leistung, die sich allerdings im Photovoltaikbereich durchgesetzt hat. Sie gibt den möglichen Spitzenwert an den Ihre Solarmodule, als Generator, als Strom unter realen Bedingungen erzeugen könnte.

Möchte man Anlagen untereinander möglichst unabhängig vergleichen, muss man weltweit akzeptierte aber idealisierte Rahmenbedingungen (Standard – Testbedingungen, STB) beachten. Diese wären:

  • eine Sonnenlicht-Einstrahlung von 1.000 Watt pro Quadratmeter (W/m²) in Modulebene (bei senkrechtem Lichteinfall/ Einfallswinkel 48 Grad (°))
  • eine Modultemperatur von 25 Grad Celsius (°C) mit einer Toleranz von ± 2 °C
  • gemäß der Norm IEC 60904-3 (2016) Teil III definiertes Spektrum des Sonnenlichts bei einer astronomischen Luftmasse (auf Englisch „air mass“, kurz: AM) von 1,5 (die astronomische Luftmasse ist ein relatives Maß für die Wegstrecke, die das Licht von der Sonne bis zur Solaranlage zurücklegt, wobei berücksichtigt wird, dass das Licht in der Erdatmosphäre teilweise gestreut und absorbiert wird)

Diese optimalen Bedingungen herrschen fast nie gleichzeitig!

Eine ausführliche Erklärung zu „kWp“ finden Sie hier.

Auslegung der PVA

Die Solarmodule, die den Strom produzieren, erzeugen Gleichstrom. Er muss im Wechselrichter erst auf Wechselstrom umgesetzt („umgewandelt“, siehe unten) werden, damit sie den Strom in ihrem Haus wie gewohnt benutzen können oder die erzeugte Leistung in das Versorgernetz einspeisen können.

Die Auslegung / Abstimmung der Komponenten aufeinander sollte auf jeden Fall einem Fachmann überlassen werden!

In der Regel wird die gewählte Wechselrichterleistung kleiner ausfallen als die mögliche Maximalleistung der Solarmodule.

Photovoltaik in der Praxis
Anlagensteckbrief unserer PVA

An dieser Stelle tritt ein weiteres, nicht „lebensentscheidenes“ Missverständnis zu Tage. Die mögliche Maximalleistung gibt die kleinste Komponentendimensionierung – Wechselrichter oder Solarmodule – vor.

Da die Solarmodule nie an ihrer maximalen Leistungsgrenze arbeiten, kann der Wechselrichter kleiner ausgelegt werden.

Einen Wegweiser zur Anlagendimensionierung von 2016 finden Sie in folgendem Link:

7 Gründe warum man PV-Generatoren größer auslegen sollte

Kennzahlen

Als maßgeblicher Qualitätsindikator für eine PVA gilt die Performance Ratio (PR). Sie ist definiert als

PR = YF/YRPR, Performance Ratio – Leistungskennzahl;
YF, Final Yield – tatsächlicher Anlagenertrag (abgelesen);
YR, Reference Yield – potenzieller Referenzertrag

Die Leistungskennzahl bewegt sich zwischen 0 – 1. Als eine gute Performance Ratio gilt typischerweise ein Wert zwischen 0,75 und 0,85. Bei sehr effektiven Anlagen kann der Wert auch noch höher sein.
Die PR wird typischerweise mit Daten eines Jahres bestimmt. Dies ist allerdings für eine qualitative Aussage nicht zwingend. Ein Datensatz eines Monats beliebiger Jahreszeit ist aber schon sinnvoll.

Technische Information: Was ist die Performance Ratio?

Wetterkarten mit Globalstrahlung des Deutschen Wetterdienstes

Über die PR können sie ihre PVA auf Funktionstüchtigkeit überwachen. Freilich dann sinnvollerweise nicht mit einer rudimentären Schätzung (Wetterkarte), sondern mit einem entsprechenden Sensor an ihrer PVA. Die Daten werden an ihre Software übermittelt und die PR direkt automatisch berechnet.

Spezifischer Ertrag
Erzeugter Ertrag [kWh] / Nennleistung der PVA [kWp]

Der spezifische Ertrag ist der Quotient aus erzeugtem Ertrag [kWh] und der Nennleistung der PVA [kWp]. Oft wird der erzeugte Ertrag auf das Jahr bezogen. So lässt er sich belastbarer mit anderen PVAs vergleichen.

Das „Stichwort“ lautet hier „vergleichen“. Da der erzeugte Betrag von realen Bedingungen abhängt, z.B. Wetter oder Anlagenstörung, ist er eher als Indikator für ein Ereignis in einem bestimmten Kontext anzusehen.

Also z.B. der spezifische Ertrag im Kontext „Zeitraum Jahr“, den man nun mit den spezifischen Erträgen anderer PVAs vergleichen kann. Das lässt Rückschlüsse auf die Effizient der PVAs untereinander zu.

Anderes Beispiel

Angenommen sie haben auf ihrer Südseite zwei PV – Module – Wechselrichter – Strings (Einheiten) gleicher Größe und selber Winkelung zur Sonne deren spezifischer Betrag zum Beispiel um mehr als 15 % abweicht.
Wenn das plötzlich und über mehrere Tage auftritt, darf man stark vermuten, dass es hier ein technisches Problem gibt oder eine Verschmutzung vorliegt.

Steuerliche Fakten

Photovoltaik in der Praxis

Da ich mich mit den steuerlichen Fakten rund um die PVA nicht auskenne, verlinke ich einen älteren Artikel aus dem Jahr 2009. Meine Steuerberaterin hat mir einen „Steuerplan“ vorgeschlagen, der den Artikel auch 2020 noch bestätigt.

„Die Mehrwertsteuer gibt’s zurück“ – Steuerfallen bei Solaranlagen

Eigene Daten usw.

An dieser Stelle möchte ich exemplarisch die PR für unsere Anlage für den Monat Oktober 2020 für die Ost-West- und Südausrichtung ausrechnen. Der Wert ist dabei unwichtig. Es geht um die Idee und den Weg.

BetrachtungszeitraumOktober 2020
Gemessene „Sonneneinstrahlung“ (Globalstrahlung!) im Oktober 2020 „ungefähr in der Nähe“ laut Karte des Deutschen Wetterdienstes43 kWh/m2
Wirkungsgrad (STB) der PV – Module (laut Datenblatt)
Beispiel für ein Datenblatt
19,41%

Ost-West-Ausrichtung

Generatorfläche der PVA
(Datenblatt »
Modulfläche x Modulanzahl)
Beispiel für ein Datenblatt
31,2 m2
Tatsächlicher Anlagenertrag190,77 kWh (abgelesen)

YF= aus Anlagen – Software
YR = Gemessene Sonneneinstrahlung x Generatorfläche x Wirkungsgrad
= 43 kWh/m2 x 31,2 m2 x 19% = 43 kWh/m2 x 31,2 m2 x 0,19
= 254,9 kWh
PR = YF/YR = 190,77 kWh / 254,9 kWh = 0,75 → 75% (x1)

Süd – Ausrichtung

Generatorfläche der PVA
(Datenblatt »
Modulfläche x Modulanzahl)
Beispiel für ein Datenblatt
10,4 m2
Tatsächlicher Anlagenertrag93,73 kWh (abgelesen)

YF= aus Anlagen – Software
YR= Gemessene Sonneneinstrahlung x Generatorfläche x Wirkungsgrad
= 43 kWh/m2 x 10,4 m2 x 19% = 43 kWh/m2 x 10,4 m2 x 0,19
= 84,97 kWh
PR = YF/YR = 93,73 kWh / 84,97 kWh = 1,1 → 110% (x2)

Bewertung des Vorgehens

x1) Der untypisch flache Winkel der Module von 10°in Ost-West Ausrichtung, soll sich über das gesamte Jahr mit dem Wissen um die „Vorortbedingungen“ positiv auf den Ertrag auswirken.

Ein Leistungsverlauf von März bis Oktober, der der Südausrichtung folgt, ist zu vermuten. Ebenso, dass die Diffusstrahlung (z.B. bei Nebel oder Bewölkung) bei flachen Winkel der Module mehr zum Ertrag beiträgt als bei schrägerem Winkel.

Außerdem gilt auch hier x2).

x2) Für eine korrekte Berechnung der PR muss die gemessene Globalstrahlung bzw. der entsprechende Messensor wie die PV – Module ausgerichtet sein. Ist dies nicht der Fall, kann es nicht korrekte PR – Werte über 1 geben.
Außerdem ist es offensichtlich, dass der Messort der Globalstrahlung nicht der Betriebsort der PVA ist.

Inwieweit das Vorgehen – Globalstrahlung aus offiziellen Strahlungskarten für einen bestimmten Standort mit individuellen Bedingungen bestimmen – „feld-und wiesentauglich“, muss ich erst noch beobachten.

Erste Beobachtung im Herbst

Der flache Winkel unserer Ost-West-Ausrichtung sorgt für einen qualitativen Leistungsverlauf wie die Südausrichtung, der erst bei Wintersonnenstand oder bei vorwiegend diffuser Strahlung deutlicher abweicht.

Alle Ausrichtungen fangen ungefähr zur selben Zeit im Herbst an, Strom zu produzieren. Und hören ungefähr zur selben Zeit auf.

Eine Autarkiequote von 100% kann auch mit einem Speicher nicht erreicht werden. Bei „Privathaushalt – PVAs“ kann man von ca. 40% ausgehen. Bei „Privathaushalt – PVAs“ mit Speicher liegt die Autarkiequote bei ca. 80%.

Über den Ertrag kann ich erst mit einem „Jahresdatensatz“ belastbare Aussagen treffen.

(Mehr folgt 2021/2022)

Umsetzer oder Wandler –
Eine Randbemerkung😉

Folgende Information zahlt sich wohl pekuniär am ehesten bei „Wer wird Millionär?“ aus und ist mit einem Augenzwinkern zu verstehen.

Analog zu Digital

Vielleicht haben Sie es schonmal im Zusammenhang mit Ihrem CD-Player oder Funkkopfhörer gehört: „Da ist ein DA – Wandler drin.“ Er macht aus dem digitalen Signal ein analoges Signal, was Sie dann als Musik, Sprache, … mit Ihren Ohren hören.

Die Begrifflichkeit „Wandler“ ist in dem Zusammenhang falsch! Es ist ein Umsetzer! Wandeln, wandelt man Energie (- Formen).

Die Photovoltaik – Anlage ist ein anschauliches und umfassendes Beispiel.
„Sonnenstrahlungsenergie“ wird in elektrische Energie („Gleichstrom“ / „Gleichspannung“) umgewandelt.
Diese Gleichspannung wird im Wechselrichter in Wechselspannung umgesetzt, damit sie in der korrekten Form vorliegt, um sie selbst zu verbrauchen oder ins Netz einzuspeisen.

Abstrahiert formuliert ist der Wechselrichter ein DA – Umsetzer. Er setzt ein digitales Signal in ein analoges Signal um.