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Elektrische Grundlastabdeckung mittels Photovoltaik

Projektarbeit 2015 47 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Energietechnik

Leseprobe

INHALTSVERZEICHNIS

VORWORT

1 EINLEITUNG
1.1 Fragestellung
1.2 Zielsetzung und Erkenntnisinteresse
1.3 Methoden
1.4 Rah men bed ing ungen

2 THEORETISCHE GRUNDLAGEN
2.1 Begriffsbestimmung
2.1.1 Solares Strahlungsangebot
2.1.2 Altitude
2.1.3 Azimut
2.2 Datensammlung
2.2.1 Temperaturdiagramm
2.2.2 Globalstrahlungswerte
2.2.3 Sonnenverlauf
2.2.4 Stromverbrauchskurve Bürogebäude Bruck an der Mur
2.3 Photovoltaik-Komponenten
2.3.1 Photovoltaikmodul
2.3.2 Modul-Wechselrichter

3 MODELLIERUNG DES PV-GENERATORS
3.1 Modulausrichtung
3.2 Berechnung des Stundenwertes
3.3 Berechnung der Kontrolltage mittels Messwerte
3.4 Ergebnisse der Kontrolltage
3.5 Berechnung der Jahres und Monatserträge je Modul
3.5.1 Allgemeine Einstellung
3.5.2 Jahresertrag Photovoltaik mit spezieller Modulausrichtung
3.5.3 Jahresertrag Photovoltaik mit ״optimaler" Modulausrichtung

4 ERGEBNISSE - AUSWERTUNGEN
4.1 Stunden Modulertrag mit gemessener Globalstrahlung
4.2 Berechnung des Jahresertrag der Photovoltaik - Anlage im Vergleich zu einer optimal ausgerichteten Anlage
4.3 Elektrische Grundlast versus Photovoltaikstrom

5 ZUSAMMENFASSUNG UND SCHLUSSFOLGERUNG

6 LITERATURVERZEICHNIS

VORWORT

Die Idee zu dieser Projektstudie entstand während der Arbeit bei der Bundesimmobiliengesellschaft. Es gibt Objekte die geeignete Dachflächen für Photovoltaik aufweisen, aber keine Möglichkeit haben, einen Überschuss ins Netz einzuspeisen.

Bedanken möchte ich mich bei meinem Arbeitgeber der Bundesimmobiliengesellschaft die mein Studium unterstützt hat und mir Monitoring Daten für diese Arbeit zur Verfügung gestellt hat.

Zurückblickend auf die letzten drei Jahre berufsbegleitendes studieren möchte ich allen Vortragenden für die lehreiche und diskussionsreiche Zeit danken und der Organisation der FH-Burgenland, die ein problemloses studieren neben der Arbeit ermöglicht hat, ein Lob aussprechen.

Einen Herzlichen Dank möchte ich meinen Studienkollegen und im Besonderen der Lerngruppe Wien aussprechen.

Für die Geduld und Unterstützung möchte ich meiner Familie und Freunden danken.

1 EINLEITUNG

Photovoltaik-Anlagen werden in Österreich und Deutschland Richtung Süden unter 32 bis 37 Grad Neigung, energieertragsoptimiert ausgerichtet. Die bisherigen Fördersysteme unterstützten diese Entwicklung durch die Ausschüttung von Fördermittel pro Kilowattstunde (kWh) erzeugter Energie. Die Folge ist, dass an sonnigen Tagen der Strompreis fällt und konventionelle Kraftwerke unrentabel werden.

Durch Änderung der Fördersysteme stellt die Eigenstromproduktion und Eigenstromnutzung eine interessante Einsparvariante für den Anlagenbetreiber dar. Ein weiterer Aspekt für Unternehmen ist, dass im Energieeffizienzgesetz (Bundesgesetzblatt 72, 2014) eine Photovoltaik-Anlage, nach den Methoden der Austrian Energy Agency (AEA, Oktober 2013) als Maßnahme anrechenbar ist.

Im Flaushaltsbereich versucht man durch geändertes Nutzerverhalten und Speicherlösungen den Eigenstromanteil zu erhöhen. Smart Flome Systeme können automatisiert, je nach momentaner Energieerzeugung, Verbraucher zu und abschalten. Das Problem dabei ist, geeignete Verbraucher im Flaushalt zu finden.

Speicherlösungen in Form von Batterien benötigen den entsprechenden Raum.

Bei Bürogebäuden stellt die Lastverschiebung ein interessantes Potenzial dar (Puchegger, 2011) vor allem bei Neuplanung und Generalsanierungen, Bestandsgebäude mit einer einfachen technischen Gebäudeausrüstung ermöglichen solche Lastverschiebungen nicht!

1.1 Fragestellung

Ist es möglich, durch unterschiedliche Photovoltaik-Modulausrichtungen (modellierter PV-Generator) die Stromerzeugung dem elektrischen Grundlastprofil eines Bürogebäudes anzupassen?

Das Nutzerverhalten (Lastprofil) soll dabei unverändert bleiben, Optimierungsmaßnahmen durch Regelungs- oder Steuerungsveränderungen werden nicht durchgeführt. Ein überschussstrom darf nicht entstehen, da er in diesem Fall nicht ins öffentliche Netz eingespeist werden kann.

Eine wirtschaftliche Fragestellung wird in dieser Arbeit nicht betrachtet.

1.2 Zielsetzung und Erkenntnisinteresse

Ziel ist es durch individuelle Ausrichtung der Module eine bessere Eigenstromnutzung zu gewährleisten ohne das Nutzerverhalten zu verändern oder Zusatztechnik wie Smart Flome, zusätzliche Regelungstechnik oder Speicherlösungen verwenden zu müssen.

Die Erkenntnisse aus der Studie können auch dazu dienen Speicherlösungen kleiner (kostengünstiger) zu gestalten.

Zur Überprüfung der Ausrichtung werden die Stundenerträge an einem sonnigen Tag im März, Juni, September und Dezember mittels einer 5-Jahres-Messreihe der Globalstrahlung berechnet und mit dem elektrischen Grundlastprofil des Bürogebäudes stundengenau verglichen.

Der rechnerisch ermittelte Gesamtertrag der Photovoltaik-Anlage wird einer Photovoltaik-Anlage mit ertragsoptimierter Ausrichtung verglichen.

1.3 Methoden

Folgende Methode wird zur Erstellung der Projektstudie angewendet:

- Literatu rrecherche,
- Datensammlung zur Berechnung,
- Konzipierung eines Photovoltaik-Generators mit individueller Modulausrichtung,
- Ermittlung von maximalen Stundenerträgen im März, Juni, September und Dezember,
- Ermittlung des Jahresertrages der PV-Anlage (Simulationsprogramm),
- Vergleich der PV-Anlage mit dem Lastprofil des Bürogebäudes.

1.4 Rahmenbedingungen

Um die errechneten und simulierten Werte verifizieren zu können, ist es erforderlich die elektrische Grundlastkurve eines realen Objektes mit der errechneten PV- Ertragskurve in Bezug zu setzen. Die Bundesimmobiliengesellschaft m.b.H. stellt dafür Monitoring Daten, eines im Programm ״Haus der Zukunft" (BMVTT) geförderten Projektes, zur Verfügung.

Für alle Daten lauten die Standortkoordinaten:

N 47°24'29" (47.408126)

E 15°16'19" (15.272020)

Seehöhe 479 m

Der Horizont für den definierten Standort wurde mit dem Survey Master (Abbildung 1.1) aufgenommen und in der Sonnenstandkurve von (S@tel-Light, 2015) eingetragen (Abbildung 1.2).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.1: SILVA SURVEY MASTER - Kompass mit Neigungswinkelmesser

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.2: Sonnenstandkurve, oben 1. Halbjahr unten 2. Halbjahr (S@tel-Light, 2015)

Die Verluste durch den aufgenommenen Horizont werden in der weiteren Berechnung vernachlässigt.

2 THEORETISCHE GRUNDLAGEN

Der Energieertrag einer PV-Anlage hängt von den Einstrahlungsbedingungen, der Temperatur und der Qualität der Anlagenkomponenten ab. Der Jahresenergieertrag ist proportional zur Peakleistung (in kWp) des PV-Generators und zum Wirkungsgrad des Wechselrichters.

2.1 Begriffsbestimmung

2.1.1 Solares Strahlungsangebot

Der Jahresmittelwert der extraterrestrischen Bestrahlungstärke E wird als Solarkonstante bezeichnet (Wagemann & Eschrich, 1994):

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

E Solarkonstante

Durch Absorptions- und Streueffekte in der Erdatmosphäre wird das auf der Erdoberfläche auftretende Sonnenspektrum verändert. Bei unterschiedlichen Weglängen (relativen Luftmassen, AirMass AM) durch die Atmosphäre treten auch unterschiedliche Spektren auf. Abbildung 2.1 zeigt den idealen schwarzen Strahler, dem die Sonne mit 5762K sehr nahe kommt, das extraterrestrische Spektrum AM 0 sowie die terrestrische Sonnenstrahlung bei AM 1,5 welche zur Qualitätskontrolle von PV-Zellen verwendet wird (Wagner, 2009).

Die im Kapitel 2.2.2 ermittelten Strahlungswerte gelten nur für den unter Kapitel 1.4 definierten Standort.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1: Spektrale Strahlungsverteilung des Sonnenlichtes (Degreen, 2006)

2.1.2 Altitude

Die Altitude ist der Höhenwinkel (Abbildung 2.2) und gibt den Winkel eines Punktes über dem Horizont an. Die Altitude wird auch Neigungswinkel genannt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.1.3 Azimut

Der Azimut, dargestellt in Abbildung 2.2, beschreibt die Winkelabweichung des PV- Moduls von der Südausrichtung. Bei einer reinen Südausrichtung beträgt der Azimutwinkel 0°. Die Abweichung nach Westen wird mit positiven, die nach Osten mit negativen, Gradzahlen (Tabelle 2.1) angegeben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.2 Datensammlung

2.2.1 Temperaturdiagramm

Die Nennleistung von PV-Modulen wird unter STC- Bedingungen (Standard Test Conditions) ermittelt und am Typenschild vermerkt.

Die Temperaturabhängigkeit der Leistung wird mit den Temperaturkoeffizienten (Pmpp) in -%/K im Datenblatt beschrieben. Dabei wirken sich Temperaturen über 25°c negativ, niedrigere Temperaturen positiv auf die Leistung aus.

Der NOCT-Wert (Normal Operating Cell Temperature) ist die nominale Zelltemperatur im Betrieb. Die Ermittlung erfolgt bei 800 w/m[2] Einstrahlung, 1 m/s Windgeschwindigkeit und 20°c Umgebungstemperatur, dabei liegt die ermittelte Modultemperatur meistens zwischen 42°c und 46°c.

In der Berechnung wird der Temperaturkoeffizient über die Schwankung der Umgebungstemperatur (Abbildung 2.3) berücksichtigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3: min/max-Tagestemperaturkurve Bruck an der Mur (1982-2012) (Ambiweb GmbH, 2015)

Tabelle 2.2: Auswahlwerte für die Berechnung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.2.2 Globalstrahlungswerte

Um die stündlichen Ertragswerte der modellierten PV-Anlage zu ermitteln, werden in dieser Arbeit die Daten des Internetportals www.satel-liaht.com verwendet. Die hohe Qualität der Daten wird auch im Planungshandbuch für PV-Anlagen (Wagner, 2009) beschrieben.

Um die Daten nutzen zu können, ist eine kostenlose Registrierung erforderlich. Nach der Registrierung ist die Anmeldung (Abbildung 2.4) durchzuführen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4: S@tel-Light Anmeldeschirm

Nach der Anmeldung ist der Menüpunkt ״SITE" zu wählen. Das folgende Menü (Abbildung 2.5) wird geöffnet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Nach Auswahl der Zone G ist die geografische Lage (Kapitel 1.4) mittels Koordinaten (Abbildung 2.6) einzugeben.

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Abbildung 2.6: Standortauswahl mittels Koordinateneingabe

In der folgenden Maske (Abbildung 2.7) werden keine Änderungen vorgenommen und mit ״next" quittiert.

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Abbildung 2.7: Geografische Angabe und Charakteristik (Vergrößerte Version der Abbildung 2.7 am Ende der Arbeit )

Für die Berechnung der Tageswerte werden die Daten für März, Juni, September und Dezember benötigt. Die Auswahl erfolgt durch Markieren der benötigten Monate (Abbildung 2.8).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.8: Auswahl der Monate für Datendownload

Die Strahlungsstärke auf eine Fläche hängt von der Ausrichtung, Altitude (Kapitel 2.1.2) und Azimut (Kapitel 2.1.3) der Fläche ab. Es ist erforderlich, den Azimutwinkel auf Kompasswinkel (Nord = 0°; Ost = 90°; Süd = 180; West = 270°) umzurechnen. Der Kompasswinkel wird in diesem Dokument als KAzimut bezeichnet (Tabelle 2.3).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Es wurden für jede Altitude und für jeden KAzimutwert die Datensätze nach Tabelle 2.1 abgefragt. In Abbildung 2.9. werden beispielhaft die Werte Altitude 60° und KAzimut 180° aus Tabelle 2.3. eingegeben.

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Details

Seiten
47
Jahr
2015
ISBN (eBook)
9783668763869
ISBN (Buch)
9783668763876
Dateigröße
2.9 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v434929
Institution / Hochschule
Fachhochschule Burgenland – Energie und Umweltmanagement
Note
1
Schlagworte
elektrische grundlastabdeckung photovoltaik

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Titel: Elektrische Grundlastabdeckung mittels Photovoltaik