SOLAR PV-Überblick
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Das windPRO-Modul SOLAR PV dient der Auslegung und Ertragsberechnung von Photovoltaik-Anlagen (PV-Anlagen). Es kann jede PV-Anlagengröße verarbeiten, von nur einem Modul bis hin zu Tausenden von Modulen auf Dächern, Feldern, vor der Küste oder an jedem anderen Ort. Die Aufteilung der PV-Parks in Flächen mit individuellen Eigenschaften (Modultyp, Neigung, Reihenabstand etc.) ermöglicht Ertragsberechnungen auch für komplexe Auslegungen. Die entworfenen PV-Flächen können mit dem Modul PHOTOMONTAGE visualisiert werden. Auch bifaziale und teilnachgeführte Systeme können mit windPRO berechnet werden. Über die Nutzung von Referenzmodulen kann die Berechnungszeit auch für sehr umfangreiche PV-Parks innerhalb kürzester Zeit durchgeführt werden.
Ziel des Moduldesigns ist es, PV-Anlagen einfach und schnell zu entwerfen und die erwartete Produktion mit hoher Genauigkeit vorauszusagen. Das Modul konzentriert sich auf die Handhabung und Analyse der meteorologischen Eingabedaten für die Berechnung, da mangelnde Datenqualität die größte Unsicherheit ist. Langzeitmodelldaten können mit lokalen Kurzzeitmessungen kalibriert werden. Der METEO-Analyzer in windPRO verarbeitet Solardaten genauso flexibel und umfassend wie Winddaten.
Die Berechnung der Verluste durch Verschattung ist der zweite Schwerpunkt, da hier durch gute Planung große Verbesserungen erzielt werden können. Die Verschattung durch vorgelagerte Modulreihen bei Freifeldanlagen oder Flachdächern sind die Hauptverlustkomponente für moderne PV-Anlagen, bei denen die maximale Flächenausnutzung im Fokus steht. Neigungswinkel versus Reihenabstand ist die wichtigste Optimierungsherausforderung. Auch eine Frage wie: Steht die Anlage zu nah am Wald? kann in Solar-PV schnell und einfach durch Testen verschiedener Alternativen beantwortet werden. Außerdem in der Tradtion von windPRO als WEA-Planungstool: Wie viel Verschattungsverlust entsteht durch Windenergieanlagen, wenn die PV-Anlage nahe einem Windpark platziert wird? Das fortschrittliche 3D-Schattenberechnungsmodell greift auf das Digitale Geländemodell von windPRO zurück, das schnell und einfach aus verschiedenen Online-Datenquellen erstellt werden kann. Damit wird auch die Verschattung durch Gelände berechnet, z.B. Solarmodule im Tal, die von Bergen verschattet werden, oder einfach nur Hügel in der Nähe des Solarparks, die dazu führen, dass die Sonne etwas früher untergeht.
SOLAR PV findet den optimalen Neigungswinkel für die Solarmodule und berücksichtigt dabei sowohl den Ertrag, der über Zeitreihen abgebildet wird, als auch die Verluste durch Verschattung. Für kontinuierlich nachgeführte Systeme wird "backtracking" einbezogen, also das Verhindern von übermäßiger Verschattung durch steil stehende vorgelagerte Module bei sehr niedrigen Sonnenständen.
In Bezug auf elektrotechnische Aspekte behandelt Solar-PV die Grundlagen, geht aber nicht auf Details ein wie die Gleichstromverkabelung, da diese Verluste gering sind und durch eine einfache Schätzung mit akzeptabler Qualität abgehandelt werden können. Für detaillierte Netzverlustberechnungen kann das windPRO-Modul eGRID verwendet werden.
Die Energieberechnung erfolgt immer auf Basis von Zeitreihen. Der durchschnittliche Degradationsverlust wird anhand der angegebenen erwarteten Lebensdauer und des jährlichen Degradationsverlusts aus den Modulspezifikationen berechnet.
SOLAR PV Ertragsberechnung Schritt für Schritt
- Vorbedingung: bestehendes windPRO-Projekt mit digitalem Geländemodell
- Weiter unten finden Sie SOLAR PV-spezifische Anmerkungen zum digitalen Geländemodell
- Erzeugen Sie ein SOLAR PV-Objekt auf der Karte und digitalisieren Sie die Fläche(n) des Solarparks
- Definieren Sie die geometrischen Eigenschaften des Parks im Statusfenster des SOLAR-PV-Objekts
- Definieren Sie die Berechnungseinstellungen im gleichnamigen Fenster
- Führen Sie die Produktionsberechnung durch und bewerten Sie die Vorab-Ergebnisse
- Erzeugen Sie Berichte und/oder exportieren Sie die Ergebnisse
Workflow-Übersicht
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Der Berechnungsablauf von Solar PV unterscheidet sich von den meisten anderen windPRO-Modulen:
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- Zuerst werden die Flächen für den Solarpark mittels des SOLAR-PV-Objekts auf der Karte digitalisiert (siehe SOLAR PV-Objekt)
- Nach der Bearbeitung eines SOLAR-PV-Objekts öffnet sich das Statusfenster. Manuell kann es jederzeit durch Rechtsklick auf das Objekt → Statusfenster anzeigen aufgerufen werden. Im Statusfenster werden Eigenschaften bezüglich der Geometrie des Solarparks definiert, z.B. Modultyp oder Reihenabstand. Diese Eigenschaften beziehen sich jeweils auf eine gesamte (Teil)Fläche.
- Das Fenster Berechnungseinstellungen wird vom Statusfenster aus aufgerufen. Dort werden Eingaben getätigt, die sich auf eine Ertragsberechnung beziehen, z.B. welche Strahlungsdaten verwendet werden, welche Typen von Hindernissen berücksichtigt werden etc. Nach Abschluss der Eingabe befinden Sie sich wieder im Statusfenster.
- Dort wird mit Berechnung aktualisieren die Berechnung mit den Eingaben aus (1) Flächendefinition, (2) Geometrie und (3) Berechnungseinstellungen durchgeführt (vgl. Produktionsberechnung und die wichtigsten Ergebnisse direkt im Statusfenster als Tabelle ausgegeben. Entsprechen die Ergebnisse nicht den Erwartungen, können Änderungen in (1), (2) und (3) vorgenommen werden und erneut die Berechnung aktualisiert werden.
- Mit Klick auf Neuer Bericht oder Bericht aktualisieren wird für die aktuelle Berechnung ein Bericht erstellt, der mit der bekannten Baumstruktur im windPRO-Berechnungsfenster erscheint.
- Details zur Darstellung der Berichte werden hier erläutert.
- Schon fertige Berechnungen im Berechnungsfenster können im Nachhinein geändert werden - Doppelklick auf die Berechnungsüberschrift öffnet die Berechnungseinstellungen; werden diese mit OK abgeschlossen, öffnet sich das Statusfenster, wo mit den Schritten 4 und 5 fortgefahren werden kann. Beachten Sie jedoch, dass jeweils die aktuellen Einstellungen bezüglich Flächendefinition und Geometrie angewandt werden.
Eine Besonderheit des Moduls SOLAR PV ist, dass eine Berechnung sich immer exakt auf ein Objekt, nämlich ein SOLAR PV-Objekt, mit dessen Einstellungen zum PV-Layout bezieht. Andere windPRO-Berechnungsmodule beziehen sich üblicherweise auf mehrere Objekte unterschiedlicher Typen.
Besonderheiten von Höhenmodellen in SOLAR-PV-Berechnungen
Das Digitale Höhenmodell (DHM) entscheidet sowohl über die Höhe der Solarmodule als auch die der verschattenden Elemente. Gute Höhendaten sind deshalb essenziell für eine korrekte Ertragsberechnung oder Visualisierung.
Die Module inkl. Unterkonstruktion werden von windPRO auf die Geländeoberfläche platziert, die durch das Höhenmodell definiert ist.
Wenn es viele kleine Unebenheiten in hoch aufgelösten Höhendaten gibt, kann dies zu unrealistischen Höhensprüngen zwischen einzelnen Modulen führen. Beim Bau eines Projekts wird der Boden vor dem Bau durch Aushub und Aufschüttung nivelliert, oder die Unterkonstruktion wird angepasst, um die Höhenunterschiede auszugleichen. Für die Ertragsberechnung müssen daher entweder die Höhendaten so angepasst werden, dass sie dies widerspiegeln, oder die kleinen Unebenheiten können durch die Verwendung weniger detaillierter Höhendaten kompensiert werden. Das Kombinieren von Modulen zu Tischen kann hier auch unterstützen, da die Tische bei der Platzierung als Einheit behandelt werden. Den besten Weg für das Projekt zu finden kann eine Herausforderung sein. Über die Onlinedienste von windPRO haben Sie in vielen Regionen Zugriff auf Höhendaten in unterschiedlichen Auflösungen.
Digitale Höhenmodelle (DHM) können einem von zwei Typen angehören:
- Digitales Geländemodell (DGM): Dieses gibt die Höhe der Geländeoberfläche an einer Position wieder.
- Digitales Oberflächenmodell (DOM): Dieses gibt die Höhe inklusive Bewuchs und Bebauung wieder.
Beim Platzieren von Solarmodulen werden die Höhenkoordinaten der unteren Kante (bzw. der Eckpunkte, die sie formen) verwendet. Die Module werden auf der Oberfläche des DHM platziert.
Bei Hindernis-Objekten entscheiden dagegen die Z-Werte aller vier Eckpunkte über die Höhe über NN. Soll der Boden des Hindernis-Objekts als waagrecht betrachtet werden(wie z.B. ein Haus), kann im Hindernis-Objekt die automatische Z-Höhen-Ermittlung ausgeschaltet werden und stattdessen die Höhe manuell eingegeben werden. Diese gilt dann für alle vier Ecken. Wenn natürliche verschattende Elemente (Wälder, Baumreihen) der Geländeform folgen, müssen sie in Form von mehreren kürzeren Hindernissen definiert werden.
Beachten Sie, dass ein DOM die Hindernisse bereits enthält und die Verschattung deshalb über die "Verschattung durch Gelände" abgedeckt würde. Diese ist allerdings eher auf Hindernisse in der Dimension von Bergen und Hügeln ausgelegt. Es sollte damit nicht der Einfluss eines kleinen, lokalen Hindernisses berechnet werden.
Die vier Wege, wie mit Höhendaten umgegangen werden kann:
| Typ | Vorteil | Nachteil |
|---|---|---|
| Kein Geländemodell | Volle Kontrolle (Höhen manuell setzen) | Nur für waagrechte Modulflächen (und Dachflächen), da ansonsten falsche Verschattung zwischen Modulreihen berechnet wird |
| DGM | Nahegelegene Hindernisse können einfach digitalisiert werden | Erfordert bei Dachanlagen manuelle Berechnung des Bodenoffsets |
| DOM | Einfache Handhabung von Dachanlagen | Schwierige Handhabung von Hindernissen – evtl. manuelle Höhenzuweisung notwendig |
| DOM für Modulfläche (z.B. Dach), DGM für Umgebung | Kann sowohl mit Dachanlagen als auch mit Hindernissen gut umgehen | Erfordert aufwändige Vorbereitung der Höhendaten |
Achtung:
- Zwischen Kartenbild und Höhendaten herrschen oft Verschiebungen von einigen Metern. In diesem Fall muss sich das Design des Solarparks am Geländemodell orientieren!
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- Hier z.B. eine Ostverschiebung der Höhendaten um ca. 3 m. Dies kann auch im EMD-Editor korrigiert werden.
- Rauschen (Signalschwankungen) in den hochaufgelösten Höhendaten kann zu fehlerhafter Modulorientierung führen. Dies kann z.B. behoben werden, indem der Bereich im EMD-Editor geglättet wird (Höhenraster-Objekt → Ebene bearbeiten → Werte ändern → Skalierung:0, Offset:Höhe ). Dasselbe Vorgehen sollte durchgeführt werden, wenn kleinere Unebenheiten in der Solarfläche vorhanden sind und die Grundfäche vor der Aufstellung der Module eingeebnet wird.
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- Auch ohne TIN oder bei Verwendung eines DGM ist zusätzliche Verfügbarkeit von hochaufgelösten DOM-Daten vorteilhaft, um Höhen von Elementen zu ermitteln.
- In der folgenden Abbildung wurden DGM und DOM in Höhenraster geladen. Im Titel der Ebenensteuerungs-Fenster wird die Höhe an der Cursorposition angezeigt (hier: 6,3 / 10,2 m). Die Differenz ist die Höhe der Oberflächenelemente (hier: Haus).
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Strahlungsdaten
Die Strahlungsdaten, die für die Ertragsprognose verwendet werden, werden in der Software über das METEO-Objekt hinterlegt.
Dieses kann:
- In den Berechnungseinstellungen der SOLAR PV-Berechnung automatisch erzeugt werden. Hierfür ist keine Lizenz für das METEO-Modul notwendig.
- Wenn eine Lizenz für das METEO-Modul vorliegt kann das Objekt auch manuell erzeugt werden. In diesem Fall können neben den Daten aus meteorologischen Quellen (siehe Berechnungseinstellungen erstes Register) auch die Daten eigener Datenlogger eingelesen werden
Weitere Informationen zum METEO-Objekt sowie dem dazugehörigen Meteodaten-Vergleichswerkzeug METEO-Analyzer finden Sie auf den entsprechenden Wiki-Seiten.
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