Messung von Direkt- und Diffusstrahlung bei Photovoltaikanlagen

Abstract

Das Ziel dieser Diplomarbeit ist es, einen Teil der Modellierung von Photovoltaik-Anlagen zu entwickeln. Wie eine solche Modellierung aussehen kann, wird im Folgenden kurz beschrieben.<br />Die Modellierung einer PV-Anlage lässt sich in mehrere Teilschritte aufteilen,. Als Basis bzw. als Eingang des Modells dient das Sonnenlicht. Das Sonnenlicht hat Anteile aus verschiedenen Richtungen, und muss in die Ebene des Photovoltaik-Generators umgerechnet werden, bevor es für die Modellierung einer PV-Anlage verwendet werden kann.<br />Im Anschluss werden zunächst die Verluste der Photovoltaikmodule berücksichtigt. Dies betrifft alle Verluste auf der Gleichstromseite einer PV-Anlage. In die Modellierung solcher Verluste fällt auch die Modellierung der thermischen Eigenschaften von PV-Modulen, da ein großer Anteil dieser Verluste thermischer Natur ist.<br />Der nächste Schritt ist die Modellierung der Wechselrichterverluste.<br />Nach diesem Schritt ist die Ausgangsleistung des PV-Systems bekannt und die Modellierung abgeschlossen.<br />Die gesamte Modellierung einer PV-Anlage würde den Umfang dieser Arbeit sprengen. Daher behandelt diese Arbeit Teilbereiche daraus.<br />Zuerst wird ein Modell zur Messung der Solarstrahlung ohne Richtungsabhängigkeit entwickelt. Dafür bedient sich diese Arbeit bekannter Modelle, welche angepasst und kombiniert werden. Aus dem Photovoltaik-Forschungszentrum Zwentendorf stehen Messdaten der Einstrahlung in vier Ebenen zur Verfügung: Horizontal und Vertikal in Ost, Süd und Westrichtung. Diese Messdaten werden in die Direkt- und Diffusstrahlung umgerechnet. Weiters wird die Umrechnung der so gewonnenen Daten in eine beliebige Ebene beschrieben.<br />Da im Photovoltaik-Forschungszentrum Zwentendorf auch die Ausgangsenergie der einzelnen Anlagenteile bekannt ist, wird die Performanz der PV-Anlage berechnet. Diese beschreibt das Verhältnis zwischen Ausgangsenergie und verfügbarer Einstrahlungsenergie und kann als Zwischenergebnis der Modellierung angesehen werden. Bei diesem Zwischenergebnis ist unbekannt wie dazwischen liegenden Verluste aufgeteilt sind.<br />Als Ausblick beinhaltet diese Arbeit noch einen Teil der Modellierung der Wechselrichterverluste. Hier wird beschrieben, welche Leistungsverteilung die Wechselrichter bei den Einstrahlungsverhältnissen von Zwentendorf haben und durch welche Gleichung der durchschnittliche Wechselrichter-Wirkungsgrad berechnet werden kann.<br />

The aim of this master thesis is to develop a part of the a model used for modelling photovoltaic systems. How such a model can look like is described below.<br />A photovoltaic model can be split into multiple steps. The base respectively the input of the model is the sunlight. Sunlight has parts that come from different directions. It needs to be transformed into the radiation on the tilted plane of the photovoltaic generator.<br />Subsequently the losses of the photovoltaic modules need to be considered. This includes all losses on the DC side of a PV system. The modelling of such losses also contain the thermal characteristic of PV modules, because a big part of these losses is of a thermal nature.<br />The next step is the modelling of the inverter losses. After to this step the output power of the PV system is known and the model is complete.<br />Modelling all steps would go beyond the scope of this thesis. Hence only parts of a complete model are dealt with.<br />First a model to measure the sunlight without dependence on a direction is developed. To achieve this known models are used, adapted and combined.<br />At the Zwentendorf Photovoltaic Research Center solar radiation is measured in four directions: horizontally and vertically in the directions east, south and west. From the data of these measurements the direct and diffuse solar radiation is calculated.<br />Furthermore it is described how the radiation on a directed plane can be calculated from the extracted radiation data.<br />As at Zwentendorf Photovoltaic Research Center the output energy of the solar inverters is known, the performance ratio is also calculated. The performance ratio describes the ratio of output energy to available radiation energy and can be seen as an intermediate result of the model.<br />This intermediate result does not tell us how the losses in between are distributed.<br />In the outlook this thesis contains a part of the model of the inverter losses. It describes how the electric power of the inverter is distributed at the radiation conditions of Zwentendorf and which equation can describe the mean inverter efficiency.