Wirkungsgrad von PV-Anlagen

Engin Bagda

Einleitung

Die Sonnenenergie steht kostenlost zur Verfügung aber die Umwandlung dieser in Strom kostet Geld. Deshalb ist das Bestreben aus möglichst wenig PV-Fläche möglichst viel Energie zu gewinnen. Die Maßzahl dafür ist der Wirkungsgrad einer PV-Anlage, die mehr ist als die Leistungszahl der PV-Module in Watt_Peak.

Auf dieser Webseite ist der Wirkungsgrad einer PV-Anlage das Verhältnis zwischen dem nutzbaren Strom vom Wechselrichter und der Einstrahlung auf die PV-Module.

Einflussfaktoren auf den Wirkungsgrad einer PV-Anlage

• Typ der Solarzellen
• Verdrahtung der Solarzellen
• Aufbau der PV-Module
• Deckglas der PV-Module
• Schaltung der PV-Module damit die Spannung der PV-Anlage
• Länge und Querschnitt der Verdrahtung
• Arbeitsweise des Wechselrichters
• Verschmutzung der PV-Module
• Leistungsabnahme der PV-Module mit der Zeit

Hierfür sind im Internet viele Informationen zu finden. Für den Laien und für die Förderung von PV-Anlagen ist „die“ Maßzahl die Leistungszahl eines PV-Moduls in Watt_Peak .

Leistungszahl Watt Peak (W_Peak) eines PV-Moduls

Die Leistung von Solarmodulen werden unter standardisierte Testbedingungen bei 25°C Umgebungstemperatur und bei senkrechter Bestrahlung mit 1000 Watt/m² gemessen. Die dabei verwendete Strahlung entsprivht dem Strahlungsspektrum der Sonne bei einer Durchstrahlung der Erdatmospähe von etwa 45° (Air Mass 1,5).

Diese Bedingungen treten in der Praxis so gut wie nie auf, weshalb die W_Peak Leitung eines PV-Moduls nur ein Anhaltswert ist. Je Höher die Leistung eines PV-Moduls in W_Peak/m² umso größer wird am Ende auch der Wikrkungsgrad der PV-Anlage sein. Ein Anderer Anhaltspunkt das Verhältnis der Investitionssumme für die PV-Anlage zur Leistung der PV-Module in Watt_Peak/EURO.

Aussagekräftiger für die Leistung einer PV-Anlage ist die Performance Ratio.

Performance Ratio

Die Performance Ratio für Photovoltaikanlagen ist das Verhältnis zwischen dem theoretisch möglichen Gleichstromertrag an den PV-Modulen und den tatsächlich gemessenem Wechselstromertrag. Die Performance Ratio wird in Prozent angegeben. Je höher dieser Prozentwert, umso höher die Stromausbeute der PV-Anlage. Sehr gute Werte liegen bei 80 % und darüber.

Der theoretisch mögliche Gleichstromertrag der PV-Module ist unter anderem von der Bestrahlungsstärke, vom Einfallwinkel der Sonnenstrahlung und von der Lufttemperatur der Umgebung abhängig. Somit ändert es sich im Tages- und Jahresverlauf.

Üblicherweise wird die Performance Ratio für den Jahresdurchschnitt gegeben. Dafür wird die Jahressumme des Stromertrages, gemessen am Wechselrichter durch die Jahressumme des theoretisch möglichen Gleichstromertrags der PV-Module dividiert.

In der Praxis wird der theoretisch mögliche Gleichstromertrag von PV-Modulen nicht angegeben, sondern die Nennleistung in Watt_Peak, mit all seinen Ungenauigkeiten, da bei Standardbedingungen gemessen. In der Praxis ist die Jahressumme des theoretisch möglichen Gleichstromertrags von PV-Modulen 10% bis 15% geringer als die Nennleistung.

Für die Berechnung des Stromertrages muss für eine PV-Anlage ein Wirkungsgrad angenommen werden, der möglichst alle Parameter der PV-Anlage und externe Einflussfaktoren über das Jahr berücksichtigt.

Wirkungsgrad von PV-Anlagen zur Berechnung der Stromerträge pro Jahr

Die Wirkungsgrade von drei PV-Anlagen wurde berechnet, in dem die Jahressumme des Stromertrages, gemessen am Wechselrichter, durch die solare Einstrahlung auf die PV-Module dividiert wurde (siehe Validierung SOLARRECHNER). In Tabelle 1 sind die Nennleistungen der PV-Module und die berechneten Wirkungsgrade zusammengestellt. 

Tabelle 1: Wirkungsgrad von 3 verschiedenen PV-Anlagen und die Differenz zwischen der Nennleistung der PV-Module und dem Wirkungsgrad der PV-Anlage

Der SOLARRECHNER nimmt bei Monokristallinen PV-Modulen einen Wirkungsgrad von 15% an. Diese Zahl sollte für neue PV-Anlagen eine „konservative“ Voraussage für die Wirtschaftlichkeit ermöglichen.

Überwachung der PV-Anlage

Mit dem Verfolgen des Wirkungsgrads einer PV-Anlage über die Jahre können Schäden an den PV-Modulen, den Leitungen, dem Wechselrichter oder anderen Komponenten der PV-Anlage erkannt werden, wenn der Wirkungsgrad unerwartet stark abnimmt.

Der Wirkungsgrad kann über die Monaten oder Jahre verfolgt werden, wenn der Stromertrag mit den Monatssummen oder Jahressummen der Globalstrahlung am Standort korreliert wird. Diese können für den jeweiligen Standort kann vom Deutschen Wetterdienst abgefragt werden (siehe Rasterdaten für Deutschland).

In Abbildung 1 sind die Stromerträge am Haus in Seeheim-Jugenheim gegen die Monatssummen der Globalstrahlung für die 72 Monate der Jahre 2016 bis 2021 aufgetragen.  Die Abweichungen von der Regressionsparabel zweiter Ordnung entspricht der Variabilität des Wetters der einzelnen Monate mit dem Bestimmungsmaß R² ≈ 96%. Kein Punkt weicht auffällig von dem Regressionspolynom. Damit ist sichergestellt, dass die PV-Anlage seit Januar 2016 gleichmäßig arbeitet.

Abbildung 1: Monatssummen des Stromertrags am Haus in Seeheim-Jugenheim in Abhängigkeit der Monatssummen der Globalstrahlung am Standort.