Simulationsprogramme aus Sicht von Ertragsgutachten - DGS ...

Simulationsprogramme aus Sicht von Ertragsgutachten
Dipl.-Ing. Ralf Haselhuhn
DGS – Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie LV Berlin-Brandenburg e.V.
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Es ist üblich geworden Simulationsprogramme zur Ermittlung der Prognosewerte für Ertragsgutachten
von PV-Anlagen zu benutzen. Sich jedoch blindlings allein auf die Simulationsprogramme zu verlassen,
birgt ein hohes Risiko. Alle üblichen Simulationsprogramme weisen Grenzen und Einschränkungen auf.
Aber auch durch fehlerhafte Parametrisierungen oder Eingaben können Fehler entstehen. Im Folgenden
werden die Grenzen und Einschränkungen der Simulationsprogramme näher beschrieben.
Unterschiede in der Zeitschritt- und Einstrahlungssimulation
Die zur Ertragsprognose angewandten Programme basieren meistens auf einer Stundenzeitschrittsimulation.
In Hinblick auf das Verschattungsverhalten aber auch auf die Berücksichtigung von kürzeren
Einstrahlungsspitzen ist ein kürzerer Zeitschritt zur genauen Simulation wünschenswert. Bisher werden
bei PV-Sol und PV-Syst bei Berücksichtigung der 3-D-Verschattung kürze Zeitschritte für die
Einstrahlungsermittlung benutzt. Bei komplexeren Simulationsprogrammen wie Insel oder DESIRE lassen
sich kürze Zeitschritte simulieren. Allerdings fehlen bei diesen Programmen einfache Tools zur 3-D-
Verschatttungsimulation.
Bei der Ermittlung der Einstrahlung auf die Modulebene kommen unterschiedliche Modelle zum Einsatz.
Je nach Anwendung eines bestimmten Sonnenstandsalgorithmus und der Modellierung der
Diffusstrahlung kommt es zu unterschiedlichen Ergebnissen. Die Genauigkeit des einen oder anderen
Modells der Umrechnung ist ausrichtungs- bzw. nachführungsabhängig sowie klimatisch bedingt. Durch
das Fehlen ausreichender Validierungen von unterschiedlichen Anlagen an verschiedenen Standorten in
Bezug auf die Umrechnung der Einstrahlung auf die geneigte Ebene kommt es zu relativ großen
Unsicherheiten [ 1 ]. Um diese zu reduzieren ist es sinnvoll, mehrere Algorithmen zu nutzen.
Die pauschale Berücksichtigung der Albedo als Jahreswert oder Monatswert reicht in den meisten Fällen.
Bisher berücksichtigt kein Programm das wechselnde Spektralverhalten der Einstrahlung sowie die
spektrale Empfindlichkeit der Module.
Modellierung der PV-Module
Natürlich kann die Modellbeschreibung nur gut sein, wenn ausreichend Moduldaten vorliegen. Umso
besser das Modul in seinem Verhalten durch Kennlinien sowie Kenn- und Messwerte beschrieben ist,
umso besser kann die Simulation erfolgen. Die Modellierung erfolgt oft über das Zweidiodenmodell mit
der Schwierigkeit der Parametrisierung der erforderlichen Konstanten. Das Teillastverhalten der Module
wird in den meisten Simulationsprogrammen mit entsprechenden Vorgaben meist nur durch Angabe der
UMPP, UL, IMPP und IK bei einer geringeren Einstrahlung (meist 200 W/m²) nachgebildet und auf die andere
Einstrahlungen in der Simulation umgerechnet. Dabei wird meist ein Standardverhalten der Module
unterstellt. PV-Syst ermöglicht eine genauere Nachbildung des Einstrahlungsverhaltens mittels
Berücksichtigung der Änderung des Shuntwiderstandes über die Einstrahlung. Somit ist auch eine

Nachbildung des Einstrahlungsverhaltens von Dünnschichtmodulen mit genügender Genauigkeit möglich.
Die Verluste durch Reflexion an der Moduloberfläche berücksichtigen die meisten Programme durch das
Ashrae-Modell. Mit PV-Syst oder eigener Definition in Simulationssystemen DESIRE lassen sich anderes
Reflektionseigenschaften insbesondere von speziellen Solargläser nachbilden.
Die thermische Modellierung erfolgt bei vielen Programmen dynamisch. Allerdings ist eine
Pauschalisierung nur auf Einbaussituationen und eine lineare Modellierung mit unter nicht ausreichend,
so dass eine dynamische Modellierung mit Hilfe der Parametrisierung der Hinterlüftungssituation und der
thermischen Modulparameter unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur, der Einstrahlung und
des Windes erforderlich wird.
Verschattung
Standard in der Simulation ist eine Verschattungsermittlung mittels Horizontbilder bezogen auf einen oder
mehrere Teilgeneratoren. Verschattungseffekte durch die weitere Umgebung werden dadurch meist
ausreichend genau berücksichtigt. Bei komplexeren Schattensituationen oder Nahverschattungen kommt
man um Verschattungsermittlung mittels 3D-Simulation nicht herum. PV-Sol und PV-Syst bieten gute
intuitive Eingabemöglichkeiten für die 3D-Parameterisierung. Bei PV-Sol erfolgt die Berücksichtigung der
Verschattung modulweise unter Berücksichtigung der Bypassdiodenverschaltung sowie deren
Auswirkungen auf die Kennlinien. PV-Syst berücksichtigt die Verschattung flächenbezogen auf
vordefinierte Stränge oder bezogen auf die Gesamtfläche des PV-Generators. Dadurch wird die
Verschattung in Bezug auf die strangweise Simulation überbetont, die Bypasseffekte werden
vernachlässigt. Beim Bezug auf die Gesamtfläche kann es zu einer zu geringen Bewertung kommen. Die
Modulreihendefinition und die Visualisierung der Reihenverschattung in PV-Syst sind sehr komfortabel
gelöst. Eine 3D-Verschattungssimulation mit Insel oder DESIRE ist nur mit größerem Aufwand von
versierten Usern umsetzbar. Um Modul- oder Generatordesign in Bezug auf Nahverschattungen zu
optimieren ist eine zellweise Betrachtung sinnvoll. Eine zellweise Verschattungssimulation wurde bisher
nur mit DESIRE umgesetzt[ 2 ]. Bei Nahverschattungen allgemein und insbesondere bei nachgeführten
Anlagen ist Berücksichtigung von Diffus-Verschattungsverluste sinnvoll. Diese Berechnung wurde bisher
auch nur in DESIRE umgesetzt [ 3 ].
System und Wechselrichter
Während mit PVSyst alle Nachführungssysteme inklusive Winkelbeschränkungen und Back-Tracking
simuliert werden können, fehlen bei PV-Sol die einachsige Nachführung um die eigene Drehachse des
Moduls sowie die Möglichkeit Winkelbeschränkungen und Back-Tracking bei Nachführsystemen zu
berücksichtigen. Die Berücksichtigung der gegenseitigen Verschattung von Nachführsystemen als 3D-
Simulation kann bisher nur mit PV-Syst erfolgen und wurde in Insel für mehrere Nachführvarianten vom
Berliner DGS-Team umgesetzt.
Während Mismatch-Verluste oft nur pauschal berücksichtigt werden, bietet PV-Syst eine detaillierte
Berechnung nach der Gaußverteilung. Das Wechselrichtermodell basiert meist auf der
Dreipunkteparameterisierung nach [ 4 ]. In PV-Sol wird das Wechselrichterverhalten bisher am Genauesten
abgebildet. Hier wird die Wirkungsgradkennlinie durch 6 Punkte beschrieben und die Simulation von
Wechselrichtern mit mehreren MPP-Reglern ist möglich. Außerdem wird in PV-Sol die
Spannungsabhängigkeit und das MPP-Trackingverhalten der Wechselrichter modelliert sowie der

Standby-Verbrauch berücksichtigt. Die simulationstechnische Bestimmung der Verluste durch
Abweichung vom MPP-Spannungsfensters sowie durch Leistungsabregelung beim Erreichen der
Maximalleistung sollte zum Standard werden. Bisher noch nicht simulationstechnisch umgesetzt wurden
die temperaturabhängigen Wechselrichterverluste, die mit unter in heißen Gegenden wie Spanien
relevante Leistungseinbußen verursachen können.
Die Kabel- bzw. Leitungsverluste werden oft nur auf der DC-Seite in der Simulation berücksichtigt. Meist
ist ein prozentualer Faktor bezogen auf den STC oder eine mittlere DC-Leitungslänge mit Querschnitt pro
Generator einzugeben. Eine genauere Strangdefinition mit unterschiedlichen Querschnitten und
Leitungslängen ist in PV-Syst umgesetzt.
Die Bewertung der Parametrisierung sowie der einzelnen Simulationsschritte ist mit Unsicherheiten
behaftet, die als Toleranzangaben und unter Berücksichtigung der Fehlerfortpflanzung erfolgen sollte. In
allen betrachteten Simulationsprogrammen fehlen neben den AC-Leitungsverlusten, den
Transformatorverlusten sowie der Berücksichtigung von Kurz- und Langzeitdegradation der Module
Möglichkeiten zur Ermittlung bzw. Eingabe von Toleranzen der einzelnen Verlustparameter und des
Gesamtergebnisses unter Berücksichtigung der Fehlerfortpflanzung.
Monitoring-Unterstützung
Um das Anlagenmonitoring zu unterstützen wäre eine Eingabemöglichkeit der Einstrahlung auf geneigte
Ebene und Modultemperatur wünschenswert. So könnte das übliche Standardmonitoring-System mit
Einstrahlungssensor am Modul und dem Modultemperatursensor detailliert ausgewertet werden. Dies ist
bisher mit Simulationssystemen wie Insel und DESIRE für versierte User möglich. Zu beachten ist dabei
allerdings dann die Messungenauigkeit des Einstrahlungs- und Temperatursensors.
Die folgenden Tabellen geben einen Überblick über die Leistungsfähigkeit und die im Beitrag diskutierten
Eigenschaften der gängigsten Simulationsprogramme.
[ 1 ] „Solare Investitionssicherheit – Kriterien für belastbare Ertragsprognosen bei großen PV-Anlagen und
Solarthermie-Anlagen“ Ralf Haselhuhn, Claudia Hemmerle, DGS, 5. Forum Solarpraxis, Berlin 2006
[ 2 ] „Verschattung von Zellen, Modulen und PV-Generatoren - Simulation von Rückwärtskennlinien“
Sebastian Stein, Ralf Haselhuhn, DGS, OTTI 23. PV-Symposium, Kloster Banz 2008
[ 3 ] „Berücksichtigung der Diffusverschattung bei einachsigen Nachführsystemen“
Philipp Vanicek, Sebastian Stein, DGS, 24. OTTI PV-Symposium, Kloster Banz 2009
[ 4 ] „Wechselrichter, Praxisgerechte Modellierung und Abschätzung“
Dirk Uwe Sauer, Harald Schmidt, TH Darmstadt, SONNENENERGIE 08/1996

PV-Sol PV-Syst Greenius Insel DESIRE
Zeitschritt und
Einstrahlungssimulation:
nur bei 3 -D-
nur bei 3 -D-
Kürze Zeitsimulationsschritte Verschattungssimulation zur Verschattungssimulation zur
als eine Stunde
Einstrahlungsbestimmung Einstrahlungsbestimmung nein möglich möglich
Verschmutzung,
Schneeabschattung... pauschal definierbar pauschal definierbar pauschal definierbar pauschal definierbar pauschal definierbar
Albedo Monatlich oder Jahreswert Monatlich oder Jahreswert Monatlich oder Jahreswert
Einstrahlungsumrechung
unterschiedlichen Algorithmen Hay und Davis Hay, Perez+Ineichen 3 x Sonnenstand, 3 x Diffuss Klucher, Perez 3 x Sonnenstand, 3 x Diffuss
Modul:
Hinterlüftung und thermischen linear oder dynamisch, linear oder dynamisch, dynamisch, feste thermische linear oder dynamisch,
Trägheit der Module, thermische Modulparameter thermische Modulparameter Modulaufstellparameter thermische Modulparameter linear, einstellbar
dynamisches Modulmodell,
Modulmodellierung
Eigenentwicklung Zweidiodenmodell Eindiodenmodell Zweidiodenmodell Zweidiodenmodell
und Abweichung des
Spektrums von AM=1,5 pauschal definierbar pauschal definierbar pauschal definierbar pauschal definierbar pauschal definierbar
Teillastverhalten der Module berücksichtigt berücksichtigt berücksichtigt berücksichtigt berücksichtigt
Abweichung von
Teillastverhalten berücksichtigt berücksichtigt nicht berücksichtigt berücksichtigt berücksichtigt
Verluste durch Reflexion an
Ashrae-Modell oder User-
Definition durch versierten
der Moduloberfläche Ashrae-Modell
Definition nicht berücksichtigt Ashrae-Modell
User möglich
Verschattung:
Horizontbilder möglich möglich möglich möglich möglich
Verschattungsermittlung
Definition durch versierten Definition durch versierten
mittels 3 D-Simulation möglich möglich nicht möglich
User möglich
User möglich
Definition durch versierten Definition durch versierten
Reihenverschattung eingeschränkt möglich möglich nicht berücksichtigt
User möglich
User möglich
Verschattungseffekte
auf Modul bezogen bei auf Zelle bezogen bei
bezüglich Strang-, Modul- und auf Modul bezogen Strangweise nicht berücksichtigt
Definition durch versierte Definition durch versierte
Bypassdiodeneffekte durch berücksichtigt bei 3-D-
Definition durch versierten
Verschattung
Verschattungsimulation nicht berücksichtigt nicht berücksichtigt nicht berücksichtigt
User möglich
Definition durch versierten
Diffus-Verschattungsverluste nicht berücksichtigt nicht berücksichtigt nicht berücksichtigt nicht berücksichtigt
User möglich

PV-Sol PV-Syst Greenius Insel DESIRE
System und Wechselrichter:
Beschränkung der Anzahl der
Definition durch versierten
Teilgeneratoren beschränkt auf 6 unbeschränkt ein Generator unbeschränkt
User möglich
einachsig um eigene
Definition durch versierten Definition durch versierten
Nachführungssysteme Modulachse nicht möglich alle alle
User möglich
User möglich
Winkelbeschränkungen bei
Definition durch versierten Definition durch versierten
Nachführsystemen nicht möglich möglich nicht möglich
User möglich
User möglich
Back-Tracking bei
Definition durch versierten Definition durch versierten
Nachführsystemen nicht möglich möglich nicht möglich
User möglich
User möglich
pauschal oder detaillierte
Berechnung nach
Mismatch-Verluste pauschal definierbar Gaussverteilung pauschal definierbar pauschal definierbar pauschal definierbar
3 Punktdefinition,Erweiterung 3 Punktdefinition,Erweiterung
Wechselrichterkurve 6 Punktdefinition 3 Punktdefinition 3 Punktdefinition
durch User möglich durch User möglich
Wechselrichter mit mehreren möglich nicht möglich nicht möglich nicht möglich nicht möglich
MPP-Regelverluste des userdefinierte Faktoren für
Wechselrichters
< und > 20% Last nicht berücksichtigt nicht berücksichtigt nicht berücksichtigt nicht berücksichtigt
Überlastverhalten, Abregelung
Definition durch versierten Definition durch versierten
des Wechselrichters berücksichtigt berücksichtigt berücksichtigt
User möglich
User möglich
Berücksichtigung MPP-
Spannungs-Arbeitsbereich in berücksichtigt berücksichtigt nicht berücksichtigt berücksichtigt berücksichtigt
in % pro 100 V -
Spannungsabhängkeit WR Spannungsänderung nicht berücksichtigt nicht berücksichtigt berücksichtigt nicht berücksichtigt
Temperaturabhängkeit WR nicht berücksichtigt nicht berücksichtigt nicht berücksichtigt nicht berücksichtigt nicht berücksichtigt
Leitungslängen mit einem % oder detaillierte
Leitungslängen mit einem Definition durch versierten Definition durch versierten
DC-Leitungsverluste Querschnitt
Strangberechnung
Querschnitt
User möglich
User möglich
AC-Leitungsverluste nicht berücksichtigt nicht berücksichtigt nicht berücksichtigt Definition möglich Definition möglich
Transformatorverluste nicht berücksichtigt nicht berücksichtigt nicht berücksichtigt Definition möglich Definition möglich
Kurzzeitdegradation nicht berücksichtigt nicht berücksichtigt nicht berücksichtigt nicht berücksichtigt nicht berücksichtigt
Langzeitdegradation g
nicht berücksichtigt nicht berücksichtigt nicht berücksichtigt nicht berücksichtigt nicht berücksichtigt
Berücksichtigung der
Fehlerfortpflanzung nicht berücksichtigt nicht berücksichtigt nicht berücksichtigt nicht berücksichtigt nicht berücksichtigt
Monitoring-Unterstützung:
Eingabe Einstrahlung auf nicht möglich nicht möglich nicht möglich möglich möglich
Eingabe Modultemperatur nicht möglich nicht möglich nicht möglich möglich möglich