PV

Python-Skripte zur Berechnung der Sonneneinstrahlung in die geneigte Ebene

Einführung

Die Kenntnis der Sonneneinstrahlung am Standort einer Photovoltaikanlage ist von entscheidender Bedeutung, um daraus den Stromertrag berechnen bzw. abschätzen zu können und um die Performance Ratio (PR) als Qualitätskennzahl einer PV-Anlage zu berechnen.

In der Regel liegen Einstrahlungsdaten am Standort der PV-Anlage nicht vor, da kein geeignetes Messsystem vorhanden ist. Wettermessstationen befinden sich nicht in unmittelbarer Nähe zur Anlage, sodass die Einstrahlungsmessdaten ggf. sehr ungenau sind, wenn diese auf den Standort der PV-Anlage umgerechnet werden. Flächendeckend liegen nur Messdaten der Sonneneinstrahlung auf Satellitenbasis vor, welche die Dichte der Wolkendecke bestimmen und daraus die Einstrahlungsdaten am Boden berechnen.

Die Einstrahlungsmessdaten liegen meistens für die Horizontale vor, d.h. wie groß die Strahlungsleistung bzw. eingestrahlte Energie pro Quadratmeter auf die horizontale Ebene ist. Da die PV-Module eine Neigung aufweisen (abhängig vom Standort und den äußeren Umständen wie z.B. die Orientierung und Neigung eines Satteldachs), muss die horizontale Einstrahlung in die geneigte Ebene umgerechnet werden. Hierzu müssen der direkte und diffuse Anteil der Horizontalstrahlung bekannt sein, um daraus die drei Einstrahlungsanteile direkt, diffus und reflektiert in die geneigte Modulebene zu ermitteln.

Im Folgenden wird zunächst erläutert, wie der Zugriff auf horizontale Strahlungsdaten für Standorte in Europa über den CAMS Radiation Service des COPERNICUS Erdbeobachtungsprogramms der EU erfolgt. Anschließend wird ein Skript zur Berechnung der Einstrahlung in die geneigte Ebene auf Basis des isotropen Himmelsmodells für diffuse Strahlung vorgestellt. Schließlich wird dargestellt, wie die Python-Bibliothek pvlib der PVPerformance Modeling Collaborative der Sandia National Laboratories genutzt werden kann, um die Einstrahlungsumrechnung durchzuführen.

Die zugehörige Jupyter-Notebook-Datei kann unter folgendem Link heruntergeladen werden:
https://www.umwelt-campus.de/ucb/fileadmin/users/176_h.teheesen/script/irradiance/calc_tilted_irradiance.ipynb

Die folgenden Ausführungen inkl. des Python-Codes sind aus der Jupter-Notebook-Datei entnommen und in HTML übertragen worden.

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Ertragsdaten von PV-Dachanlagen für 2014 und 2015

Ertragskarten für 2014 und 2015

Nachdem wir für die Jahre 2016 und 2017 die Erträge von Photovoltaikdachanlagen in Deutschland auf Basis von Fernüberwachungsmessdaten publiziert haben, haben wir nun die Erträge dieser PV-Anlagenklasse auch für die Jahre 2014 und 2015 analysiert und die Ertragsdaten veröffentlicht. Da die Datenanalyse im Mittelpunkt steht, haben wir auf eine ausführliche Beschreibung der Daten verzichtet. Die beiden Dokumente mit der Datenanalyse sind zu finden unter:

https://www.umwelt-campus.de/ucb/index.php?id=ertragsstudie

Durch diese Ertragsanalysen konnten wir die bisher bestehende zeitliche Lücke schließen, sodass nun fortlaufend von 2012 bis 2017 die ausgewerteten Ertragsdaten vorliegen. Die Studien für 2012 und 2013 schließen noch größere PV-Anlagen ein, ab 2014 konzentrieren sich die Untersuchungen auf PV-Dachanlagen bis zu einer Nennleistung von rund 30 kWp.

PV-Ertragsstudie 2017

Wir haben auch in diesem Jahr wieder die Ertragsdaten von mehr als 23.000 Photovoltaikkleinanlagen mit einer Nennleistung bis 30 kWp in Deutschland für das Kalenderjahr 2017. Hierzu haben wir Tagesertragsdaten inklusive der Konfiguration der PV-Anlagen verwendet und die Ertragsdaten auf monatliche Werte aggregiert. Die Daten sind durch einen zweistufigen Algorithmus bereinigt worden, um nur PV-Anlagen ohne Fehlfunktion zu betrachten.

2017 war in weiten Teilen Deutschlands ein eher unterdurchschnittliches Ertragsjahr für Photovoltaikanlagen mit einem Minderertrag von rund drei Prozent, verglichen mit dem Referenzzeitraum 2012 bis 2016. Lediglich im Juni lagen die Erträge in 2017 über dem langjährigen Mittel, die übrigen Monate reihen sich im unteren Drittel der Monatserträge ein.

Im Südwesten Deutschlands konnten 2017 die höchsten spezifischen Erträge von über 1.100 kWh/kWp ermittelt werden. Hingegen betragen die spezifischen Erträge der Photovoltaikanlagen im Nordwesten lediglich 900 bis 950 kWh/kWp. Die regionale Spreizung der Erträge ist im Vergleich zu den Vorjahren relativ groß.

Die Auswertungen in dieser Studie basieren auf rein statistischen Methoden und Algorithmen. Daher sind die Ergebnisse objektiv nachprüfbar und weisen keinen subjektiven Einfluss auf. Die Signifikanzanalyse zeigt, dass bei einer hinreichend großen Zahl auswertbarer PV-Anlagen die statistischen Ergebnisse die wahren Erträge der Solaranlagen sehr gut widerspiegeln.

Weiterführende Informationen zur Studie, zur Forschung im Bereich der Ertragsanalyse von Photovoltaikanlagen sowie Kontaktdaten sind zu finden unter:
https://www.umwelt-campus.de/ucb/index.php?id=ertragsstudie