Simulation von Solaranlagen
Anlagen zur Nutzung von Sonnenenergie, also Photovoltaikanlagen wie auch solarthermische Anlagen, funktionieren in komplexen Zusammenhängen. Viele Faktoren haben Einfluss auf die technische Funktionstüchtigkeit und die Wirtschaftlichkeit. Rechenverfahren und Computerprogramme zur Energiegewinnung mit Solaranlagen begleiten deshalb die Entwicklung dieser Technik von Anfang an und helfen, Antworten auf solche Fragen zu finden:
- Wie nachteilig ist ein Anlagenstandort im Norden gegenüber dem Süden?
- Welchen Einfluss hat die Ausrichtung der Solarmodule bzw. Kollektoren?
- Welche Neigung ist optimal?
- Mit welcher Ertragseinbuße muss gerechnet werden, wenn ein Hochhaus, ein Bergrücken oder ein Baum Schatten wirft?
Gefühlsmäßige Antworten sind in der Regel unbefriedigend, Versuche in der praktischen Anwendung nach dem Verfahren „Trial and Error“ zu kostspielig. Eine Solaranlage muss von Anfang an so ausgelegt sein, dass sie möglichst wirtschaftlich arbeitet und die geforderte Leistung erbringt. Eine kritische Analyse der Wirkungsgrade und Effektivität der einzelnen Anlagenkomponenten ist für Hersteller, Anlagenbauer und Nutzer von großer Wichtigkeit.
Diese Fragen lassen sich in mathematischen Modellen ausdrücken, mit dem Computer durchrechnen und die Rechenergebnisse vergleichen. "Echte" Solar-Simulationsprogramme arbeiten dabei mit Zeitschritt-Simulation, d.h. sie berechnen die Anlagenzustände und Energiesummen in Zeitabständen von wenigen Minuten.
Für eine korrekte Simulationsrechnung sind erforderlich:
- Daten der Solareinstrahlung und der Außentemperatur
- Formeln für die Berechnung des Sonnenstandes, um den Einstrahlwinkel auf die Solarfläche zu ermitteln
- Angaben zu den Wirkungsgraden der einzelnen Anlagenkomponenten, z.B. Kollektor- oder Solarmodul, Wärmetauscher oder Wechselrichter.
Die erreichbaren Wirkungsgrade hängen von der Intensität der Solareinstrahlung und von den Anlagentemperaturen ab (auch bei der Photovoltaik!). Vor allem bei solarthermischen Anlagen können die Wirkungsgrade stark schwanken, da ein Kollektor heißer sein muss als der Speicher bzw. Verbraucher, bevor er überhaupt an diesen Leistung abgeben kann. Interessant sind auch die Systemzustände, in denen ein Kollektor in den Stagnationsbetrieb schalten muss, weil die Speicher die Maximaltemperatur erreicht haben.
Bei photovoltaischen Inselanlagen (mit Stromspeicher) können Simulationsprogramme auf ähnliche Weise die Lade- und Entladevorgänge vorausberechnen und so helfen, die PV-Module und den Akkumulator richtig zu dimensionieren.
Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen haben nicht das Problem überschüssiger Solarenergie und die Wirkungsgrade der Komponenten hängen praktisch nur von den Einstrahlungs- und Temperaturdaten ab. Vereinfachend könnte hier auf eine Simulationsrechnung verzichtet werden und die Einstrahlung auf die PV-Modulfläche mit einem konstanten Faktor in einen Solarstromertrag umgerechnet werden. Im Hinblick auf die erreichbaren Einspeisevergütungen (in Deutschland nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz) und die damit verbundenen Renditen sind genaue Ertragsvorhersagen jedoch von größtem Interesse. Vor allem lassen sich mit Simulationsrechnungen auf Grundlage von meteorologischen Messdaten der Temperatur und der Solareinstrahlung die Effizienz von netzgekoppelten PV-Anlagen kontrollieren und mögliche Fehlerzustände frühzeitig erkennen, bevor größerer wirtschaftlicher Schaden eingetreten ist.
Simulation der Sonneneinstrahlung
Der Begriff "Solarsimulation" wird auch im Zusammenhang mit der Simulation der Sonneneinstrahlung durch künstliche Lichtquellen verwendet. Diese spielt eine Rolle bei Indoor-Messständen für die Wirkungsgradbestimmung von Sonnenkollektoren oder PV-Modulen, aber auch bei der Prüfung von Werkstoffen auf Alterung unter UV- und Temperatureinflüssen.