Solarsimulation

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?
• Wie wirkt sich der Schattenwurf von Gebäudeteilen, Bäumen u.ä. aus? (Verschattungsanalyse)

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.

Solar-Simulationsprogramme arbeiten mit Zeitschritt-Simulation, d.h. sie berechnen die Anlagenzustände und Energiesummen in Zeitabständen von wenigen Minuten.

Für eine korrekte Simulationsrechnung sind die Daten der Solareinstrahlung und der Außentemperatur, Formeln für die Berechnung des Sonnenstandes und Angaben zu den Wirkungsgraden der einzelnen Anlagenkomponenten, z.B. Kollektor- oder Solarmodul, Wärmeübertrager oder Wechselrichter notwendig. Weiterhin ist bei solarthermischen Simulationsprogrammen die Nachbildung des Solar-Wärmespeichers von zentraler Bedeutung: Da warmes Wasser leichter als kaltes Wasser ist, steigt dieses im Solarspeicher auf (typische Temperaturwerte in einem Solarspeicher gehen von 10 °C (unten) bis über 90 °C (oben)^[1]). Wird der Speicher simulationstechnisch nicht genau nachgebildet, so können die Kollektorerträge auch nicht genau gerechnet werden, da der Kollektorertrag eine starke Abhängigkeit von der Kollektorbetriebstemperatur aufweist. Die Kollektorbetriebstemperatur wiederum ist sehr stark abhängig von der Temperatur des Wassers, welches aus dem Solarspeicher in den Kollektor gepumpt wird.

Die erreichbaren Wirkungsgrade hängen von der Intensität der Sonneneinstrahlung und von den Anlagentemperaturen ab (auch bei der Photovoltaik) und werden als "SFi" (Solarer Deckungsgrad) angegeben. Bei solarthermischen Anlagen können die Wirkungsgrade über das Jahr stark schwanken, da ein Kollektor heißer sein muss als der Speicher bzw. Verbraucher, bevor er überhaupt Energie an diesen abgeben kann. Zu berücksichtigen sind Systemzustände, in denen ein Kollektor in den „Stagnationsbetrieb“ schalten muss, weil die Wärmespeicher die Maximaltemperatur erreicht haben.

Bei photovoltaischen Inselanlagen (mit Energiespeicher) können Simulationsprogramme auf ähnliche Weise die Lade- und Entladevorgänge vorausberechnen und so helfen, die PV-Module und den Akkumulator richtig zu dimensionieren.

Für netzgekoppelte Photovoltaikanlagen besteht das Problem überschüssiger Solarenergie nicht. Die Wirkungsgrade der Komponenten hängen praktisch nur von den Einstrahlungs- und Temperaturdaten ab. Im Hinblick auf die erreichbaren Einspeisevergütungen (in Deutschland nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz) und die damit verbundenen Renditen sind genaue Ertragsvorhersagen jedoch auch bei diesem Anlagentyp von Interesse.

Quellen

1. ↑ Solarsimulations-Webservice (gratis) mit graphischer Darstellung der Temperaturverteilung im Solarspeicher

Simulation der Sonneneinstrahlung

Der Begriff „Solarsimulation“ wird auch im Zusammenhang der Simulation der Sonneneinstrahlung durch künstliche Lichtquellen verwendet. Diese Simulationen werden für Messstände in geschlossenen Räumen, bei der Wirkungsgradbestimmung von Sonnenkollektoren oder PV-Modulen, aber auch bei der Prüfung von Werkstoffen auf Alterung unter UV- und Temperatureinflüssen verwendet.