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  • Hao Chen

    Modellierung einer Photovoltaik-Anlage

    mit Akkumulator in Matlab-Simulink

    Masterarbeit eingereicht im Rahmen der Masterprüfung

    im Studiengang Nachhaltige Energiesysteme im Maschinenbau am Department Maschinenbau und Produktion der Fakultät Technik und Informatik der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

    Erstprüfer/in: Prof. Dr.-Ing. Birgit Koeppen Zweitprüfer/in : Prof. Dr. Thomas Veeser

    Abgabedatum: 12.01.2017

  • 3

    Zusammenfassung Hao Chen Thema der Masterthesis

    Modellierung einer Photovoltaik-Anlage mit Akkumulator in Matlab-Simulink Stichworte

    Modellierung, Simulation, Matlab-Simulink, Parameter, Photovoltaik-Anlage, Sonnenstrahlung, Solarleistung, Haushaltslast, Akkumulator, Energie

    Kurzzusammenfassung

    Diese Arbeit umfasst die Modellierung einer Photovoltaik-Anlage mit Akkumulator in Matlab-Simulink. Das ganze Modell wird in vier Teile, nämlich Solarstrahlung, Photovoltaik-Anlage, Haushaltsverbrauch und Akkumulator, unterteilt. Der Benutzer kann durch Eingabe eines bestimmten Standorts und der Ausrichtung der Anlagen eine Prognose über die hergestellten Solarleistung und gespeicherte Energie im Akkumulator in minütlichen oder stündlichen Zeitschritt simulieren.

    Hao Chen

    Title of the paper

    Modelling of a photovoltaic system with accumulator in Matlab-Simulink Keywords

    Modelling, simulation, Matlab-Simulink, parameters, photovoltaic system, solar radiation, solar power, household load, accumulator, energy

    Abstract

    This work includes the modelling of a photovoltaic system with accumulator in Matlab-Simulink. The whole model is divided into four parts, namely solar radiation, photovoltaic system, household consumption and accumulator. The user can simulate a prediction of the produced solar power and accumulated energy in the accumulator in a minute or hourly step by entering a specific location and the orientation of the photovoltaic systems.

  • 1

    Inhaltsverzeichnis Abkürzungen ........................................................................................................................................... 4

    1. Einleitung ......................................................................................................................................... 6

    1.1. Ausgangspunkt ............................................................................................................................. 6

    1.2. Ziel und Aufbau der Arbeit ........................................................................................................... 8

    2. Fakten über Markt der Photovoltaik-Anlage ............................................................................ 9

    2.1. Weltweite installierte Leistung ................................................................................................... 10

    2.2. Wirtschaftlichkeit ......................................................................................................................... 12

    3. Solarstrahlung ............................................................................................................................... 16

    3.1. Eigenschaften .................................................................................................................................. 16

    3.1.1. Solarkonstante ........................................................................................................................ 16

    3.1.2. Sonnenspektrum ..................................................................................................................... 17

    3.1.3. Globalstrahlung ....................................................................................................................... 18

    3.2. Berechnung des Sonnenstandes und der Sonnenstrahlung ................................................ 20

    3.2.1. Sonnenstand ........................................................................................................................... 21

    3.2.1.1. Maximale und minimale Sonnenhöhenwinkel ................................................................. 21

    3.2.1.2. Berechnung der Sonnenbahn ........................................................................................... 21

    3.2.2. Sonnenstrahlung ..................................................................................................................... 24

    3.2.2.1. Bestrahlung auf den Solarmodulflächen .......................................................................... 25

    3.2.2.1.1. Direktstrahlung auf den Modulflächen .......................................................................... 27

    3.2.2.1.2. Diffusstrahlung auf den Modulflächen .......................................................................... 28

    3.2.2.1.3. Reflektierte Strahlung auf den Modulflächen .............................................................. 28

    3.2.2.2. Nachführung ........................................................................................................................ 29

    3.3. Messung der Solarstrahlung ..................................................................................................... 30

    3.3.1. Messung der Globalstrahlung ............................................................................................... 30

    3.3.2. Messung der Direkt- und Diffusstrahlung ............................................................................ 31

    4. Photovoltaik- Anlage ................................................................................................................... 33

    4.1. Solarzelle ..................................................................................................................................... 33

    4.1.1. Ersatzschaltbild ....................................................................................................................... 34

    4.1.1.1. Ersatzbild mit Widerstand .................................................................................................. 35

    4.1.1.2. Wirkungsgrad der Solarzelle ............................................................................................. 36

    4.1.1.3. Einfluss der Temperatur ..................................................................................................... 38

    4.2. Solarmodul ................................................................................................................................... 40

    4.2.1. Reihenschaltung der Solarzellen .......................................................................................... 40

    4.2.2. Parallelschaltung der Solarzellen ......................................................................................... 42

    5. Haushaltsverbrauch ..................................................................................................................... 43

  • 2

    5.1. Energiefluss ................................................................................................................................. 43

    5.2. Standardlastprofil (SLP) ............................................................................................................. 44

    6. Akkumulator .................................................................................................................................. 45

    6.1. Prinzip und Aufbau ..................................................................................................................... 45

    6.1.1. Blei-Säure-Batterie ................................................................................................................. 45

    6.1.2. Lithium-Ionen-Batterie ............................................................................................................ 46

    6.2. Einsatz in dem Haushalt ............................................................................................................ 47

    6.2.1. Einsatz in dem Haushalt ........................................................................................................ 47

    6.2.2. Speicherungskosten ............................................................................................................... 48

    7. Modellentwicklung und Parametrierung ................................................................................. 50

    7.1. Modellentwicklung ...................................................................................................................... 50

    7.1.1. Modul „Solarstrahlung“ ........................................................................................................... 51

    7.1.1.1. Eingangssignal .................................................................................................................... 52

    7.1.1.2. Aufbau der Verknüpfungssubsysteme ............................................................................. 52

    7.1.1.3. Aufbau der Solarstrahlungssysteme ................................................................................ 57

    7.1.2. Modul „Solarleistung“ ............................................................................................................. 63

    7.1.3. Modul „Haushaltsleistung“ ..................................................................................................... 64

    7.1.4. Modul