Handout (pvlib)

Potenzialanalyse für Dachflächen-Photovoltaik

Das Handout bietet eine kompakte Referenz zu den wichtigsten Funktionen der Python-Bibliotheken pvlib für die Berechnung der Bestrahlungsstärke einer Dachfläche.

Autor:in

Zugehörigkeit

Sören Sparmann

Universität Paderborn

Veröffentlichungsdatum

30. Mai 2025

PDF

Bestrahlungsstärke berechnen mit pvlib

Standort festlegen (Lokalisierung)

Legt die Position der Dachfläche anhand von geografischen Koordinaten fest.

latitude = 51.6616267
longitude = 8.6013146

Neigung und Ausrichtung ermitteln

Liest Neigungswinkel und Azimutwinkel aus der gewählten Dachfläche.

surface_tilt = 30
surface_azimuth = 90

Zeitraum und Zeitzone definieren

Bestimmt Zeitzone und erzeugt eine Zeitreihe für den gewünschten Zeitraum.

from pytz import timezone
from pvlib.location import Location
import pandas as pd

tz = timezone('Europe/Berlin')
location = Location(latitude=latitude, longitude=longitude, tz=tz)

start = '2024-06-01'
end = '2024-06-02'
freq = '1h'

date_range = pd.date_range(start=start, end=end, freq=freq, tz=tz, inclusive='left')

Sonnenstand berechnen

Berechnet den Sonnenstand für jede Stunde im angegebenen Zeitraum.

solar_position = location.get_solarposition(date_range)
solar_position.head(5)

	apparent_zenith	zenith	apparent_elevation	elevation	azimuth	equation_of_time
2024-06-01 00:00:00+02:00	104.024246	104.024246	-14.024246	-14.024246	340.120688	2.174048
2024-06-01 01:00:00+02:00	106.075224	106.075224	-16.075224	-16.075224	354.352129	2.167611
2024-06-01 02:00:00+02:00	105.813555	105.813555	-15.813555	-15.813555	8.799992	2.161163
2024-06-01 03:00:00+02:00	103.265049	103.265049	-13.265049	-13.265049	22.910796	2.154702
2024-06-01 04:00:00+02:00	98.666027	98.666027	-8.666027	-8.666027	36.266856	2.148229

Bestrahlungsstärke bei klarem Himmel berechnen

Berechnet die Direkt-, Diffus- und Gesamtstrahlung bei klarer Atmosphäre.

clear_sky = location.get_clearsky(date_range)
clear_sky.head(5)

	ghi	dni	dhi
2024-06-01 00:00:00+02:00	0.0	0.0	0.0
2024-06-01 01:00:00+02:00	0.0	0.0	0.0
2024-06-01 02:00:00+02:00	0.0	0.0	0.0
2024-06-01 03:00:00+02:00	0.0	0.0	0.0
2024-06-01 04:00:00+02:00	0.0	0.0	0.0

Globale Bestrahlungsstärke berechnen

Berechnet die Einstrahlung pro $q m^{2}$ auf die geneigte Dachfläche mit Ausrichtung.

from pvlib.irradiance import get_total_irradiance

irradiance = get_total_irradiance(
    surface_tilt=surface_tilt,
    surface_azimuth=surface_azimuth,
    dni=clear_sky['dni'],
    ghi=clear_sky['ghi'],
    dhi=clear_sky['dhi'],
    solar_zenith=solar_position['zenith'],
    solar_azimuth=solar_position['azimuth']
)
irradiance.head(5)

	poa_global	poa_direct	poa_diffuse	poa_sky_diffuse	poa_ground_diffuse
2024-06-01 00:00:00+02:00	0.0	0.0	0.0	0.0	0.0
2024-06-01 01:00:00+02:00	0.0	0.0	0.0	0.0	0.0
2024-06-01 02:00:00+02:00	0.0	0.0	0.0	0.0	0.0
2024-06-01 03:00:00+02:00	0.0	0.0	0.0	0.0	0.0
2024-06-01 04:00:00+02:00	0.0	0.0	0.0	0.0	0.0

Tagesleistung berechnen

Ermittelt die Gesamtstrahlung für die Dachfläche in Wattstunden.

surface_area = 30
energy_per_area = irradiance['poa_global'].sum()
total_energy = energy_per_area * surface_area
total_energy

202062.7064577622

Energie in Kilowattstunden umrechnen

Wandelt die Energie in kWh um und rundet sie für die Ausgabe.

total_energy_kwh = total_energy / 1000
print('Tagesleistung:', total_energy_kwh.round(2), 'kWh')

Tagesleistung: 202.06 kWh

Fachbegriffe & Einheiten

Bestrahlungsstärke (engl. Irradiance)

Definition: Leistung der Sonnenstrahlung pro Fläche, die auf eine Oberfläche trifft
Einheit: Watt pro Quadratmeter
Symbol: $W / m^{2}$
Variable: irradiance

Bestrahlungsenergie pro Fläche (engl. Solar Energy)

Definition: Energie, die über einen Zeitraum pro Fläche eintrifft
Einheit: Wattstunden pro Quadratmeter
Symbol: $W h / m^{2}$
Variable: energy_per_area

Bestrahlungsenergie

Definition: Energie auf Basis der Fläche, die tatsächlich bestrahlt wird
Einheit: Wattstunden (Wh) oder Kilowattstunden (kWh)
Symbol: $W h$ bzw. $k W h$
Variable: total_energy

Wiederverwendung

CC BY-SA 4.0

Zitat

Mit BibTeX zitieren:

@online{sparmann2025,
  author = {Sparmann, Sören},
  title = {Handout (pvlib)},
  date = {2025-05-30},
  url = {https://climate-data-entrepreneurial-club.netlify.app/modul_2/submodules/03_photovoltaik/03_handout.html},
  langid = {de}
}

Bitte zitieren Sie diese Arbeit als:

Sparmann, Sören. 2025. “Handout (pvlib).” May 30, 2025. https://climate-data-entrepreneurial-club.netlify.app/modul_2/submodules/03_photovoltaik/03_handout.html.

--- title: "Handout (pvlib)" subtitle: "Potenzialanalyse für Dachflächen-Photovoltaik" description: "Das Handout bietet eine kompakte Referenz zu den wichtigsten Funktionen der Python-Bibliotheken pvlib für die Berechnung der Bestrahlungsstärke einer Dachfläche." number-sections: false format: html: default handout-pdf: default --- ```{python} #| echo: false import plotly.io as pio pio.renderers.default = "png" ``` :::{.content-visible when-format="html"} <a href="03_handout.pdf" class="btn btn-primary">{{< iconify bi:filetype-pdf >}} PDF</a> ::: ## Bestrahlungsstärke berechnen mit pvlib ### Standort festlegen (Lokalisierung) Legt die Position der Dachfläche anhand von geografischen Koordinaten fest. ```{python} latitude = 51.6616267 longitude = 8.6013146 ``` :::{.content-hidden} ### Dachflächendaten laden Lädt die Dachflächendaten für den angegebenen Standort. ```{python} from cdec import load_roofs df = load_roofs(latitude=latitude, longitude=longitude) df ``` ### Einzelne Dachfläche auswählen Wählt eine spezifische Dachfläche anhand ihrer ID aus. ```python dach = df.loc[270] dach ``` ::: ### Neigung und Ausrichtung ermitteln Liest Neigungswinkel und Azimutwinkel aus der gewählten Dachfläche. ```{python} surface_tilt = 30 surface_azimuth = 90 ``` ### Zeitraum und Zeitzone definieren Bestimmt Zeitzone und erzeugt eine Zeitreihe für den gewünschten Zeitraum. ```{python} from pytz import timezone from pvlib.location import Location import pandas as pd tz = timezone('Europe/Berlin') location = Location(latitude=latitude, longitude=longitude, tz=tz) start = '2024-06-01' end = '2024-06-02' freq = '1h' date_range = pd.date_range(start=start, end=end, freq=freq, tz=tz, inclusive='left') ``` ### Sonnenstand berechnen Berechnet den Sonnenstand für jede Stunde im angegebenen Zeitraum. ```{python} solar_position = location.get_solarposition(date_range) solar_position.head(5) ``` ### Bestrahlungsstärke bei klarem Himmel berechnen Berechnet die Direkt-, Diffus- und Gesamtstrahlung bei klarer Atmosphäre. ```{python} clear_sky = location.get_clearsky(date_range) clear_sky.head(5) ``` ### Globale Bestrahlungsstärke berechnen Berechnet die Einstrahlung pro $qm^2$ auf die geneigte Dachfläche mit Ausrichtung. ```{python} from pvlib.irradiance import get_total_irradiance irradiance = get_total_irradiance( surface_tilt=surface_tilt, surface_azimuth=surface_azimuth, dni=clear_sky['dni'], ghi=clear_sky['ghi'], dhi=clear_sky['dhi'], solar_zenith=solar_position['zenith'], solar_azimuth=solar_position['azimuth'] ) irradiance.head(5) ``` ### Tagesleistung berechnen Ermittelt die Gesamtstrahlung für die Dachfläche in Wattstunden. ```{python} surface_area = 30 energy_per_area = irradiance['poa_global'].sum() total_energy = energy_per_area * surface_area total_energy ``` ### Energie in Kilowattstunden umrechnen Wandelt die Energie in kWh um und rundet sie für die Ausgabe. ```{python} total_energy_kwh = total_energy / 1000 print('Tagesleistung:', total_energy_kwh.round(2), 'kWh') ``` ## Fachbegriffe & Einheiten ### Bestrahlungsstärke *(engl. Irradiance)* * **Definition**: Leistung der Sonnenstrahlung pro Fläche, die auf eine Oberfläche trifft * **Einheit**: Watt pro Quadratmeter * **Symbol**: $W/m^2$ * **Variable**: `irradiance` ### Bestrahlungsenergie pro Fläche *(engl. Solar Energy)* * **Definition**: Energie, die über einen Zeitraum pro Fläche eintrifft * **Einheit**: Wattstunden pro Quadratmeter * **Symbol**: $Wh/m^2$ * **Variable**: `energy_per_area` ### Bestrahlungsenergie * **Definition**: Energie auf Basis der Fläche, die tatsächlich bestrahlt wird * **Einheit**: Wattstunden (Wh) oder Kilowattstunden (kWh) * **Symbol**: $Wh$ bzw. $kWh$ * **Variable**: `total_energy`