Programm Photovoltaik Ausgabe 2008 ... - Bundesamt für Energie BFE

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5/12 Abb. 4: Kennlinien und wichtigste Ergebnisse eines online ausgewerteten I/U-Tests an einem älteren Kyocera Modul. Sämtliche Daten eines I/U-Tests Tests werden auf der Harddisk gespeichert bzw. in eine Datenbank (Access) abgelegt für spätere Auswertungen. In den Abb. 3 und 4 ist die globale Einstrahlung in die sonnennachgeführte Modulebene mit Gn bezeichnet. Im Folgenden wird der Einfachheit halber G an Stelle von Gn verwendet. Wirkungsgradmodell / Ergebnisse Gestützt auf umfangreiche Wirkungsgradmessungen bei variierender Einstrahlung G, Temperatur � und relativer Luftmasse AM an den oben erwähnten Modulen wurden mehrere Wirkungsgrad-Modelle entwickelt und auf ihre Tauglichkeit hin untersucht. Als bestgeeignetes Modell hat sich die folgende semi-empirische Beziehung ergeben: � = p[qG/Go + (G/Go) m ][1+ r�/�o + sAM/AMo + (AM/AMo) u ] (1) mit Go = 1000 Wm -2 �o = 25 °C AMo = 1.5 Das Modell berücksichtigt, dass der Wirkungsgrad bei verschwindender Einstrahlung gleich Null wird, ebenso, dass der Wirkungsgrad mit abnehmender Temperatur in guter Näherung linear abnimmt, bei konstanter Einstrahlung und konstanter Luftmasse. Zudem berücksichtigt es die ebenfalls empirisch gefundene nichtlineare Abhängigkeit des Wirkungsgrades von der Luftmasse. Die Parameter p, q, m, r, s und u in der Beziehung (1) werden aus einer Vielzahl gemessener Datensätze (�, G, � und AM) via nichtlinearer Ausgleichsrechnung nach der Methode der kleinsten Fehlerquadratsumme bestimmt. Für die in dieser Arbeit ausgemessenen Module sind die Parameter in Tabelle 1 aufgelistet [siehe auch 5, 6]. Modul Hersteller p q m r s u SPR-90, mc-Si SunPower 22.07 -0.1065 0.06510 -0.08078 -0.9300 0.9698 LA361K51S, p-Si Kyocera 15.39 -0.1770 0.07942 -0.09736 -0.8998 0.9324 JM-050W-S4-G Jumao 38.59 -0.6531 0.6077 -0.09462 -0.9683 0.9833 Tabelle 1: Modellparameter eines SunPower-, Kyocera- bzw. Jumao-Moduls. Wirkungsgrad und jährliche Stromproduktion von Photovoltaikmodulen, W. Durisch, PSI Seite 181 von 288
Aus Gleichung (1) ergeben sich der Wirkungsgrad, sein Temperaturkoeffizient und die Modul-Leistung bei STC, d.h. G = Go, � = �o und AM = AMo wie folgt: �STC = p(q + 1)(2 + r + s) (2) �STC = (��/��)STC = p(q + 1)r/�o PSTC = �STCGnoAa (4) Die so ermittelten Grössen sowie die relativen Abweichungen der gemäss Gleichung (4) berechneten Modulleistungen von den von den Herstellern angegebenen Leistungen sind in der folgenden Tabelle wiedergegeben. Modul SPR-90 LA361K51S JM-050W-S4G Hersteller SunPower Kyocera Jumao Zellenwirkungsgrad �STC, diese Arbeit % 19.5 12.7 12.6 Zellenwirkungsgrad �STC,p, Hersteller % 19.0 14.2 13.8 Temperaturkoeffizient �STC, diese Arbeit %/°C -0.0637 -0.0493 -0.0507 Modulleistung PSTC, diese Arbeit W 92.3 45.7 45.5 Modulleistung PSTC,p, Hersteller W 90 51 50 Relative Abweichung der Modulleistung % +2.6 -10.4 -9.0 Ross- Koeffizient h °C/(Wm -2 ) 0.029 0.026 0.025 Aktive Zellenfläche Aa m 2 Modulfläche Am m 2 (3) 0.4734 0.3600 0.3624 0.5444 0.4440 0.4248 Tabelle 2: STC-Wirkungsgrad, Temperaturkoeffizient und effektiv gemessene Modulleistung im Vergleich mit den Herstellerangaben. Mitaufgeführt sind auch die aktive Zellenfläche, die Modulfläche und der Ross-Koeffizient, der später benötigt wird. Der Temperaturkoeffizient ist in Prozentpunkten pro Grad Celsius Temperaturerhöhung angegeben. Aus Tabelle 2 geht hervor, dass das im Jahr 2004 eingeführte SPR-90-Modul von SunPower einen hervorragenden STC-Wirkungsgrad aufweist. Dieser wird unter anderem ermöglicht durch eine einzigartige Rückseiten-Kontaktierung, welche die aktive Zellenfläche maximiert. Die gemessene STC- Modulleistung übertrifft die Herstellerangaben um 2.6 %. Beim Kycera-Modul handelt es sich um ein Modul, welches 1993 auf den Markt kam. Sein Wirkungsgrad ist relativ bescheiden. Für die damalige Zeit war dies für polykristalline Module jedoch ein sehr guter Wert. Wie damals ebenfalls üblich, liegt die gemessene Modulleistung 5 bis 10% unter den Herstellerangaben. Ein weiterer Grund für den tiefen Wirkungsgrad könnte eine leichte Degradation während der vergangenen 14 Jahre sein. Wirkungsgradmessungen an neuesten polykristallinen Modulen von Kyocera mit neuer fortschrittlicher Texturierung der Frontfläche (bessere Lichtabsorption) führen zu Werten um 14 %. Für heutige polykristalline Si-Module ist das ebenfalls ein hervorragender Wert. Das seit 2005 auf dem Markt erhältliche monokristalline Modul von Jumao Photonics schneidet nicht besonders gut ab. Ein Grund dafür dürfte eine nicht optimale Antireflexbeschichtung auf der Zellen-Frontseite sein. Dies folgt aus dem Vergleich mit einem praktisch identischen Modul von Shell Solar, mit wesentlich dunkleren Zellen. Vergleich Modell / Messungen Durch die Anwendung mathematischer Transformationen [7] können die gemessenen Wirkungsgrade mit dem Wirkungsgradmodell (1) in zweidimensionalen Darstellungen visualisiert, verglichen und die klimatischen Einflüsse auf den Wirkungsgrad dargestellt werden, Abb. 5, 6 und 7. Aus dem Modell (1) ergibt sich der Wirkungsgrad bei konstanter Zellentemperatur � = �o = 25°C und konstanter Luftmasse AM = AMo = 1.5 zu �25,1.5 = p[qGn/Gno + (Gn/Gno) m ](2 + r + s) (5) Bei konstanter Einstrahlung G = Go = 1000W/m 2 und konstanter Luftmasse AM = AMo = 1.5 gilt �1000,1.5 = p(q +1)(2 + s + r�/�o) (6) Analog findet man für konstante Einstrahlung G = Go = 1000W/m 2 und konstante Zellentemperatur � = �o = 25°C �1000,25 = p(q + 1)[1 + r + sAM/AMo + (AM/AMo) u ] (7) Seite 182 von 288 Wirkungsgrad und jährliche Stromproduktion von Photovoltaikmodulen, W. Durisch, PSI 6/12
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