Hocheffiziente photovoltaische Konzentratormodule : Untersuchung von Einflussfaktoren und Energieertragsmodellierung

Abstract

Photovoltaische Konzentratormodule mit III-V Dreifachsolarzellen erzielen bemerkenswert hohe Wirkungsgrade bei der Umwandlung von solarer in elektrische Energie. Daher sind diese Module potentiell gut geeignete Kandidaten für die kostengünstige Erzeugung von erneuerbarer elektrischer Energie. Auch aus wissenschaftlicher Sicht stellen diese Konzentratormodule ein spannendes Betätigungsfeld dar. Insbesondere war vor Beginn der vorliegenden Arbeit nicht klar, wie und inwieweit die Leistung dieser Module im Betrieb unter Außenbedingungen durch unterschiedliche Einflussfaktoren wie Spektrum und Temperatur bestimmt wird. In weiterer Folge war unbekannt, wie der Energieertrag von Konzentratormodulen mit III-V Dreifachsolarzellen von diesen Einflussfaktoren bestimmt wird. Mit der vorliegenden Arbeit wurden wichtige Beiträge zum Verständnis dieser Module geleistet.Der Einfluss des solaren Spektrums auf Konzentratormodule mit III-V Dreifachsolarzellen wurde im Rahmen von Langzeituntersuchungen unter Außenbedingungen analysiert. Zu diesem Zweck wurde, ausgehend von der am Fraunhofer ISE entwickelten Spektralmetrikmethode [5, 94], eine neue Methode zur Quantifizierung spektraler Einflüsse entwickelt. Mit dieser Methode konnten funktionale Zusammenhänge zwischen dem spektralen Einfluss und elektrischen Parametern der untersuchten Module hergestellt werden. Auf Basis dieser Funktionen konnte der spektrale Einfluss in Modellen zur Beschreibung der Leistung und des Energieertrages implementiert werden.Im Rahmen dieser Arbeit wurde einer der weltweit ersten Sonnensimulatoren für Konzentratormodule aufgebaut. Dieser Sonnensimulator wurde sorgfältig evaluiert und speziell dazu eingesetzt, die Experimente unter realen Außenbedingungen zu ergänzen. So wurden experimentelle Methoden entwickelt, bei der Konzentratormodule am Sonnensimulator unter variabler Ausrichtung, Temperatur, Intensität und Winkeldivergenz kontrolliert untersucht werden können. Dies erlaubte in weiterer Folge eine Methode zu entwickeln, mit der erstmals die mittlere Temperatur der Solarzellen in einem Konzentratormodul unter realen Außenbedingungen bestimmt werden konnte.Bei der Analyse des Temperatureinflusses wurde bei keinem der untersuchten Konzentratormodule eine deutliche und stetige Abnahme des Wirkungsgrades mit steigender Zelltemperatur beobachtet. Dies stand im Widerspruch zu dem Verhalten, wie es aus der Literatur für die verwendeten Dreifachsolarzellen bekannt ist. Dieses ungewöhnliche Verhalten lässt sich durch eine Temperaturabhängigkeit der Fresnellinsen erklären, welche speziell in [107, 108] beschrieben wird. Zur Implementierung dieses Effektes in Leistungs- und Energieertragsmodelle wurde im Rahmen dieser Arbeit quadratische Funktion benutzt, um die Temperaturabhängigkeit des Kurzschlussstromes zu beschreiben. Außerdem wurde eine Funktion gefunden, mit der sich der Einfluss der direkten solaren Einstrahlung bzw. der Temperatur auf die offene Klemmenspannung von Konzentratormodulen gut beschreiben lässt.Auf dem Gebiet der experimentellen Untersuchung von Zirkumsolarstrahlung und deren Effekt auf Konzentratormodule wurde im Rahmen dieser Arbeit Pionierarbeit geleistet. Zum Einen wurde der Einfluss von Zirkumsolarstrahlung unter kontrollierten Bedingungen am oben erwähnten Sonnensimulator untersucht. Zum Anderen wurde eine Messmethode entwickelt, mit welcher der Effekt von Zirkumsolarstrahlung auf die untersuchten Konzentratormodule näherungsweise abgeschätzt werden konnte. Außerdem wurde erstmals der Einfluss von Zirruswolken, welche eine wesentliche Ursache für hohe Zirkumsolaranteile sind, auf Konzentratormodule untersucht. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Leistung der untersuchten Konzentratormodule in einer Bandbreite von etwa 5% durch Variationen in der Zirkumsolarstrahlung beeinflusst wird. Allerdings sind weitere Untersuchungen nötig, um den Effekt der Zirkumsolarstrahlung besser verstehen zu können und in weiterer Folge die Zirkumsolarstrahlung in Leistungs- und Energiertragsmodelle implementieren zu können.In dieser Arbeit wurden zwei Modelle vorgestellt, welche die Leistung von Konzentratormodulen in Abhängigkeit von Umgebungseinflüssen beschreiben. Bei beiden Modellen handelt es sich um Regressionsmodelle. Das bedeutet, dass die Modellparameter mittels Regression von Messdaten bestimmt werden. Ein Modell benutzt nur die Direktnormalstrahlung als direkte Einflussgröße. Das andere Modell benutzt die Direktnormalstrahlung, das Spektrum und die Umgebungstemperatur als Einflussgrößen, wobei der Kurzschlussstrom, dem Füllfaktor und die offene Klemmenspannung separat berechnet werden. Die Parameter des letzten Modells werden mittels multi-linearer Regression aus Messdaten bestimmt. Beide Modelle wurden anhand von Messungen in Sevilla (Spanien) evaluiert. Dabei zeigte sich, dass der mittlere Modellfehler etwa ±4% für das Direktnormalstrahlung basierte Regressionsmodell und ±3% für das multi-lineare Regressionsmodell beträgt. Die produzierte Energie wird mit beiden Modellen sehr gut beschrieben. Konkret wurde die Energie, die im Laufe eines Jahres in Sevilla produziert wurde, mit dem multi-linearen Regressionsmodell auf 0.3% genau bestimmt.Es wurde ein Modell zur Berechnung des Energieertrages von Konzentratormodulen vorgestellt, das auf den standortabhängigen Messwerten der Direktnormalstrahlung, der Umgebungstemperatur, und der atmosphärischen Zusammensetzung basiert. Für sieben ausgewählte Standorte wurden die Energieerträge der untersuchten Konzentratormodule und zwei kommerzielle (aktuelle) Flachmodule mit kristallinen Siliziumsolarzellen berechnet. Sowohl für die Konzentratormodule als auch die Flachmodule wurde eine 2-achsige Nachführung bei der Berechnung des Energieertrages zugrunde gelegt. Der höchste berechnete flächenbezogene Energieertrag betrug 651 kWh/m²/Jahr und wurde für das Konzentratormodul ISE T 049 am Standort Sede Boker (Israel) erzielt. Das ist etwa 52% mehr flächenbezogene Energie, als dort mit dem Flachmodul mit multikristallinen Silizumsolarzellen (SW 235 Poly) erzeugt wird, und etwa 13% mehr Energie, als dort für ein hocheffizientes Flachmodul der Firma Sun Power (SP E19 318) berechnet wird. Dagegen wurde der Energieertrag der Konzentratormodule für den Standort Ispra (Norditalien) als deutlich geringer (13-27%) errechnet als jener für das Modul SP E19 318. Es zeigte sich, dass spektrale Effekte den Energieertrag der untersuchten Konzentratormodule am Standort Ispra limitieren. Dabei wurde als vorrangige Ursache die vergleichsweise hohe geographische Breite identifiziert. Einen untergeordneten Einfluss auf den Energieertrag der Konzentratormodule hat die Zusammensetzung der Atmosphäre.Für Standorte, die auf Breitengraden <35°, variiert der Jahreswirkungsgrad der Konzentratormodule durch Temperatur- und Spektrumseinflüsse um nur etwa 2%relativ. So wird aus den erzielten Ergebnissen folgende Hypothese abgeleitet: Für Standorte auf Breitengraden <35° bestimmt sich der Jahreswirkungsgrad eines Konzentratormoduls mit Dreifachsolarzellen aus dem Wirkungsgrad bei Operationsbedingungen (Standardwirkungsgrad - siehe Kapitel 6.1.4) multipliziert mit 0.95 (±0.02). In weiterer Folge lässt sich der Jahresenergieertrag für diese Standorte abschätzen, indem der Jahreswirkungsgrad mit der eingestrahlten Direktstrahlungsenergie multipliziert wird.