Auszug Diplomarbeit MULTISOL

Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Aufgabenstellung
3. Begriffserklärung
3.1 Zum Begriff des Temperaturkoeffizienten von Solarzellen
3.2 Zum Begriff des Wirkungsgrades von Solarzellen
4. Die Photovoltaikanlagen der Fachhochschule Frankfurt am Main
4.1 Generatoren
4.1.1 Die Photovoltaikanlage mit Modulen aus polykristallinem Silizium
(pSi-Generator)
4.1.2 Die Photovoltaikanlage mit Modulen aus Kupfer Indium Diselenid
(CIS-Generator)
4.1.3 Die Photovoltaikanlage mit Modulen aus Cadmium Tellurid (CdTeGenerator)
4.1.4 Die Photovoltaikanlage mit Modulen aus amorphen Silizium (aSiGenerator)
4.2 Parameter der Module und Generatoren
5
Beschreibung der Bewertungs- und Visualisierungssoftware Multisol
6
Vorteile bei der Bestimmung der Temperaturkoeffizienten und des Wirkungsgrades mit
Multisol
7
Vorgehensweise bei der Bestimmung der Temperaturkoeffizienten
7.1 Festlegung der Toleranz bei der Einbeziehung von Messwerten
7.2 Festlegung eines sinnvollen Vertrauensbereiches zur Berechnung des
Temperaturkoeffizienten
8
Langzeitverhalten der Temperaturkoeffizienten von MPP- Spannung, MPP-Stromes und
MPP–Leistung
8.1 Bestimmung des Temperaturkoeffizienten der MPP-Spannung
8.1.1 Bestimmung des Temperaturkoeffizienten der MPP-Spannung für den
pSi-Generator
8.1.2 Bestimmung des Temperaturkoeffizienten der MPP-Spannung für den
CIS-Generator
8.1.3 Bestimmung des Temperaturkoeffizienten der MPP-Spannung für den
CdTe-Generator
8.1.4 Bestimmung des Temperaturkoeffizienten der MPP-Spannung für den
aSi-Generator
8.1.5 Vergleich der Temperaturkoeffizienten der MPP-Spannung der
verschiedenen Generatorentypen
8.2 Bestimmung des Temperaturkoeffizienten des MPP-Stromes
8.2.1 Bestimmung des Temperaturkoeffizienten des MPP-Stromes für
den pSi-Generator
8.2.2 Bestimmung des Temperaturkoeffizienten des MPP-Stromes für
den CIS-Generator
8.2.3 Bestimmung des Temperaturkoeffizienten des MPP-Stromes für
den CdTe-Generator
8.2.4 Bestimmung des Temperaturkoeffizienten des MPP-Stromes für
den aSi-Generator
8.2.5 Vergleich der Temperaturkoeffizienten des MPP-Stromes der
verschiedenen Generatorentypen
8.3 Bestimmung des Temperaturkoeffizient der MPP-Leistung
8.3.1 Bestimmung des Temperaturkoeffizienten der MPP-Leistung
für den pSi-Generator
8.3.2 Bestimmung des Temperaturkoeffizienten der MPP-Leistung
für den CIS-Generator
8.3.3 Bestimmung des Temperaturkoeffizienten der MPP-Leistung
für den CdTe-Generator
8.3.4 Bestimmung des Temperaturkoeffizienten der MPP-Leistung
für den aSi-Generator
8.3.5 Vergleich der Temperaturkoeffizienten der MPP-Leistung der
verschiedenen Generatorentypen
9
Langzeitverhalten des Temperaturkoeffizienten und des Wirkungsgrades
9.1 Bestimmung des Temperaturkoeffizienten des Wirkungsgrades
9.1.1 Bestimmung des Temperaturkoeffizienten des Wirkungsgrades
für den pSi-Generator
9.1.2 Bestimmung des Temperaturkoeffizienten des Wirkungsgrades
für den CIS-Generator
9.1.3 Bestimmung des Temperaturkoeffizienten des Wirkungsgrades
für den CdTe-Generator
9.1.4 Bestimmung des Temperaturkoeffizienten des Wirkungsgrades
für den aSi-Generator
9.1.5 Vergleich der Temperaturkoeffizienten des Wirkungsgrades der
verschiedenen Generatorentypen
9.2 Betrachtung des Wirkungsrades
9.2.1 Betrachtung des Wirkungsgrades für den pSi-Generator
9.2.2 Betrachtung des Wirkungsgrades für den CIS-Generator
9.2.3 Betrachtung des Wirkungsgrades für den CdTe-Generator
9.2.4 Betrachtung des Wirkungsgrades für den aSi-Generator
9.2.5 Vergleich der Wirkungsgrade der verschiedenen
Generatorentypen
9.3 Optimierung des Wirkungsgrades
9.3.1 Optimierung des Wirkungsgrades für den pSi-Generator
9.3.2 Optimierung des Wirkungsgrades für den CIS-Generator
9.3.3 Optimierung des Wirkungsgrades für den CdTe-Generator
9.3.4 Optimierung des Wirkungsgrades für den aSi-Generator
10 Ausblick/Resumee
11 .Zusammenfassung
12 .Verzeichnisse
12.1Abbildungsverzeichnis
12.2Tabellenverzeichnis
12.3Quellenverzeichnis
4 Die Photovoltaikanlagen der Fachhochschule Frankfurt am Main
4.1 Generatoren
Um die Schaltung der Photovoltaikanlagen besser beschreiben zu können, wurde jedem
Solarmodul eine Nummer zugewiesen und jedem PV-Generatoren eine Farbe (Tabelle 4.1)
/2/.
Anlage
Anlagen Nr.
Abkürzung
und Farbe
Modul Nr.
polykristallines
Silizium
KupferIndiumDiselenid
Cadmium-
amorphes
Tellurid
Silizium
1
2
3
4
pSi
CIS
CdTe
aSi
1-9
1-9
A, B, 1-10
1-10
Tabelle 4.1: Abkürzung, Farben und Modulnummern der Generatoren
4.1.1 Anlage 1 – polykristallines Silizium (pSi)
Der mit polykristallinen Silizium-Modulen aufgebaute Photovoltaikgenerator enthält
insgesamt 9 Module der Japanischen Firma Kyocera und ist seit 1997 in Betrieb. Typisch für
das Aussehen der Module ist die blaue, kristalline Oberfläche, weshalb dieser Anlage die
Farbe Blau zugewiesen wurde. Aufgrund der niedrigen Modulspannung sind alle neun
Module zu einem String in Reihe geschaltet (Bild 4.1). Jedes Modul besteht aus 36 Zellen, die
wiederum in Reihe geschaltet sind /2/, /5/.
Modulkennzeichnung
Abbildung 4.1: pSi-Generator- Verschaltung: 9 Module in Reihe → 1 String
1
2
3
4
5
6
7
8
9
4.1.2 Anlage 2 – Kupfer-Indium-Diselenid (CIS)
Der aus neun Kupfer-Indium-Diselenid-Modulen der deutschen Firma Würth Solar
aufgebaute Photovoltaikgenerator ist seit dem Jahr 2002 in Betrieb. Charakteristisch für das
Aussehen der Dünnschicht-Module ist die schwarze Oberfläche (zugewiesene Farbe: Grau).
Pro String sind je drei Module in Reihe geschaltet, so dass sich insgesamt drei Strings
ergeben, die mit unterschiedlichen Farben hervorgehoben sind. (Bild 4.2). Jedes Modul
besteht aus 80 senkrecht angeordneten Streifendioden in Dünnschichttechnik /2/, /5/.
Modulkennzeichnung
6
7
8
9
5
4
3
2
1
Abbildung 4.2: CIS-Generator- Verschaltung: 3 Module in Reihe→ 1 String; 3 Strings parallel
4.1.3 Anlage 3 – Cadmium-Tellurid (CdTe)
Der Photovoltaikgenerator besteht aus insgesamt 12 Modulen der deutschen Firma Antec
Solar und wurde im Jahr 2002 in Betrieb genommen. Aufgrund der grünlichen Farbe der
Dünnschicht-Module wurde dieser Anlage die Farbe Grün zugewiesen. Jeder der insgesamt 6
Strings (Farblich gekennzeichnet) besteht aus 2 in Reihe geschalteten Modulen (Bild 4.3).
Jedes Modul besteht aus 129 waagerecht angeordneten Streifendioden /2/, /5/.
Modulkennzeichnung
10
9
8
7
6
A
10
9
8
7
6
A
Abbildung 4.3: CdTe- Generator- Verschaltung: 2 Module in Reihe → 1 String; 6 Strings parallel
4.1.4 Anlage 4 – amorphes Silizium (aSi)
Die aus amorphen Silizium-Modulen aufgebaute Photovoltaikanlage ist seit dem Jahr 2002 in
Betrieb und besteht aus insgesamt 10 Modulen der japanischen Firma Kaneka. Wegen der
rötlichen Farbgebung der Dünnschicht-Module wurde dieser Anlage die Farbe Orange
zugewiesen. Jeweils zwei Module sind zu den insgesamt fünf farblich hervorgehobenen
Strings in Reihe geschaltet (Bild 4.4). Jedes Modul besteht aus 100 Streifendioden /2/, /5/.
Modulkennzeichnung
9
10
7
6
3
2
8
5
4
1
Abbildung 4.4: aSi- Generator- Verschaltung: 2 Module in Reihe→ 1 String; 5 Strings parallel
4.2 Parameter der Module und Generatoren
Ein Vergleich der Herstellerangaben zeigt, dass von den vier untersuchten Zelltypen die pSiModule mit 60 Wp die höchste Leistung erzeugen, was gegenüber der niedrigsten Leistung
von 40,7 Wp bei den CdTe-Modulen einen Unterschied von 19,3 Wp zwischen den einzelnen
Zelltypen ergibt.
Bei den Generatoren kann mit 580 Wp dem aSi-Generator die größte Leistung entnommen
werden, was gegenüber der niedrigsten Leistung von 490 Wp beim CdTe-Generator einen
Unterschied von 90 Wp ausmacht.
Bezieht man die von den Modulen eingenommene Fläche mit ein, erzielt der pSi-Generator
mit 13,6% den höchsten Wirkungsgrad. Diese Zahlen machen deutlich, dass es zwischen den
einzelnen Modultypen deutliche Unterschiede gibt. Allerdings war bei Inbetriebnahme 2002
das Entwicklungspotential insbesondere der Dünnschicht-Module, die bei CdTe und CIS aus
Pilotproduktionen stammen, noch längst nicht ausgeschöpft.
Die
Datenblattangaben
der
vier
Modul-
und
Generatortypen,
die
unter
Standardtestbedingungen (Bestrahlungsstärke E=1000W/m²; Modultemperatur T=25°C;
Einstrahlwinkel der Sonne (Air-Mass-Index) AM=1,5) ermittelt wurden, entsprechend somit
schon nicht mehr dem aktuellen Entwicklungsstand (Tabellen 4.2 und 4.3) /2/.
pSi
CIS
CdTe
aSi
Typenbezeichnung
KC 60
WS11007
ATF
K58
Nennleistung
60 Wp
57 Wp
40,7 Wp
58 Wp
UMPP
16,9 V
33 V
48,6 V
63 V
IMPP
3,55 A
1,73 A
0,83 A
0,92 A
Leerlaufspannung
21,5 V
44 V
79,85 V
85 V
Kurzschlussstrom
3,73 A
2,03 A
1,06 A
1,12 A
Nettomodulfläche
0,439 m²
0,65 m²
0,67 m²
0,806 m²
Bruttomodulfläche
0,489 m²
0,72 m²
0,72 m²
0,846 m²
13,6 %
8,8 %
6%
7,2 %
Wirkungsgrad
Tabelle 4.2: Herstellerangaben aller Modultypen ( bei STC-Bedingungen)
pSi
CIS
CdTe
aSi
KC60
WS11007
ATF
K58
Nennleistung
540 Wp
513 Wp
490 Wp
580 Wp
UMPP
152,1 V
99 V
97,3 V
126 V
IMPP
3,55 A
5,19 A
4,98 A
4,6 A
Leerlaufspannung
193,5 V
132 V
159,7 V
190 V
Kurzschlussstrom
3,73 A
6,09 A
6,36 A
5,6 A
Nettomodulfläche
3,951 m²
5,85 m²
8,04 m²
8,06 m²
Bruttomodulfläche
4,401 m²
6,48 m²
8,64 m²
8,46 m²
13,6 %
8,8 %
6%
7,2 %
Typenbezeichnung
Wirkungsgrad
Tabelle 4.3: Herstellerangaben aller Generatortypen ( bei STC-Bedingungen)
Multisolbeschreibung
Multisol ist eine Auswertungssoftware, die von Professor Dr. Lämmel und Dipl. Ing. (FH)
Rensberg zur Datenerfassung und Auswertung von Photovoltaikgeneratoren entwickelt
worden ist.
Multisol erhält die Daten der vier Generatoren aus dem DAGKOM (für pSi-Generator) und
den WEB-logs (CIS-, CdTe- und aSi-Generator).
Abbildung 1
Mit Hilfe von Multisol ist es möglich, Messwerte und Rechengrößen in Zeitreihen für Tag,
Monat und Jahr darzustellen. Weiterhin ist es möglich, Messgrößen zu kombinieren und
Temperaturkoeffizienten berechnen zu lassen (Abbildung 1).
Importieren von Datensätzen
Damit die Datenbank immer auf dem neusten Stand
ist, müssen die neuesten Datensätze immer von
Dagkom und den Weblogs importiert werden.
Das Importieren erfolgt über den Button „Datei“ in
der Menuleiste. Über ihn gelangt man in das
Importfenster, in den man entweder einzelne Dateien
oder
ganze
Verzeichnisse
importieren
kann
(Abbildung 2).
Abbildung 2
Einstellungen vornehmen
Mit Multisol können spezifische Messwerte dargestellt
oder Messgrößen berechnet werden. Deswegen ist es
erforderlich, Multisol genau auf die gewünschte
Darstellung, beziehungsweise auf die gewünschte
Berechnung
einzustellen.
Über
den
Button
„Bearbeiten“ in der Windowsmenuleiste gelangt man
zum Bereich „Einstellungen“ (Abbildung 3).
Abbildung 3
Im Menu „Einstellungen“ können nun für verschiedene Bereiche Einstellungen vorgenommen
werden. Wichtig für diese Diplomarbeit war im Unterpunkt „Auswertungsdiagramme“ die
Einstellungen für Diagramme, die die globale Einstrahlung als Parameter haben. Hier können
für die Auswertung der Spannung, des Stromes, der Leistung und seit Anfang Juli auch für
Abbildung 4
den
Wirkungsgrad
verschiedene
Parameter,
Vertrauensbereich eingestellt werden (Abbildung 4).
wie
Einstrahlung,
Toleranz
und
Formeln
Weiterhin ist es möglich, eigene Formeln zu
erstellen und gezielt einzusetzen. Zu dem
Menupunkt „Formel“ gelangt man wie zu
den
„Einstellungen“,
über
den
Button
„Bearbeiten“ (Abbildung 5).
Abbildung 5
Abbildung 6
Im Menu „Formeldefinitionen“ können nun schon existierende Formeln und Qualitätskriterien
verändert, angepasst oder deaktiviert werden (Abbildung 6). Im oberen Menufenster können
der Formelname oder das Kriterium ausgewählt werden, wodurch die Formel, die
Bedingungen, die Gültigkeit und vieles mehr angezeigt werden. Wenn eine Formel oder ein
Kriterium neu hinzugefügt oder verändert wurde, muss dies unten rechts gespeichert und dann
für den unten links einzustellenden Zeitbereich neu berechnet werden. Dies ist unbedingt
erforderlich, da sonst die Neuerungen nicht übernommen werden.
Zwischen den Anlagen umschalten
Auf
der
Multisol-Benutzeroberfläche
wird immer nur eine Anlage dargestellt
(außer
in
der
Menuoberfläche
„Anlagenvergleich“, auf die hier aber
nicht näher eingegangen wird). Deshalb
muss man zwischen den Anlagen hin und
her schalten. Das Umschalten erfolgt mit
dem
Button
„Anlagen“
in
der
Windowsmenuleiste (Abbildung 7). Am Abbildung 7
oberen linken Rand wird angezeigt, welche Anlage gerade dargestellt wird. Weiterhin wird
nach dem Umschalten im Hauptanzeigefenster die Anlagefarbe angezeigt.
Grafik
Die dargestellten Grafiken und Diagramme
können mit Multisol auch ausgedruckt oder
gespeichert
werden.
Diese
Option
ist
ebenfalls in der Windowsmenuleiste zu
finden. Es ist zu beachten, dass nur die
Grafik gespeichert wird und nicht die
darüber
liegenden
(Abbildung 8).
Einstellungsmenus
Abbildung 8
Kriterien
Unter dem Button „Kriterien“ in der
Menuleiste
befindet
sich
die
Möglichkeit, die Kriterien mit in die
Berechnung und somit auch für die
Darstellung
der
Grafik
mit
einfließen zu lassen. Dies gilt
allerdings
Abbildung 9
nur
für
die
Menus
„Sonstiges“ und „Temperaturkoeffizient“. Alle anderen Menus sind von diesen Einstellungen
nicht betroffen (Abbildung 9).
Windowsmenubutton „?“
In der Windowsmenuleiste befindet sich
auch ein Fragezeichen. Hier findet man
Hilfe
zum
Hersteller
Programm,
und
Info’s
eine Auflistung
zum
der
verwendeten Formeln. Dieser Button
dient ausschließlich der Information und
enthält
keinerlei
weiterführende
Elemente (Abbildung 10).
Abbildung 10
Unterhalb der Windowsmenuleiste befindet sich die Multisolmenuleiste. Sie ist untergliedert
in
die
Button
„Tag“,
„Monat“,
„Jahr“,
„Sonstiges“,
„Anlagenvergleich“
und
„Temperaturkoeffizient“.
Tag
Im Menu „Tag“ kann man sich jeden Tag, der sich in der Datenbank befindet, anzeigen
lassen. Hier ist es möglich, alle aufgenommenen Messwerte in Diagrammen anzuzeigen.
Abbildung 11
Weiterhin ist es möglich, sich verschiedene Messwerte zum Vergleich oder zum besseren
Verständnis zusammen mit anderen Messwerten im selben Diagramm und auf derselben
Zeitachse anzeigen zu lassen (Abbildung 11).
Monat
Im Menu „Monat“ können der Wirkungsgrad der Module oder der Anlage, die eingestrahlte
oder erzeugte Energie bzw. weitere durch Formeln selbst festgelegte Werte tagesbezogen für
ausgewählte Monate angezeigt werden.
Es ist weiterhin möglich, sich diese Messwerte auch im Vergleich verschiedener Monate
unterschiedlicher Jahre anzeigen zu lassen. D.h., man kann sich den Wirkungsgrad der
Module vom Juli 2006 mit dem Wirkungsgrad der Module vom Januar 2003 anzeigen lassen,
oder alle Monate eines Jahres.
Abbildung 12
Um dies zu erreichen, stellt man das Jahr, den Monat und die zu untersuchende Messgröße ein
und drückt dann den “+“-Button. Nun ist es möglich, einen anderen Monat eines Jahres
einzustellen und ihn mittels des „+“-Buttons hinzuzufügen. Um einen Monat wieder zu
entfernen, muss der jeweilige Monat in der Anzeige angeklickt werden und kann dann mit
Hilfe des „-„-Buttons wieder entfernt werden. Nach jeder Änderung im „Formel“-Menu
können die bereits angezeigten Messwerte mit dem „Aktualisieren“-Button aktualisiert
werden. Mit Hilfe des Buttons „Wertetabelle“ können die erzeugte Energie, die eingestrahlte
Energie, die Wirkungsgrade der Module und der Anlage sowie das Performance Ratio der
einzelnen Tage angezeigt werden (Abbildung 12).
Jahr
Im Menu „Jahr“ kann man sich die Jahre, d.h., die Monatsmittelwerte der auch beim Menu
„Monat“ möglichen Messgrößen eines Jahres anzeigen lassen. In dieser Menuoberfläche ist es
möglich, sich die Jahre, in der die Anlage in Betrieb ist, im Vergleich anzeigen zu lassen.
Abbildung 13
Sonstige
Im Menu „Sonstige“ ist die Berechnung und Darstellung verschiedener Messgrößen möglich
(Abbildung 14).
Alle Einstellungen für diese Berechnung und Darstellung sind im Menu „Einstellung“, das
schon weiter oben beschrieben worden ist, vorzunehmen. In dieser Diplomarbeit wurde die
Funktion vor allem zur Berechnung des Temperaturkoeffizienten der Spannung, des Stromes,
der Leistung und des Wirkungsgrades genutzt. Sind die Einstellungen für die gewünschte
Messgröße vorgenommen, muss nur noch die Messgröße angeklickt werden. Gestartet wird
die Berechnung über den Button „Anzeigen“. Ist die Berechnung abgeschlossen, werden die
einzelnen Messpunkte mit der daraus errechneten Regressionsgeraden in einem Diagramm
dargestellt.
Abbildung 14
Alle schwarzen Punkte im Diagramm stellen Messwerte dar, die in die Berechnung der
Regressionsgeraden mit eingeflossen sind. Alle roten Punkte sind Messwerte, die zwar in die
Berechnung der ersten Regressionsgeraden mit berücksichtigt wurden, aber dann aufgrund
des Vertrauensbereiches von der Berechnung der zweiten Regressionsgeraden ausgeschlossen
wurden. Alle grauen Punkte sind Messwerte, die aufgrund von Kriterien von vornherein von
allen Berechnungen ausgeschlossen wurden. Diese Berechnung und Darstellungsmöglichkeit
lässt sich für einen beliebigen Zeitraum wählen. Dieser kann einen Tag oder die gesamte
Betriebslaufzeit sein.
Im oberen rechten Eck gibt es eine weitere Möglichkeit, verschiedene Parameter in
Abhängigkeit voneinander darstellen zu lassen. Wobei Abszissen- bzw. Ordinatengröße in der
Reihenfolge des Anklickens der Messgrößen zugewiesen werden.
Anlagenvergleich
Multisol bietet auch die Möglichkeit, Messungen der Generatoren miteinander zu vergleichen.
Diese Möglichkeit findet man im Menu „Anlagenvergleich“. Es können die Messwerte, die an
einem Tag aufgenommen worden sind, miteinander verglichen werden. Dafür wählt man im
Kalender, der sich oben links befindet, einen Tag aus und wählt dann oben rechts den
Generator und die Messgröße aus (Abbildung 15).
Abbildung 15
Temperaturkoeffizient
Im Menu „Temperaturkoeffizient“ kann man die Temperaturkoeffizienten von zwei
Zeitbereichen in Abhängigkeit von der Bestrahlungsstärke anzeigen lassen. Die Auswahl,
welcher Temperaturkoeffizient ermittelt wird, d.h. der Spannung, des Stromes, der Leistung
oder des Wirkungsgrades sowie die dazugehörigen Parameter, kann wieder im Menu
„Einstellungen“ gewählt werden. Im Menu
„Temperaturkoeffizient“ können zwei
Zeitbereiche eingestellt werden, die dann beide in einem Diagramm gezeigt werden.
Weiterhin können die Bestrahlungsstärken eingestellt werden, die angezeigt werden sollen.
Dies ist vorteilhaft, wenn man zwei Zeitbereiche direkt vergleichen möchte. Dafür stellt man
den Startwert, also die kleinste Bestrahlungsstärke, und den Endwert, also die größte
Bestrahlungsstärke, ein. Es kann weiterhin die Schrittweite, d.h., die Zwischenwerte zwischen
Start und Endwert, die angezeigt werden sollen, eingestellt werden. Nach Beendigung der
Einstellungen wird nach Drücken des „Anzeigen“-Buttons die Berechnung gestartet. Nach
einem kurzen Augenblick wird das Diagramm mit allen wichtigen Daten dargestellt. Zum
besseren Vergleich der errechneten Temperaturkoeffizienten werden sie noch einmal in einem
Fenster mit den entsprechenden Werten der Bestrahlungsstärke dargestellt (Abbildung 16).
Abbildung 16