SOLAR CLUB CERN

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VI/  Phovoltaikanlagen Newtech - drei Dünnschichtzellen-Technologien im Vergleich
Installation photovoltaïque Newtech – trois technologies à base de cellules à couche mince en comparaison
Zusammenfassung:

Heinrich Häiberlin und Christian Renken

Bild 1  Ansicht des Solargenerators mit den drei Teilanlagen Newtech 1 – 3

Kurze technische Beschreibung der Anlage
    Die Anlage «Newtech» besteht aus drei netzgekoppelten -1 kW_p- Photovoltaikanlagen mit drei verschiedenen neuartigen Dünnschichtzellen-Technologien. Die Gesamtleistung der PV-Anlage beträgt  2844  W_p. Die Modulneigungswinkel betragen beta = 30^o und die Ausrichtung gamma = 0^o (Süd). Die Anlage besteht aus drei Teilanlagen von je etwa 1 kW_p, die ihre Energie je über einen eigenen ASP Top Class Spark-Wechselrichter (mit Trafo) ins Netz einspeisen.

Anlage Newtech 1
Kupfer-Indium-Diselenid-ZelIen
(CuInSe2- oder CIS-Zellen):
24 gerahmte Module Siemens ST 40 (40 W_p), 3 Stränge zu 8 Modulen in Serie, STC-Nennleistung P_STC-Nenn = 960W_p, TK =-0,60%/K. Gemessen: P_STC = 1010W_p.

Anlage Newtech 2
Tandemzellen aus amorphem Si:
20 gerahmte Module Solarex MST 43-LV (43 W_p), 2 Stränge zu 10 Modulen in Serie, STC-Nennleistung P_STC-Nenn = 860W_p, TK = -0,22%/K. Gemessen: P_STC = 810W_p

Anlage Newtech 3
Tripeizellen aus amorphem Si:
16 gerahmte Module Uni-Solar US-64 (64 W_p), 2 Stränge zu 8 Modulen in Serie, STC-Nennleistung P_STC-Nenn = 1024W_p, TK = -0,21%/K. Gemessen: P_STC = 1000W_p

Im 2-Sekunden-Takt werden folgende Messgrössen erfasst:
• Sonneneinstrahlung in Modulebene mit einem Pyranometer CM11 (beheizt)
• Solarzellentemperatur der drei Solargeneratoren mit PT100-Anlegefühller
• Umgebungstemperatur mit PT 100
• Netzspannung am Einspeisepunkt einer Phase
Von allen drei Teilanlagen:
• Gleichstrom  und  Gleichspannung, daraus berechnet Gleichstromleistung
• ins Netz eingespeiste Wirkleistung

Aus diesen Messungen werden 5-Minuten-Mittelwerte gebildet und abgespeichert. Bei Störungen werden die 2-Sekunden-Messwerte in einem «Error-File» gespeichert. Die Daten werden täglich automatisch über Modemverbindung mit GSM übertragen, gespeichert und zur Auswertung autbereitet.

Bild 2 Blockschalbild der PV-Anlage Newtech mit Messeinrichtung

Ende März 2002 wurden mit dem Kennlinienmessgerät unseres Labors die I-U-Kennlinien der drei Anlagen gemessen und mit den erhältlichen Angaben über die Temperaturkoeffizienten der Module auf  STC umgerechnet. Bei der Anlage Newtech 1 mit CIS-Moduien ST40 von Siemens ergab sich dabei erstmals eine STC-Leistung, die deutlich über der Summe der Nennleistungen der Module liegt. Dies wurde in allen bisher durchgeführten Feldmessungen an Modulen noch nie beobachtet. Es ist erfreulich, dass zumindest ein Hersteller nun von der bisher in der PV-Branche verbreiteten Praxis abweicht, den Kunden Module zu liefern, deren Anfangsleistung nur knapp über dem garantierten Minimalwert, jedoch deutlich unter dem Nennwert liegt. Bei den amorphen Technologien wurden dagegen Leistungen gemessen, die wie üblich um einige Prozent unter der Summe der STC-Nennleistungen liegen.

Energieertrag der drei Dünnschichtzellen-Anlagen
    Bei allen drei Anlagen funktionierte bisher sowohl die Messtechnik als auch die Anlage störungsfrei. Da die Inbetriebnahme wegen baulicher Verzögerungen im Winter erfolgte, konnte trotz der Messung seit der Inbetriebnahme in einer ersten Auswertung in den ersten Monaten keine eindeutig feststellbare Initialdegradation registriert werden, da an einigen Tagen im Dezember, Januar und März noch Schneebedeckungen vorhanden waren.
    Für einen ersten Überblick über die Energieproduktion und allfällig aufgetretene betriebliche Probleme eignen sich normierte Jahresstatistiken sehr gut. Bei dieser Darstellung werden die normierten Grössen Y_r (Strahlungsertrag in Generatorebene in (kWh/m²/d)/(kW/m²)), Y_a (Generator-Ertrag auf der DC-Seite in kWh/kW_p/d) und Y_f (Endertrag auf der AC-Seite in kWh/kW/d) sowie die Performance Ratio PR =Y_f/Y_r als durchschnittliche Tageswerte für jeden Monat angegeben (Details siehe [1]).
    Die Bilder 3 bis 6 zeigen die normierten Jahresstatistiken der Anlagen Newtech 1, 2 und 3 und einer Anlage mit c-Si-Solarzellen im Jahre 2002 (alle Anlagen in Burgdorf):

    Der bisher gemessene spezifische Energieertrag der CIS-Anlage Newtech 1 liegt deutlich über dem Ertrag einer Anlage aus monokristallinen Zellen, was vor allem an der (gegenüber der auf dem Datenblatt angegebenen Nennleistung) deutlich höheren effektiven STC-Nenn-leistung der gelieferten Module liegt. Günstig ist aber auch die lange Zelienform und die Hochkant-Montage, bei der durch Schnee und Schmutz alle Zellen gleichmässig und nur geringfügig beeinträchtigt werden. Der spezifische JahresEnergieertrag 2002 betrug 1091 kWh/kW_p.
    Die Anlage Newtech 2 liegt ertragsmässig im Bereich guter Anlagen mit monokristallinen Zellen. In den Sommermonaten sind die temperaturbedingten Verluste geringer als bei Anlagen mit kristallinen Zellen. Bei schwacher Einstrahlung fällt aber die Ausgangsspannung der verwendeten Module stark ab, und der Wechselrichter arbeitet dann ausserhalb des MPP, was eher ungfüstig ist. Seit Sommer 2002 scheinen sich die Generatoreigenschaften trotz relativ sauberen Modulen deutlich zu verschlechtern, d.h. k_G und PR nehmen seither ab (siehe auch Bilder 7 und 8).

Bild 7 Monats-DC-Nutzungsgrad der drel Newtech-Anlagen im Vergleich zu zwei Anlagen mh mono<-Si (alpine Anlage mit fi  900 auf 2670 m).

Bild 8 Monats-Generator.Korrekturfaktor kG der drei Newtech-Anlagen im Vergleîch zu zwei Anlagen mit mono-c-Si (alpine Anlage mit fi  900 auf 2670 m).

    Die Anlage Newtech 3 mit den a-Si-Tripel-Zellen von Unisolar liegt im Bereich der besten monokristallinen Anlagen (neue Anlagen mit trafolosem Wechselrichter). Da jedoch der bei Newtech 3 verwendete Wechselrichter einen Trafo besitzt, hätte die Anlage mit einem trafolosen Wechselrichter noch einen um einige Prozente höheren Ertrag. Sie profitiert im Sommer ebenfalls vom viel niedrigeren Temperaturkoeffizienten. Beachtlich ist vor allem die gute Performance Ratio PR an Tagen mit geringer Einstrahlung, die höher ist als bei allen andern Anlagen. Würde der Hersteller eine Modulleistung liefern, die im stabilisierten Zustand der auf dem Modul angegebenen Nennleistung entspricht, läge diese Anlage möglichenveise sogar an der Spitze. Eher negativ wirkte sich an Tagen mit Schneebedeckung die leicht geriffelte Oberfläche der Module aus, die das Abgleiten von Schnee behindert sowie die Tatsache, dass bei Hochkantmontage die untersten Zellen durch Schnee vollständig bedeckt sein können. Auch bei dieser Anlage scheinen sich seit Sommer 2002 die Generatoreigenschaften trotz relativ sauberen Modulen etwas zu verschlechtem, d.h. k_G und PR nehmen seither ab (siehe auch Bild 7 und 8).
    Der Energieertrag aller Anlagen in Burgdorf wurde im November und besonders im Dezember 2002 durch die in diesem Jahr in diesen beiden Monaten aussergewöhnlich geringe Einstrahlung stark beeinträchtigt (sehr niedrige k_G-und PR-Werte).
    In Bild 7 werden die Monats-DC-Nutzungsgrade, in Bild 8 die GeneratorKorrekturfaktoren k_G = Y_a/Y_T(Y_T = temperaturkorrigierter Referenzertrag, Details siehe [1]) der drei Newtech-Anlagen und von zwei Anlagen mit kristallinen Siliziumzellen verguchen. In Bild 7 ist zu erkennen, dass die amorphen Technologien einen geringeren Abfall des Wirkungsgrades bei höheren Temperaturen im Sommer aufweisen und dass der Nutzungsgrad der CIS-Anlage relativ nahe an den Wert kristalliner Anlagen kommt. Bild 8 zeigt, dass die CIS -Module bezfiglich k_G eindeutig an der Spitze stehen, was vor allem auf die Tatsache zurtickzuführen ist, dass die effektive STC-Leistung über dem Nennwert liegt. Das k_G wies im Sommer bei der CIS-Anlage sogar eher steigende Tendenz auf.
    Hohe spezifische Erträge Von CIS-und a-Si-Triple-Anlagen werden auch von anderen Autoren berichtet [2], [3].
Wegen der geringen Temperaturabhängigkeit des Energieertrags dürften amorphe Module vor allem für nicht oder schlecht hinterlüftete Anlagen von Interesse sein.

Verdankungen
     Die Erstellung der Anlage wurde vom WEA des Kantons Bern und vom BFE in Bern unterstützt. Die hier beschriebenen Messungen wurden vom BFE, der Localnet AG Burgdorf, der Gesellschaft Mont Soleil und der Elektra Baselland finanziert.

Literatur
[1]  H. Hiberlin und Ch. Beutler: Analyse des Betriebsverhaltens Von Photovoltaikanlagen durch normierte Darstellung von Energieertrag und Leis-tung. Bulletin SEVNSE 4/1995.
[2]  F. H. Karg et al: Performance of Grid Coupled PV Arrays based on SIS Solar Modules. 17. EU PV Solar Energy Conference, Munich, 2001.
[3]  M. van Cleef et al: Superior Energy Yields of UNISOLAR Triple Junction Thin Film Silicon Solar Cells.... 17. EU PV Solar Energy Conference., Munich, 2001.

Informationen über weitere Aktivitäten des Photovoltaik-Labors der HTA Burgdorf und weitere Publikationen (teilweise online) sind unter http://www.pvtest.ch zu finden.

Adressen der Autoren
Dr. Heinrich Häberlin, dipl. El. Ing. ETH,
Professor
Christian Renken, dipl. El. Ing. FH,
Assistent
Berner Fachhoscschule, Hochschule für
Tecknik und Architektur (HTA) Burdorf,
Labor für Photovoltaik
Jlcoweg 1
CH-3400 Burdorf
heinrich.haeberlin@hta-bu.bfh.ch

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