Studien

Um schnell einen Überblick zu verschaffen, kurz eine Zusammenfassung:

In mehreren Studien von Prof. Dr. Dr. J. Hoffmann, Vorstand der thermovolt AG, von Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Quaschning, Fachbereichsleiter für Umwelttechnik und regenerative Energien an der HTW Berlin und von Prof. Dr. Häberlin und Ch. Renken der Berner Fachhochschule wurde festgestellt, dass z.T. erhebliche Leistungsverluste von bis zu 13,8% bei den überprüften PV-Anlagen vorlagen. Das Phänomen von Schmutzstreifen wurde auf den Solarzellen sogar bei Modulen mit einem Anstell-Winkel von 65° beobachtet.
Weitere Studien werden folgen, zumal die im Moment vorliegenden Arbeiten zu einem Zeitpunkt geschrieben wurden, bei der die Module noch teuer von Hand gereinigt werden mussten (lesen Sie dazu auch den Punkt Solarparks Kosten/Nutzen). Daher wird zum Teil in diesen Arbeiten fälschlicherweise immer noch davon ausgegangen, dass auf eine regelmäßige Reinigung trotz positiver Wirkung verzichtet wird, weil Aufwand und Kosten gescheut würden. Die wesentlich kostengünstigere und effizientere maschinelle Reinigungslösung von ProCleanSolar war zu diesem Zeitpunkt noch nicht bekannt und somit noch nicht in die Bewertung mit aufgenommen.

Schweizer Studie von Prof. Dr. Häberlin [993 KB]

Alterung von Photovoltaik- Modulen

Prof. Dr.sc.techn. Dr.-lng. Johannes Hoffmann thermovolt AG

1. Zum Alterungsvorgang
Beim Einsatz von Photovoltaik-Modulen beobachtet man im Laufe der Betriebszeit Alterungseffekte. Sie treten bei allen Zellenarten, sowohl bei mono- u. polykristallinen als auch bei amorphen Zellen auf.
Die Alterung bewirkt eine Reduzierung des Zellen- bzw. Modulwirkungsgrades, die mit fortschreitender Betriebsdauer zunimmt.
Für die Energieversorgungspraxis ist die durch Alterungseffekte bei gleichbleibender Solareinstrahlung hervorgerufene Verringerung der erzeugten elektrischen Nutzleistung relevant.
Handelt es sich um Batterieeinspeisungen bei Inselanlagen, zählt in diesem Zusammenhang die bei definierter Solareinstrahlung von den Solarzellen bzw. Solarmodulen erzeugte Gleichstrom-Leistung.
In der Mehrzahl der Fälle bestehen Wechsel- oder Drehstrom-Einspeisungen in das vorgeordnete Netz (Netzparallelbetrieb) durch Solarmodule u. netz- oder selbstgeführte Wechselrichter. Hier ist für die Wirtschaftlichkeit der Photovoltaikanlage die in das vorgeordnete Netz eingespeiste Wechsel- oder Drehstromleistung maßgebend. Sie wird bei gleichbleibender Solareinstrahlung reduziert durch Alterungseffekte sowohl in den Solarzellen als auch in den Wechselrichtern.

Ursächlich für diese Verschlechterung des Zellen- bzw. Modulwirkungsgrades sind im wesentlichen zwei Ursachen:

Zum einen bilden sich bei Freiluftbetrieb auf der Einstrahlungsseite der Module Ablagerungen u. Fremdschichten (z.B. Staub, Schmutzpartikel, Pollen, Verunreinigungen, teilweise auch Veralgung an den Rändern u.a.), welche die Solarstrahlung, die unmittelbar in den Zellen die Elektroenergieerzeugung bewirkt, dämpfen u. abschwächen.Diese Oberflächenfremdschichten werden auch durch den Selbstreinigungseffekt des Regens nicht vollständig beseitigt. Mit zunehmender Verweildauer der Module in Freiluft nimmt die Dicke der Fremdschichten u. damit die Dämpfung der Solar-Nutzeinstrahlung zu.Diesem Alterungseffekt kann durch regelmäßige Reinigung der Modul-Einstrahlungsflächen entgegengewirkt werden. Aus Aufwands- u. Kostengründen wird in der Photovoltaik- Anlagenpraxis jedoch fast immer auf derartige Reinigungsprozeduren verzichtet.
Eine zweite Ursache für die Wirkunsgrad -Reduzierung besteht in irreversiblen interkristallinen Rekombinationsvorgängen in den Zellen, die mit Erhöhungen der Zellentemperaturen ablaufen.
Beide Ursachen sind unter energiewirtschaftlichen Aspekten nicht behebbar, so daß die mit der Betriebsdauer einhergehende Reduzierung des Zellen- bzw. Modulwirkungsgrades bei Auslegung u. Wirtschaftlichkeitsbewertung von Photovoltaikanlagen berücksichtigt werden muß.
2. Verfahren zur Alterungsmessung
Die Messung der Alterung nimmt man unter ingenieurpraktischen Bedingungen zweckmäßig so vor, dass bei gegebener natürlicher Solareinstrahlung die Gleich- oder Wechselstromleistung des zu überprüfenden Moduls u. zeitgleich die eines neuen, noch ungebrauchten Vergleichs- Moduls vom gleichen Hersteller mit denselben Nenndaten gemessen wird. Dabei sollte der Vergleichsmodul ebenso wie der zu überprüfende Modul geometrisch ausgerichtet sein, damit die Einstrahlungsbedingungen für beide Module identisch sind.
Unter Berücksichtigung der vom zu überprüfenden Modul bereits absolvierten Betriebsdauer ist dann der Quotient q mit
P0 = elektr. Nutzleistung des zu überprüfenden Moduls
Pn = elektr. Nutzleistung des neuen Vergleichsmoduls
q = p0/pn
ein Maß für entstandene Alterung, hier als elektrische per-unit-Leistung definiert.
Die bei der Herstellung der Module unvermeidbaren Fertigungstoleranzen liegen etwa zwischen ± 3%.
Bei der Berechnung der zu erwartenden Elektroenergieerträge sollte daher eine Reduzierung mit dem Faktor 0,97 erfolgen.
Prof. Dr. Dr. J. Hoffmann thermovolt AG

Simulation der Abschattungsverluste bei solarelektrischen Systemen

von Prof.Dr-Ing.habil. Volker Quaschning

Beim Einfluß durch Verschmutzungen lassen sich wiederum verschiedene Arten unterscheiden.
Bei den Photovoltaikmodulen kommt es in der Regel zu einer Ablagerung von Schmutzpartikeln aus der Luft, die durch den Einfluß von Schnee oder Regen wieder abgewaschen werden. Ein gewisser Anteil von Schmutz bleibt jedoch haften, so daß der Ertrag schon nach einer kurzen Betriebszeit unter dem Anfangsertrag liegen wird. Bei älteren Modulen kommt es durch Umwelteinflüsse zu einer generellen Trübung, die nicht mehr abgewaschen werden kann.Bei Versuchen der Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien des Instituts für Elektrische Energietechnik (IET) der TU-Berlin konnte durch ein intensives Reinigen älterer Module der Ertrag um 10-15% gesteigert werden. Dieser Wert ist in etwa als Durchschnittswert für die Abschattungen durch Luftverschmutzungen zu erwarten. Diese Abschattungen ergeben sich bei den Modulen relativ gleichmäßig, lediglich bei einigen Modulen konnte eine Zunahme der Verschmutzung am unteren Modulrand beobachtet werden. Damit verringern diese Verschmutzungen den Transmissionsgrad der Modulfrontscheibe. Diese Verschmutzungen können durch eine etwa 10% niedriger angesetzte Sonnenstrahlung näherungsweise berücksichtigt werden. In Ländern mit wenig Niederschlägen sind größere Verluste durch Verschmutzungen zu erwarten. Hier ist es ratsam, die Module in gewissen Zeitabständen zu reinigen. Vor allem in extrem trockenen Gebieten mit starker Staubentwicklung und Sandablagerungen sollte öfter eine mechanische Reinigung der Moduloberfläche erfolgen.
Weitere Abschattungen gibt es durch ungleichmäßige Verschmutzungen, wie zum Beispiel durch Vogelexkremente. Hier kann es bei herkömmlichen Modulen zu großen Leistungseinbußen kommen. Je nach Niederschlagshäufigkeit können diese Abschattungen mehrere Tage oder gar Wochen dauern, bis sie schließlich durch Regen und Schnee wieder behoben werden. Eine Bestimmung dieser unvermeidbaren zufälligen Abschattungen ist praktisch unmöglich.

Quelle: Simulation der Abschattungsverluste bei solarelektrischen Systemen von Prof.Dr-Ing.habil. Volker Quaschning