Schlussbericht
(Deutsch)
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Der Wirkungsgrad von Photovoltaikmodulen unter realen Betriebsbedingungen ist von entscheidender Bedeutung für die zuverlässige Prognose ihrer jährlichen Stromproduktion. Zur Messung des Wirkungsgrades wurde am PSI eine Freilandtestanlage errichtet. Sie besteht aus einer Sonnennachführvorrichtung und einem PC-basierten Messsystem. Die Nachführvorrichtung wird benutzt, um die Testmodule kontinuierlich zur Sonne auszurichten. Das Messsystem erlaubt die automatische Erfassung von Strom/Spannungs-Kennlinien. Die Kennlinien sind erforderlich zur Bestimmung des Wirkungsgrades. Messungen bei konstanter Einstrahlung und variabler Modultemperatur führen zum Temperaturkoeffizient des Wirkungsgrades. Messungen bei variabler Einstrahlung und variabler Luftmasse erlauben deren Einfluss auf den Wirkungsgrad zu erfassen. Zur Entwicklung semi-empirischer Wirkungsgradmodelle sind mindestens einige hundert Kennlinienmessungen pro Modul erforderlich. Die Modelle erlauben die genaue Berechnung des Wirkungsgrades unter allen relevanten Betriebsbedingungen. Zusammen mit meteorologischen Daten kann man mit Hilfe der Modelle die jährliche Stromproduktion der Module an einem ausgewählten Standort berechnen. Daraus können die Stromgestehungskosten für verschiedene Module am selben Standort berechnet werden. Dies ist unerlässlich zur Wahl des Moduls mit dem besten Kosten-Nutzen-Verhältnis bei der Planung einer Photovoltaik-Anlage an einen bestimmten Standort.
Im vorliegenden Projekt wurden drei handelsübliche Module untersucht, nämlich das monokristalline SPR-90-Modul von SunnPower, USA, das polykristalline Modul LA361K51S von Kyocera, Japan sowie das monokristalline Modul JM-050W-S4-G der Firma Jumao Photonics, Xiamen, Fujian, China. Ihre Standardwirkungsgrade ergaben sich zu 19.5 %, 12.7 % und 12.6 %. Maximale Wirkungsgrade von 19.7 %, 13.3 % bzw. 12.7 % wurden gefunden bei Einstrahlungswerten von 519 W/m2, 419 W/m2 bzw. 832 W/m2. Die Wirkungsgrade der getesteten Module nehmen mit der Zellentemperatur linear ab. Aus der Auswertung der entsprechenden Messreihen ergaben sich Temperaturkoeffizienten des Wirkungsgrades von -0.0637, -0.0493 bzw. -0.0507 Prozentpunkte/°C. Der Wirkungsgrad des SPR-90-Moduls von SunPower ändert sich nur wenig bei variierender Einstrahlungsintensität und Luftmasse. Für eine hohe Jahresproduktion ist dies von entscheidender Bedeutung. Das Kyocera-Modul schneidet bei variabler Einstrahlung ebenfalls gut ab. Bei hohen Luftmassen weist es jedoch eine etwas geringere Rotempfindlichkeit auf als das SunPower-Modul. Hier ist allerdings zu bemerken, dass es sich beim Kyocera-Modul um ein recht altes Modul aus dem Jahr 1993 handelt. Jüngste Messungen an neuesten Modulen von Kyocera ergaben eine weit bessere Rotempfindlichkeit und generell signifikant höhere Wirkungsgrade. Das Jumao-Modul weist ebenfalls ein recht gutes Verhalten bei zunehmender Luftmasse auf. Bei abnehmender Einstrahlungsintensität nimmt der Wirkungsgrad jedoch merklich ab.
Es gelang, ein recht universelles semi-empirisches Wirkungsgradmodell zu entwickeln, welches auf alle bisher getesteten Module erfolgreich angewendet werden konnte. Damit und mit seinerzeit vom PSI in Jordanien gemessenen meteorologischen Daten kann nun die jährliche Stromproduktion für die fraglichen drei Module für den Standort Al Quawairah im Süden Jordaniens bestimmt werden. Sie beträgt für das SunPower-, Kyocera- bzw. Jumao-Modul 459, 299 bzw. 283 kWh/(m2 Zellenfläche). Dies bei Südausrichtung der Module mit einem Anstellwinkel von 30°. Für sonnennachgeführte Module ergaben sich 636, 405 bzw. 398 kWh/(m2 Zellenfläche). Dank des hohen Wirkungsgrades des Sun-Power-Moduls werden für ein kW Ausgangsleistung (bei Standardbedingungen) lediglich 5.9 m2 Modulfläche benötigt, wogegen es beim Kyocera-Modul 9.7 m2 sind.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Paul Scherrer Institut
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Durisch,Wilhelm
Mayor,Jean-Claude
Lam,King Hang
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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Efficiency data of PV-modules under actual operating conditions are of vital importance for reliable prediction of their annual electricity production. For measuring these data, an outdoor test facility was erected at PSI. It consists of a sun-tracker and a PC-based measurement system. The sun-tracker is used to orient test modules continuously towards the sun. The measurement system is designed for automated acquisition of current/voltage (I/V) characteristics, from which the efficiency is determined. I/V tests performed under constant irradiation, but different module temperatures, allow the temperature coefficient of the efficiency to be determined. Measurements under varying irradiation and varying air mass allow the efficiency in these conditions to be determined. At least some hundreds I/V characteristics per module are required to develop semi-empirical efficiency models, which allow an accurate calculation of the efficiency under all relevant operating conditions. From the efficiency models and local meteorological data, the annual electricity production of the modules at the site selected for the PV plant can be calculated. These data allow the expected cost of electricity generation for different modules to be calculated, and thus the type of modules with the highest yield-to-cost ratio for a specific installation site can be identified.
Testing and development of efficiency models were carried out for three commercial modules (Sun-Power SPR-90 with mono-crystalline cells, Kyocera LA361K51S with poly-crystalline cells and Jumao Photonics JM-050W-S4-G, with mono-crystalline cells).
Cell efficiencies under Standard Test Conditions, STC of 19.5%, 12.7% and 12.6% were found for the SunPower, Kyocera and Jumao modules, respectively. Efficiency maxima of 19.7%, 13.3% and 12.7% were observed at 519 W/m2, 419 W/m2 and 832 W/m2, respectively. The efficiency of all modules line-arly decreases with temperature. The temperature coefficients were found to be -0.0637, -0.0493 and -0.0507 percentage points/°C, respectively. The SunPower module has efficiencies practically independent over the whole irradiance and air mass range. The Kyocera module also performs very well under varying irradiation, but its red light sensitivity in the late afternoon decreases slightly more than that of the SunPower module. However, the Kyocera module tested is fairly old (acquired in 1994). Recent measurements on Kyocera’s latest modules show a much better red sensitivity and a remarkably higher efficiency. The Jumao module also behaves fairly well under increasing air mass. However with decreasing solar irradiance, the efficiency decreases remarkably.
Using measured meteorological data from a sunny site in Jordan, the electricity production for the SunPower, Kyocera and Jumao modules were calculated. The yearly output of South-oriented, 30°-inclined modules was found to be 459, 299 and 283 kWh/(m2 cell area). For sun-tracked modules, the annual output amounts to 636, 405 and 398 kWh/ (m2 cell area). Due to the high efficiency of Sun-Power’s SPR-90 module, the module area required for 1 kW output power (under STC) is only 5.9 m2, whereas it turns out to be 9.7 m2 for the 12.7 % efficient Kyocera module.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Paul Scherrer Institut
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Durisch,Wilhelm
Mayor,Jean-Claude
Lam,King Hang
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