Unsicherheiten bei Leistungsmessungen an PV-Modulen Vergleich von Prüflabor mit mobilen Testcentern

Transkript

1 Unsicherheiten bei Leistungsmessungen an PV-Modulen Vergleich von Prüflabor mit mobilen Testcentern 11. Photovoltaik Modulworkshop TÜV Rheinland, Köln, 10./11. November 2014 Dr. Werner Herrmann TÜV Rheinland Energie und Umwelt GmbH Köln Tel.: 0221 / Werner.Herrmann@de.tuv.com

2 Inhalt Einleitung Technologie von mobilen Testcentern Bedeutung der Messunsicherheit für die Leistungsmessung Ursachen typischer Messfehler Zusammenfassung 2

3 Einleitung Leistungsangabe eines PV-Moduls Die Nennleistungsangabe eines PV-Moduls bezieht sich auf die Standard-Testbedingungen (STC) : Solare Einstrahlung = 1000 W/m² Modultemperatur = 25 C Lichtspektrum = AM1,5 entsprechend IEC Bei der Leistungsmessung von PV-Modulen müssen diese Messbedingungen möglichst gut nachgebildet werden, um Messfehler zu vermeiden Wichtige Messnormen IEC : Messung der Strom-Spannungskennlinie IEC : Klassifizierung von Sonnensimulatoren IEC 60891: Umrechnung einer gemessenen Kennlinie auf STC 3

4 Einleitung Stichprobenbasierte Messungen 1. Qualitätskontrolle: Sicherstellung des Energieertrages einer PV-Anlage Stichprobenmessung zur Überprüfung der Leistungseigenschaften einer Modulcharge vor der Installation Minimierung von Risiken für Investoren und Anlagenbetreiber 2. Minderertrag: Geltendmachung von Gewährleistungsansprüchen Leistungsüberprüfung von bereits installierten Modulen zur Feststellung von Fehlern oder Minderleistung Austausch schadhafter Module Testpraxis Messung in akkreditiertem Prüflabor Vorort-Messung mit mobilem Testcenter 4

5 Einleitung Prüflabor vs. mobiles Testcenter Prüflabor Hohe Qualität von akkreditierten Messungen mit geringer Messunsicherheit Ergänzende Analysen zu Schadensursachen und Degradationsmechanismen möglich Messungen unabhängig von Witterungsbedingungen Mobiles Testcenter Vermeidung von Ausfallzeiten und Kosten, die im Falle der Versendung der PV-Module zu einem Prüflabor entstehen Vermeidung von Transportrisiken Zusätzliche Ausstattung mit Elektrolumineszenzkamera und Infrarotkamera ermöglichen eine erste Schadensanalyse 5

6 Technologie von mobilen Testcentern LED basierte Systeme Kompakter Aufbau: Abstand zwischen LED Lichtfeld und Testfläche kleiner 1 Meter Diffuslichtanteil hoch Systeme mit Xenon-Blitzlampen Konventionelles Blitzlampensystem ist in einem fahrbaren Prüfraum untergebracht Messablauf vergleichbar mit Labormessung Einlampensystem (Pasan, Berger) Mehrere Meter Abstand zw. Lampe und Testfläche Diffuslichtanteil gering Mehrlampensystem (Endeas) ca. 1 Meter Abstand, hoher Diffuslichtanteil 6

7 Technologie von mobilen Testcentern MBJ LED basiert (weiß) Suncycle 464 Hochleistungs-LED s 7

8 Technologie von mobilen Testcentern Kirchner Solar: Xenon-basiert Flashertyp: Endeas PVLAB Germany: Xenon-basiert Flashertyp: Berger 8

9 Technologie von mobilen Testcentern Elektrizitätswerke des Kantons Zürich: Xenon-basiert Flashertyp: Pasan 3c 9

10 Leistungsüberprüfung aus Sicht des Modullieferanten Ergebnis der Leistungsmessung wird mit einer Messunsicherheit angegeben Der wahre Messwert liegt mit 95% Wahrscheinlichkeit in dem angegeben Vertrauensintervall Messunsicherheit der Leistungskontrollmessung wird zugunsten des Modulherstellers auf das Messergebnis addiert A Messergebnis mit Wahrscheinlichkeit >95% innerhalb der Spezifikation B Messergebnis mit Wahrscheinlichkeit 95% innerhalb der Spezifikation C Messergebnis mit Wahrscheinlichkeit 47,5% innerhalb der Spezifikation D Messergebnis mit Wahrscheinlichkeit 95% außerhalb der Spezifikation E Messergebnis mit Wahrscheinlichkeit >95% außerhalb der Spezifikation 10

11 Leistungsüberprüfung aus Sicht des Lieferanten Plussortierung Nennleistung = 250 W Plussortierung -0/+3% Labormessunsicherheit = ±2% Labormessunsicherheit = ±5% Untere Leistungsspezifikation = 250 W Minderleistung: Messwert < 245,1 W Minderleistung: Messwert < 238,1 W Plusminus-Sortierung Nennleistung = 250 W Plussortierung ±3% Labormessunsicherheit= ±2% Labormessunsicherheit= ±5% Untere Leistungsspezifikation = 242,5 W Minderleistung: Messwert < 237,8 W Minderleistung: Messwert < 231,0 W Eine geringe Messunsicherheit ist maßgeblich für die Geltendmachung von Gewährleistungsansprüchen! 11

12 Grundlagen der Messunsicherheitsbetrachtung Messunsicherheitsbetrachtung für den gemessenen Leistungswert basiert auf dem Zusammenhang P MAX, STC I SC, STC VOC, STC FF Standard-Messunsicherheit berechnet sich aus den Fehlerbeiträgen der drei Parameter Komplexe Analyse STC u P ( u( I, SC, STC ) u( VOC, STC ) u( FFSTC ) MAX STC Das Messergebnis wird mit der erweiterte Messunsicherheit angegeben, die sich durch Multiplikation mit dem Überdeckungsfaktor k=2 ergibt. Die Wahrscheinlichkeit, dass der wahre Messwert in dem berechneten Messunsicherheitsintervall liegt, beträgt 95%. 12

13 Messunsicherheit bei der Kennlinienmessung Apparative Einflussfaktoren Spektraler Mismatch / Kalibriergenauigkeit der Referenz Lichthomogenität Temperaturmessung Das Messergebnis eines PV-Moduls ist grundsätzlich mit der Kalibriergenauigkeit der Referenz behaftet. 13

14 Messfehler durch Einstellung der Bestrahlungsstärke Absolutmessung Einstellung der Bestrahlungsstärke mit 2 cm x 2 cm Referenzzelle, die neben dem Testmodul platziert wird. MU bei PTB Primärkalibrierung: ±0,53% MU bei Sekundärkalibrierung: ±1,88% Ziel: Bestrahlungsstärke am Ort der Referenzzelle = Mittelwert über Modulfläche Auswertung der Bestrahlungsstärkeverteilung 14

15 Messfehler durch Einstellung der Bestrahlungsstärke Relativmessung Üblicherweise in der Modulproduktion eingesetzt Referenz ist ein Referenzmodul, das in seinem elektrischen und optischen Aufbau vergleichbar mit den Testmodulen sein sollte. Die Kalibriergenauigkeit des Referenzmoduls ist abhängig vom Messaufwand im Prüflabor Normalkalibrierung: ±2,5% bis ±3% Präzisionskalibrierung (incl. spektraler Mismatchkorrektur): besser ±2,5% Das Referenzmodul wird im Lichtfeld des Sonnensimulators platziert und die Bestrahlungsstärke so eingestellt, dass die Kalibrierwerte von Kurzschlussstrom und/oder maximaler Leistung reproduziert werden. Testmodule werden anschließend an der gleichen Stelle positioniert 15

16 Messfehler bei Temperaturmessung Messgenauigkeit des Temperatursensors Standardmäßig werden Infrarot-Temperatursensoren eingesetzt Typische Messunsicherheit ±1 C. Temperaturhomogenität in der Modulfläche ±1 C Homogenität gefordert nach IEC kritisch bei Feldmessungen, da i.d.r. nur eine Temperaturmessstelle und keine stationären Bedingungen Messdifferenz zwischen Solarzelle und Modulrückseite Konditionierung der Module auf Umgebungstemperatur ±2 C (IEC ) Lange Konditionierungszeit von Modulen, die aus Generator abgebaut werden Entnahme von Modulen aus Verpackungskiste i.d.r. unkritisch 16

17 Messfehler durch inhomogene Bestrahlung Eine ungleichförmige Bestrahlung eines PV-Moduls wirkt sich auf den Bereich der Kennlinie zwischen Isc und Pmax aus Für Inhomogenitätsgrade >2% sollte der Pmax-Kalibrierwert als Referenz zur Einstellung der Bestrahlungsstärke verwendet werden. Inhomogenitätsgrad >5% ist für Leistungsmessungen ungeeignet. Stufen in der Kennlinie werden durch Bypassdioden verursacht Referenzmessung bei 0 Grad Orientierung Relativmessung nach 180 Grad Drehung +1,3% Isc Änderung Keine Pmax Änderung Inhomogenitätsgrad = 2,5% 17

18 Messfehler durch spektralen Mismatch Der spektrale Mismatchfaktor (MMF) nach IEC ist ein Korrekturwert der Bestrahlungsstärke, die mit der Referenzzelle bzw. dem Referenzmodul eingestellt wurde. Die auf das Modul einwirkende effektive Strahlungsintensität wird entsprechend verstärkt oder verringert. E EFF = MMF E RM E AM1.5 AM1.5 Referenzsonnenspektrum (IEC ) E AM1,5 E SIM s RC s TM Simulatorspektrum Relative spektrale Empfindlichkeit der Referenzzelle/-modul Relative spektrale Empfindlichkeit des Testmoduls SIM E RC s TM s IEC MMF 18

19 Messfehler durch spektralen Mismatch Lichtspektrum von Hochleistungs LEDs LED basierte Sonnensimulatoren in mobilen Testcentern verwenden zur Zeit nur weiße Hochleistungs-LEDs Spektrale Lichtanteile nur im Wellenlängenbereich 400 nm bis 800 nm c-si Module: ca. 35 % Photostromanteil oberhalb 800 nm OSRAM LED weiss 3500 K OSRAM LED weiss 6500 K AM1,5 Referenzspektrum Klassische spektrale Mismatchberechnung nach IEC ist nicht anwendbar? 19

20 Messfehler durch spektralen Mismatch Gleicher PV-Modultyp, verschiedene Leistungsklasse Xenon Flasher liefern deutlich geringere Mismatchfaktoren LED MMF 1) = Xenon MMF =

21 Messfehler durch spektralen Mismatch Vergleichsmessungen Prüflabor mobiles Testcenter 15 PV-Module unterschiedlicher Technologie und Größe bei 25 C 1. Kalibriermessung aller PV-Module im Prüflabor (±2,5%) 2. Bestrahlungsstärkeeinstellung des mobilen Testcenters mit Modul Nr. 1 (Reproduzierung des Pmax Kalibrierwertes) 3. Relativmessung aller anderen PV-Module mit gleicher Einstellung max. 3% spektraler Mismatch Gesamtmessunsicherheit = 5,5% Referenzmodule für mobile Testcenter sollten gleiche spektralen Eigenschaften wie Testmodule haben, um Messfehler zu minimieren. 21

22 Messfehler durch hohe Messgeschwindigkeit Strom-Spannungskennlinie wird bei Xenon-Flashern normalerweise innerhalb eines Lichtpulses von 10 ms gemessen. Hohe Messgeschwindigkeit führt bei mono-kristallinen Modulen mit Heterojunction- oder Rückkontakt-Solarzellen zu Messfehlern im MPP-Bereich Modulstrom in A Messrichtung: Voc nach Isc Isc nach Voc Modulspannung in V LED Flasher Keine Messfehler da bis zu 250 ms Belichtungszeit Xenon-Flasher Abhilfe durch längere Blitzdauer oder intelligente Messelektronik 22

23 Messfehler durch Kennlinienkorrektur IEC Normalfall: Messbedingungen entsprechen nicht exakt STC Korrektur der gemessenen IV-Datenpunkte nach IEC (hier: Prozedur 2) 5 Kennlinienkorrekturparameter erforderlich I STC = I MESS [1 + ( 25 C T MESS )] 1000 W/m² / E MESS U STC = U MESS + U OC,MESS [ β ( 25 C T MESS ) + EK ln (1000 W/m² / E MESS )] RS ( I STC I MESS ) Kappa I STC ( 25 C T MESS ) Korrekturparameter (Prozedur 2 der IEC 60891) Quelle Temperaturkoeffizient Kurzschlussstrom α Datenblatt Temperaturkoeffizient Leerlaufspannung β Datenblatt Einstrahlungskoeffizient Leerlaufspannung EK Labormessung Interner Serienwiderstand PV-Modul RS Labormessung Temperaturkoeffizient interner Serienwiderstand Kappa Labormessung 23

24 Messfehler durch Kennlinienkorrektur Umrechnung von Messbedingungen auf STC TK Kurzschlussstrom TK Leerlaufspannung / Einstrahlungskorrekturfaktor EK 24

25 Messfehler durch Kennlinienkorrektur Variation der Kennlinienkorrekturparameter RS und EK unterliegen der Produktionsstreuung Labormessung von 100 c-si PV-Modulen mit 60 Solarzellen Interner Serienwiderstand RS Modul Einstrahlungskorrekturfaktor EK Bei Feldmodulen kann RS infolge möglicher Moduldegradation (Korrosion von Lötverbindungen) deutlich höher variieren 25

26 Messfehler durch Kennlinienkorrektur Variation der Kennlinienkorrekturparameter Berechnung des Messfehlers durch Bestrahlungsstärkekorrektur 250 Watt Modul: I MP = 8,3 A, U MP = 30 V Gemessene Bestrahlungsstärke: W/m² Unsicherheit RS : mohm Unsicherheit 800 W/m² 900 W/m² 950 W/m² 980 W/m² RS = 20mOhm 1,0 W 0,5 W 0,2 W 0,1 W RS = 50mOhm 2,5 W 1,2 W 0,6 W 0,2 W RS = 100mOhm 5,0 W 2,5 W 1,2 W 0,5 W RS = 200mOhm 10,0 W 5,0 W 2,5 W 1,0 W Messfehler durch RS Variation kann bereits bei 5% Einstrahlungskorrektur mehr als 1 Watt betragen ( RS > 80 mohm) Messung sollte möglichst nahe bei 1000 W/m² durchgeführt werden. Lichtfluktuation im Messverlauf muss immer korrigiert werden (Klasse A: <2%) 26

27 Messfehler durch Kennlinienkorrektur Variation der Kennlinienkorrekturparameter Datenblattangaben zu Temperaturkoeffizienten können sich vom tatsächlichen Wert unterscheiden Korrekturfehler infolge Temperaturmessung ist bei der Labormessung vernachlässigbar, da Messung bei 25 C±2 C durchgeführt wird. Bei Feldmessungen mit mobilen Testcentern wird der Messfehler bestimmt durch die Abweichung der gemessenen Modultemperatur zu 25 C Durch Konditionierungsmaßnahmen im Feld wird der Messfehler reduziert. Messtemperatur = 10 C ( Datenblatt Labormessung ) = 0,05% pro K = 15 C Messfehler für 250 W c-si Modul mit 60 Solarzellen = 2,5 W 27

28 Qualitätssicherung des Messsystems Prüflabor QS-Maßnahmen sind leicht durchzuführen: Regelmäßige Kontrolle des Lichtspektrums und der Bestrahlungsstärkeverteilung Änderungen des Lichtspektrums bei Alterung der Xenon-Blitzlampe können in spektraler Mismatchkorrektur berücksichtigt werden Hohe Reproduzierbarkeit der Messung durch nahezu konstante Umgebungsbedingungen Mobile Testcenter Messsystem ist auf dem Transportweg permanenten Erschütterungen ausgesetzt, die zu Dejustierung des optischen Systems führen können (vor allem Xenon-Flasher) Qualitätssicherung im Feld durchführen Durch starke Schwankungen der Betriebs- und Lagertemperaturen sind Messtechnik und Lampensystem erhöhten Belastungen ausgesetzt Erweiterte Qualifizierungsmaßnahmen erforderlich 28

29 Zusammenfassung Leistungsmessung im Prüflabor hat klare Vorteile: Durch umfangreiche Qualitätssicherungsmaßnahmen kann eine erweiterte Messunsicherheit im Bereich ±2% erreicht werden. Qualität der Messung von mobilen Testcentern liegt unterhalb der von Prüflaboren. Ausnahme: Lange Blitzdauer bei LED Systemen Die Messunsicherheit von mobilen Testcentern hängt davon ab, wie stark die Messbedingungen variieren können. Maßnahmen wie Modultemperierung oder Auswahl geeigneter Referenzmodule bringen eine deutliche Verbesserung der Messqualität. Hinsichtlich Elektrolumineszenz- und Infrarot-Untersuchung von PV Modulen können mobile Testcenter vergleichbare Ergebnisse zu Prüflaboren liefern. Sofern die Genauigkeit der Messung bzw. Gewährleistungsansprüche hinsichtlich Minderleistung eine untergeordnete Rolle spielen, sind mobile Testcenter eine Alternative (Kosten- und Zeitersparnis). 29

30 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit! 30