Bifacial PV-Module mit HIT-Technologie für höhere Energieerträge

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1 Bifacial PV-Module mit HIT-Technologie für höhere Energieerträge Dieter Kohake, Thomas Nierhoff, Adrian Covasa Fachhochschule Gelsenkirchen, Fachbereich Elektrotechnik Neidenburger Straße, Gelsenkirchen Tel.: 9/ ,-; Fax: 9/ Thomas Rust AS Solar GmbH, Am Tönniesberg 4A, 45 Hannover. Einleitung Seit dem Jahr werden Solarmodule der neuen Zelltechnologie HIT (Heterojunction with intrinsic thin layer) in Europa eingesetzt. Mehrere Untersuchungen haben gezeigt, dass mit der HIT-Technik im Vergleich zu herkömmlicher Silizium-Technologie höhere Energieerträge erzielt werden können. Eine weitere bekannte Technologie zur Steigerung der Energieerträge nutzt zusätzlich zur Vorderseite der Module auch die Rückseite zur Absorption der solaren Strahlung. Diese bifacial Module haben auf der Vorderseite der Solarzellen wie auch auf der Rückseite ein Kontaktgitter. Besonders interessant sollten hinsichtlich des Energieertrags Module sein, bei denen beide Technologien kombiniert sind. Diese Module werden neuerdings von der Firma Sanyo produziert. Bifacial Module mit der Zelltechnologie HIT (HIP 69) wurden im Jahr 6 auf einem Labordach der Fachhochschule Gelsenkirchen installiert. In Europa stellt das Labor der Fachhochschule Gelsenkirchen einen der wenigen Standorte dar, an dem diese Module bisher vermessen wurden. Zur Erforschung der additiven Auswirkung einer aktiven Zellrückseite auf den Energieertrag der Module wurde die Oberfläche des Flachdaches des Laborgebäudes variiert. Es wurden die Leistung der Module und der Energieertrag bei normaler Kiesschüttung als Oberfläche und bei einer Belegung des Daches unter den Modulen mit Aluminiumfolien gemessen. Abbildung zeigt die Module auf dem Labordach mit beiden Dachoberflächen. Zusätzlich wurden in einem Teil der Untersuchungen die Rückseiten der Module abgedeckt, um den Einfluss der Strahlung auf die Zellrückseiten zu eliminieren. Auf dem gleichen Labordach befinden sich Module mit Zellen der HIT-Technologie, aber normaler Rückseite (J54BE), und herkömmliche Module mit polykristallinen Siliziumzellen (ASE ), die auch in die Untersuchungen einbezogen wurden.

2 Abbildung : Dach mit normaler Kiesschüttung als Oberfläche und bei einer Belegung des Daches unter den Modulen mit Aluminiumfolien. Energieertrag und Modulleistung bei unterschiedlicher Einstrahlung Zur Bestimmung des quantitativen Einflusses der unterschiedlichen Strahlungsbedingungen auf die Modulrückseite wurden die charakteristischen Kenngrößen Array Yield Y a ( Y a = E PV,DC /P, spezifischer DC-Ertrag ), Final Yield Y f ( Y f = E PV,AC /P, spezifischer AC-Ertrag ) und Reference Yield Y r ( Y r = E Sonne,Modulebene /( kw/m ), normierte Energie der Solarstrahlung in Modulebene oder berechnete Anzahl der Stunden mit einer Strahlung von kw/m ) bestimmt. Mit P ist die Nennleistung der Module bezeichnet. Zusätzlich wurde die Strahlung auf der Rückseite der Module gemessen und daraus Y r Rückseite bestimmt. 8 Ertragseinfluss durch Variation der Dachoberfläche und der Abdeckung der Modulrückseite 7 6 Yield (h) 5 4 6, ,6 6,8 7, , 6,95 7.5,44,8 Kiesschüttung (.7.6) Aluminumfolie (.7.6) abgedeckt (6.7.6) Yf Ya Yr Vorderseite Yr Rückseite Abbildung : Erträge bei dem Betrieb der Module mit unterschiedlicher Dachoberfläche und Modulrückseite an ausgewählten Tagen

3 Diese spezifischen Ertragskennwerte sind für ausgewählte Tage und die unterschiedlichen Dachoberflächen (Kiesschüttung und Aluminiumfolie) und abgedeckte Modulrückseiten in Abbildung dargestellt. Ein Vergleich der spezifischen Energieerträge Y a auf der Gleichspannungsseite ergibt unter Berücksichtigung der an den ausgewählten Tagen unterschiedlichen Sonneneinstrahlung (Y r ) gegenüber den abgedeckten Modulen einen Mehrertrag von,6 % bei normaler Kiesschüttung auf dem Dach und von 7,4 % bei einer Belegung mit Aluminiumfolien. Für einen weiteren Vergleich zur Bestimmung des Einflusses der aktiven Zellrückseite bei den HIP 69 Modulen wurden die Modulleistungen bei den variierten Strahlungsbedingungen ermittelt. Die Modulleistungen wurden den Betriebsdaten der im Netzparallelbetrieb arbeitenden Anlage entnommen und auf STC-Bedingungen umgerechnet. Diese Betriebs-Leistungen sind niedriger als die Leistungen des Datenblattes und gemessener I-U-Kennlinien (s. Abb. 7), im prozentualen Vergleich wirkt sich diese Differenz nicht aus. Abbildung zeigt die Modulleistung P STC und die auf der Modulrückseite gemessene Strahlung. P STC ermittelt aus Betriebsdaten des Netzparallelbetriebs für unterschiedliche Betriebssituationen Modulleistung P (W), reflektierte Strahlung G (W/m ) Kies Aluminium abgedeckt Modulleistung G reflektiert Abbildung : Leistung P STC der Sanyo HIP 69 Module abgeleitet aus den Betriebsdaten der Anlage Setzt man die Modulleistung P STC mit abgedeckter Rückseite zu %, dann ergibt sich eine Leistungssteigerung durch die aktive Zellrückseite bei den hier verwendeten Belegungen der Dachoberfläche bei normaler Kiesschüttung von 4 % und bei dem Einsatz der Aluminiumfolie von 8 %. Diese prozentualen Leistungssteigerungen stimmen sehr gut mit den Ertragssteigerungen der Abbildung überein.

4 . Ertragsvergleich für die untersuchten Module Von besonderem Interesse für den Anwender einer Photovoltaikanlage sind die Energieerträge über längere Zeiträume, z.b. über Monate. Im Juli 6 wurde die Oberfläche des Daches variiert, daher liegen hier Analysenergebnisse einzelner Tage vor, aber keine Monatsenergiebilanzen mit konstanten Bedingungen. Konstante Reflektionsbedingungen mit Aluminiumfolien auf der Dachoberfläche unter den Modulen beeinflussen den Energieertrag der Monate August bis Dezember. In Tabelle sind Ergebnisse für den Reference Yield Y r und den Final Yield Y f, den spezifischen Energieertrag, dargestellt. Y r [h] Y f HIP69 [h] Y f ASE [h] Y f J54BE [h] Juli 89,8 69, 7,7 5,9 Aug. 94, 9, 7,86 8,6 Sept. 6,5,4 8,4 9, Okt. 67, 6,5 5,4 58,7 Nov. x 7,6 5,5 9,,7 Dez. 6,69 4,57,7,79 x Am, 5, 6 und 7..6 wurden keine Messwerte aufgenommen Tabelle : Reference Yield Y r Dezember 6 und Final Yield Y f für die Monate Juli bis Mehrertrag (in %) der Sanyo H69 Module gegenüber den ASE bzw. Sanyo J54BE - Modulen zwischen August und Dezember Mehrertrag in % August September Oktober November Dezember H69-ASE H69-J54BE RY Reference Yield (h) Abbildung 4: Monatliche Mehrerträge der Sanyo HIP 69 Module

5 Abbildung 4 gibt die Mehrerträge der Sanyo HIP 69 Module mit aktiver Zellrückseite gegenüber den Modulen mit gleichen Zellen, jedoch ohne aktive Zellrückseite (Sanyo J54BE) und herkömmlichen Modulen (ASE ) wieder, die sich aus den Daten der Tabelle ergeben. Die Mehrerträge der Sanyo HIP 69 Module gegenüber den Sanyo J54BE Modulen liegen zwischen 9 % und 4 % und gegenüber den ASE Modulen zwischen % und 6 %. Unter Berücksichtigung des jeweiligen Reference Yield Y r, also der Sonneneinstrahlung, fällt auf, dass besonders hohe prozentuale Mehrerträge in den einstrahlungsschwachen Monaten auftreten. Detaillierte Aussagen zu diesem Ergebnis und zu dem Einfluss der aktiven Zellrückseite können am Beispiel der Tagesdaten eines Monats gewonnen werden. In der Abbildung 5 sind neben dem täglichen prozentualen Mehrertrag der Sanyo HIP 69 Module gegenüber den Vergleichsmodulen der Reference Yield als Maß der täglich einfallenden Sonnenenergie und der prozentuale Anteil der vom Hintergrund reflektierten Sonnenenergie an der gesamten Einstrahlungsenergie, also der auf die Vorderseite einfallenden und auf die Rückseite reflektierten Sonnenenergie, eingetragen. Mehrertrag (in %) der Sanyo H69 Module gegenüber den ASE bzw. Sanyo J54BE - Modulen und Anteil der reflektierten Strahlung im September 6 Mehrertrag in % H69-ASE H69-J54BE Eso rück in % RY Reference Yield (h) Abbildung 5: Prozentualer Mehrertrag der Sanyo HIP 69 Module und das tägliche Strahlungsverhalten im September 6 An den Tagen des September 6 mit hoher Sonneneinstrahlung ergeben sich sowohl für den Mehrertrag der Sanyo HIP 69 Module gegenüber den Sanyo J54BE Modulen als auch für den Anteil der vom Hintergrund reflektierten Sonnenenergie gleiche Werte.

6 Dieser Umstand weist darauf hin, dass der Mehrertrag an diesen Tagen auf die aktive Zellrückseite der Sanyo HIP 69 Module zurückzuführen ist. Dieser Mehrertrag liegt zwischen 7 % und 9 %, was auch der Leistungssteigerung entspricht, welche durch das Diagramm in Abbildung für die Sanyo HIP 69 Module mit Aluminiumfolie als Hintergrund ermittelt wurde. Diese Ergebnisse sind darauf zurückzuführen, dass es sich bei den Zellen der Sanyo HIP 69 Module als auch bei denen der Sanyo J54BE Module um Zellen gleicher Technologie handelt, jedoch das J54BE Modul keine aktive Zellrückseite aufweist. Der Mehrertrag gegenüber herkömmlichen Modulen mit kristallinen Siliziumzellen an Tagen mit vergleichsweise hoher Sonneneinstrahlung liegt zwischen 5 % und %, worin mit ca. 8 % die aktive Zellrückseite eingeht. Der weitere Mehrertrag basiert auf der in den Sanyo Modulen verwendeten neuen Zelltechnologie HIT. Die Tage in Abbildung 5, die sehr hohe Mehrerträge verbunden mit kleinen Werten des Reference Yield aufweisen, sind eventuell zum Teil auf schwankende Arbeitspunkte im Teillastbereich der Wechselrichter zurückzuführen. Ähnliche Ergebnisse sind bei den Daten der anderen Monate zu verzeichnen, wie beispielhaft aus Abbildung 6 für den August hervorgeht. Hier liegen die Mehrerträge bei hoher Einstrahlung bei 9 % bis %, bei geringer Einstrahlung treten größere Mehrerträge auf. Mehrertrag (in %) der Sanyo H69 Module gegenüber den ASE bzw. Sanyo J54BE - Modulen im August Mehrertrag in % Reference Yield (h) H69-ASE H69-J54BE RY Abbildung 6: Prozentualer Mehrertrag der Sanyo HIP 69 Module und das tägliche Strahlungsverhalten im August 6 Um die Ursache der prozentual höheren Erträge bei schwacher Sonneneinstrahlung detailliert zu ergründen, sind weitere Untersuchungen z.b. mit abgedeckter Modulrückseite und variabler Einstrahlung erforderlich.

7 4. I-U-Kennlinien der Modulfrontseite und der Modulrückseite Aufschluss über die für den Anwender interessante Frage, in wie weit die aktive Zellrückseite die Leistung der HIP69 Module steigern kann, kann die Strom- Spannungs-Kennlinie sowohl der Vorderseite als auch der Modulrückseite bringen. Mit Hilfe eines Kennlinienmessgerätes wurden für die Frontseite als auch für die Rückseite die in den Abbildungen 7 und 8 dargestellten Kennwerte ermittelt. Auf STC - Bedingungen umgerechnete Strom-Spannungskennlinie der Vorderseite eines Sanyo HIP 69 Moduls Strom I/A 4,5 4,5,5,5, Spannung U/V Modulleistung P/W I-U STC P-U STC U OC / V I SC / A P MPP / W U MPP / V I MPP / A 65,4,8 77,4 5,5,4 Abbildung 7: Strom-Spannungs-Kennlinie der Frontseite eines Sanyo HIP 69 Moduls Die Kennlinie der Abbildung 7 wurde am.9.6 bei einer Einstrahlung von 89 W/m und einer Modultemperatur von 48 C gemessen und die der Abbildung 8 am gleichen Tag bei einer Einstrahlung von 89 W/m und einer Modultemperatur von 5 C. Anschließend wurden die Kennlinien auf STC-Bedingungen umgerechnet. Die unter Outdoor-Bedingungen gemessene Leistung von 77 W P ist etwas geringer als die von Sanyo gemessene Flasher-Leistung von 85 W P. Gründe für die Differenz können an den unterschiedlichen Messverfahren und der Umrechnung auf STC-Bedingungen liegen und an dem aus dem Kennlinienverlauf erkennbaren etwas erhöhten Serienwiderstand R S bei der Messung mit dem Kennlinienmessgerät.

8 Auf STC - Bedingungen umgerechnete Strom-Spannungskennlinie der Rückseite eines Sanyo HIP 69 Moduls Strom I/A,5,5,5, Modulleistung P/W Spannung U/V I-U STC P-U STC U OC / V I SC / A P MPP / W U MPP / V I MPP / A 65,6, 5,4 5,8, Abbildung 8: Strom-Spannungs-Kennlinie der Rückseite eines Sanyo HIP 69 Moduls Die für die Modulrückseite ermittelte Leistung von P STC = 5 W P lässt auf ein hohes Potential an Ertragssteigerung schließen, wenn durch geeignete Maßnahmen der Anteil der reflektierten Sonnenstrahlung auf die Modulrückseite gesteigert werden kann. 5. Zusammenfassung Der Energieertrag und die Leistung von bifacial Modulen mit der Zelltechnologie HIT und aktiver Zellrückseite konnten durch die Belegung eines Flachdaches mit Aluminiumfolien gegenüber einer nicht aktiven Zellrückseite um ca. 8 % gesteigert werden. Monatliche Energieertragsbilanzen weisen für die bifacial HIT-Module einen Mehrertrag von 9 % bis 4 % gegenüber Standard HIT-Modulen und von % bis 6 % gegenüber Modulen mit polykristallinen Zellen auf. Insbesondere in einstrahlungsarmen Monaten wurden die prozentual höheren Energieerträge registriert. Die gemessene Leistung der Modulrückseite lässt auf ein hohes Potential an Ertragssteigerung für die bifacial Module schließen.

9 Weitere Versuchsreihen zur Untersuchung dieses Potentials und den damit verbundenen Energieerträgen sind geplant. Hier bieten sich z.b. Untersuchungen mit definierten variablen Reflexionsfaktoren und unterschiedliche Anstellwinkel zwischen den Modulen und der Reflexionsebene an. 6. Abstract The energy yield and the power of bifacial modules with the cell technology HIT and an active cell backside could be increased by 8 % by putting aluminium foils on a flat roof of a building. The monthly energy yields for the bifacial HIT modules show an additional yield from 9 % till 4 % compared with standard HIT modules and from % till 6 % compared with polycrystalline cells. Especially during months with low radiation a high percentage of additional yield has been measured. Further investigations regarding the additional yield are planed. Here are for example investigations with variable reflection factors interesting.