Round-Robin-Test mit Bestrahlungsstärkesensoren

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1 Round-Robin-Test mit Bestrahlungsstärkesensoren Dr. Christian Bendel*, Thomas Glotzbach*, Björn Schulz* Mike Zehner**, Christian Vodermayer***, Gerald Wotruba***, Maurice Mayer*** *Institut für Solare Energieversorgungstechnik (ISET) e.v., Königstor 59, D Kassel, Tel.: (0561) , Fax: (0561) , **Hochschule für angewandte Wissenschaften - FH München, Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, Arbeitsgruppe SE-Labor, München ***BEC-Engineering GmbH, Mitterfeldring 41, Poing 1. Einleitung Für die Bestimmung des solaren Strahlungsangebots an einem bestimmten Ort gibt es verschiedene Verfahren. Die Messung kann zum Bespiel mit einem Thermosäulen-Pyranometer erfolgen. Hierbei wird das solare Spektrum von ca nm mit nahezu konstanter spektraler Empfindlichkeit erfasst. Weil jedoch die verschiedenen Photovoltaik (PV) Technologien jeweils eine bestimmte spektrale Charakteristik besitzen, sind diese Pyranometer nur bedingt geeignet den solaren Energieertrag einer PV-Anlage an diesem bestimmten Ort exakt zu ermitteln. Hierzu sind technologiegleiche Solarzellen als Bestrahlungsstärkesensoren besser geeignet. Diese berücksichtigen bei physikalisch korrektem Aufbau neben der spektralen Empfindlichkeit auch das Temperatur- und Reflexionsverhalten einer technologiegleichen PV- Anlage. Voraussetzung hierfür ist, dass die Solarzellensensoren korrekt kalibriert sind. Das heißt, dass der Master- bzw. Referenzsensor den gleichen Aufbau wie das Serienprodukt hat. Werden diese Sensoren in einer technologiegleichen PV-Anlage betrieben, ist ein präzises Anlagenmonitoring möglich. Des Weiteren kann mit einer exakten Messtechnik eine verlässliche Energieertragsprognose realisiert werden. Das Ziel dieser Untersuchung ist es, verschiedene auf dem Markt verfügbare Bestrahlungsstärkesensoren vergleichend zu untersuchen, um Defizite oder auch Vorteile der Sensoren aufzuzeigen. Der Versuchsaufbau erfolgt dabei als Round-Robin- Test (Ringversuch) an zwei unterschiedlichen Standorten (ISET Kassel und FH München). Somit werden unterschiedliche Strahlungsverhältnisse an zwei Standorten von verschiedenen Teams an baugleichen Bestrahlungsstärkesensoren mit gleicher Testanordnung untersucht.

2 2. Physikalische Effekte und bereits vorhandene Messungen Zum Verständnis der Problematik werden zunächst einige physikalische Grundlagen zur spektralen Empfindlichkeit erläutert und die physikalischen Effekte an bereits vorhandenen Messergebnissen veranschaulicht. 2.1 Spektrale Empfindlichkeit verschiedener PV-Technologien Die Bestrahlungsstärke setzt sich aus dem Integral über das Spektrum des Sonnenlichts zusammen. Dieses zeigt bei verschiedenen Frequenzen unterschiedliche Amplituden der Strahlungsleistungsdichte S [W m -2 nm -1 ] und ist abhängig von verschiedenen Streu- und Absorptionsprozessen in der Erdatmosphäre (Wetter, Länge des Weges der Strahlung durch die Atmosphäre, Aerosole etc.). Die Strahlungsleistungsdichten mit den größten Amplituden Abbildung 2.1: Normspektrum AM 1,5 [IEC-07] befinden sich im Bereich des sichtbaren Lichts. Nach links zu den kleineren Wellenlängen und nach rechts zu den größeren Wellenlängen nimmt die Amplitude unterschiedlich schnell ab. Bestimmte Frequenzen werden durch die Atmosphäre stark gedämpft, teilweise bis fast null. Die Abbildung 2.1 zeigt beispielhaft das Normspektrum AM 1,5. Das Integral der Strahlungsleistungsdichte über die Wellenlänge ergibt die Bestrahlungsstärke G (2.1). Im Fall des Normspektrums ergibt das Integral exakt 1000 Wm ( λ) = S( λ) G dλ (2.1) Ein Pyranometer wirkt wie ein Integrator der Strahlungsleistungsdichte. Durch Absorption aller Strahlungsleistungsdichten und eine Umsetzung in Wärme (Thermosäule) kann über diesen Sensor, welcher die Wärme in eine elektrische Spannung wandelt, mit Hilfe eines Kalibrierfaktors auf die Bestrahlungsstärke geschlossen werden. Die Spannung verhält sich proportional zur Bestrahlungsstärke. Durch eine interne Temperaturkompensation erfolgt diese Prozedur nahezu unabhängig von der Umgebungstemperatur. Ein Pyranometer deckt den gesamten spektralen Bereich von ca. 300 nm bis 2800 nm ab. Das heißt, es absorbiert in diesem Bereich alle Strahlungsleistungsdichten und integriert diese auf.

3 Eine weitere Möglichkeit zur Messung der Bestrahlungsstärke kann mit einem Solarzellensensor realisiert werden. Dabei verhält sich der Kurzschlussstrom der Zelle direkt proportional zur Bestrahlungsstärke. Aufgrund des im jeweiligen Solarzellenmaterials vorherrschenden Abbildung 2.2: Spektrale Empfindlichkeit unterschiedlicher Solarzellensensoren (amorph, CdTe, CIS, mono) unter AM 1,5, Bandabstandes können diese Sensoren das Sonnenspektrum nur selektiv erfassen. Die spektrale Empfindlichkeit von amorphen Silizium zum Beispiel liegt mehr im Blaubereich des Sonnenspektrums, die von monokristallinem Silizium mehr im Rotbereich (siehe Abbildung 2.2). Solarzellensensoren, zum Beispiel der ISETSensor sc [Geb-99], werden mit einem Mastersensor kalibriert, indem man die Ausgangsströme der beiden Sensoren unter bestimmten Bedingungen vergleicht. Der Mastersensor selbst wird in einem akkreditierten Prüflabor (zum Beispiel bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB)), unter Standard-Test-Bedingungen (STC) kalibriert. Beim Vergleich eines Pyranometers mit einem Solarzellensensor würde sich nun folgende Situation ergeben: Bei einem Spektrum AM 1,5, einer Temperatur von 25 C und einer Bestrahlungsstärke von 1000 Wm -2 (STC) zeigen alle Sensoren den gleichen Wert an, nämlich 1000 Wm -2. Stellt sich ein anderes Spektrum ein, so würden die Sensoren, wenn alle die gleiche spektrale Empfindlichkeit hätten, auch weiterhin den gleichen Wert anzeigen. Dies ist in der Praxis nicht der Fall und es ergeben sich Abweichungen in Abhängigkeit von verschiedenen atmosphärischen Extinktionsprozessen. Je nachdem in welchen Bereich das Spektrum mehr gedämpft wird, variieren die Ergebnisse. Bei klarem Wetter und kleiner AM kann der amorphe Sensor mehr Energie umsetzen als ein Sensor mit kristallinem Silizium, da sich seine spektrale Empfindlichkeit im blauen Bereich bewegt und hier das Sonnenspektrum sehr stark ausgeprägt ist. Ist der Himmel bewölkt (in diesem Fall hat die Diffusstrahlung einen großen Anteil an der Globalstrahlung großer Diffusanteil) oder herrscht Hochnebel, wird der Rotanteil des Spektrums mehr gedämpft (Absorption von

4 infraroter Strahlung durch Wasserdampf). Das heißt, der relative Blauanteil nimmt zu. In diesem Zustand wird auch hier der amorphe Sensor mehr umsetzen. Umgekehrt ist es, wenn ein klarer Himmel herrscht, aber die Sonnenstrahlen einen langen Weg durch die Atmosphäre zurücklegen müssen (große AM). Dann nämlich wird nach den Gesetzmäßigkeiten der Rayleigh Streuung der Blauanteil mehr geschwächt, was dazu führt, dass der relative Rotanteil zunimmt. In diesem Fall werden die Sensoren mit kristallinem Silizium besser bewertet. 2.2 Untersuchungsmessungen am ISET (Standort Kassel) Untersuchungen am ISET Standort Kassel haben gezeigt, dass sich bei der Bestrahlungsstärkemessung mit Solarzellensensoren unterschiedlicher Technologie Abweichungen ergeben, welche mit spektralen Effekten in der Erdatmosphäre variieren. Zeigt beispielsweise ein Sensor mit amorphem Silizium bei einem schönen Sommertag Abbildung 2.3: Vergleich ISETSensor sc unterschiedlicher einen größeren Globalstrahlungswert an als der Zellentechnologie sowie Pyranometer, [Glo-07] Sensor mit kristallinem Silizium, so ist diese Aussage völlig korrekt. Denn die normierte Energieausbeute einer PV-Anlage aus amorphem Silizium ist in diesem Zustand höher, als die einer PV-Anlage aus kristallinem Silizium. Die unterschiedlichen Energieerträge zeigt die Abbildung 2.3 der oben genannten Technologien für zwei ausgewählte Jahre. Andere Technologien zeigen ähnlich abweichendes Verhalten [Ben-03] [Glo-07]. Das Verhalten über zwei Jahre (2004 und 2005) eines monokristallinen bzw. amorphen Sensors im Vergleich zu einem Pyranometer bei unterschiedlichen Bewölkungsverhältnissen und AM ist in der Abbildung 2.5 dargestellt. Als Maß für die Bewölkung wurde dabei das Verhältnis der Diffus- zur Globalstrahlung, der relative Diffusanteil F D, verwendet. Bei einem relativen Diffusanteil von 1 entspricht die Diffusstrahlung der Globalstrahlung. Folglich ist Direktstrahlung gleich null und es liegt eine

5 starke Bewölkung vor. Relative Diffusanteile von ca. 0,1 werden an sehr sonnigen Tagen erreicht. Des Weiteren wurden bei den Untersuchungen lediglich Messwerte mit einem solarem Einfallswinkel Θ von kleiner als 45 verwendet. Somit wird das unterschiedliche Winkelverhalten des Pyranometers und der ISETSensoren sc berücksichtigt. Durch die Einschränkung über den Einfallswinkel ergeben sich nur bestimme AM-Werte. Größere AM-Werte liegen im Winter vor, während kleine AM-Werte im Sommer erreicht werden (Abbildung 2.4). Abbildung 2.4: AM-Werte in Abhängigkeit des Monats, Die Messwerte der ISETSensoren sc wurden temperaturkompensiert. Außerdem wurden Tage, an denen Schneeablagerungen auf den Sensoren vorhanden waren, von der Betrachtung ausgeschlossen. Die in den Abbildungen 2.5 vorliegenden Abweichungen zwischen den ISETSensoren sc mit monokristallinem bzw. amorphen Silizium und dem Pyranometer lassen sich daher ausschließlich durch Veränderungen im Solarspektrum erklären.

6 Abbildung 2.5: Abhängigkeiten der Abweichungen (Standort Kassel), Messwerte aus 2004 & 2005 mit Einfallswinkeln Θ 45

7 Deutlich zu erkennen ist, dass beim monokristallinen Sensor die Abweichung quasi nur vom Verhältnis G diffus /G global abhängt. Der spektrale Einfluss der AM liegt in einem Wellenlängenbereich für den der monokristalline Sensor keine ausgeprägte Empfindlichkeit besitzt. Eine kleine Abhängigkeit der AM ist bei klarem Himmel erkennbar. Diese Technologie liegt aber immer unter dem Pyranometer. Anders ist es beim a- morphen Sensor, der eine starke Abhängigkeit sowohl vom Verhältnis G diffus /G global, als auch von der AM zeigt. Diese Technologie zeigt Werte über und unter dem Pyranometer. Untersuchungen in [Got-04] zeigen vergleichbare Ergebnisse. 3. Round-Robin-Test Ringversuch Vor diesem fachlichen Hintergrund ist ein Vergleich von Bestrahlungsstärkesensoren notwendig geworden, insbesondere durch die Zunahme von großen PV-Anlagen im MW-Bereich. Investoren und Finanzierungsgesellschaften fordern eine Transparenz über die Energiewandlung ihrer PV-Anlagen, vor allem was auf Grund der realen Einstrahlungsbedingungen möglich ist bzw. wie zuverlässig die PV-Anlagen funktionieren. Durch eine Online-Überwachung der aktuellen Einspeiseleistung im Vergleich zur Bestrahlungsstärke bekommt man einen unbestechlichen Qualitätsfaktor für die PV-Anlage. Derzeit sind auf dem Markt eine Vielzahl von Bestrahlungsstärkesensoren unterschiedlicher Bauart erhältlich. Dabei verwenden die Hersteller unterschiedliche Kalibrierverfahren und machen jeweils auch unterschiedliche Angaben zu den Messgenauigkeiten der Sensoren. Wie sich die verschiedenen Sensoren qualitativ und quantitativ einordnen lassen, soll in diesem Round-Robin-Test gezeigt werden. Der Test startete am ISET am und an der Fachhochschule München am Aufbau der Sensoren Zum Einsatz kommen insgesamt 18 verschiedene Bestrahlungsstärkesensoren. Diese sind auf einem Gestell montiert, welches in südlicher Richtung und mit der für den jeweiligen Standort optimalen Neigung ausgerichtet ist. Neben den unterschiedlichen Strahlungsverhältnissen werden auch das Temperatur- (bei den Sensoren mit Temperatursensor) sowie das Langzeitverhalten der Sensoren untersucht. Die Abbildungen 3.1 und 3.2 zeigen den mechanischen Aufbau der verschiedenen Sensoren. Zum Einsatz kommen 13 Solarzellensensoren und 5 Pyranometer. Lediglich das Pyranometer CM 11 der Firma Kipp & Zonen (jeweils oben rechts in den Abbildungen 3.1 und 3.2) basiert auf dem Thermosäulenprinzip, wie es bei Pyranometern üblich ist. Die übrigen von den Herstellern als Pyranometer bezeichneten

8 Sensoren (LI-COR LI-200SA, Apogee Instruments PYR-PA5, Kipp & Zonen SP Lite, Skyeinstruments SKL 2650) messen die Bestrahlungsstärke mittels einer Silizium-Diode und besitzen daher auch eine bestimmte spektrale Empfindlichkeit, wie die Solarzellensensoren. Eine Webcam dient zur visuellen Überwachung. Mit dieser kann von überall direkt online der aktuelle Betriebszustand der Sensoren betrachtet werden. Außerdem speichert sie Bilder im 30-Minutentakt. FHM Abbildung 3.1: Bestrahlungsstärkesensoren im Round-Robin-Test, Aufbau im ISET Testfeld, [Pvt-08] Abbildung 3.2: Bestrahlungsstärkesensoren im Round-Robin-Test, Aufbau der FH München (FHM), FHM 3.2 Sensoren Die Sensoren, welche im Versuchsaufbau zum Einsatz kommen, sind in der Tabelle 3.1 aufgelistet. Einige Sensoren sind mit einem Signalverstärker ausgerüstet und haben als Ausgangssignale eine Spannung, die sich proportional zur Bestrahlungsstärke verhält (zum Beispiel 0-10V entspricht Wm -2 ). Der Sensor SP Lite von Kipp & Zonen liefert einen Strom (4-20mA) als Ausgang, welcher ebenfalls proportionales Verhalten zur Bestrahlungsstärke aufweist. In der rechten Spalte der Tabelle 3.1 ist aufgelistet, ob der Hersteller ein Kalibrierprotokoll mitgeliefert hat oder nicht. Bei einigen Kalibrierprotokollen ergaben sich allerdings folgende Unstimmigkeiten: nicht verständliches Prüfprotokoll, mit eingestelltem Kalibrierwert liefert der Sensor scheinbar falsche Ergebnisse, wenn davon ausgegangen wird, dass der Großteil der Ergebnisse von den anderen Sensoren sich in einem richtigen Bereich befindet oder die Temperatur des Sensors wird gemessen, es ist aber keine Formel vorhanden, welche eine Temperaturkompensation ermöglicht. Nachfragen bei den Herstellern blieben bis Redaktionsschluss zum Teil unbeantwortet.

9 Hersteller Bezeichnung Verstärker Technologie Kalibrierprotokoll mitgeliefert IKS ISETSensor mono nein monokristallines Si. ja IKS ISETSensor poly nein polykristallines Si. ja IKS ISETSensor EFG nein EFG ja IKS ISETSensor amorph nein amorphes Si ja IKS ISETSensor CdTe nein CdTe ja Mencke & Tegtmeyer Si-02-PT100-K nein monokristallines Si ja Mencke & Tegtmeyer Si-10TC-K ja monokristallines Si ja NES SOZ-03 nein monokristallines Si ja NES SOZ-03 ja monokristallines Si ja Tritec Spektron 100 nein monokristallines Si nein Tritec Spektron 300 ja monokristallines Si nein Solarc MacSolar Sensor ja monokristallines Si ja ESTI ESTI-Sensor nein monokristallines Si nein LI-COR LI-200SA ja Silizium Diode ja Apogee Instruments PYR-PA5 ja Silizium Diode ja Kipp & Zonen SP Lite ja Silizium Diode ja Skyeinstruments SKL 2650 ja Silizium Diode ja Kipp & Zonen CM 11 nein Thermosäule ja Tabelle 3.1: Im Testaufbau eingesetzte Sensoren 3.3 Messverfahren Die Daten der 18 Sensoren werden kontinuierlich gemessen. Um dynamische Vorgänge des Wetters gut und relativ genau zu erfassen, ist eine Abtastrate der Messwerte von 15 Sekunden gewählt worden. Mit einem Datenlogger wird die Messung realisiert. Anschließend werden die Messwerte auf einem Server in einer MySQL Datenbank gespeichert. Dies erfolgt in einem Zeitraster von zehn Minuten, was eine quasionline Auswertung ermöglicht. Die Auswertung Abbildung 3.3: Schematische erfolgt mit der Software Matlab der Firma Darstellung des Messaufbaus, The MathWorks. Die Abbildung 3.3 zeigt schematisch den Messaufbau. In der Datenbank sind die reinen Rohdaten gespeichert. Erst mit Matlab werden aus den Rohdaten mit entsprechenden Kalibrierwerten und eventueller Temperaturkompensation die Bestrahlungsstärken berechnet.

10 4. Erste Ergebnisse Eine vollständige Auswertung der gemessenen Daten soll einerseits zeigen, wie sich Sensoren verschiedener Technologien unter realen Wetterbedingungen verhalten, aber auch, ob sich Sensoren gleicher Technologie vergleichen lassen, bzw. die gleichen Ergebnisse liefern. Des Weiteren wird geprüft, welche Unterschiede sich hinsichtlich der Standorte ergeben. In der Abbildung 4.1 ist die mit verschiedenen Sensoren aus dem Round-Robin-Test gemessene Bestrahlungsstärke beispielhaft für einen ausgewählten Tag dargestellt. Deutliche Abweichungen sind zu erkennen. Der ausgewählte Tag ist teilweise sehr dynamisch. Abbildung 4.1: Grafische Darstellung ausgewählter Bestrahlungsstärkesensoren im Round-Robin-Test (Standort Kassel), In der Abbildung 4.2 sind die bisherigen Ergebnisse vom Standort Kassel dargestellt. Wobei im oberen Teil der Abbildung 4.2 die Energien vergleichend dargestellt sind und im unteren Teil die prozentualen Abweichungen in Bezug zu einem ausgewählten Sensor (Sensor Nr. 6). Da einige Sensoren nachts einen Offset aufweisen, wurde die Betrachtung zum Einen inkl. Nächte (Cyan) und zum Anderen exkl. Nächte (Magenta) vorgenommen. Bei dem Vergleich der verschiedenen Sensoren (siehe Abbildung 4.2) muss allerdings beachtet werden, dass hier auch verschiedene Technologien verglichen werden. Hierbei sind unterschiedliche Ergebnisse zwingend logisch. Anhand der Auswertungen kann festgestellt werden, dass die Energieerträge und die dazugehörigen prozentualen Abweichungen teilweise beträchtlich variieren. Bei einigen Sensoren bestehen beträchtliche Unterschiede zwischen den Auswertungen inkl. bzw. exkl. der Nächte. Da im realen Betrieb normalerweise keine anderen Sensoren als quasi Referenz aufgebaut sind, kann es bei einem Offset schwierig werden, zwischen Tag und Nacht zu unterscheiden. Es stellt sich hier die Frage: Wann hört die Nacht auf bzw. wann fängt die Nacht an? Bei der Ermittlung der Energie ü-

11 ber das ganze Jahr können in Abhängigkeit der Größe des Offsets entsprechend große Fehler entstehen. Die Reihenfolge der Sensoren in der Abbildung 4.2 wurde durch ein Zufallsprinzip verändert. Damit soll eine Zuordnung zu den Abbildungen 3.1 und 3.2 bzw. zur Tabelle 3.1 ohne fachlich belastbare Begründung gezielt verhindert werden. Da die Messkampagne erst seit in Betrieb ist, kann eine repräsentative Aussage zur Zeit noch nicht gemacht werden. Die Messung sollte für eine konkrete Aussage mindestens ein Jahr in Betrieb gewesen sein. Aus diesem Grund sollen die Ergebnisse der einzelnen Hersteller zunächst anonym bleiben. Des Weiteren werden die Ergebnisse vor einer vollständigen Veröffentlichung auf Wunsch mit den Herstellern diskutiert. Abbildung 4.2: Ergebnisse aller Sensoren inkl. und exkl. Nächte (Damit keine Zuordnung zu Herstellern möglich ist, wurde die Reihenfolge zu den Abbildungen 3.1 und 3.2 bzw. zur Tabelle 3.1 geändert), Resümee und Ausblick Bestrahlungsstärkemessungen mit einem Thermosäulen-Pyranometer sind für eine generelle Aussage über das solare Strahlungsangebot an einem Standort geeignet. Für ein präzises und zeitnahes Anlagenmonitorring einer PV-Anlage, sowie eine verlässliche Energieertragsprognose sind Bestrahlungsstärkesensoren erforderlich, wel-

12 che die spektrale Empfindlichkeit der jeweiligen PV-Technologie berücksichtigen. Der mechanische Aufbau [Geb-99], [Ges-99] und das Kalibrierverfahren des Sensors haben dabei einen wesentlichen Einfluss auf die Qualität der Bestrahlungsstärkemessung. Um die Qualität weiter zu steigern, kann ein Sensor zum Einsatz kommen, welcher sich noch näher an das Verhalten einer PV-Anlage anlehnt: Der ISETSensor mpp [Geb-04], [Glo-07]. Dieser misst die Bestrahlungsstärke im Punkt maximaler Leistung (MPP). Weitere Entwicklungen [Pat-06] gehen davon aus, dass der Modulhersteller ca. 1% seiner gesamten Modulcharge als modifizierte Sensor-Messmodule ausliefert. Damit stammt der Sensor (eine Zelle des Strings) aus der gleichen Zell- Charge und hat die gleiche Einbettung und Temperatur wie die restlichen Modulzellen. Eine elektronische Auswerteeinheit schickt die Messwerte zum Beispiel via Powerline an das Monitoringsystem. Insbesondere für große PV-Anlagen ist diese Lösung aus wirtschaftlicher Sicht sehr vorteilhaft. Quellennachweis [Geb-99] [Ges-99] [Ben-03] [Geb-04] [Got-04] [Pat-06] [Glo-07] [IEC-07] [Pvt-08] Gebrauchsmuster Nr vom , Strahlungssensor und Gehäuse zu dessen Herstellung Geschmacksmuster Nr vom , Strahlungssensor C. Bendel et al., Der Einfluss der spektral bewerteten Bestrahlungsstärkemessung auf die Energieertragsprognose garantierte Energieerträge, 18. Symposium photovoltaische Solarenergie, Bad Staffelstein, 2003 Gebrauchsmuster Nr vom , Bestrahlungsstärkemessvorrichtung R. Gottschalg et al., On the importance of considering the incident spectrum when measuring the outdoor performance of amorphous silicon photovoltaic devices, 2004 Patentanmeldung Nr. DE vom , Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung von Messwerten, die für die solare Bestrahlungsstärke am Ort eines PV-Generators charakteristisch sind T. Glotzbach et al., Untersuchungen von Bestrahlungsstärkesensoren, 22. Symposium photovoltaische Solarenergie, Bad Staffelstein, 2007 IEC , Part 3: Measurement principles for terrestrial photovoltaic (PV) solar devices with reference spectral irradiance data, 2007 ISET-Testfeld in Kassel,