Untersuchung zum Einfluss des Solarspektrums auf den Ertrag konzentrierender PV- Anlagen

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1 Soitec Solar GmbH Untersuchung zum Einfluss des Solarspektrums auf den Ertrag konzentrierender PV- Anlagen Abschlussbericht Projekt gefördert unter dem Aktenzeichen von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt von T. Gerstmaier 1, S. van Riesen 1, Andreas Gombert 1, T. Behrendt 2, E. Lorenz 2, M. Steiner 3, M. Schachtner 3, G. Siefer 3 1 Soitec Solar GmbH, Freiburg, 2 Carl von Ossietzky Universität Oldenburg, Institut für Physik, Oldenburg, 3 Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE, Freiburg Freiburg,

2 Kontaktdaten Projektleiter: Tobias Gerstmaier Soitec Solar GmbH Bötzinger Str Freiburg Telefon: Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 2 von 59

3 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Ergebnisse der Arbeitspakete AP1: Projektleitung, Abschlussbericht AP2: Auswertung bestehender Ergebnisse AP3: Bau neuer Testmodule AP4: Bau von Komponentenzellen AP5: Aufbau und Installation des Spektralmesssysteme Auslegung, Fertigung und Montage des Kollimatorrohres Auslegung, Fertigung und Montage des Halterungsadapters und des Schaltschranks Installation der Messsysteme vor Ort AP6: Kalibrierung der Spektroradiometer Kalibrierung Reproduzierbarkeit Einfluss der Temperatur Wellenlängenkalibrierung Winkelabhängigkeit Linearität AP7: Wartung / Reinigung der Spektralmesssysteme AP8: Definition Spektralparameter Nomenklatur Definition der Spektralparameter Verhältnis von Ober- zu Mittelzellstrom Spectral Matching Ratio Spektralparameter Z Vergleich der Spektralparameter Herleitung / Berechnung Abstraktheit Darstellbarkeit / Symmetrie Zusammenfassung AP 9: Entwicklung der Auswerteroutinen AP 1: Modellbildung Systemperformanz AP 11: Sensitivitätsanalyse Spektralmodell AP12: Erweiterung des Spektralmodells Untersuchung der Datenqualität Aerosol-optische Dicke (AOD) Wasserdampfgehalt (PWV) Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 3 von 59

4 Untersuchung der SOLIS-DNI in Abhängigkeit von verschiedenen Eingangsdaten AP13: Validierung des Spektralmodells AP14: Berechnung von Zeitreihen mit dem Spektralmodell AP15: Validierung von Systemoptimierungen Ertragssteigerung durch Variation der J-Ratio Vergleich des mittleren, energetisch gewichteten Spektrums Vergleich von Messmethoden zur spektralen Standortcharakterisierung Ökologische Ergebnisbewertung Technologische Ergebnisbewertung Ökonomische Ergebnisbewertung Maßnahmen zur Ergebnisverbreitung Fazit Anhänge Anhang A: Konferenzbeitrag Spectrally resolved DNI measurements: Results of a field comparison of spectroradiometers, component cells and the SOLIS satellite model Anhang B: Detaillierte Ergebnisse aus AP Anhang C: Detaillierte Ergebnisse aus AP 11 bis AP Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 4 von 59

5 1 Einleitung Der Solarenergie und insbesondere der Photovoltaik kommt in fast allen Szenarien zur zukünftigen Energieversorgung große Bedeutung zu. Durch Materialeinsparung und Wirkungsgraderhöhung konnte in den letzten Jahren der Energie- und Kostenaufwand zur Herstellung von Solarstrom erheblich gesenkt werden. Die konzentrierende Photovoltaik (CPV) kombiniert beide Ansätze und kann daher den Übergang von einer fossilen zu einer regenerative Energieversorgung beschleunigen. Im Vergleich zu anderen Photovoltaiktechnologien weist die konzentrierende Photovoltaik eine besonders geringe Energierückzahlzeit aus, also eine schnelle Amortisation hinsichtlich der investierten und der erzeugten Energie. Daher hat die konzentrierende Photovoltaik besonders großes Potential zur Reduzierung klimaschädlicher Gase und zur Verminderung des Verbrauchs an fossilen Energieträgern. Dennoch sind weitere Anstrengungen nötig, um die Kosten von Solarstrom und die Energierückzahlzeit von CPV-Kraftwerken weiter zu reduzieren. CPV-Anlagen bündeln das Sonnenlicht auf hocheffiziente Mehrfachsolarzellen mit Wirkungsgraden > 35%. Seit Inbetriebnahme der ersten CPV-Systeme wird eine Abhängigkeit des Wirkungsgrades von der spektralen Zusammensetzung des Sonnenlichts beobachtet. Der Grund für diese Abhängigkeit liegt im Aufbau der verwendeten Solarzellen. Diese bestehen aus mehreren elektrisch in Serie geschalteten Teilzellen, die für verschiedene Spektralbereiche empfindlich sind. Die Teilzelle, die den geringsten elektrischen Strom produziert, limitiert den Strom der gesamten Mehrfachzelle. Bei der Auslegung der Solarzellen und der CPV-Module wird ein Normspektrum zu Grunde gelegt, bei dem die Ströme der Teilzellen optimal aufeinander abgestimmt sind. Weicht das tatsächliche Sonnenspektrum von diesem Normspektrum ab, liegt der Gesamtstrom unterhalb des Optimums. Die Kenntnis der Zusammenhänge zwischen der Moduleffizienz und dem Sonnenspektrum ist daher entscheidend für weitere Ertragssteigerungen. In diesem Projekt sollen verschiedene Methoden zur Durchführung spektraler Direktstrahlungsmessungen verglichen und mehrmonatige Messungen an verschiedenen Standorten durchgeführt werden. Die durch eine Veränderung der spektralen Empfindlichkeit der Solarzellen erreichbare Ertragssteigerung soll mit Hilfe von Testmodulen quantifiziert werden. Da bodengestützte Messungen des Direktstrahlungsspektrums nur sehr aufwändig zu erreichen sind, wird ein Verfahren zur Berechnung von spektral aufgelöster Direktstrahlung auf Basis von Satellitendaten weiterentwickelt. Darüber hinaus soll die Berechenbarkeit von Energieerträgen durch neue Ertragsmodelle verbessert werden, um die kommerzielle Verbreitung der konzentrierenden Photovoltaik zu erleichtern und eine weitere Umweltentlastung durch einen erhöhten regenerativen Stromanteil zu erreichen. Das Projekt hat demnach das Ziel, den Einfluss des Solarspektrums auf den Ertrag konzentrierender PV-Anlagen besser zu verstehen und hierdurch den Ertrag und die Verbreitung dieser regenerativen Stromerzeugungstechnologie zu erhöhen. Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 5 von 59

6 2 Ergebnisse der Arbeitspakete 2.1 AP1: Projektleitung, Abschlussbericht Im Rahmen dieses Arbeitspakets wurden die Arbeiten der Soitec Solar GmbH sowie der beiden Unterauftragnehmer (Carl von Ossietzky Universität Oldenburg, Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE Freiburg) koordiniert. Neben dem vorliegenden Projektabschlussbericht wurde eine Veröffentlichung mit dem Titel Spectrally resolved DNI measurements: Results of a field comparison of spectroradiometers, component cells and the SOLIS satellite model erstellt. Diese Veröffentlichung wurde im April 212 als Konferenzbeitrag (Vortrag und Paper) auf der Konferenz CPV-8 (8th International Conference on Concentrating Photovoltaic Systems, Toledo) vorgestellt und wird im September 212 als Poster auf der Konferenz 27th EU PVSEC (European Photovoltaic Solar Energy Conference, Frankfurt) als Poster gezeigt. 2.2 AP2: Auswertung bestehender Ergebnisse Die Auswertung bestehender Messdaten in Abbildung 1 zeigt, dass der hauptsächlich durch die Änderung des Spektrums bedingte Wirkungsgradeinbruch bei einem System der ersten Generation bis zu 8.3% (relativ) betrug. Ein besseres Verständnis der Hintergründe, eine bessere Bezifferung und letztlich eine Reduzierung der spektralen Verluste haben, wie in Abschnitt 2.3 (AP3: Bau neuer Testmodule) gezeigt wird, das Potential, die jährliche Energieausbeute eines CPV- Kraftwerks um mehrere Prozent steigern. Abbildung 1: Tagesverlauf des Wirkungsgrades eines Soitec-Konzentratorsystems der ersten Generation, gemessen am in Sevilla, Spanien. Die bestehenden Messergebnisse zeigen, wie in Abbildung 2 dargestellt, dass sich die spektrale Zusammensetzung der Direktstrahlung im Tagesverlauf deutlich ändert. Aus Abbildung 3 wird ersichtlich, dass sich ähnliche Schwankungen auch im Jahresverlauf ergeben. Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 6 von 59

7 Spectral irradiance [W/m² µm] August 17 th 28 6:5 UTC 8:1 UTC 9:5 UTC 11:3 UTC 14:5 UTC Wavelength [nm] Abbildung 2: Einzelmessungen des DNI-Spektrums durchgeführt in Sevilla. Der Grund liegt einerseits im schwankenden Aerosol- und Wasserdampfgehalt der Atmosphäre, andererseits an der sich ständig ändernden Air Mass. Mit Air Mass wird die zwischen der atmosphärischen Grenzschicht und der Erdoberfläche befindliche Luftschicht bezeichnet. Je niedriger der Sonnenstand, also der Elevationswinkel der Sonne, desto dicker ist diese Luftschicht. Kurzwelliges, vereinfacht als blau bezeichnetes Licht wird stärker gestreut als langwelliges rotes Licht. Daraus folgt eine Rot- Verschiebung des Spektrums in den Zeiten mit niedrigerem Sonnenstand. Bezogen auf des Tagesgang bedeutet dies, dass Morgenspektren einen höheren Rot-Anteil als Mittagsspektren aufweisen. Im Jahresgang sind entsprechend Winterspektren rot-lastiger als Sommerspektren. 18 Energetisch gewichtete Monatsspektren 16 Spektrale Bestrahlungsstärke (normiert) E ν [W/m² µm] _norm 1-28_norm _norm 8-28_norm _norm 6-28_norm 5-28_norm 2 AM1,5-direkt Flächen normiert auf 1,5-Normspektrum Wellenlänge λ [nm] Abbildung 3: Monatliche energetisch gewichtete Direktstrahlungsspektren aus Sevilla. Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 7 von 59

8 In Abbildung 4 wird ersichtlich, dass weder ein typische Sommerspektrum (blau) noch ein typisches Winterspektrum (rot) mit dem ASTM G173-3-Referenzspektrum, bezeichnet als AM 1,5-direkt, übereinstimmen. Dieses Referenzspektrum wird bei der Herstellung von Mehrfachsolarzellen als Betriebsspektrum zugrunde gelegt. Die Messdaten bestätigen die Erwartung, dass im Sommer der Blau- und im Winter der Rotanteil im Spektrum überwiegt. 18 Spektren bei DNI max Spektrale Bestrahlungsstärke E ν [W/m² µm] AM1,5-direkt :5 Uhr :3 Uhr Wellenlänge λ [nm] Abbildung 4: DNI-Spektren gemessen zum Zeitpunkt maximaler DNI an einem Sommertag (blau) und an einem Wintertag (rot). Am Standort Sevilla wurden somit wertvolle Erkenntnisse gewonnen. Da die CPV- Technologie in vielen Sonnenregionen der Erde eingesetzt wird, wurde der Bedarf nach weiteren Untersuchungen zur Übertragbarkeit der Ergebnisse schnell offensichtlich. Zudem stellte sich die Frage, ob die spektrale Zusammensetzung der Direktstrahlung, die aufgrund des starken Einflusses auf den Ertrag der CPV-Systeme von hohem Interesse ist, auch durch einfachere Methoden als den Einsatz relativ kostspieliger und aufwändiger Spektroradiometer erfasst werden konnte. Diese Fragestellungen gaben den Ausschlag zum vorliegenden Projekt und werden in den nachfolgenden Arbeitspaketen näher beleuchtet. Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 8 von 59

9 2.3 AP3: Bau neuer Testmodule Wie durch die Auswertung bestehender Ergebnisse ersichtlich wurde, lagen die spektralen Verluste beim System der ersten Generation bei mehreren Prozent. Eine Steigerung des Energiewirkungsgrades hat das Potential, die Stromgestehungskosten zu verringern, sofern sie nicht in gleichem Maße erhöhte Herstellungskosten verursacht. Da sich die spektrale Solarzellencharakteristik in einem gewissen Bereich fast kostenneutral verändern lässt, wurde im Rahmen dieses Projekts untersucht, ob sich die spektralen Verluste durch solche Anpassungen verringern lassen. Ein Maß für die spektrale Anpassung einer Solarzelle ist die sogenannte J-Ratio. Hierunter versteht man das Verhältnis der Ströme, die von der Top- und Middlezelle unter dem ASTM G173-3-Referenzspektrum geliefert werden. Der Wirkungsgrad einer Mehrfachsolarzelle und damit auch eines CPV-Systems ist dann maximal, wenn diese Ströme gleich groß sind, da ansonsten der niedrigere Teilzellenstrom den Strom der gesamten Zelle beschränkt. Während des Herstellungsprozesses der Mehrfachsolarzellen kann die J-Ratio unter anderem durch die Variation der Schichtdicke der Topzelle beeinflusst werden. Die J-Ratio drückt aus, bei welcher Rot- oder Blaulastigkeit des Spektrums im Vergleich zum ASTM G173-3-Referenzspektrum sich diese Stromanpassung einstellt: J-Ratio J-Ratio = 1 J-Ratio > 1 J-Ratio < 1 Beziehung zwischen den Teilzellenströmen unter dem ASTM G Referenzspektrum Topzellenstrom = Middlezellenstrom Topzellenstrom > Middlezellenstrom Topzellenstrom < Middlezellenstrom Folgerung für die Stromanpassung Stromanpassung beim ASTM G Referenzspektrum Stromanpassung bei Spektren, die zum ASTM G173-3-Referenzspektrum rotverschoben sind Stromanpassung bei Spektren, die zum ASTM G173-3-Referenzspektrum blauverschoben sind Tabelle 1: Zusammenhang zwischen J-Ratio, Teilzellenströme und Stromanpassung Um die Auswirkungen verschiedener J-Ratios auf die spektralen Verluste zu untersuchen, wurden vier verschiedene Testmodule gebaut. Jedes Modul weist Zellen einer J-Ratio-Klasse auf. Es wurden die vier J-Ratio-Klassen A, B, C und D verglichen. Die Testmodule wurden auf einem Testtracker am Standort Sevilla montiert. Über die Sommermonate des Jahres 21 wurde alle fünf Minuten eine Strom- Spannungskennlinie jedes Moduls aufgenommen. Zeitgleich wurden alle relevanten meteorologischen Parameter einschließlich des DNI-Spektrums gemessen. In Abbildung 5 ist ersichtlich, dass der Wirkungsgradeinbruch im Tagesverlauf deutlich von der J-Ratio-Klasse abhängt. So verringert sich der Wirkungsgrad der J-Ratio-Klasse A relativ um rund 4.3%, während er sich bei Klasse C nur um 1.7% verringert. Eine ausführliche Auswertung der Messergebnisse ist im Abschnitt ( Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 9 von 59

10 AP15: Validierung von Systemoptimierungen) zu finden..9 Vergleichstag Nummer 4.8 Isc (DNI scaled) J-Ratio A J-Ratio B J-Ratio C J-Ratio D.4 : 6: 12: 18: : Zeit Abbildung 5: Wirkungsgradverlauf (dargestellt durch das Verhältnis aus Kurzschlussstrom und DNI) am Vergleichstag Nummer 4 von Module der vier verschiedenen J-Ratio-Klassen, gemessen im Sommer 21 in Sevilla. 2.4 AP4: Bau von Komponentenzellen Komponentenzellen dienen wie Spektroradiometer zur Messung der spektralen Zusammensetzung des Sonnenlichts. Aufgrund von zwei Vorteilen gegenüber Spektroradiometern wurden sie im Rahmen dieses Projekts evaluiert: 1. Einfacherer Messaufbau: Jede der drei Komponentenzellen erzeugt ein analoges Spannungssignal, welches mit relativ geringem Aufwand präzise gemessen werden kann. Ein Spektroradiometer ist komplexer und anfälliger und benötigt eine Ansteuerung per Mikrocontroller. 2. Geringere Kosten: Die Kosten für einen typischen Messaufbau aus drei Komponentenzellen (im Projekt eingesetzt: BPI-IT von Black Photon Instruments) betragen rund 5% der Kosten eines typischen Spektroradiometers (im Projekt eingesetzt: MS-7 von EKO Instruments). Der offensichtliche Nachteil eines Komponentenzellenaufbaus ist die Beschränkung auf drei Spektralkanäle, deren Lage und Empfindlichkeit durch die spektralen Empfindlichkeiten der eingesetzten Top-, Middle- und Bottomzellen gegeben ist und welche in Abbildung 6 gezeigt wird. Ein typisches Spektroradiometer liefert hingegen Intensitätswerte für mehrere Dutzend (EKO MS-7: 256) verschiedene Kanäle. Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 1 von 59

11 Abbildung 6: Quanteneffizienz der in den Komponentenzellensensoren eingesetzten Top-Zelle (blau), Middle-Zelle (grün) und Bottom-Zelle (rot). Dieser Nachteil macht sich im speziellen Anwendungsfall der Charakterisierung eines Konzentratorphotovoltaiksystems jedoch kaum bemerkbar: Die in der Konzentratorphotovoltaik eingesetzten Mehrfachsolarzellen entsprechen in ihren spektralen Empfindlichkeiten recht genau den drei Komponentenzellen. Allgemeiner formuliert: Die Kanäle des Messgerätes (Set aus drei Komponentenzellen) sind sehr gut auf das Messobjekt abgestimmt (Solarzelle / -modul), dessen spektrales Verhalten charakterisiert werden soll. Die drei Stück im Rahmen dieses Projektes eingesetzten Sets aus je drei Komponentenzellen wurden in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer ISE durch Black Photon Instruments GmbH hergestellt. In Abbildung 7 ist ein Set aus drei Komponentenzellen mit den dazugehörigen Kollimatorrohren abgebildet, welche zur Beschränkung des Sichtfeldes auf den die Sonne unmittelbar umgebenden Himmelsbereich aufgeschraubt werden können. Eine technische Beschreibung der Sensoren ist auch im Abschnitt 8.1 zu finden. Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 11 von 59

12 Abbildung 7: Die linke Abbildung zeigt drei Komponentenzellen in ihrem wasserdichten Gehäuse. Auf diese Gehäuse können zur Beschränkung des Sichtfeldes auf den die Sonne unmittelbar umgebenden Himmelsbereich Kollimatorrohre aufgeschraubt werden. Rechts sind die Zellen mit aufgesetzen Kollimatorrohren abgebildet. 2.5 AP5: Aufbau und Installation des Spektralmesssysteme Zur Quantifizierung des Einflusses des Solarspektrums muss dieses erst gemessenen werden. Mit Spektroradiometern und den im vorangegangenen Abschnitt beschriebenen Komponentenzellen werden hierfür zwei Vor-Ort-Messmethoden verglichen. Zudem kommt eine Fernerkundungsmethode mittels Satellitenmessung und nachgeschaltetem Computermodell, dem SOLIS-Modell der Universität Oldenburg zum Einsatz. Für die Vor-Ort-Messungen wurden die Standorte Sevilla (Spanien), Touwsrivier (Südafrika), Questa (NM, USA) und Muscat (Oman) aufgrund der bereits vorhandenen zweiachsigen Nachführeinheiten ( Tracker ) vom Typ Soitec CX-T1 ausgewählt. Diese Tracker werden auch in kommerziellen Solarkraftwerken von Soitec eingesetzt und dienen der Nachführung der Konzentratormodule. Der Aufbau und die Installation des Spektralmesssysteme umfasste folgende Schritte: Auslegung, Fertigung und Montage des Kollimatorrohres zur Einschränkung des Öffnungswinkels der Spektroradiometer (Umrüstung von Global- auf Direktstrahlungsmessung) Auslegung, Fertigung und Montage eines Halterungsadapters und eines Schaltschranks für die Steuerelektronik Kalibration der Komponentenzellen (durch den Hersteller) und der Spektroradiometer (siehe AP6: Kalibrierung der Spektroradiometer) Installation der Messsysteme vor Ort Auslegung, Fertigung und Montage des Kollimatorrohres Spektroradiometer zur Messung des Direktstrahlungsspektrums sind kommerziell erst seit 211 erhältlich, da der Hersteller EKO Instruments nach Anregung durch Soitec einen entsprechenden Aufsatz zur Winkeleinschränkung für seine Messgeräte entwickelt hat. Im Rahmen dieses Projekts wurde jedoch ein von Soitec selbst entworfener Kolli- Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 12 von 59

13 mator gefertigt und eingesetzt, um die Vergleichbarkeit mit einem bereits im Jahr 28 in Sevilla installierten Messsystem zu gewährleisten. Das Spektroradiometer vom Typ EKO MS-7 hat ab Werk einen Öffnungswinkel von ± 9, welcher vor Messbeginn an die Öffnungscharakteristik typischer Direktstrahlungssensoren nach ISO-Norm 96:199 von ± 5 angepasst werden muss. Der Detektor besitzt eine gewisse Ausdehnung und ist nicht ideal punktförmig. Wie in Abbildung 8 gezeigt, fällt daher das Sensorsignal bei Eintrittwinkeln größer als 5 nicht abrupt auf Null ab, sondern geht über einen Winkelbereich von 1.5 (sogenannter Slope- Winkel) auf Null zurück. Wie Abbildung 9 entnommen werden kann, stellt der Slope- Winkel von 1.5 einen Kompromiss zwischen der Zielgröße 1., welche Direktstrahlungssensoren nach ISO 96:199 aufweisen, und dem mechanisch Machbaren dar. Abbildung 8: Signal eines ausgedehnten Detektors unter verschiedenen Einfallswinkeln. Der Winkel zwischen (volles Sensorsignal) und (Grenzwinkel, Sensorsignal = ) wird als Slope-Winkel bezeichnet, da das Signal in diesem Bereich auf Null abfällt. Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 13 von 59

14 Abbildung 9: Der Verlauf des Slope-Winkels (blau) und des entsprechend nötigen Blendenradius (grün) werden in Abhängigkeit von der Kollimatorlänge L gezeigt. Nicht jede Kombination ist realisierbar, da die mechanische Stabilität des Kollimators gewährleistet sein muss. Die resultierenden Dimensionen sind in Abbildung 1 zu sehen. Basierend auf dieser Skizze wurde für jedes der drei Spektroradiometer ein Kollimatorrohr aus Aluminium gefertigt und mit schwarzem Lack des Typs Dupli-Color Deco Line matt lackiert, dessen Reflexionsgrad über den Wellenlängenbereich von 2 nm bis 18 nm ausreichend gleichmäßig bei 4 5% liegt, wie aus Messungen des Fraunhofer ISE bekannt ist. Abbildung 1: Skizze als Vorlage zur Fertigung des Kollimators aus einem Aluminiumrohr und Aluminiumdrehteilen Auslegung, Fertigung und Montage des Halterungsadapters und des Schaltschranks Abbildung 11 zeigt schematisch den Aufbau des Messsystems, das für jeden der drei Standorte angefertigt wurde. Da an den bestehenden Trackern keine Konzentratormo- Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 14 von 59

15 dule entfernt werden konnte, wurde eine Montageplatte als seitlicher Ausleger entworfen und gefertigt, auf welchem je ein Spektroradiometer sowie ein Set aus drei Komponentenzellensensoren Platz finden. Zur späteren Nachrüstung mit weiteren Sensoren, beispielsweise zur Messung der Zirkumsolarstrahlung, ist ein freier Messplatz vorgesehen. Die Ansteuerelektronik befindet sich ein einem Schaltschrank, der am Mast des Trackers befestigt wird (vgl. Abbildung 12 links). In diesem Schaltschrank befindet sich das Steuergerät des Spektroradiometers mit zugehörigem RS232-to-Ethernet- Konverter, pro Komponentenzelle ein Messverstärker vom Typ Wago Jumpflex 857 mit A/D-Konverter sowie weitere Schaltschrankkomponenten zur Stromversorgung und Absicherung. Das Auslesen und Speichern der Messwerte findet mit einem an jedem Standort bereits zur Ansteuerung der Tracker vorhandenen Linuxserver statt. Abbildung 11: Schematischer Messaufbau. Rechts ist die Montageplatte zu sehen, mit deren Hilfe das Spektroradiometer und die Komponentenzellen auf dem Tracker in einer Ebene mit den Konzentratormodulen befestigt wurden. Links sind die nötigen Ansteuergeräte, Vorverstärker und Datenlogger zu sehen, welche in einem Schaltschrank am Mast des Trackers untergebracht wurden. Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 15 von 59

16 Abbildung 12: Fotografie des in Abbildung 11 schematisch gezeigten Messsystems Installation der Messsysteme vor Ort Die Vor-Ort-Installation umfasste die Montage des Auslegers am Tracker sowie des Schaltschranks am Mast des Trackers und die anschließende Verkabelung. In Abbildung 13 ist die Position beider Elemente nach Abschluss der Installationsarbeiten am Standort Muscat, Oman, zu sehen. Abbildung 13: Tracker am Standort Muscat, Oman, mit montiertem Spektralmesssystem und montiertem Schaltschrank für die Steuerelektronik. Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 16 von 59

17 2.6 AP6: Kalibrierung der Spektroradiometer Zur Charakterisierung der im Projekt verwendeten drei Stück Spektralradiometer EKO MS-7 wird, wie in Abbildung 14 gezeigt, ein spezieller Messaufbau benötigt. Aus diesem Grund wurde das Fraunhofer Institut für Solar Energiesysteme ISE mit der Kalibrierung aller drei Spektroradiometer beauftragt. An einem der drei Geräte wurden zusätzliche Eigenschaften untersucht, woraus sich folgendes Messprogramm ergab: Kalibrierung von 3 Spektralradiometern Reproduzierbarkeit (an einem Gerät) Einfluss der Temperatur (an einem Gerät) Wellenlängenüberprüfung (an einem Gerät) Winkelakzeptanz (an einem Gerät) Linearität durch Superposition (an einem Gerät) Das Fraunhofer ISE kam zu folgenden Erkenntnissen: Das von Soitec zur Verfügung gestellte EKO MS-7 Spektralradiometer scheint nach Neukalibrierung geeignet zu sein für die Messung von spektralen Verteilungen von sonnenähnlichem Licht. Die Untersuchungen zur Reproduzierbarkeit, Temperatureinfluss, Überprüfung der Wellenlängengenauigkeit, Abhängigkeit vom Einfallswinkel des Lichts und Überprüfung der Linearität des Detektors ergaben alle zufriedenstellende bis gute Ergebnisse. Die vorliegenden Ergebnisse lassen jedoch keine Aussage über eine Langzeitstabilität der Messwerte zu, daher wird empfohlen zumindest die Kalibrierung des Gerätes nach ca. sechs Monaten zu wiederholen, bzw. zu überprüfen. Vereinzelnd treten bei einigen Pixels Abweichungen auf, deren Ursache nicht eindeutig geklärt werden konnte. Vor allem der Wellenlängenbereich um 935 nm sollte im Langzeit-Outdoor-Einsatz noch einmal genauer betrachtet werden. Abbildung 14: Versuchsaufbau zur Linearitätsuntersuchung mittels Superposition von zwei Lampen. Das Spektralradiometer ist in der Halterung für die winkelabhängige Messung ohne Kollimatorrohr eingespannt. Alle in diesem Arbeitspaket (mit Ausnahme der Messungen am Sonnensimulator) durchgeführten Experimente wurden in dem oben gezeigten Raum durchgeführt. Dieser ist komplett abgedunkelt und geschwärzt. Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 17 von 59

18 2.6.1 Kalibrierung Es wurden drei Spektralradiometer des Typ EKO MS-7 kalibriert. Die Messungen erfolgten mit der Kalibrierlampe SYL317 des ISE CalLab und mit montiertem Kollimatorrohr. Die Werkskalibrierung von EKO liefert bei der Messung der SYL317 bei einigen Wellenlängen systematische Abweichungen von bis zu 3 %. Durch die neue, am Fraunhofer ISE durchgeführte Kalibrierung konnten entsprechende Korrekturfunktionen für ein jeweiliges Spektralradiometer bestimmt werden. Anschließend wurde eine neue Messung mit der Korrekturfunktion durchgeführt und mit den Kalibrierdaten verglichen. Abbildung 15 zeigt die Ergebnisse der Kalibrierung. spektrale Bestrahlungsstärke [a.u.] Kalibrierlampe Syl317 MS7 mit Werkskalibrierung MS7 mit ISE Kalibrierung ISE Kalibrierung / Syl Messung / Syl317Orginaldaten Wellenlänge [nm].98 Abbildung 15: Im Graph sind die Messung mit Werkskalibrierung, die Kalibrierdaten der Kalibrierlampe und eine korrigierte Messung eingetragen. Zusätzlich ist der relative Vergleich zwischen dem Kalibrierdatensatz und der korrigierten Messung eingetragen. Zwischen 45 nm und 95 nm liegen die Abweichungen zwischen Messung mit ISE- Kalibrierung und den Kalibrierdaten der Kalibrierlampe unter.5 %. Diese Abweichungen liegen im Rahmen der Messgenauigkeit und sind daher als gut zu bewerten. Der Abstand zwischen Spektroradiometer und Kalibrierlampe weicht wegen des Kollimatorrohres von dem von der PTB vorgegebenen Abstand ab. Daher sind die Ergebnisse relativ und nicht absolut zu verstehen. Die Messung mit der Werkskalibrierung wurde entsprechend auf die Kalibrierlampendaten skaliert. Alle drei Geräte wurden auf diese Weise mit der Kalibrierlampe Syl317 kalibriert. Alle folgenden Untersuchungen wurden exemplarisch an einem Spektralradiometer durchgeführt. Um die Auswirkung der Kalibrierung an einem sonnenähnlichen Spektrum zu quantifizieren wurde ein Sonnensimulatorspektrum mit dem EKO MS-7 gemessen. In Abbildung 16 sind unterschiedliche Messungen der spektralen Verteilung des Sonnensimulators dargestellt. Dabei wurde mit dem EKO MS-7 jeweils eine Messung mit der Werkskalibrierung und eine Messung mit der ISE-Kalibrierung durchgeführt. Zum Vergleich wurde das Simulatorspektrum mit dem auf einem Diodenarray basierenden Spektralradiomter PDA3 des ISE CalLab vermessen diese Messung dient als Referenz. Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 18 von 59

19 spektrale Bestrahlungsstärke [a.u.] EKO MS7 Werkskalibrierung EKO MS7 ISE Kalibrierung ISE CalLab Spektralradiometer Wellenlänge [nm] Abbildung 16: flächennormierte Spektren eines Sonnensimulators des ISE CalLab gemessen mit einem EKO MS-7 mit der Werkskalibrierung und der ISE-Kalibrierung. Zusätzlich ist in der Graphik noch das mit dem PDA3 1 - Spektralradiometer des ISE CalLab gemessene Simulatorspektrum eingetragen. Die Auflösung des EKO MS-7 unterscheidet sich von der Auflösung des PDA3 Spektralradiometer. Mit dem EKO MS-7 können daher die Xenonspitzen nicht aufgelöst werden. Dies erschwert die Vergleichbarkeit. Beim Vergleich zwischen Werkskalibrierung und ISE-Kalibrierung fällt der in Abbildung 15 auffällige Bereich (ca. 7 bis 1 nm) in den Wellenlängenbereich der Xenonspizen, wodurch der Unterschied kaum zu erkennen ist. Im Verlauf des Spektrums treten sonst keine größeren Abweichungen durch z.b. Nichtlinearitäten oder große Wellenlängenfehler auf. 1 Photo Dioden Array Spektralradiometer mit 3 Kassetten Standardspektralradiometer des ISE CalLab Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 19 von 59

20 2.6.2 Reproduzierbarkeit Für die Reproduzierbarkeitsstudie und zur Untersuchung von Sensordrifts wurden mehrmals Spektren einer Kalibrierlampe über einen Zeitraum von 8 Minuten aufgenommen, siehe Abbildung 17. Messung X / Messung nach 1 min nach 5 min nach 15 min nach 25 min nach 3 min nach 4 min nach 8 min Wellenlänge [nm] Abbildung 17: Relativer Vergleich zwischen unterschiedlichen Messungen, die über einen Zeitraum von 8 Minuten aufgenommen wurden. Die Reproduzierbarkeit liegt im Wellenlängenintervall 45 nm 95 nm unter.3 % und ist somit sehr gut. Auch zeitliche Sensordrifts sind nicht zu erkennen Einfluss der Temperatur Um den Einfluss der Spektralradiometertemperatur auf die Messungen zu untersuchen, wurden sowohl temperaturabhängige Dunkelmessungen als auch temperaturabhängige Hellmessungen durchgeführt. Abbildung 18 zeigt Dunkelmessungen, Abbildung 19 zeigt Hellmessungen jeweils bei unterschiedlichen Temperaturen. Der Sensor des EKO MS-7 wird laut EKO aktiv über ein Peltierelement temperaturstabil gehalten. Bei der vorhandenen Software erfolgt vor jeder Hellmessung eine Dunkelmessung. Das Spektralradiometer wurde mittels Heißluftgebläse erwärmt und die Temperatur mit einem Temperatursensor gemessen. Für 42 C ergab sich eine stärkere absolute Abweichung, die aber im relativen Verlauf den anderen Messung folgt. Das Pixel bei einer Wellenlänge von ca. 87 nm zeigt Abweichungen bis zu 6%. Die Ursache für diese Abweichungen konnte nicht genauer festgestellt werden. Insgesamt können die Ergebnisse jedoch als gut bewertet werden. Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 2 von 59

21 C 32 C 35 C 38 C 42 C.4 Signal [a.u.] Wellenlänge [nm] Abbildung 18: Dunkelmessungen mit dem EKO MS-7 bei unterschiedlichen Temperaturen. spektrale Bestrahlungstärke [W/(m²µm)] C 32 C 42 C Wellenlänge [nm] 42 C / 27 C 32 C / 27 C Signal x C / Signal 27 C Wellenlängenkalibrierung Abbildung 19: Hellmessungen eines Sonnensimulators mit dem EKO MS-7 bei unterschiedlichen Temperaturen. Zusätzlich ist die relative Änderung des Spektrums für zwei unterschiedliche Temperaturen eingetragen. Zur Überprüfung der Wellenlängenkalibrierung des Spektralradiometers wurden Spektren von PenRay-Linienstrahlern mit dem EKO MS-7 aufgenommen. Die Peaks der resultierenden Spektren wurden gaußförmig angefittet und mit Literaturwerten verglichen siehe Abbildung 2 und Abbildung 21. Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 21 von 59

22 Xenon 22 C Quecksilber 22 C Neon 23 C Neon 26 C Neon 37 C Neon 47 C Signal [a.u.] Wellenlänge [nm] Abbildung 2: Spektrum der PenRay-Linienstrahler, gemessen mit einem EKO MS-7 Spektralradiometer. Das Spektrum des Neonstrahlers wurde bei unterschiedlichen Spektralradiometergehäusetemperaturen aufgenommen. 8 7 Signal [a.u.] Gaussfit : xc ± w ± A ± Wellenlänge [nm] Abbildung 21: Datenausschnitt aus einer Messung und dazugehöriger Gaußfit. Zusätzlich wurde dieses Experiment bei unterschiedlichen Spektralradiometertemperaturen wiederholt. Hierzu wurde das Spektralradiometer mittels eines Heißluftgebläses erwärmt und die Temperatur mit einem Temperatursensor gemessen. Diese Werte sind zusätzlich in Abbildung 2 eingetragen. Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 22 von 59

23 .4.2 Wellenlänge [nm] Wellenlänge [nm] Abbildung 22: mit dem Spektralradiometer EKO MS-7 gemessene Wellenlängen der PenRay-Linienstrahler (bestimmt durch einen Gaußfit) mit der dazugehörigen Abweichung vom Literaturwert. Die Linienbreite der PenRay-Linienstrahler liegt unter 1nm. Somit kann aus Abbildung 21 das Auflösungsvermögen des Spektralradiometers abgeschätzt werden. Abbildung 22 zeigt die Abweichung der Messung vom jeweiligen Literaturwert. Die festegestellten Abweichungen sind kleiner als ±.5 nm und sind daher in Anbetracht der spektralen Auflösung des Spektralradiometers als vernachlässigbar zu bewerten. Eine Verschiebung der Wellenlänge durch Temperatureinflüsse ist im Bereich des Auflösungsvermögens des Spektralradiometers nicht zu beobachten Winkelabhängigkeit Für die Untersuchung der Winkelabhängigkeit wurde eine Halterung entworfen, mit der das Spektralradiometer zur optischen Achse hin verkippt werden kann. Die optische Achse wird hierbei durch die Einkoppelungsoptik und die Kalibrierlampe gebildet. Die Drehachse hingegen läuft senkrecht zur optischen Achse durch die Einkoppelungsoptik des EKO MS7. Im 9 -Fall ist die Flächennormalen der Bodenplatte des Spektralradiometers gleich der optischen Achse. Das Spektralradiometer wurde ohne Kollimatorrohr in 1 Schritten verkippt und anschließend jeweils das Spektrum der Kalibrierlampe aufgenommen. In Abbildung 23 sind die relativen Änderungen des spektralen Verlaufes in Abhängigkeit des Verkippungswinkels dargestellt. Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 23 von 59

24 Norm(Messung xx /Messung 9 ) 7nm bedeutet senkrechte Einfall. Wird das Spektrometer der Sonne nachgeführt ist dies der Normalfall /9 1 /9 2 /9 3 /9 4 /9 5 /9 6 /9 7 /9 8 / Wellenlänge [nm] Abbildung 23: Relative Änderung in Spektralverlauf durch Änderung des Winkels der Lichteinkopplung. Lediglich für Verkippungen von 8 bzw. 9 zeigen sich im interessanten Wellenlängenintervall von 45 bis 95 nm relative Abweichungen größer als 2 %. Daher kann die Winkelabhängigkeit des Spektralradiometers als sehr klein eingestuft werden Linearität Um die Linearität des Sensors zu prüfen wurde das sogenannte Superpositiosprinzip angewendet: Dabei werden die spektralen Verteilungen von zwei Lampen in folgender Reihenfolge ohne Kollimatorrohr gemessen: 1 Lampe A, Kalibrierlampe 2 Lampe B, Standard-Halogenlampe 3 Lampe A+B, beide Lampen gemeinsam Anschließend wurde die gemessene spektrale Verteilung von Lampe A + B mit der spektralen Verteilung Lampe A + Lampe B (berechnet aus den beiden Messung Lampe A und Lampe B) verglichen. Die Spektren sind in Abbildung 24 dargestellt, Abbildung 25 zeigt die relative Abweichung von der Messung zur Berechnung. spektrale Bestrahlungsstärke [W/(cm²nm)] A+B [Messung] A [Messung] B [Messung] keine [Messung] (A+B)-A [Berechnet] A+B [Berechnet] Wellenlänge [nm] Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 24 von 59

25 Abbildung 24: Die Abbildung zeigt die Messergebnisse der Superposition (dünnen Linien) und die sich aus der Rechnung ergebenden Spektren (dicke Linien). 1.2 A+B gerechnet / A+B gemessen [a.u.] A+B gerechnet/ A+B gemessen Wellenlänge [nm] Abbildung 25: relative Abweichung aus Messung und Berechnung bei der Superpositionsmessung. Die relativen Abweichungen zwischen berechneter spektraler Verteilung von Lampe A+B und gemessener spektraler Verteilung von Lampe A+B zeigt im interessanten Wellenlängenbereich von 45 nm bis 95 nm Abweichungen zwischen % bis 3 %. Tendenziell zeigt dies, dass die Linearität des Detektors am ehesten einen Aspekt darstellt, der weitere, genauere Untersuchungen erfordern würde. Wie bei der Kalibrierung treten bei einigen Pixels um 935 nm wiederum Abweichungen auf. Dies wurde allerdings in anderen Versuchen nicht beobachtet. 2.7 AP7: Wartung / Reinigung der Spektralmesssysteme Sowohl bei den Spektroradiometern als auch bei den Komponentenzellensets entsteht der größte Wartungsaufwand durch die Notwendigkeit zur regelmäßigen Reinigung der Sensoren. Obwohl der Zeitaufwand pro Reinigungsvorgang nur wenige Minuten beträgt, wurden bei der Projektplanung die Schwierigkeiten unterschätzt, die vor allem einer Regelmäßigkeit der Reinigung entgegenstehen. Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 25 von 59

26 Reinigung 1 keine Reinigung Abbildung 26: Reinigungstermine des Spektralmesssystem in Touwsrivier, Südafrika. Abbildung 26 zeigt die Termine, an welchen die Messsysteme am Standort Touwsrivier in Südafrika gereinigt wurden. Die unregelmäßige Reinigung ab April 211 ist vor allem auf die Entlegenheit des Messstandortes und die Schwierigkeit bei der Anwerbung lokalen Reinigungspersonals zurückzuführen. Erst zum Sommerhalbjahr 211 / 212 (Südhalbkugel) konnte durch regelmäßige Kontaktaufnahme per Telefon und wieder eine regelmäßige Reinigung erreicht werden. An den anderen Standorten zeigte sich ein ähnliches Bild. Da bei der Auswertung der Messdaten hauptsächlich Verhältnisse der direkte gemessenen Ströme (Komponentenzellen) oder aus dem Spektrum berechneten Ströme (Spektroradiometer) betrachtet werden und die Verschmutzung in erster Näherung als wellenlängenunabhängige Intensitätsabschwächung betrachtet werden kann, sind die Messdaten über den kompletten Messzeitraum verwendbar. Analysen unter Berücksichtigung der Absolutwerte, wie in AP13 gezeigt, haben jedoch nur beschränkte Aussagekraft. Der Lerneffekt aus AP7 lautet daher: 1. Der Einbindung lokaler Partner für die Wartung entlegener reinigungsbedürftiger Messsysteme muss genügend Bedeutung beigemessen werden. Nicht nur die technische Installation und Inbetriebnahme sollten am Beginn einer Messkampagne stehen, sondern auch die intensive Schulung lokaler Wartungskräfte. 2. Durch technische Maßnahmen sollte die Wartung soweit als möglich vereinfacht werden. Hierfür wurde beispielsweise eine Halterung des Kollimatorrohrs entworfen, die auch ohne Werkzeug eine Abnahme des Rohres zur regelmäßigen Reinigung erlaubt (siehe Abbildung 27). Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 26 von 59

27 Abbildung 27: Um die Reinigung des Spektroradiometers durch lokale Partner zu erleichtern, wurde die Halterung des Kollimatorrohrs mit Rändelschrauben versehen, die zur Bedienung kein Werkzeug erfordern. 2.8 AP8: Definition Spektralparameter In diesem Arbeitspaket wird durch das Fraunhofer ISE zunächst eine kurze Übersicht gegeben, wie eine Parametrisierung des Einflusses des Spektrums realisiert werden kann. Vor- und Nachteile der verschiedenen Möglichkeiten werden verglichen und schließlich wird eine Empfehlung gegeben, welche Größe sich am besten eignet. Die Beschreibung des Einflusses des Spektrums auf eine Mehrfachsolarzelle ist insofern nicht trivial, da das Spektrum eine wellenlängenabhängige Größe darstellt. In einem Konzentratorsystem ist die Kenntnis der wellenlängenaufgelösten Information jedoch nicht unbedingt erforderlich, da im Wesentlichen die Photoströme der Teilzellen der Mehrfachsolarzelle die elektrischen Parameter der Mehrfachsolarzelle bestimmen. Bei Kenntnis der vorherrschenden spektralen Verteilung aus der Messung eines Spektroradiometers werden diese Ströme mit Hilfe der spektralen Empfindlichkeiten der einzelnen Teilzellen berechnet. Alternativ kann jedoch mit Hilfe von Komponentenzellen das Verhalten der Teilzellenströme auch direkt gemessen werden. Egal wie das Spektrum letztendlich messtechnisch erfasst wird eine Parametrisierung des Einflusses des Spektrums findest auf jeden Fall auf der Basis der Teilzellenströme statt Nomenklatur Zunächst zur in diesem Abschnitt verwendeten Nomenklatur: Die Oberzelle wird mit dem Index top und die Mittelzelle mit mid bezeichnet. Die Unterzelle würde analog mit bot bezeichnet werden, wird jedoch aufgrund ihres hohen Überschussstromes im Falle einer gitterangepassten Ga.5 In.5 P/ Ga.99 In.1 As/Ge-Dreifachzelle im Folgenden nicht behandelt. J bezeichnet die Photostromdichte in [ma/cm²], E ref (λ) das Normspektrum AM1.5d, ASTM G173-3 (normiert auf 1 W/m²), E(λ) das Spektrum, unter dem die Messung stattfindet. J top (E ref (λ)) bezeichnet daher die Stromdichte der Oberzelle unter AM1.5d, wohingegen J mid (E(λ)) den Strom der Mittelzelle unter dem Messspektrum bezeichnet Definition der Spektralparameter Verhältnis von Ober- zu Mittelzellstrom Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 27 von 59

28 Der am einfachsten zu definierende Spektralparameter ist das direkte Verhältnis R top,mid von Ober- zu Mittelzellstromdichte: R top,mid J = J top mid ( E( λ) ) ( E( λ) ) Trägt man die möglichen Ströme der beiden Teilzellen in einer Ebene auf (Abbildung 28) so erkennt man, das Spektren mit gleichem Verhältnis aus Ober- zu Mittelzellstrom auf einer Ursprungsgerade liegen J mid (E(λ)) [ma/cm²] R =.8 R =1 R = J top (E(λ)) [ma/cm²] Abbildung 28: Graphische Darstellung des direkten Verhältnisses von Ober- zu Mittelzellstrom. Spektren, die das gleiche Verhältnis der beiden Ströme generieren liegen auf einer Ursprungsgeraden. Das direkte Verhältnis von Ober zu Mittelzellstrom hat den Vorteil, dass es sehr intuitiv und leicht zu erklären ist. Das Verhältnis R top,mid hat jedoch auch entscheidende Nachteile. Die Größe von R top,mid hängt wesentlich vom Verhältnis der spektralen Empfindlichkeiten von Ober- zu Mittelzelle ab, bzw. vom absoluten Wert der Ströme der Teil-, bzw. Komponentenzellen. Dies ist aber entscheidend, da oftmals nur die relativen spektralen Empfindlichkeiten der Teilzellen bekannt sind, bzw. sich die absoluten Ströme von Komponentenzellen und Teilzellen unterschieden (z.b. wegen Beitrag Photonrecycling im Strom der Mittelkomponentenzelle). Zudem ist kein Bezug zu einem Referenzwert vorhanden. Das direkte Verhältnis J top (E(λ))/J mid (E(λ)) der Ströme wird daher nicht empfohlen und auch nicht weiter behandelt Spectral Matching Ratio Das Spectral Matching Ratio (SMR) wird im Wesentlichen von der Universidad Politécnica de Madrid propagiert. Es wurde jedoch auch schon vom National Renewable Energy Laboratory (NREL, USA) im Bereich von Dünnschichtmodulen benutzt. Das SMR betrachtet nicht die Ströme der Teilzellen direkt, sondern die Teilzellenströme jeweils Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 28 von 59

29 im Verhältnis zu ihrem Wert bei Normbedingungen. Danach wird das Verhältnis dieser beiden Verhältnisse gebildet: R top = J J top R SMR= R ( E( λ) ) Rmid ( Eref ( λ) ) J ( E( λ) ) top top mid = J top mid ( E( λ) ) = J J top mid J J mid mid ( E( λ) ) ( E ( λ) ) ( E ( λ) ) ref ( E ( λ) ) ref ref = J J top top ( E( λ) ) Jmid ( Eref ( λ) ) ( E ( λ) ) J ( E( λ) ) Vorteile des SMR sind: Relative spektrale Empfindlichkeiten reichen aus, kein direkter Bezug zwischen den Größen der Ströme der beiden Teilzellen nötig. Zudem ist eine Normierung impliziert: Ein SMR von 1. entspricht Spektren, die das gleiche Verhältnis von Ober- zu Mittelzellstrom generieren wie das Normspektrum AM1.5d. Das SMR ist graphisch in der folgenden Abbildung 29 gezeigt. ref mid 2. J mid (E(λ)) / J mid (AM1.5d) AM1.5d ASTM G173 1 W/m² SMR =.8 SMR =1 SMR = J top (E(λ)) / J top (AM1.5d) Abbildung 29: Graphische Darstellung des Spectral Matching Ratios SMR. Im Gegensatz zum direkten Verhältnis aus Ober-zu Mittelzellstrom (vgl. Abbildung 28) werden die Spektren hier durch die Ströme, die sie in den Teilzellen generieren normiert auf den Strom bei Normbedingungen beschrieben. Der Punkt entspricht Spektren, die die gleichen Ströme in Ober- und Mittelzelle generieren wie das Normspektrum AM1.5d. Im Gegensatz zum direkten Verhältnis aus Ober- zu Mittelzellstrom (vgl. Abbildung 28) werden die Spektren beim SMR durch die Ströme der Teilzellen bezogen jeweils auf den Wert bei Standardtestbedingungen beschrieben. Der Punkt entspricht Spektren oder Bedingungen, bei denen in Ober- und Unterzelle die gleichen Ströme wie unter AM1.5d generiert werden. Für einen beliebigen Punkt in der Ebene aus Abbildung 29 entspricht sein SMR der reziproken Steigung der Ursprungsgeraden durch diesen Punkt. Die Reduktion in der Dimension von einem Koordinaten Wertepaar eines Punktes in der Ebene geschieht daher über die Steigung der Ursprungsgeraden durch diesen Punkt. Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 29 von 59

30 Spektralparameter Z Der Spektralparameter Z geht auf die am Fraunhofer ISE entwickelte spektrometrische Charakterisierung zurück. Ebenso wie der oben eingeführte Parameter SMR basiert Z auf der Parametrisierung der aktuellen Ober- und Mittelzellströme durch ihr Verhältnis zum jeweiligen Wert bei Standardtestbedingungen. Die graphische Darstellung entspricht daher derjenigen des SMR aus Abbildung 29. Auch bei Z wird zur Parametrisierung eines beliebigen Punktes in der Ebene die Ursprungsgerade durch diesen Punkt heran gezogen. Jedoch wird zur Reduzierung der Dimension nicht die Steigung (bzw. die reziproke Steigung) dieser Geraden herangezogen, sondern der Schnittpunkt dieser Geraden mit einer weiteren Hilfsgerade y = -x + 2, bzw.: x + y = 2. Diese Hilfsgerade ist die Gerade die durch die Punkte 2 und 2 verläuft. Anders ausgedrückt: die Punkte auf dieser Geraden erfüllen die folgende Bedingung: R top = 2 = R top J J top ( E( λ) ) ( E ( λ) ) top + R ref mid J = top R mid = ( E( λ) ) J J J mid top mid ( E( λ) ) ( E ( λ) ) ref ( E ( λ) ) ref J + mid ( E( λ) ) J mid ( E ( λ) ) Mit Hilfe des Schnittpunktes mit dieser Hilfsgeraden wird der Parameter Z nun wie folgt definiert: J J top ( E( λ) ) ( E ( λ) ) top ref 1 = Z = 1 J J mid mid ( E( λ) ) ( E ( λ) ) ref ref bzw. R top 1 = Z = 1 R mid Auch dieser Zusammenhang wird im Folgenden graphisch dargestellt. Abbildung 3: Herleitung des Spektralparameters Z. Wie beim SMR wird dabei bei einem beliebigen Punkt in der Ebene die Ursprungsgerade durch diesen Punkt herangezogen. Anders als beim SMR wird hierbei jedoch nicht die Steigung zur Parametrisierung benutzt, sondern der Schnittpunkt mit der Hilfsgerade x + y = 2. Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 3 von 59

31 Anders als das SMR wird Z nicht über die Steigung der Ursprungsgeraden durch einen Punkt definiert sondern über den Schnittpunkt der Ursprungsgeraden mit der Hilfsgeraden x + y = Vergleich der Spektralparameter Die beiden Spektralparameter SMR und Z benutzen beide die gleiche Ebene zur Darstellung eines Spektrums. In beiden Fällen wird dem Spektrum ein Duplett J top, J mid zugeordnet, wobei in beiden Fällen diese Ströme jedoch nur normiert zu den entsprechenden Werten bei Standardtestbedingungen betrachtet werden (vgl. Abbildung 29 und Abbildung 3). In beiden Fällen wird zur Herleitung des Spektralparameters, bzw. zur Reduktion der Dimension von 2 Koordinaten auf einen Parameter die Ursprungsgerade durch den betrachteten Punkt herangezogen. Ab hier unterscheiden sich jedoch die beiden Spektralparameter: Während im Fall des SMR die Steigung (bzw. die reziproke Steigung) dieser Ursprungsgerade zur Parametrisierung benutzt wird, wird beim Spektralparameter Z die Projektion des betrachteten Punktes auf die Hilfsgerade x + y = 2 benutzt. Im Folgenden sollen kurz die wesentlichen Vor- und Nachteile der beiden Spektralparameter gegenübergestellt werden Herleitung / Berechnung Beide Spektralparameter lassen sich durch simple arithmetische Beziehungen aus den Größen J top (E(λ)), J top (E ref (λ)), J mid (E(λ)), J mid (E ref (λ)) berechnen. Beide Größen verwenden dabei jeweils nicht direkt die Ströme der Teil- bzw. Komponentenzellen sondern das jeweilige Verhältnis zu dem entsprechenden Strom unter Standardtestbedingungen. Dies ist insofern wichtig, als dies nicht nach der Kenntnis der absoluten spektralen Empfindlichkeiten verlangt, bzw. die Spektralparameter nicht von der absoluten Größe der Ströme der Teil- Komponentenzellen abhängt (z.b. bei Verwendung von Zellen unterschiedlicher Größe). Hier besteht kein wesentlicher Unterschied zwischen beiden Parametern Abstraktheit Die Notwendigkeit eine weitere Hilfsgerade zur Herleitung des Spektralparameters Z einzuführen, macht die Erklärung des Parameters etwas abstrakter, da die Berechnung des Spektralparameters weniger intuitiv als beim SMR (bilde Verhältnis zweier Verhältnisse) ist. Dies ist ein leichter Vorteil des SMR Darstellbarkeit / Symmetrie Hierzu wurden zwei Sätze Zufallszahlen zwischen und 16 herangezogen für die Stromdichten von Ober- und Mittelzelle. Der Strom der zugehörigen virtuellen Dreifachzelle wurde als Minimum dieser beiden Werte angenommen. Normiert wurde der Strom der Dreifachzelle mit der Summe der Ströme der beiden Teilzellen. Mit zwei zufällig gewählten Werten für J top (E ref (λ)) = 13 und J mid (E ref (λ)) = 12 wurden dann die beiden Spektralparameter SMR und Z berechnet und schließlich der normierte Strom der Dreifachzelle gegen den entsprechenden Spektralparameter aufgetragen. Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 31 von 59

32 .6 normierter J(3j) [a.u.] SMR [abs.] normierter J(3j) [a.u.] Z [abs.] Abbildung 31: Theoretisch bestimmte Werte einer Dreifachzelle aufgetragen gegen die beiden Spektralparameter SMR (links) und Z (rechts). In Abbildung 31 zeigt sich anschaulich der wesentliche Unterschied der beiden Spektralparameter. Während SMR (reziproke Steigung der Ursprungsgeraden durch einen Punkt) Werte zwischen und Unendlich annehmen kann, variiert Z zwischen -1 und 1. Dadurch ist SMR eine unsymmetrische Größe die Werte.8 und 1.2 entsprechen nicht den gleichen relativen Stromfehlanpassungen. Dies ist der entscheidende Vorteil des Spektralparameters Z: Die Punkte Z = -.8 und Z =.8 entsprechen der gleichen relativen Stromfehlanpassung bei Vertauschen der beiden Teilzellen geht der Z-Wert.8 in -.8 über und umgekehrt. Zusätzlich sollte sich theoretisch beim Auftragen des Stromes einer Dreifachzelle (oder eines Konzentratormoduls mit Dreifachsolarzellen) gegen Z ein linearer Zusammenhang zwischen Strom und Z ergeben 2 dies ist beim SMR nicht der Fall. Die fehlende Symmetrie des Parameters SMR und der nichtlineare Zusammenhang mit dem Strom des betrachteten Objektes sind die entscheidenden Gründe, die für den Spektralparameter Z sprechen. Daher wird empfohlen für die Analyse von spektralen Einflüssen auf Bauelemente mit Mehrfachsolarzellen den Spektralparameter Z zu verwenden Zusammenfassung Im vorliegenden Abschnitt wurden im Wesentlichen zwei Parameter zur Beschreibung des Einflusses des Spektrums auf das Verhalten von Mehrfachsolarzellen diskutiert. Das direkte Verhältnis von Ober- zu Unterzellstrom wurde nicht weiter betrachtet, da es auf absolute spektrale Empfindlichkeiten der Teilzellen angewiesen ist und daher für Fehlinterpretationen anfällig ist. Die beiden Spektralparameter SMR und Z wurden eingeführt und graphisch veranschaulicht. Beide Spektralparameter betrachten den Strom der Teilzellen jeweils normiert auf den Wert bei Standardtestbedingungen und tragen beliebige Spektren, bzw. Messbedingungen in den Achsen J top (E(λ))/J top (E ref (λ)) und J mid (E(λ))/J mid (E ref (λ)) auf. Lediglich die Parametrisierung bzw. Reduktion auf eine Dimension unterscheidet sich: 2 In der Praxis sind aus unterschiedlichen Gründen Abweichungen von dem linearen Zusammenhang zu beobachten. Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 32 von 59

33 Beim SMR wird bei einem beliebigen Punkt in der Ebene die Steigung (bzw. der reziproke Wert der Steigung) der Ursprungsgeraden zur Beschreibung dieses Punktes verwendet. Die möglichen Werte des SMR variieren daher zwischen Null und Unendlich. Der Spektralparameter Z wird über den Schnittpunkt der gleichen Ursprungsgeraden mit der Hilfsgeraden x + y = 2 bestimmt und variiert zwischen -1 und 1. Z ist im Gegensatz zum SMR eine symmetrische Größe. Zusätzlich ergibt sich theoretisch ein linearer Zusammenhang zwischen dem Strom des Messobjektes und dem Spektralparameter Z, was beim SMR nicht der Fall ist. Dies überwiegt die Nachteile des Parameters Z, die in der etwas weniger anschaulichen Herleitung begründet sind. Daher wird für die Beschreibung des Einflusses von spektralen Einflüssen auf Mehrfachsolarzellen der Spektralparameter Z empfohlen. 2.9 AP 9: Entwicklung der Auswerteroutinen Für die Ansteuerung der Komponentenzellensensoren war keine Softwareentwicklung nötig, da die Spannungssignale der Top-, Middle- und Bottom-Zellen über das vorhandenen SCADA-System an den Teststandorten erfasst werden können. (SCADA steht für Supervisory Control and Data Acquisition und bezeichnet in diesem Fall das Überwachungs- und Steuerungssystem, das in CPV-Kraftwerken eingesetzt wird.) Diese Werte werden wie alle standardmäßig erfassten Messgrößen (DNI, Global-Normalstrahlung, Umgebungstemperatur, Windgeschwindigkeit, Umgebungsluftfeuchtigkeit, AC- und DC- Leistung der CPV-Systeme) in einer PostgreSQL-Datenbank auf Linuxservern am Kraftwerksstandort abgespeichert. Jede Nacht findet ein Abgleich mit dem zentralen Datenbankserver in Freiburg statt. Um trotz des zunehmenden Datenvolumens weiterhin rasch auf die Messdaten zugreifen zu können, werden diese im Binärformat HDF5 in einem Langfristarchiv abgelegt. Sowohl auf die PostgreSQL-Datenbank am Kraftwerksstandort und in Freiburg, als auch auf das Langfristarchiv kann mittels der Programmiersprache Python zugegriffen werden. Zudem können die Messwerte in handelsübliche Softwarepakete zur Datenauswertung wie MS Excel oder Originlab Origin importiert werden. Der Datenfluss ist in Abbildung 32 beispielhaft für den Standort Sevilla abgebildet. Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 33 von 59

34 Abbildung 32: Schematische Darstellung des Messsystems am Beispiel Sevilla. Das Spektroradiometer EKO MS-7 stellt jedoch eine Besonderheit dar: Da die Messwerte über eine serielle Schnittstelle ausgegeben werden und der Einsatz von Spektroradiometern im normalen Kraftwerksbetrieb aus Kostengründen nicht vorgesehen ist, ist keine Anbindung an das SCADA-System vorhanden. 28 wurde daher eine einfach Labview-Schnittstelle entwickelt und im Rahmen dieses Projekts überarbeitet. Instabilitäten, die bei der ersten Version zu Abstürzen und damit verbundenen Messwertlücken führten, konnten beseitigt werden. Entscheidend mehr Stabilität brachte vor allem der Einsatz eines XFVB-Frameworks. Dieser sogenannte virtuelle Framebuffer tritt an die Stelle einer regulären grafischen Oberfläche wie Gnome oder KDE und sorgt für einen abbruchfreien Betrieb des Programms auch über mehrere Monate hinweg. Abbildung 33 zeigt einen Ausschnitt aus dem seriellen Kommunikationsprotokoll des EKO MS-7, welches in Labview implementiert wurde. In Abbildung 34 ist ein Ausschnitt aus dem Überarbeiteten Labviewprogramm gezeigt. Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 34 von 59

35 Abbildung 33: Kommunikationsprotokoll des eingesetzten Spektroradiometers EKO MS-7. Diese Daten wurden zur Programmierung des Labview-Treibers zur Ansteuerung des Spektroradiometers verwendet. Abbildung 34. Ausschnitt aus dem überarbeiteten Labview-Programm zur Ansteuerung der Spektroradiometer. Wurden die ersten Spektroradiometermessungen in den Jahren 28 und 29 noch in einer separaten PostgreSQL-Datenbank abgelegt, so hat sich gezeigt, dass diese für einen solchen Datentyp nicht optimal geeignet ist. Nach Rücksprache mit der Servicegruppe Wissenschaftliche Informationsverarbeitung am Freiburger Materialforschungszentrum (Albert-Ludwigs-Universität Freiburg) wurde ein einfaches Textdateiformat gewählt. Durch eine eindeutige Dateinamenbezeichnung kann so ein gewünschtes Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 35 von 59

36 Spektrum rasch gefunden werden. Abbildung 35 zeigt einen Beispielauszug aus einer solchen Textdatei. Abbildung 35: Auszug aus einem mit der Labview-Software erstellten Messwertdatei. 2.1 AP 1: Modellbildung Systemperformanz Marc 2.11 AP 11: Sensitivitätsanalyse Spektralmodell Die Arbeitspakete 11 bis 14 wurden durch die Carl von Ossietzky Universität Oldenburg abgehandelt. Eine detaillierte Ergebnisbeschreibung ist in Anhang C ab Seite 59 zu finden. In diesem Abschnitt wird ein Überblick über die in AP 11 erzielten Ergebnisse gegeben. Die Sensitivitätsanalyse untersuchte die Wirkbeziehungen zwischen dem simulierten Direktstrahlungsspektrum als Ausgangsgröße des SOLIS-Satellitenmodells und verschiedenen Parametern als Modelleingangsgrößen. Es wird unter anderem mit Hilfe des Spektralparameters Z die Änderung des Direktstrahlungsspektrums bei Änderung folgender Modelleingangsgrößen untersucht: Variation der Aerosol-optischen Dicke (aerosol opical depth, AOD ) bei 55 nm Wellenlänge Variation des Wasserdampfgehaltes (precipitable water vapour, PWV ) Variation des Sonnenstandes (Zenitwinkel) Variation der Angströmkoeffizienten und, welche die Wellenlängenabhängigkeit der AOD ausgehend von ihrem Wert bei 55 nm beschreiben Variation der Parametrisierung der Circumsolarstrahlung (= gestreute Direktstrahlung im Öffnungswinkelbereich von ±2.5 des Direktstrahlungssensor) Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 36 von 59

37 In Abbildung 36 zeigt sich, dass bei steigender AOD die spektrale Direktstrahlung im gesamten Wellenlängenbereich, jedoch besonders stark im kurzwelligen Bereich abgeschwächt wird. Steigender Wasserdampfgehalt wirkt hingegen vor allem in spezifischen Absorptionsbanden im Infrarot abschwächend. Insgesamt überwiegt der Einfluss der aerosol-optischen Dicke gegenüber dem Einfluss des Wasserdampfgehaltes. Eine Verringerung des Sonnenstand hat einen ähnlichen Effekt wie die Erhöhung der aerosoloptischen Dicke, schwächt also breitbandig mit Schwerpunkt im kurzwelligen Bereich ab. Der Z-Parameter verschiebt sich in den rot-lastigeren Bereich < bei gleichzeitiger Abnahme der Breitband-Direktstrahlung. Abbildung 36: Spektral aufgelöste Direktnormalstrahlung bei variierendem Aerosol- (AOT von bis 2, Abb. links) und Wasserdampfgehalte (Wasserdampf von bis 7 mm, Abb. rechts). Der Angströmkoeffizient nimmt bei zunehmender Aerosolpartikelgröße ab. Mit steigender Partikelgröße wird der abschwächende Einfluss vor allem im kurzwelligen Bereich geringer. Mit steigendem, damit zunehmender Partikelgröße und geringerer Abschwächung nimmt auch die Verschiebung der Direktstrahlung zu längeren Wellenlängen ab. Der Wert des Spektralparameter Z erhöht sich entsprechend. Dieser Zusammenhang ist in Abbildung 37 dargestellt. Abbildung 37: Spektralparameter Z über der integrierten Direktnormalstrahlung für variierenden Angströmkoeffizienten. Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 37 von 59

38 2.12 AP12: Erweiterung des Spektralmodells Die Arbeitspakete 11 bis 14 wurden durch die Carl von Ossietzky Universität Oldenburg abgehandelt. Eine detaillierte Ergebnisbeschreibung ist in Anhang C ab Seite 59 zu finden. In diesem Abschnitt wird ein Überblick über die in AP 12 erzielten Ergebnisse gegeben. In AP12 wurde das SOLIS-Modell um verschiedene Quellen für AOD- und Wasserdampfinformationen erweitert. Die Auswirkung der Wahl der Quelle auf die spektral aufgelöste Direktstrahlung wurde untersucht Untersuchung der Datenqualität Aerosol-optische Dicke (AOD) Daten zur Aerosol-optische Dicke wurden verschiedenen Quellen entnommen und am Standort Sevilla (genauer: El Arenosillo) mit Bodenmessungen aus dem AERONET- Netzwerk verglichen. Hierbei wurde die AOD aus den Bodenmessdaten sogenannter Sonnenphotometer berechnet. Ähnlich wie Spektroradiometer, jedoch mit höherer Wellenlängen- und Intensitätsgenauigkeit, messen Sonnenphotometer die Intensität der direkten Sonnenstrahlung in verschiedenen Spektralbereichen. Die erste verwendete Quelle stellt die i) AEROCOM-Klimatologie des Hamburger Max- Planck-Instituts (MPI) für Meteorologie dar. Diese Klimatologie unterteilt die Erdoberfläche in Gitterboxen und enthält für jede Gitterbox langfristige Monatsmittelwerte der AOD. Als alternativer Eingangsdatensatz wird ii) aus den AERONET-Messungen mehrere Jahre zudem eine eigene Klimatologie berechnet. Als letzte Quelle iii) kommen AOD- Daten des numerischen Wettermodells GEMS zum Einsatz. Abbildung 38: Verfügbarkeit von Messungen der AOD ab den AERONET-Standorten und von Reanalyse- Daten aus dem GEMS-Projekt. Der Auswertungszeitraum ist eingerahmt. Der Vergleichszeitraum ergibt sich aus dem Zeitraum, für welchen alle Datenquellen verfügbar sind und erstreckt sich wie in Abbildung 38 ersichtlich von Januar bis April 29. Abbildung 39 zeigt den Jahresgang der AOD aus den vorgenannten Quellen für den Standort Sevilla. Typische Unterschiede zwischen den Quellen liegen im Bereich von.1. Die Auswirkung dieser Schwankung kann aus der Sensitivitätsanalyse im vorangegangenen Abschnitt abgeschätzt werden und ist nicht unbeträchtlich: Abbildung 36 (links) zeigt die deutlichen Auswirkung einer AOD-Änderung von bis 2. Die beobachtete Schwankung zwischen den Quellen liegt bei einem Zwanzigstel und damit bereits in einem Bereich, in welchem sich die Effizienz der Dreifachsolarzellen durch die spektrale Abhängigkeit messbar ändert. Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 38 von 59

39 Abbildung 39: Vergleich der verschiedenen Aerosol-Klimatologien am Standort Sevilla. Alle Quellen neigen dazu, die AOD zu überschätzen. Hieraus resultiert eine Überschätzung der Abschwächung des kurzwelligen Anteils des Direktstrahlungsspektrums und damit eine Unterschätzung des Spektralparameters Z. Die im Rahmen dieses Projekts beobachtete Unterschätzung lässt sich jedoch nur zu einem geringen Teil hierauf zurückführen Wasserdampfgehalt (PWV) Neben verschiedenen Quellen für die AOD werden auch verschiedene Quellen für den Wasserdampfgehalt (PWV) durch einen Vergleich mit Messdaten bewertet. Die Messdaten stammen auch hier aus Photometermessungen der AERONET-Station Sevilla, denn auch der Wasserdampfgehalt lässt sich aus der gemessenen Intensität der Direktstrahlung in bestimmten Spektralbereichen berechnen. Die erste Quelle für PWV-Daten stellt die i) NVAP-Klimatologie dar, die im Rahmen des NASA Water Vapor Project erstellt wurde. Daneben wird die die gleiche Vorgehensweise wie bei den AOD-Daten angewandt, also ii) eine PWV-Klimatologie aus den AERONET-Messungen mehrerer Jahre erstellt und iii) auf die PWV-Daten der numerischen Wettermodells GEMS zurückgegriffen. Abbildung 4: Vergleich der verschiedenen Wasserdampf-Klimatologien am Standort Sevilla. In Abbildung 4 wird ersichtlich, dass der Wasserdampfgehalt einen deutlicheren Jahresgang als die AOD aufweist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass aufgrund der höheren Lufttemperatur im Sommer der Sättigungsdampfdruck des Wassers steigt und sich damit eine größere Masse an Wasser in der Atmosphäre befinden kann. Die Schwankung zwischen den einzelnen Quellen liegt bei rund 5mm. Die Sensitivitätsanalyse in vorangegangenen Abschnitt in Abbildung 36 (rechts) zeigt die Auswirkung einer Änderung des Wasserdampfgehaltes zwischen und 7mm. Wie bereits in AP 11 ange- Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 39 von 59

40 merkt, wirkt eine Änderung des Wasserdampfgehaltes schwächer auf das Direktstrahlungsspektrum als es bei einer Änderung des Aerosol-optische Dicke der Fall ist. Damit kommt der Schwankung zwischen den verschiedenen PWV-Quellen eine geringere Bedeutung als der Schwankung zwischen den verschiedenen AOD-Quellen zu Untersuchung der SOLIS-DNI in Abhängigkeit von verschiedenen Eingangsdaten Im vorangegangene Abschnitt wurden die AOD- und PWV-Daten verschiedener Quellen den Messungen über Sonnenphotometer gegenübergestellt. In diesem Abschnitt werden die AOD- und PWV-Daten der verschiedenen Quellen dazu verwendet, mittels SO- LIS Direktstrahlungsspektren zu berechnen. Anschließend werden diese mit den mittels des Spektroradiometers EKO MS-7 gemessenen Spektren verglichen. Abbildung 41 zeigt links beispielhaft die mit verschiedenen Quellen simulierten und mit der Breitband-DNI normierten Spektren für den Standort Sevilla am um 12: Uhr UTC. Rechts ist die Abweichung der simulierten vom gemessenen Spektrum zu sehen. Abbildung 41: Mit dem SOLIS-Verfahren unter Verwendung der verschiedenen Datenquellen berechnete und mit der Breitband-DNI normierte Spektren (links) sowie deren Abweichung vom gemessenen Spektrum (rechts) für den Standort Sevilla am Beispiel des um 12: Uhr UTC AP13: Validierung des Spektralmodells Die Arbeitspakete 11 bis 14 wurden durch die Carl von Ossietzky Universität Oldenburg abgehandelt. Eine detaillierte Ergebnisbeschreibung ist in Anhang C ab Seite 59 zu finden. In diesem Abschnitt wird ein Überblick über die in AP 12 erzielten Ergebnisse gegeben. In AP 13 wurde die spektral aufgelöste Direktstrahlung aus SOLIS mit Bodenmessungen (Spektroradiometer und Pyrheliometer) an folgenden Standorten und zu folgenden Zeiten verglichen: Sevilla (Spanien): Mitte 28 bis Ende 21 Muscat (Oman): Mai 211 bis Ende 211 Die Bodenmessungen wurden im ersten Schritt einer Plausibilitätskontrolle unterzogen, welche als Grenzwerte simulierte Spektren für sehr klare und sehr trübe Atmosphäre verwendet. Anschließend wurden die unten genannten Kenngrößen BIAS (systematische Abweichung) und RMSE (mittlerer quadratischer Fehler) aus der gemessenen Direktstrahlung und der mit SOLIS simulierten berechnet. Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 4 von 59

41 Für Sevilla zeigt sich ein relativ konstanter BIAS von etwa 2% gegenüber der aufintegrierten Spektroradiometermessung und von etwa 4% gegenüber der Pyrheliometermessung. Neben der Unsicherheit in der Modellierung und in den Eingangsparametern AOD und PWV ist ein Teil dieser Abweichung auch auf die Verschmutzung der Messgeräte zurückzuführen. Der Verschmutzungseffekt darf jedoch als wellenlängenunabhängig betrachtet werden. Eine Normierung der gemessenen Spektren erlaubt daher trotz Verschmutzung eine Untersuchung der Abweichung zwischen gemessenen und modellierten Spektren in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Abbildung 42 zeigt integrierte gemessene und berechnete Spektren in verschiedenen Zeiträumen und mit hoher Wahrscheinlichkeit den zunehmenden Verschmutzungsgrad und die resultierende breitbandige Abnahme der gemessenen Spektren über den Messzeitraum. Abbildung 42: Zeitreihen der integrierten DNI aus gemessenen und berechneten Spektren (Tage 365 aus dem Jahr 28, > 365 aus dem Jahr 29). Abbildung 43 zeigt die in Sevilla beobachtete Tendenz von SOLIS zur Unterschätzung im kurzwelligen und zur Überschätzung im langwelligen Bereich. Diese ist auch in an den Standorten Muscat, Oman und Questa, USA zu erkennen. Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 41 von 59

42 Abbildung 43: Mittlere spektral aufgelöste DNI aus Bodenmessung und SOLIS, sowie BIAS und RMSE (unnormiert, links) sowie mit der Breitband-DNI normierte Werte (rechts) AP14: Berechnung von Zeitreihen mit dem Spektralmodell Die Arbeitspakete 11 bis 14 wurden durch die Carl von Ossietzky Universität Oldenburg abgehandelt. Die in Arbeitspaket 14 durchgeführten Berechnungen von Zeitreihen mit dem Spektralmodell waren Voraussetzung für die in den vorangegangenen Abschnitten gezeigten Analysen. Abbildung 44 zeigt exemplarisch die für Mai 211 am Standort Muscat, Oman berechnete Zeitreihe aus berechneten, integrierten Direktstrahlungsspektren. Abbildung 44: Zeitreihen der integrierten DNI aus berechneten Spektren unter Verwendung von Monatsmittelwerten aus der GACP-Klimatologie (AOD) und der NVAP-Klimatologie (PWV), sowie unter Verwendung von Tagswerten aus GEMS. Zusätzlich sind AOD und PWV aus GEMS dargestellt. Zeitraum: Mai 211, Standort: Muscat, Oman. Soitec Projektabschlussbericht, Aktenzeichen Seite 42 von 59