Gebäudeintegrierte Photovoltaik und g-wert C. Schäfle, HS Rosenheim, C. Lux, ift Rosenheim

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1 Untersuchung des Gesamtenergiedurchlassgrades (g-wertes) an gebäudeintegrierbaren, teiltransparenten Photovoltaik-Modulen ohne und mit elektrischer Leistungsentnahme Der g-wert von teiltransparenten gebäudeintegrierbaren PV-Elementen wurde mit und ohne elektrischer Leistungsentnahme gemessen und mit einem energiesatzbasierten Modell verglichen. Die gemessenen Ergebnisse stimmen sehr gut mit dem Modell überein. Bei den untersuchten PV-Modulen sinkt der g-wert bis zu 10 % (relativ) durch Entnahme elektrischer Leistung. Die Größe der Abnahme hängt vom Wert der maximal entnehmbaren Leistung (MPP maximum power point) ab. Zusätzlich sinkt die Oberflächentemperatur des Moduls um bis zu 4. Investigation of the total solar energy transmittance (g-value) on building-integrated partially transparent photovoltaic modules with and without extraction of electrical power. The g-value (total solar energy transmittance or solar heat gain coefficient) of different buildingintegrated PV-elements has been measured with and without extracting electrical power from the module. The experimental results are in very good agreement with a physical model based on energy conservation. When extracting energy from the PV-module, a reduction up to 10 % (relative) in g-value has been measured. The amount of reduction depends on the maximum power point (MPP) of the module. Moreover a reduction in surface temperature up to 4 on the inner surface is observed, when extracting electrical power. ey words: g-value, total solar energy transmittance, BIPV, building-integrated PV Seite 1/7

2 1 Einführung Zukünftige Gebäude sollen einen Großteil ihrer benötigten Energie selbst erzeugen. Eine Möglichkeit ist, Photovoltaik (PV) auf Gebäudedächern zu installieren. Ein darüber nausreichendes onzept ist die sogenannte gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV, building integrated photovoltaic), bei der photovoltaische Elemente direkt als Fassaden-, Dach- oder teildurchlässiges Fensterelement verwendet werden. Der BIPV wird ein hohes Wachstumspotential zugeschrieben [1]. Ein BIPV-Element hat mehrere Funktionen. Es dient der Stromerzeugung und ist Teil der Gebäudehülle. Zwei Gebiete treffen er aufeinander, einerseits das Bauwesen, andererseits die Elektrotechnik. Somit ist nicht nur die Bauproduktenrichtlinie mit allen damit verknüpften harmonisierten Normen einzuhalten, sondern unter anderem auch die Niederspannungsrichtlinie zu erfüllen. Die Hersteller von PV-Modulen geben für ihre Produkte die bei reiner Stromerzeugung relevanten elektrischen enngrößen wie z.b. die maximale Leistung, die lemmspannung und den urzschlussstrom eines Moduls an. Diese Größen werden unter STC (Standard Test Conditions, Standardprüfbedingungen bei 25 C Zelltemperatur, Einstrahlungsleistung von 1000 W/m²) oder NOCT (Normal Operating Conditions Temperature, Nennbetriebs-Zellentemperatur bei Einstrahlungsleistung von 800 W/m², 20 C Umgebungstemperatur) [2] gemessen. Diese Testbedingungen aus der Photovoltaik geben nicht unbedingt die Referenz- bzw. Einsatzbedingungen aus dem Bauwesen wieder. Die Planer und Arctekten benötigen bei der BIPV ennzahlen und Leistungseigenschaften, die über die bisherigen Angaben aus der Photovoltaik nausgehen. Eine wichtige Planungsgröße bei teiltransparenten Bauteilen ist beispielsweise der Gesamtenergiedurchlassgrad (g-wert), der nach DIN EN 410 [3] bzw. kalorimetrisch [4] bestimmt werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der g-wert von teiltransparenten PV-Modulen kalorimetrisch gemessen. Dabei wurde festgestellt, dass der g-wert davon abhängt, ob elektrische Leistung vom PV-Modul entnommen wird oder nicht. Der g-wert sinkt in Abhängigkeit der entnommenen elektrischen Leistung. Dies kann mit in einem einfachen energetischen Modell beschrieben und verstanden werden. 2 Messungen Als Probekörper wurden unter anderem Verbundgläser bestehend aus zwei Glasscheiben in die kristallinen Si-PV-Zellen (c-si) eingebettet wurden, verwendet. Die Daten der PV-Module sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die sichtbaren Abmessungen im Prüfstand betrugen 1,1x1,1 m². Bild 1 zeigt einen der verwendeten Probekörper, in Bild 2 ist ein Foto des im Versuchsstand eingebauten Probekörpers zu sehen. Tabelle 1. Verwendete Probekörper Probekörper Maße Zellgrößen Anzahl Zellen Material A 1,2x1,2 m² 15,5x15,5 cm² 6x6 = 36 c-si B 1,2x1,2 m² 15,5x15,5 cm² 5x5 = 25 c-si Seite 2/7

3 Bild 1. Untersuchter Probekörper B Bild 2. Probekörper im kalorimetrischen Prüfstand. Die Messungen wurden am kalorimetrischen g-wert Prüfstand des ift Rosenheim durchgeführt. Das Messverfahren für die g-wert Messung folgte einem akkreditierten Verfahren [4]. Während der g- Wert Messung wurde gleichzeitig die I-U-ennline (Strom-Spannungs-ennlinie) und der Wert maximal entnehmbarer Leistung (MPP maximum power point) des Moduls durch Anlegen einer elektronischen Last (variabler Widerstand) bestimmt. Der g-wert wurde sowohl bei offenem Stromkreis (ohne elektronische Last) als auch unter maximaler Leistungsentnahme gemessen (mit elektronischer Last), um die beiden Fälle aktives Element, d.h. Anschluss eines Verbrauchers und passives Element zu simulieren. Der stationäre Sonnensimulator besteht aus 4 HMI-Lampen. Die mittlere Einstrahlungsleistung, gemessen mit einem kalibrierten Solarimeter, betrug ca. 860 W/m². Die Temperaturen wurden im Innen- und Außenraum auf 24 C geregelt, wie dies im akkreditierten g-wert Messverfahren [4] gebräuchlich ist. Die Wärmeübergangskoeffizienten wurden durch Ventilatoren im Außenraum so eingestellt, dass sie den Bedingungen an die erzwungene onvektion der DIN EN 6946: [5] genügen. Im Innenraum stellte sich natürliche onvektion ein. Der g-wert wurde im thermisch stationären Zustand, d.h. nach einigen Stunden durch Messung der notwendigen ühlleistung im Innenraum und der Oberflächentemperaturen ohne und mit elektronischer Last bestimmt. Die I-U-ennlinie des PV-Moduls wurde alle 5 min. wiederholt gemessen (siehe Bild 3) und die maximal entnehmbare Leistung (MPP) bestimmt. Die elektronische Regelung wurde auf den MPP eingestellt, so dass dem Modul im Betrieb stets die maximal mögliche Leistung entnommen wurde. Der MPP war im thermisch stationären Zustand 0,5W konstant. Seite 3/7

4 7 6 Strom Leistung Strom in A Leistung in W Spannung in V Bild 1 Typische I-U ennlinie und P-U-urve (Leistung Spannung) des Probekörpers A bei 860 W/m² Einstrahlintensität 3 Ergebnisse In Tabelle 2 sind die für beide Probekörper gemessenen Werte dargestellt. Tabelle 2 Messwerte der untersuchten PV-Elemente Probekörper A 36 Solarzellen B 25 Solarzellen Flächenbelegungsgrad mit Solarzellen 71,5 % 49,6 % Elektrische aus an aus an Leistungsentnahme (MPP) Maximale el. Leistung MPP in W g-wert 0,35 0,32 0,48 0,46 PV, Innnenseite in C 43,9 40,3 41,2 38,6 Glas, Innnenseite in C 34,7 32,7 25,9 25,6 Glas, Außenseite in C 31,7 30,5 23,6 23,4 Gemessene Senkung der 27 W 18 W ühlleistung durch Anschalten der el. Last Errechnete Abnahme der sekundären Wärmeströme nach innen durch Anschalten der el. Last (siehe Abschnitt 5, Modell) 26,7 W 18,5 W Die Messungen zeigen, dass der g-wert der PV-Module durch elektrische Leistungsentnahme am MPP abnimmt, bei Probekörper A von 0,35 auf 0,32 um 0,03 absolut und bei Probekörper B von 0,48 auf 0,46 um 0,02 absolut. Durch die elektrisch entnommene Leistung sinkt auch die Temperatur der PV-Zellen um 3,6 bzw. 2,6. In Bild 4 ist der zeitliche Temperaturverlauf und damit die Stabilität der Messung zu erkennen. Die Temperatur auf der Rückseite einer PV-Zelle in der Mitte des Moduls beträgt 41,2 C. Durch Anschalten der Last fällt die Temperatur exponentiell, um dann ein stabiles Niveau bei 38,6 C zu erreichen. Seite 4/7

5 Es wurden auch Experimente an semitransparenten Dünnsccht-Modulen (a-si, amorphes Silizium) und CIS-Modulen (upfer-indium-disulfid) durchgeführt, die prinzipiell das gleiche Verhalten zeigen (g-wert Reduktion und Temperaturabnahme) :15 Einschalten der Last Temperaturverlauf 5x5-Zellen nach Einschalten der Last 40 Temperatur in C PV Innen Glasseite innen Innenraumtemp Aussenraumtemp :24 9:36 10:48 12:00 13:12 14:24 15:36 16:48 18:00 Zeit Bild 4 Temperaturverlauf am Probekörpers B Im thermisch stationären Zustand sind alle gemessenen Temperaturen zeitlich konstant. Durch Anschalten der Last und Entnahme elektrischer Leistung sinkt die Oberflächentemperatur der PV- Modulinnenseite um ca. 2,6. Die Temperatur des Glases sinkt sehr gering, während die Außenraum- und Innenraumtemperaturen konstant 24,0±0,1 C betragen. 4 Diskussion: Im vorliegenden Versuch wurde während der laufenden Messung, d.h. während sich das System im stationären Zustand befindet, die elektronische Last angeschaltet und elektrische Leistung entnommen. Dadurch wurden dem absorbierten Anteil der Strahlung 101 W bzw. 70 W entzogen und in elektrische Leistung umgewandelt. Diese Leistung muss im stationären Fall nicht mehr durch sekundäre Wärmeströme abgeführt werden. Daraus folgt, dass die Oberflächentemperatur des Glases sinkt und weniger thermische Leistung in den Innenraum gebracht wird. Die Änderung des g- Werts in diesem Versuch ist also auf eine Änderung der sekundären Wärmeströme zurückzuführen. Der absolute g-wert bei Probekörper A (6x6 Zellen) ist mit 0,35 kleiner als der von Probekörper B (5x5 Zellen) 0,48, da der Flächenbedeckungsgrad mit PV-Zellen bei A höher ist. Die erweiterte Messunsicherheit der kalorimetrischen g-wert-messung wird im vorhandenen Versuchsstand mit 0, 03 absolut angegeben. Dies gilt für Messungen an verscedenen Proben mit jeweils neuer Einbausituation, Schwankungen in der Lampenleistung, des Volumenstroms, der ühlleistung, der Temperatur in der Prüfhalle etc. Im vorliegenden Versuch wird bezüglich der messunsicherheitsbehafteten Einflussgrößen und faktoren nichts verändert, außer dass elektrische Leistung entnommen wird. Dies führt zu einer absoluten Änderung im g-wert von 0,03 bei Probekörper A und 0,02 bei Probekörper B. In obiger Abbildung ist exemplarisch die Temperaturänderung am Probekörper B durch Zuschalten der Last gezeigt, die von einem stabilen Niveau in das 2,6 tiefere, dann wieder stabile Niveau geht. Obwohl die g-wert Messung als gesamtes mit einer max. erw. Messunsicherheit von 0,03 absolut einhergeht, kann für die reine Messung der Änderung des g-werts eine niedrigere Messunsicherheit angenommen werden. Da die meisten Einflussgrößen und faktoren konstant bleiben, entfallen ihre Seite 5/7

6 Beiträge zur Messunsicherheit. Deshalb kann für die Änderung des gemessenen g-werts eine deutlich geringere Messunsicherheit von 0, 003 absolut angenommen werden. 5 Modell Die Energiebilanz in einem teiltransparenten PV-Modul ist in nebenstehender Abbildung dargestellt. Die einfallende Strahlung e wird in vier Anteile aufgespalten: (i) transmittierte Leistung e mit Transmissionsgrad (ii) reflektierte Leistung e mit Reflexionsgrad (iii) absorbierte Leistung e mit Absorptionsgrad (iv) elektrische Leistung Pel el e bei Leistungsentnahme mit elektrischem Wirkungsgrad el, sonst = 0. el q e q i Nach DIN EN 410 [3] teilt sich die absorbierte Leistung in zwei sekundäre Energieabgabegrade (Index i=innerer, e=äußerer) q i und qe auf, mit qi q e. Für qi gilt bei einer Einfachglasscheibe: qi mit den he Wärmeübergangskoeffizienten h (Index i=innerer, e=äußerer), die er vereinfachend angenommen wird. Da die auftretenden Temperaturen nicht den Normtemperaturen (er: m 32 C bzw. 305 ) entsprechen, wird nach DIN EN 673 der innere Wärmeübergangskoeffizient neu berechnet: W hr hc mit h c 3,6 m² 3 8 W 3 W hr 4 Tm 4 5, ,837 (305) 5,39 4 m² m² W 8,99 m² wobei hr der Wärmeübergangskoeffizient durch Strahlung und hc der Wärmeübergangskoeffizient durch onvektion ist. Damit ergibt sich mit h W 25 e m ² ein sekundärer Wärmeabgabegrad nach innen von: qi α α 0,26, d.h. 26% der absorbiert Strahlungsleistung werden nach innen abgegeben. h h i e Wird nun eine elektrische Leistung entnommen, so sinkt die absorbierte Strahlungsleistung um diesen Betrag el e ; in unserem Fall um 101W bzw. 70,0 W. Die nach innen abgegebene Strahlungsleistung wird dadurch um 26% Pel reduziert, im vorliegenden Fall auf 26,7 W bzw.18,5 W. Vergleicht man nun diese Leistungen mit der gemessenen Verringerung der ühlleistung durch Anschalten der Last (siehe Tabelle 1), dann ergibt sich eine sehr gute Übereinstimmung zwischen dem theoretischen Modell und der Messung 27 W 2 W bzw. 18 W 2 W. Basierend auf diesen Überlegungen kann man eine einfache Abschätzungsformel für Praktiker formulieren. ann ein BIPV-Modul als Einfachglasscheibe genähert werden, dann reduziert sich der g-wert bei elektrischer Leistungsentnahme um ca. ein Viertel des tatsächlichen vorhandenen elektrischen Wirkungsgrades. Seite 6/7

7 6 Zusammenfassung und Ausblick Die von PV-Modul Herstellern angegebenen enngrößen geben nicht unbedingt die Referenz- bzw. Einsatzbedingungen aus dem Bauwesen wieder. Für die Planung von gebäudeintegrierten PV- Anlagen müssen weitere ennzahlen und Leistungseigenschaften bekannt sein. Der g-wert von teiltransparenten PV-Modulen sinkt durch Entnahme elektrischer Leistung. Der Effekt ist klein, aber messbar. Ebenso sinkt die Oberflächentemperatur des Moduls. Die Stärke der g-wert- Abnahme hängt direkt mit der entnommenen Leistung zusammen, d.h. bei Modulen mit höherem Wirkungsgrad sinkt der g-wert stärker. Dieses Verhalten, das an c-si-modulen im Detail untersucht, aber auch an a-si- und CIS-Modulen beobachtet wurde, entspricht voll den theoretischen Erwartungen. In weiteren Experimenten sollte der Einfluss von PV auf den g-wert von Mehrscheiben-Isoliergläsern mit Photovoltaik untersucht werden. Literatur [1] Gebäudeintegrierte Photovoltaik, Glas+Rahmen, 16-20, 7 (2011). [2] DIN EN 61215:2005 Terristrische kristalline Silizium-Photovoltaik (PV-)-Module Bauarteignung und Bauartzulassung oder DIN EN 61646:2008 Terrestrische Dünnsccht-Photovoltaik-(PV)-Module Bauarteignung und Bauartzulassung. Berlin: Beuth-Verlag GmbH. [3] DIN EN 410: Glas im Bauwesen Bestimmung der lichttechnischen und strahlungsphysikalschen enngrößen von Verglasungen. Berlin: Berlin: Beuth-Verlag GmbH. [4] REGES-Abschlussbericht Entwicklung einer Referenzmethode zur kalorimetrischen Bestimmung des Gesamtenergiedurchlassgrades von transparenten und transluzenten Bauteilen, ift Rosenheim, [5] DIN EN ISO 6946:2007 Bauteile Wärmedurchlasswiderstand und Wärmedurchgangskoeffizient Berechnungsverfahren, Anhang A. Berlin: Beuth- Verlag GmbH. [6] DIN EN 673: Glas im Bauwesen Bestimmung des Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wert) Berechnungsverfahren. Autoren: Prof. Dr. rer. nat. Claudia Schäfle, Gruppe Bauphysik und Gebäudetechnik, ANG, Hochschule für Angewandte Wissenschaften, Fachhochschule Rosenheim, Hochschulstr. 1, Rosenheim. Dipl.-Phys. Christine Lux, Technische Gebäudeausrüstung, Institut für Fenstertechnik, Rosenheim, Theodoer-Gietl-Str. 7-9, Rosenheim. Seite 7/7