Vergleich der Energie-Erträge von kristallinen und Dünnschicht-Modulen, bezogen auf die jeweils gleiche Flächeneinheit von 1 m²

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1 Vergleich der Energie-Erträge von kristallinen und Dünnschicht-Modulen, bezogen auf die jeweils gleiche Flächeneinheit von 1 m² Autor: Dipl. Ing. (FH) Eberhard Zentgraf Elektroingenieur im TEC-Institut für technische Innovationen An Planung, Aufbau, Messungen und Auswertung beteiligtes wissenschaftliches Team: E. Zentgraf, J. Meidhof, A. Zentgraf, L. Lemons 1

2 Inhalt 1. Vorwort 2. Aufbau und Durchführung der Versuche 3. Messergebnisse 4. Bewertungen 5. Nachfolge-Experimente 6. Equipment 2

3 1. Vorwort Im Rahmen verschiedener technischer Untersuchungen an Photovoltaik- Systemen (PV-Systemen), beschäftigte sich das TEC-Institut für technische Innovationen auch mit dem Vergleich der Energie-Erträge von kristallinen und Dünnschicht-Modulen. In der Öffentlichkeit und auch in verschiedenen Fachpublikationen wird besonders der Energie-Ertrag von Dünnschichtmodulen bei Schwachlicht höher eingeschätzt, als der Energie- Ertrag von kristallinen Modulen. In einer Veröffentlichung unseres Institutes vom März 29 unter dem Titel Untersuchungen zur Höhe des Energieertrages von Photovoltaik-Modulen unter verschiedenen Neigungswinkeln und Ausrichtungen (siehe: haben wir bereits dargelegt, dass die Angaben über die Vorteile von Dünnschichtmodulen oftmals überbewertet werden. Einige Angaben über die Vorteile von Dünnschichtmodulen treffen, zumindest für unsere mitteleuropäischen Breiten, nicht zu. Die Untersuchungen, auf welche sich unsere Veröffentlichung vom März 29 bezieht, wurden als sog. herunterskaliertes Experiment mit Kleinstmodulen durchgeführt. Die aktuellen Untersuchungen wurden mit handelsüblichen Modulen im Netz-Einspeisebetrieb durchgeführt. Der Untersuchungszeitraum erstreckte sich über ein ganzes Jahr. Voraussetzungen: Bei den Vorüberlegungen gingen wir davon aus, dass den meisten Interessenten einer PV-Anlage eine begrenzte (Dach)-Fläche zur Verfügung steht. Daher bezogen sich unsere Untersuchungen bei allen Modulen auf die gleiche Flächeneinheit: 1 m². 2. Aufbau und Durchführung der Versuche: Folgende Module wurden für die Testreihen ausgewählt: monokristallin: - Sharp NU-18 E1 18 Wp - Yunnan Tianda TD 175 M5 175 Wp - ANTARIS ASM Wp polykristallin: - aleo S16 18 Wp - Kyocera KC 175 GHT Wp - Tynsolar TYN-18 PC 18 Wp Dünnschicht: - Kaneka Z-EA75 (a-si) 75 Wp - Solartechnics SN-GS4D (a-si) 4 Wp - First Solar FS 27 (CdTe) 7 Wp Anmerkung zu den Dünnschichtmodulen: Es wurden als Dünnschichtmaterialien amorphes Slizium (a-si) und Cadmium- Tellurid (CdTe) verwendet. 3

4 Es wurden jeweils 2 Module gleichen Typs in Reihe zu einem String verschaltet und über dazu passende Wechselrichter an das Stromnetz angeschlossen. Bei den Wechselrichtern wurde darauf geachtet, dass die Module die Wechselrichter satt im Mpp-Bereich betreiben konnten. Einzig von den Solartechnics-Modulen mußten 3 Module in Reihe zum String verschaltet werden, um in den Mpp-Bereich zu gelangen. Auch bei weiteren Details wurde auf gleiche Bedingungen geachtet: - gleiche Ausrichtung (nach Süden) - gleicher Neigungswinkel (25 ) - gleiche Kabellängen - Montage auf dem gleichen Gebäude - etc. Messverfahren: Von jedem Modultyp wurden am Eingang des zugehörigen Wechselrichters sowohl Gleichstrom als auch Gleichspannung messtechnisch erfasst und über einen Messrechner auf Festplatte gespeichert. Aus gemessenem Gleichstrom und gemessener Gleichspannung konnte für jeden Modultyp die elektrische Leistung und der elektrische Energieertrag berechnet werden. Messtakt: 1 Minute. Die Messungen liefen rund um die Uhr über den Zeitraum vom 1. Oktober 28 bis zum 3. September 29, also genau ein Jahr. Somit konnte das Verhalten der Modularten über alle 4 Jahreszeiten hinweg beobachtet werden. Fotos von verwendeten Modulen: Abb. 1: Solartechnics-Module 4

5 Abb. 2: First Solar-Module Abb. 2a: Kaneka-Module 5

6 Abb. 3: rechte Reihe: 1. u. 2. Modul von hinten: Yunnan Tianda-Module 5. u. 6. Modul von vorne: ANTARIS-Module 6

7 3. Messergebnisse: Vorbetrachtungen: Vor den Auswertungen der Messreihen sind einige Vorüberlegungen nötig: Jedes Hersteller-Datenblatt eines PV-Moduls enthält u. a. die Angabe der Nennleistung und die Außenmaße des Moduls. Daraus lässt sich die Nennleistung pro m² berechnen (siehe Abb. 4): Datenblatt-Nenn-Leistung pro Quadratmeter 16 monokristallin polykristallin Dünnschicht 15 Datenblatt-Nenn-Leistung pro Quadratmeter [Wp] ,6 137,1 137,4 137,5 137,7 13,6 61,5 5,6 97,2 2 1 Yunnan Tianda TD 175 M5 ANTARIS ASM 175 AI Sharp NU-18 E1 Tynsolar TYN-18 PC Kyocera KC 175 GHT aleo S16 Kaneka Z-EA75 Solartechnics SN-GS-4D39D First Solar FS 27 Abb. 4: Datenblatt-Nennleistung pro m² Sowohl von den monokristallinen als auch von den polykristallinen Modulen wird in einigen der folgenden Betrachtungen der Mittelwert gebildet, da jede Gruppe untereinander einen relativ kleinen Streubereich hat. Die Dünnschichtmodule werden aufgrund der höheren Streuung weiterhin einzeln betrachtet. Daraus ergibt sich die nachfolgende Abb. 5, in welcher der Mittelwert der monokristallinen Module als Bezugswert (also 1%) für die anderen Module genommen wird. 7

8 Prozentuale Datenblatt-Nenn-Leistungsanteile der verschiedenen Zellenarten, pro Quadratmeter, bezogen auf monokristallin , 98,7 9 Prozentuale Datenblatt-Nenn-Listungsanteile [%] ,9 36,9 7,9 2 1 Mittelwert monokr. Mittelwert polykr. Kaneka Z-EA75 (a-si) Solartechnics SN-GS- 4D39D (a-si) First Solar FS 27 (CdTe) Abb. 5: Prozentuale Datenblatt-Nennleistung pro m² Ergebnisse der Messreihen: Abb. 6 zeigt die absoluten elektrischen Energieerträge pro m² aller beteiligten Modultypen im Zeitraum vom bis zum Pro Quadratmeter gelieferte elektrische Energie, absolut [kwh] vom bis monokristallin polykristallin Dünnschicht pro Quadratmeter gelieferte elektrische Energie [kwh] ,7 141, 138,7 124, 137,6 134,1 61,9 51, 11,6 Yunnan Tianda TD 175 M5 ANTARIS ASM 175 AI Sharp NU-18 E1 Tynsolar TYN-18 PC Kyocera KC 175 GHT-2 aleo S16 Kaneka Z-EA75 (a- Si) Solartechnics SN- GS-4D39D (a-si) First Solar FS 27 (CdTe) Abb. 6: pro m² gelieferte absolute Energieerträge 8

9 Fasst man die mono- und polykristallinen Modultypen jeweils wieder als Mittelwerte zusammen, so ergibt sich Abb. 7: Absolut-Erträge der verschiedenen Zellenarten [kwh], pro Quadratmeter, bis Absolut-Erträge [kwh], pro Quadratmeter und Jahr ,8 132, 61,9 51, 11,6 2 1 Abb. 7: Mittelwert monokr. Mittelwert polykr. Kaneka Z-EA75 (a-si) Solartechnics SN-GS- 4D39D (a-si) pro m² gelieferte absolute Energieerträge First Solar FS 27 (CdTe) Die zugehörige prozentuale Betrachtung, siehe Abb. 8: 12 Prozentuale Erträge der verschiedenen Zellenarten [%], pro Quadratmeter, bezogen auf monokristallin bis ProzentualeErträge [%], pro Quadratmeter, bezogen auf monokr , 96,5 45,3 37,3 74,3 1 Abb. 8: Mittelwert monokr. Mittelwert polykr. Kaneka Z-EA75 (a-si) Solartechnics SN-GS- 4D39D (a-si) pro m² gelieferte absolute Energieerträge 9 First Solar FS 27 (CdTe)

10 Verlauf der absoluten Energieerträge pro m² in Abb. 9: absoluter Energie-Ertrag pro Quadratmeter und Monat [kwh] 22 Beobachtungszeitraum: bis (12 Monate) 2 absoluter Energie-Ertrag pro Quadratmeter und Monat [kwh] Mittelw. monokr. Mittelw. polykr. Kaneka Solartechnics First Solar 2 kt 8 Nov 8 Dez 8 Jan 9 Feb 9 Mär 9 Apr 9 Mai 9 Jun 9 Jul 9 Aug 9 Sep 9 Okt 9 Abb. 9: pro m² gelieferte absolute Energieerträge, absolut Wählt man nun wieder monokristallin als Bezugswert (1%) so ergibt sich Abb. 1: prozentualer Energie-Ertrag pro Quadratmeter und Monat [%], bezogen auf monokristallin prozentualer Energie-Ertrag pro Quadratmeter und Monat [%], bezogen auf monokristallin Abb. 1: kt 8 Beobachtungszeitraum: bis (12 Monate) Nov 8 Dez 8 Jan 9 Feb 9 Mär 9 Apr 9 Mai 9 Jun 9 Jul 9 Aug 9 Sep 9 Okt 9 pro m² gelieferte absolute Energieerträge, prozentual 1 Mittelw. monokr. Mittelw. polykr. Kaneka Solartechnics First Solar

11 . 4. Bewertung: In keiner Situation konnten wir einen Vorteil, weder der amorphen, noch der CdTe Dünnschichtmodule gegenüber den kristallinen Modulen im Energieertrag pro Flächeneinheit (m²) feststellen (Ausrichtung: Süd, Neigung: 25 ). Die Jahres-Energieerträge (Abb. 8) verhalten sich nahezu exakt so, wie es aus den prozentualen Datenblatt-Nennleistungsanteilen (Abb. 5) zu erwarten war. In den Monaten mit Schwachlicht (Spätherbst, Winter, zeitiges Frühjahr) lagen die Dünnschichtmodule prozentual sogar noch weiter hinter den kristallinen Modulen als im Sommer (siehe Abb. 1 ). 5. Nachfolgeexperimente: Derzeit finden Messreihen statt, wobei sowohl Dünnschicht- als auch kristalline Module unter einem Neigungswinkel von 25 nach Westen ausgerichtet sind. Aussagekräftige Ergebnisse werden Mitte des Jahres 21 vorliegen. 6. Equipment Gerät: Typ: Hersteller/Lieferant: Multimeter VC 82 Voltcraft Wechselrichter Soladin 6 Mastervolt Wechselrichter StecaGrid 5 Steca Messrechner GX 26 Dell Software MS Visual Basic 6. Microsoft Software MS Excel 23 Microsoft Waldaschaff, Eberhard Zentgraf Dipl.-Ing. (FH) Elektrotechnik 11