Temperatur- und Leistungsverhalten von monokristallinen PV-Modulen mit komplett schwarzer Oberfläche

TEC-Institut Download Bericht: Torsionswaage über rotierender Masse nach Dr. Lang

Autor:
Dipl. Ing. (FH) Eberhard Zentgraf
Elektroingenieur
im TEC-Institut für technische Innovationen

An Planung, Aufbau, Messungen und Auswertung beteiligtes wissenschaftliches Team:
E. Zentgraf, S. Hock, N. Jach, A. Zentgraf

 

Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Vorgehensweise
3. Versuchsaufbau
4. Messergebnisse
4.1 Module mit schwarz-weißer Oberfläche
4.2 Module mit schwarzer Oberfläche
4.3 Ergebnisse in tabellarischer Darstellung
5. Fazit
6. Equipment

 

1. Einleitung
Aus optischen Gründen werden in letzter Zeit mehrfach monokristalline Module installiert, die eine komplett schwarze Oberfläche haben. Die normalerweise weißen Bereiche zwischen den einzelnen Zellen und in der Nähe des Rahmens, welche von einer weißen Tedlar-Folie herrühren, sind in diesem Falle schwarz, weil eine schwarze Tedlar-Folie verwendet wird. Durch den ebenfalls schwarz lackierten Rahmen ergibt sich auf Dächern ein einheitliches Farbbild, welches von vielen Menschen als optisch angenehmer empfunden wird als schwarz-weiß gemusterte Dächer (siehe Abb. 1).

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Da eine komplett schwarze Oberfläche sich bei Sonnenbestrahlung jedoch stärker aufheizt als eine schwarz-weiß gemusterte, muss zwangsläufig damit gerechnet werden, dass dadurch die Modulleistung zurückgeht. Die Frage ist nur, um wie viel Prozent die Leistung abnimmt und ob dies evt. mit erheblichen Ertragseinbußen verbunden ist. Um dies zu untersuchen, legten wir folgende Vorgehensweise fest.

2. Vorgehensweise
Für den Untersuchungszeitraum wurden zwei Jahre vorgesehen. Im ersten Jahr wurden die Messungen an einem schwarz-weiß gemusterten monokristallinen Modulpaar ANTARIS ASM 180 durchgeführt (Modulleistung 180 Wp) siehe Abb. 2.

 

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Nach dem ersten Jahr wurde die gesamte Mess-Sensorik an ein monokristallines Modulpaar (ebenfalls 180 Wp-Module) mit komplett schwarzer Oberfläche angeschlossen, welches wiederum ein Jahr untersucht wurde (siehe Abb. 3).

 

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Dieses Verfahren hatte den Vorteil, dass alle Prüflinge nacheinander an derselben Mess-Sensorik betrieben wurden und Unterschiede zwischen verschiedenen Testaufbauten nicht berücksichtigt werden mussten. Allerdings musste bei den Auswertungen darauf geachtet werden, dass Temperatur und Leistungsvergleiche nur dann einen Sinn ergaben, wenn die Umgebungs-Parameter übereinstimmten. Dazu gehörten die Außentemperatur, die Globalstrahlung und die Windgeschwindigkeit, welche zusätzlich zu Modultemperatur und zur Modulleistung aufgezeichnet wurden (siehe Abb. 4 bis Abb. 6).

Da die Messreihen mit beiden Modultypen jeweils ein Jahr dauerten, ließen sich relativ leicht Tage bzw. Tagesausschnitte mit gleichen (oder zumindest sehr ähnlichen) Umgebungsbedingungen finden. Eine Leistungsminderung bei komplett schwarzen Modulen war nur im Sommer bei hohen Temperaturen zu erwarten.

3. Versuchsaufbau
Das jeweils zu testende Modulpaar wurde an einen Wechselrichter „Mastervolt Soladin 600“ angeschlossen, arbeitete also im Netz-Einspeisebetrieb. Es wurde darauf geachtet, dass die MPP-Bereiche des Modulpaars und des Wechselrichters übereinstimmen. Die Module wurden unter einem Neigungswinkel von 25° exakt nach Süden ausgerichtet (siehe Abb. 2 und 3). Gleichstromseitig wurden Spannung und Strom über Digitalmultimeter erfasst und über ein Messdaten- Erfassungsprogramm auf PC-Festplatte gespeichert. An jedem Modul eines Modulpaares wurde auf der Rückseite (exakt mittig) ein kalibrierter PT100-Sensor zur Erfassung der Modultemperatur befestigt (siehe Abb. 4).

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Auf dem gleichen Dach werden u.a. ein Windmesser (Anemometer) und ein Globalstrahlungsmesser (Pyranometer) betrieben (siehe Abb. 5 und 6). Auch deren Daten ließen sich in digitaler Form speichern, genauso wie ein Außentemperatur-Sensor, welcher im Schatten zwei Meter über dem Erdboden befestigt war. Der Zeittakt für alle genannten Messdatenerfassungssysteme betrug je 60 Sekunden. Die Messungen wurden „rund um die Uhr“ über zwei Jahre hinweg durchgeführt. Anschließend wurden die Daten ausgewertet, wobei auf vergleichbare Umweltbedingungen geachtet werden musste.

 

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4. Messergebnisse
Sehr gut vergleichbar waren die Umgebungsparameter des 3. Juli 2009 und des 28. Juni 2010, siehe Abb. 7 bis Abb. 14.
Festlegung: Es wird jeweils die höchste Tagestemperatur (Spitzentemperatur) der Module festgestellt und die zu diesem Zeitpunkt vorhandene Modulleistung, Globalstrahlung, Windgeschwindigkeit und Außentemperatur ermittelt. Die Graphen für die Module mit schwarz-weißer Oberfläche befinden sich in den Abbildungen 7 bis 10. Die Module mit schwarzer Oberfläche in den Abbildungen 11 bis 14.

4.1 Module mit schwarz-weißer Oberfläche

 

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4.2 Module mit schwarzer Oberfläche

 

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4.3 Ergebnisse in tabellarischer Darstellung

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Überprüfung der Messungen mit den Datenblattwerten:

Leistungs-Temperatur-Koeffizient lt. Datenblatt:

  • Für Module mit schwarz-weißer Oberfläche: -0,45%/°C
  • Für Module mit schwarzer Oberfläche: -0,45%/°C
    Datenblatt-Werte (Nennwerte) werden unter sog. Standard-Test-Bedingungen STC (engl. Standard Test Conditions) im Labor ermittelt. Dabei muss eine Modultemperatur von 25°C eingehalten werden. Für jedes °C Temperaturerhöhung nimmt die Modulleistung um 0,45% ab.
    Der Faktor -0,45% bezieht sich in diesem Falle auf die Nennleistung von 180 Wp (bei zwei Modulen in Reihe: 360 Wp) Weiterhin muss bei den STC-Labortests eine
    Globalstrahlung von 1000 W/m2 eingehalten werden.

Das bedeutet:

  • Für die Module mit schwarz-weißer Oberfläche, welche 64°C erreichten, ergibt sich eine Leistungsabnahme von (64°C – 25°) x 0,45%=17,6% entsprechend 63,4 Wp. Das Modulpaar würde (rein rechnerisch) aufgrund der um 39°C
    höheren Temperatur nur noch 360 Wp – 63 Wp = 296,7 Wp an Leistung erbringen. Berücksichtigt man noch die Globalstrahlung, welche bei ca. 920 W/m2 (also 8% unterhalb des STC-Wertes von 1000 W/m2) liegt, sowie geringe Leistungsverluste durch die Zuleitungskabel und die „üblichen“ geringfügigen Verschmutzungen der Moduloberflächen, so zeigen unsere Messungen das reale Verhalten der PV-Module auf dem Dach. Die tatsächlich gemessene PV-Leistung des Modulpaares liegt bei ca. 270Wp (bei 64°C Modultemperatur)
  • Für die Module mit schwarzer Oberfläche lässt sich die gleiche Rechnung aufmachen. Diese Module erreichten in der    Tagesspitze eine Temperatur von 69°C, wurden also 5°C heißer als die Module mit schwarz-weißer Oberfläche. Rein  rechnerisch ergibt sich wegen dieser 5° höheren Temperatur als bei den Vergleichsmodulen ein Verlust von 19,8 % entsprechend 71,28 Wp. Daher würde (rein rechnerisch) das schwarze Modulpaar 288,7 Wp an Leistung erbringen. Die Globalstrahlung lag in diesem Fall bei 960 W/m2 (also 4% unter dem STC-Wert). Auch in diesem Fall zeigt unsere Messung, unter Berücksichtigung geringer Zuleitungsverluste und geringfügiger „üblicher“ Oberflächenverschmutzung, sowie einer Globalstrahlung, die 4 % unter dem STC-Wert liegt, dass der real gemessene Leistungswert von ebenfalls ca. 270 Wp, sehr nah an den rechnerischen Wert herankommt.

5. Fazit:
Die wichtigste Erkenntnis der Messreihen war, dass sich die PV-Module mit schwarzer Oberfläche, bei quasi identischen Umwelt-/Umgebungsbedingungen an typischen Sommertagen in der Spitze, nur geringfügig stärker erhitzen als vergleichbare Module mit schwarz weißer Oberfläche. In unserem Fall waren es 5°C. Rein rechnerisch ergeben die 5°C einen Leistungsverlust von 2,3%. Bei „guten“ Herstellern, welche ihre Module sorgfältig (d.h. nach Plus-Toleranzen) sortieren, würden sich diese 2,3% Verluste (verursacht durch 5°C höhere Modultemperaturen) noch in den allgemein üblichen Datenblatt-Nennleistungs-Toleranzen von +/-3% bewegen.

 

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Waldaschaff, 10.9.2010
Eberhard Zentgraf
Dipl.-Ing. (FH) Elektrotechnik