Unterschiede im Jahresertrag bei PV Modulen im Einspeisebetrieb zwischen Ausrichtung nach Süden bzw. nach Westen.

 

Ermittlung des elektrischen Energieertrages von 12 PV-Modultypen, im Vergleich

Autor: Eberhard Zentgraf
Dipl. Ing. (FH)
An Planung, Aufbau, Durchführung und Auswertung
beteiligtes, wissenschaftliches Team:
E. Zentgraf
S. Hock
A. Zentgraf
M. Moore

 

Inhaltsverzeichnis

1. Anlass der Untersuchungen
2. Aufbau der Messungen
3. Durchführung der Messungen
4. Messergebnisse
4.1. Auswertungen auf Basis der Globalstrahlungsmessungen
4.2. Auswertungen im Vergleich mit anderen kristallinen und a-Si Dünnschicht Modulen
5. Fehlerbetrachtung
6. Equipment

 

1. Anlass der Untersuchungen
Im September 2008 veröffentlichten wir die Ergebnisse einer Untersuchung, in welcher wir die Jahres-Energieerträge von PV-Kleinstmodulen (als herunterskaliertes Experiment) in verschiedenen Ausrichtungen und Neigungen untersuchten. (Siehe auch „Höhe des Energieertrages von PV Modulen unter verschiedenen Neigungswinkeln und Ausrichtungen“ auf dieser Homepage) Unsere damalige Veröffentlichung stieß auf ein überraschend großes Interesse. In zahlreichen E-Mails, Telefonaten und persönlichen Gesprächen wurden wir gebeten, diese damalige Messung mit großen Serienmodulen im Netz-Einspeisebetrieb zu untermauern.

Alle Neigungen und Ausrichtungen der Messreihen von 2008 konnten wir nicht mit den großen Serienmodulen nachstellen, dazu reichte der Platz in unserem Testbereich nicht.

Aber exemplarisch wollten wir – in einer über zwei Jahre gehenden Messreihe – den Unterschied zwischen einer Südausrichtung (Neigung 28°) und einer Westausrichtung (Neigung 28°) ermitteln. (Wie gesagt, mit großen Serienmodulen und in Netz- Einspeisebetrieb)

Wir wählten dazu, als Vertreter der kristallinen Module, 2 Stück „SCHOTTSolar poly 165“, sowie als Vertreter der Dünnschicht Module 3 Stück „Solartechnics SN-GS-40D“ (a-Si) aus.

Alle Module wurden 1 Jahr lang in Südausrichtung und anschließend 1 Jahr lang in Westausrichtung, jeweils unter einer Neigung von 28° betrieben.

Als Referenz-Messgerät diente zum einen ein hochwertiger Globalstrahlungsmesser (Pyranometer) vom Typ CMP3 des Herstellers Kipp & Zonen. Solche Geräte werden u. a. auch vom Deutschen Wetterdienst benutzt. Zum anderen wurden auch kristalline und a-Si Dünnschicht Module zum Vergleich herangezogen. Der kristalline Vergleichstyp war das Modul ANTARIS ASM 175, als a-Si Dünnschicht Vergleichstyp wählten wir das Modul Kaneka Z-EA D075 aus.

Jeweils 2 Stück ANTARIS ASM 175 und 2 Stück Kaneka Z-EAD075 wurden während des gesamten Messzeitraums, vom 01. April 2009 bis 31. März 2011, unter einem Neigungswinkel von 28° nach Süden ausgerichtet.

Nach Ablauf jeweils eines Jahres wurden ihre Erträge mit den Erträgen der Probanten (SCHOTTSolar poly 165 und Solartechnics SN-GS-40D) verglichen.

2. Aufbau der Messungen
Abb. 1 zeigt das verwendete Pyranometer

alt

Abb. 1: Pyranometer CMP3, Kipp & Zonen
In Abb. 2 sind die nach Westen ausgerichteten 3 Stück Solartechnics Module zu erkennen (Vordergrund).
Im Hintergrund rechts befinden sich nach Süden ausgerichtete Module.

alt

Abb.2: Solartechnics Module, nach Westen ausgerichtet

Auch bei flachen Sonnenständen durften sich die Module nicht gegenseitig verschatten
(siehe Abb. 3)

alt

Abb. 3: Auch bei flachen Sonnenständen erfolgt keine Verschattung

Eines der beiden nach Westen ausgerichteten SCHOTT Module ist im Vordergrund von Abb. 4 zu sehen. Im Hintergrund rechts sind die drei Solartechnics Module. Ganz hinten rechts sind nach Süden ausgerichtete Module zu erkennen.

alt

Abb. 4: Eines der beiden SCHOTT Module in West-Ausrichtung

alt

Abb. 5: Die beiden nach Westen ausgerichteten SCHOTT Module von hinten gesehen

3. Durchführung der Messungen
Eine wichtige Voraussetzung zur exakten Durchführung der Messungen ist die Tatsache, dass die Module nur dann das Optimum ihrer Leistung erbringen können, wenn der MPP-Bereich (Maximum Power Point) vom Modulstrang und Wechselrichter übereinstimmen. Darauf wurde von uns geachtet. Die jeweiligen Modultypen wurden zu Strängen zwischen zwei bis drei Modulen (abhängig von der MPP Spannung der einzelnen Module) verschaltet. Über jeweils einen Wechselrichter vom Typ Mastervolt Soladin 600 und über einen zugehörigen ENS (Elektronischer Netzfreischalter) erfolgte die Einspeisung ins Stromnetz. Der Eingangs-Gleichstrom und die Eingangs- Gleichspannung eines jeden Wechselrichters wurden über kalibrierte Multimeter erfasst und mit Hilfe eines Messrechners zusammen mit den Messdaten des Globalstrahlungsmessers gespeichert. Der Zeitfakt betrug eine Minute. Aus diesen Daten konnten anschließend die Erträge der untersuchten Module berechnet werden.

4. Messergebnisse:
Bei Ermittlung und Auswertung der Messergebnisse muss Folgendes berücksichtigt werden:
− Die Höhe der Globalstrahlung wird in kWh/m² angegeben
− Die Angabe der Höhe der Energieerträge der PV Module erfolgt in kWh.
− Um die MPP-Anpassung zwischen jeweiligem Wechselrichter und PV Modulstrang zu erreichen, mussten die PV Module nach folgendem Schema in Reihe
geschaltet werden:

  • SCHOTTSolar poly 165, 2 Stück in Reihe, Gesamt-Nennleistung 330 Wp
  • Solartechnics SN-GS-40, 3 Stück in Reihe, Gesamt-Nennleistung 120 Wp
  • ANTARIS ASM 175, 2 Stück in Reihe, Gesamt-Nennleistung 350 Wp
  • Kaneka Z-EA D075, 2 Stück in Reihe, Gesamt Nennleistung 150Wp

alt

4.1. Auswertungen auf Basis der Globalstrahlungsmessungen

alt

 

alt

Die beiden Diagramme Abb.6 und Abb. 7 zeigen die Monatswerte der Globalstrahlung, sowie die Monatswerte der Erträge der SCHOTTSolar und Solartechnics Module in Südausrichtung (Zeitraum April 2009 bis März 2010).

alt

alt

In den Diagrammen Abb. 8 und Abb. 9 sind die Monatswerte der Globalstrahlung, sowie die Monatswerte der Erträge der SCHOTTSolar und Solartechnics Module in Westausrichtung dargestellt (Zeitraum April 2010 bis März 2011).

Fazit:
Südausrichtung (siehe Abb. 6 und Abb. 7)
Die Jahressumme der Globalstrahlung des Messzeitraumes April 2009 bis März 2010 belief sich
auf 1142,5 kWh/m². In diesem Zeitraum erreichten die Erträge der SCHOTTSolar Module
317,6 kWh sowie die Solartechnics Module 117,1 kWh. Daraus ergeben sich folgende
Verhältnisse von jeweiligem Modulertrag zur Globalstrahlung:
− SCHOTTSolar poly 165 : 317,6 / 1142,5 = 0,278
− Solartechnics SN-GS-40D: 118,1 / 1142,5 = 0,103

Westausrichtung (siehe Abb. 8 und Abb, 9) Analog zur Südausrichtung, hier die Werte der Westausrichtung (Zeitraum April 2010 bis März 2011):

Globalstrahlung, Jahresertrag: 1127,1
Jahresertrag SCHOTTSolar Module: 281,3 kWh
Jahresertrag Solartechnics Module: 100,7 kWh
Verhältnisse von jeweiligem Modulertrag zur Globalstrahlung:
− SCHOTTSolar poly 165: 281,3/1127,1 = 0,249
− Solartechnics SN-GS-40D: 100,7 / 1127,1 = 0,089

Ergebnisse der Ertragsunterschiede zwischen Süd- und Westausrichtung, mit der
Globalstrahlung als Bezugsgröße:
– für kristallin (SCHOTTSolar poly 165): 0,249 / 0,278 = 0,896 entspricht 89,6 %
– für a-Si Dünnschicht (Solartechnics SN-GS-40D) 0,089 / 0,103 = 0,864 entspricht 86,4 %

Resultat:
Verglichen mit der jeweiligen Globalstrahlung erbrachten die kristallinen Module in Westausrichtung noch 89,6 %, die a-Si Dünnschicht Module noch 86,4 % des Ertrages (Neigung jeweils 28°), bezogen auf die optimale Ausrichtung nach Süden.

4.2. Auswertungen im Vergleich mit anderen kristallinen und a-Si Dünnschicht Modulen

Bauartbedingter Umrechungsfaktor:
Wie aus Tabelle 1 zu ersehen ist, differieren die Nennleistungen sowohl der beiden kristallinen (SCHOTTSolar, ANTARIS), als auch der beiden a-Si Dünnschicht Modultypen (Solartechnics, Kaneka) untereinander. Um für die Auswertungen jedoch einen zuverlässigen Bezug zu erhalten, wurde ein sog. bauartbedingter Umrechnungsfaktor ermittelt. Dazu wurden zunächst alle 4 Modultypen ein Jahr lang (April 2009 bis März 2010) in Südausrichtung betrieben. Danach konnten die bauartbedingten Umrechnungsfaktoren ermittelt werden.

Abb. 10 zeigt die Monatserträge der SCHOTTSolar und der ANTARIS Module in Südausrichtung (Zeitraum: April 2009 – März 2010).

alt

Jahreserträge:
– ANTARIS ASM 175:        350,6 kWh
– SCHOTTSolar poly 165:   317,6 kWh
Damit die SCHOTTSolar Module auf den gleichen Energieertrag wie die ANTARIS
Module kommen könnten, müssten sie mit dem Faktor 350,6 / 317,6 = 1,104 multipliziert werden (baubedingter Umrechnungsfaktor)

Ähnliches gilt für die a-Si Dünnschicht Module (Solartechnics, Kaneka):
Abb. 11 zeigt die Monatserträge der Solartechnics und der Kaneka Module in Südausrichtung (Zeitraum: April 2009 – März 2010)

 

alt

Jahreserträge:
– Kaneka Z-EAD075:           145,5 kWh
– Solartechnics SN-GS-40D:  118,1 kWh
Bauartbedingter Umrechnungsfaktor: 145,5 / 118,1 = 1,232
Nachdem die bauartbedingten Umrechnungsfaktoren ermittelt waren, konnten sowohl die kristallinen, als auch die a-Si Dünnschicht Module, in Bezug der Ertragsunterschiede zwischen Süd- und Westausrichtung, verglichen werden.

Das Diagramm in Abb. 12 stellt die Monatserträge im Zeitraum April 2010 bis März 2011, der ANTARIS Module (Südausrichtung) und SCHOTTSolar Module (Westausrichtung) dar.

alt

In Abb. 13 sind die Monatserträge der Kaneka und Solartechnics Module zu sehen, vom April 2010 bis März 2011, in Westausrichtung.

alt

 

Fazit:
Kristalline Module

Jahreserträge:
– ANTARIS ASM 175:         359,0 kWh
– SCHOTTSolar poly 165:    281,5kWh
– SCHOTTSolar poly 165 mit bauartbedingten Umrechnungsfaktor: 281,2 kWh x 1,104 = 310,4 kWh

Ergebnis:  310,4 kWh / 359,0 kWh = 0,865 = 86,5 %

In Westausrichtung ergeben sich im direkten Vergleich der kristallinen Module noch 86,5 % des Ertrages, verglichen mit einer optimalen Südausrichtung (jeweils bei 28° Neigung).

a-Si Dünnschicht Module:

Jahreserträge:
–  Kaneka Z-EAD075: 138,4 kWh
–  Solartechnics SN-GS-40D: 100,8 kWh
–  Solartechnics SN-GS-40D mit bauartbedingtem Umrechnungsfaktor:
–  100,8 kWh x 1,232 = 124,19 kWh
Ergebnis:

124,19 kWh / 138,4 kWh = 0,897 = 89,7 %

In Westausrichtung ergeben sich im direkten Vergleich der a-Si Dünnschicht Module noch 89,7 % des Ertrages verglichen mit einer optimalen Südausrichtung (jeweils bei 28° Neigung).

Zusammenfassung (siehe Tabelle 2):

alt

 

Abschließendes Fazit:
Wie aus Tabelle 2 zu ersehen ist, liegt der Ertrag sowohl von kristallinen als auch von a-Si Dünnschicht Modulen in Westausrichtung zwischen ca. 86% bis ca. 90% (hier bei einem Neigungswinkel von jeweils 28°), verglichen mit einer optimalen Südausrichtung. Dies stimmt auch mit Tabellenwerten recht gut überein. Auf mögliche Ursachen der gemessenen prozentualen Abweichungen, welche auftraten, als zu einem der Globalstrahlungsmesser, und zum anderen nach Süden ausgerichtete kristalline, bzw. a-Si Dünnschicht Module als Bezug verwendet wurden, wird in der folgenden Fehlerbetrachtung (siehe Punkt 5) eingegangen.

 

5. Fehlerbetrachtung
Die prozentualen Unterschiede der Ergebnisse in Tabelle 2 haben verschiedene
Ursachen. An dieser Stelle möchten wir einige auflisten:
− Der verwendete Globalstrahlungsmesser misst zwar die Globalstrahlung mit sehr
hoher Präzision. Zweifellos ist die Globalstrahlung das Hauptkriterium für den
Ertrag, kann aber keine Auskünfte geben über:

  • Windstärke
  • Lufttemperatur
  • Modultemperatur
  • Modulverunreinigen

Diese Punkte beeinflussen jedoch unmittelbar Leistung und Ertrag.
− Bei Verwendung von kristallinen oder a-Si Dünnschicht Modulen als Bezugsgröße spielt die Degradation innerhalb des Messzeitraumes (immerhin zwei Jahre) eine,
wenn auch geringe, Rolle.

Wir hatten darauf geachtet, dass bei Beginn der Messungen die Anfangsdegradationen (besonders der a-Si Module) bereits abgeschlossen war.

Allerdings degradieren (wenn auch nur gering) die Module unterschiedlich stark, auch innerhalb der kristallinen und a-Si Gruppen.

− Dennoch liegen alle Ergebnisse in der zu erwartenden Streuung zwischen ca. 86% und knapp 90%.
6. Equipment

alt

Waldaschaff, 12. 04. 2011

Eberhard Zentgraf
Dipl. Ing. (FH) Elektrotechnik