Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Photovoltaische Elemente zur direkten Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom k\u00f6nnen wesentlich zu einer umweltfreundlichen Energieversorgung beitragen, haben aber aufgrund der hohen Kosten noch nicht die dazu notwendige Verbreitung. Ziel des Projektes war es, die M\u00f6glichkeiten f\u00fcr den Einsatz von neuartigen beidseitig lichtausnutzenden (bifacialen) Solarzellen aufzuzeigen und deren verbesserte Wirtschaftlichkeit aufgrund gesteigerter Ertr\u00e4ge nachzuweisen. Dazu wurden die Einsatzm\u00f6glichkeiten von bifacialen PV-Solarmodulen unter realistischen Aufst\u00e4nderungsbedingungen vor Geb\u00e4udefassaden und Dachfl\u00e4chen experimentell untersucht und ein Simulationsprogramm zur Berechnung der Einstrahlungsverh\u00e4ltnisse auf der Modulr\u00fcckseite und der zu erwartenden Modulleistung erstellt.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenPhotovoltaische (PV)-Module eines Prototyps mit beidseitig lichtausnutzenden Solarzellen wurden auf einem neu errichteten variablen Au\u00dfenme\u00dfstand vor verschiedenen Fassaden- und Dachelementen aus hellem Baumaterial (Rauhputz, lackiertes Stahlblech, glasierte Ziegel) mit einem Kennlinienanalysator elektrisch vermessen. Um die optimalen Aufst\u00e4nderungsbedingungen zu ermitteln, wurden die PV-Module in unterschiedlicher Weise angeordnet, insbesondere wurde der Abstand der Module zum Hintergrund, der Abstand der Module zueinander und der Neigungswinkel der Module variiert. Gemessen wurde die Modulleistung (Strom, Spannung, Wirkungsgrad) und deren Steigerung in bezug auf einseitige Referenzmodule sowie die Modultemperatur, die Einstrahlungsleistung und andere notwendige Umgebungsdaten.
\nZur rechnerischen Bestimmung der Strahlungsverh\u00e4ltnisse auf der Modulr\u00fcckseite wurde ein Simulationsprogramm entwickelt und anhand der Me\u00dfdaten \u00fcberpr\u00fcft. Die Simulation erlaubt eine Absch\u00e4tzung des zu erwartenden Leistungsmehrertrags f\u00fcr beliebige, technisch relevante Anordnungen.
\nAuf Basis der durch die Au\u00dfenmessungen und Simulation gewonnenen Erkenntnisse wurden architektonisch und technisch einfach realisierbare Aufst\u00e4nderungsverfahren vorgeschlagen.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
F\u00fcr die experimentelle Vermessung von beidseitig lichtausnutzenden Solarzellen vor hellem Hintergrund wurde ein variabler Au\u00dfenteststand und ein pr\u00e4zises Me\u00dfdatenerfassungssytem mit Kennlinienanalysator aufgebaut. Die Untersuchung der optischen Eigenschaften von handels\u00fcblichen Baumaterialien (Rauhputz, Anstriche, lackierte Bleche, glasierte Ziegel) ergab, da\u00df eine Vielzahl von Baustoffoberfl\u00e4chen das auftreffende Sonnenlicht um mehr als 80% diffus reflektieren und somit als Hintergrund f\u00fcr bifaciale Solarzellen sehr gut geeignet sind. Die Oberfl\u00e4chenstruktur oder Rauheit hat keinen Einflu\u00df, ausschlie\u00dflich der Reflexionswert ist entscheidend. Den geringsten Alterungseinflu\u00df f\u00fcr Fassaden- und Dachanordnung zeigten lackierte Bleche (RAL 9016, RAL 9010) und glasierte Ziegel, helle Anstriche und Putze verlieren dagegen mit der Zeit ihr gutes Reflexionsverm\u00f6gen und sollten deshalb gegebenenfalls nach einigen Jahren erneuert werden.
\nPV-Module mit beidseitig lichtausnutzenden Solarzellen (Verh\u00e4ltnis R\u00fcckseiten- zu Vorderseitenwirkungsgrad 0.72) wurden einzeln und in Gruppen vor hellen Fassaden- und Dachfl\u00e4chen (Reflektanz > 80%) installiert und elektrisch vermessen. Eine Temperaturerh\u00f6hung der Siliziumzellen und damit Leistungsverringerung gegen\u00fcber einseitigen Modulen wurde nicht festgestellt.
\nDie Anordnung eines bifacialen Einzelmoduls vor einer senkrechten Fassade (Wand) ergibt bei einer parallelen Ausrichtung des Moduls zur Fassade und einem Abstand von 50 cm den h\u00f6chsten, gegen-\u00fcber einem einseitigen Modul gemessenen, Mehrertrag (55%). Die f\u00fcr diese Aufst\u00e4nderungsart gemessenen mittleren Werte liegen je nach Abstand zwischen 25% und 45%. F\u00fcr Module in Gruppenanordnung und einem Abstand zueinander von etwa der Modulbreite werden Mehrertr\u00e4ge von 25% – 38% erzielt. Diese Anordnung kann als ideal angesehen werden f\u00fcr Fassaden von Hallen, Parkh\u00e4usern und \u00e4hnlichen Geb\u00e4uden, bei denen die Module aus optischen oder architektonischen Gr\u00fcnden senkrecht stehen sollen. Bei geneigter Ausrichtung des Moduls zur Fassade werden Mehrertr\u00e4ge von ca. 30% f\u00fcr Einzelmodule und Mehrertr\u00e4ge von 25% – 28% f\u00fcr Modulgruppen nahezu unabh\u00e4ngig vom Abstand zur Fassade gemessen. Mit dieser Anordnung werden die h\u00f6chsten Gesamtertr\u00e4ge erzielt, da bei einem geneigten Modul auch die Vorderseite die maximale Leistung erbringt.
\nF\u00fcr die Aufst\u00e4nderung von bifacialen PV-Modulen vor geneigten Dachfl\u00e4chen werden stark abstandsabh\u00e4ngige Mehrertr\u00e4ge festgestellt. Ein Einzelmodul mit ca. 30 cm Abstand zum Dach hat unabh\u00e4ngig vom Neigungswinkel einen mittleren Mehrertrag von 30% – 32%, ein ganzes Modulfeld einen Mehrertrag von 22% – 25%. Diese Anordnung eignet sich f\u00fcr alle geneigten Fl\u00e4chen, insbesondere f\u00fcr Industriehallen, Verschattungen und \u00dcberdachungen.
\nMit Hilfe des neu erstellten Simulationsprogramms IOS (Irradiation On Surfaces) lassen sich die Einstrahlungsverh\u00e4ltnisse und die Homogenit\u00e4tsverteilung auf der Modulr\u00fcckseite berechnen, woraus sich wiederum der zu erwartende Mehrertrag eines bifacialen PV-Moduls bestimmen l\u00e4\u00dft. F\u00fcr ausgew\u00e4hlte Anordnungen wurden diese Werte berechnet und mit den gemessenen Werten verglichen. Bei exakter Kenntnis der Parameter (Einstrahlungsleistung, Verh\u00e4ltnis Diffus- zu Direktstrahlung, Reflektanz, Geometrie) stimmen Messung und Simulation auf 3% – 5% genau \u00fcberein. F\u00fcr mehrere geplante PV-Anlagen wurde bereits eine Absch\u00e4tzung durchgef\u00fchrt und eine Empfehlung f\u00fcr die Aufst\u00e4nderung gegeben bzw. der zu erwartende Mehrertrag vorherbestimmt, zwei Projekte davon befinden sich in der Planungs- bzw. Realisierungsphase (ADAC, Hannover und Stadtwerke Rinteln).
\nF\u00fcr architektonisch anspruchsvolle L\u00f6sungen stehen bereits heute verschiedenartige handels\u00fcbliche Halterungssysteme (z.B. mit Profileisen) zur Verf\u00fcgung. Als Modulgr\u00f6\u00dfe haben sich schmale 2-reihige Module und gro\u00dffl\u00e4chige Module mit Leerr\u00e4umen zwischen den Zellreihen bew\u00e4hrt.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die im Projekt gewonnen Ergebnisse wurden bei nationalen (11. Symposium Pholtovoltaische Solarenergie,1996, Staffelstein; Nieders\u00e4chsisches Symposium zur Solarenergienutzung, 1996, Hameln) und internationalen (EuroSun 96, Freiburg) Tagungen mit Fachvortr\u00e4gen vorgestellt und auf einer Fachmesse f\u00fcr Architekten und Bauschaffende (Constructec, 1996, Hannover) pr\u00e4sentiert.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Die im Projekt erzielten Ergebnisse belegen, da\u00df mit beidseitig lichtausnutzenden Solarzellen bei geschickter Wahl der Aufst\u00e4nderung z.B. vor hellen Fassaden und Dachfl\u00e4chen ein Mehrertrag von 30% – 50% gegen\u00fcber einseitigen PV-Modulen bei nur geringen Mehrkosten realisiert werden kann. Mit dem Simulationsprogramm IOS steht ein Verfahren zur Verf\u00fcgung, den Mehrertrag von bifacialen PV-Anlagen nur aufgrund von Planungsunterlagen bestimmen und somit Aufst\u00e4nderungsart und Ertrag optimieren zu k\u00f6nnen. Bei einer k\u00fcnftigen Produktion der bifacialen Zelle sollte damit die Wirtschaftlichkeit der umweltfreundlichen photovoltaischen Stromgewinnung deutlich verbessert und deren Markteinf\u00fchrung weiter vorangebracht werden k\u00f6nnen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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