Projekt 04583/01

Experimentelle und rechnerische Ermittlung optimaler Einsatzbedingungen f√ľr doppelseitig nutzbare Solarzellenmodule und somit Steigerung ihrer Wirtschaftlichkeit

Projektträger

Institut f√ľr Solarenergieforschung (ISFH) GmbH Abteilung Solare Systeme
Am Ohrberg 1
31860 EmmerthalZielsetzung und Anlass des Vorhabens Photovoltaische Elemente zur direkten Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom k√∂nnen 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√∂glichkeiten f√ľr den Einsatz von neuartigen beidseitig lichtausnutzenden (bifacialen) Solarzellen aufzuzeigen und deren verbesserte Wirtschaftlichkeit aufgrund gesteigerter Ertr√§ge nachzuweisen. Dazu wurden die Einsatzm√∂glichkeiten von bifacialen PV-Solarmodulen unter realistischen Aufst√§nderungsbedingungen vor Geb√§udefassaden und Dachfl√§chen experimentell untersucht und ein Simulationsprogramm zur Berechnung der Einstrahlungsverh√§ltnisse auf der Modulr√ľckseite und der zu erwartenden Modulleistung erstellt. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenPhotovoltaische (PV)-Module eines Prototyps mit beidseitig lichtausnutzenden Solarzellen wurden auf einem neu errichteten variablen Au√üenme√üstand vor verschiedenen Fassaden- und Dachelementen aus hellem Baumaterial (Rauhputz, lackiertes Stahlblech, glasierte Ziegel) mit einem Kennlinienanalysator elektrisch vermessen. Um die optimalen Aufst√§nderungsbedingungen 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. Zur rechnerischen Bestimmung der Strahlungsverh√§ltnisse auf der Modulr√ľckseite wurde ein Simulationsprogramm entwickelt und anhand der Me√üdaten √ľberpr√ľft. Die Simulation erlaubt eine Absch√§tzung des zu erwartenden Leistungsmehrertrags f√ľr beliebige, technisch relevante Anordnungen. Auf Basis der durch die Au√üenmessungen und Simulation gewonnenen Erkenntnisse wurden architektonisch und technisch einfach realisierbare Aufst√§nderungsverfahren vorgeschlagen. Ergebnisse und Diskussion F√ľr die experimentelle Vermessung von beidseitig lichtausnutzenden Solarzellen vor hellem Hintergrund wurde ein variabler Au√üenteststand und ein pr√§zises Me√üdatenerfassungssytem mit Kennlinienanalysator aufgebaut. Die Untersuchung der optischen Eigenschaften von handels√ľblichen Baumaterialien (Rauhputz, Anstriche, lackierte Bleche, glasierte Ziegel) ergab, da√ü eine Vielzahl von Baustoffoberfl√§chen das auftreffende Sonnenlicht um mehr als 80% diffus reflektieren und somit als Hintergrund f√ľr bifaciale Solarzellen sehr gut geeignet sind. Die Oberfl√§chenstruktur oder Rauheit hat keinen Einflu√ü, ausschlie√ülich der Reflexionswert ist entscheidend. Den geringsten Alterungseinflu√ü f√ľr 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√∂gen und sollten deshalb gegebenenfalls nach einigen Jahren erneuert werden. PV-Module mit beidseitig lichtausnutzenden Solarzellen (Verh√§ltnis R√ľckseiten- zu Vorderseitenwirkungsgrad 0.72) wurden einzeln und in Gruppen vor hellen Fassaden- und Dachfl√§chen (Reflektanz > 80%) installiert und elektrisch vermessen. Eine Temperaturerh√∂hung der Siliziumzellen und damit Leistungsverringerung gegen√ľber einseitigen Modulen wurde nicht festgestellt. Die 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√∂chsten, gegen-√ľber einem einseitigen Modul gemessenen, Mehrertrag (55%). Die f√ľr diese Aufst√§nderungsart gemessenen mittleren Werte liegen je nach Abstand zwischen 25% und 45%. F√ľr Module in Gruppenanordnung und einem Abstand zueinander von etwa der Modulbreite werden Mehrertr√§ge von 25% - 38% erzielt. Diese Anordnung kann als ideal angesehen werden f√ľr Fassaden von Hallen, Parkh√§usern und √§hnlichen Geb√§uden, bei denen die Module aus optischen oder architektonischen Gr√ľnden senkrecht stehen sollen. Bei geneigter Ausrichtung des Moduls zur Fassade werden Mehrertr√§ge von ca. 30% f√ľr Einzelmodule und Mehrertr√§ge von 25% - 28% f√ľr Modulgruppen nahezu unabh√§ngig vom Abstand zur Fassade gemessen. Mit dieser Anordnung werden die h√∂chsten Gesamtertr√§ge erzielt, da bei einem geneigten Modul auch die Vorderseite die maximale Leistung erbringt. F√ľr die Aufst√§nderung von bifacialen PV-Modulen vor geneigten Dachfl√§chen werden stark abstandsabh√§ngige Mehrertr√§ge festgestellt. Ein Einzelmodul mit ca. 30 cm Abstand zum Dach hat unabh√§ngig vom Neigungswinkel einen mittleren Mehrertrag von 30% - 32%, ein ganzes Modulfeld einen Mehrertrag von 22% - 25%. Diese Anordnung eignet sich f√ľr alle geneigten Fl√§chen, insbesondere f√ľr Industriehallen, Verschattungen und √úberdachungen. Mit Hilfe des neu erstellten Simulationsprogramms IOS (Irradiation On Surfaces) lassen sich die Einstrahlungsverh√§ltnisse und die Homogenit√§tsverteilung auf der Modulr√ľckseite berechnen, woraus sich wiederum der zu erwartende Mehrertrag eines bifacialen PV-Moduls bestimmen l√§√üt. F√ľr ausgew√§hlte Anordnungen wurden diese Werte berechnet und mit den gemessenen Werten verglichen. Bei exakter Kenntnis der Parameter (Einstrahlungsleistung, Verh√§ltnis Diffus- zu Direktstrahlung, Reflektanz, Geometrie) stimmen Messung und Simulation auf 3% - 5% genau √ľberein. F√ľr mehrere geplante PV-Anlagen wurde bereits eine Absch√§tzung durchgef√ľhrt und eine Empfehlung f√ľr die Aufst√§nderung gegeben bzw. der zu erwartende Mehrertrag vorherbestimmt, zwei Projekte davon befinden sich in der Planungs- bzw. Realisierungsphase (ADAC, Hannover und Stadtwerke Rinteln). F√ľr architektonisch anspruchsvolle L√∂sungen stehen bereits heute verschiedenartige handels√ľbliche Halterungssysteme (z.B. mit Profileisen) zur Verf√ľgung. Als Modulgr√∂√üe haben sich schmale 2-reihige Module und gro√üfl√§chige Module mit Leerr√§umen zwischen den Zellreihen bew√§hrt. √Ėffentlichkeitsarbeit und Pr√§sentation Die im Projekt gewonnen Ergebnisse wurden bei nationalen (11. Symposium Pholtovoltaische Solarenergie,1996, Staffelstein; Nieders√§chsisches Symposium zur Solarenergienutzung, 1996, Hameln) und internationalen (EuroSun 96, Freiburg) Tagungen mit Fachvortr√§gen vorgestellt und auf einer Fachmesse f√ľr Architekten und Bauschaffende (Constructec, 1996, Hannover) pr√§sentiert. Fazit Die im Projekt erzielten Ergebnisse belegen, da√ü mit beidseitig lichtausnutzenden Solarzellen bei geschickter Wahl der Aufst√§nderung z.B. vor hellen Fassaden und Dachfl√§chen ein Mehrertrag von 30% - 50% gegen√ľber einseitigen PV-Modulen bei nur geringen Mehrkosten realisiert werden kann. Mit dem Simulationsprogramm IOS steht ein Verfahren zur Verf√ľgung, den Mehrertrag von bifacialen PV-Anlagen nur aufgrund von Planungsunterlagen bestimmen und somit Aufst√§nderungsart und Ertrag optimieren zu k√∂nnen. Bei einer k√ľnftigen Produktion der bifacialen Zelle sollte damit die Wirtschaftlichkeit der umweltfreundlichen photovoltaischen Stromgewinnung deutlich verbessert und deren Markteinf√ľhrung weiter vorangebracht werden k√∂nnen.

√úbersicht

Telefon

05151/999-0

Telefon

05151/999-0

Bundesland

Niedersachsen

Fördersumme

88.402,37 ‚ā¨

Förderzeitraum

22.06.1994 - 08.07.1998

Internet

www.isfh.de