Auricher Wissenschaftstage –
Forum einer dritten Kultur
Aufenthalt im Hahn-Meitner-Institut (HMI) in Berlin
vom 30. September bis zum 11. Oktober 2002
Von Mathias Soeken
Ich verbrachte meine Herbstferien 2002 als Stipendiat am Hahn-Meitner-Institut in Berlin und war im Bereich SE2 (Heterogene Materialsysteme) tätig.
Am HMI steht eine Solartestanlage zum Testen neuartiger Dünnschicht-Solarmodule mit CuInSe2-Absorbern1). Es sind insgesamt 32 Module des Typs ST-40 von Siemens-Solar aufgebaut. Hauptzweck dieser Testanlage ist die Bestimmung der Langzeitstabilität dieser Module unter den klimatischen Bedingungen von Mitteleuropa. Zu diesem Zweck sind sechs weitere Testanlagen mit diesen Modulen in verschiedenen Klimazonen der Erde aufgebaut, um auch die klimatischen Auswirkungen auf die Effizienz und Stabilität beurteilen zu können.
Vor dem Solartestfeld mit 32 Siemens ST-40 Solarmodulen
Um nun die Stabilität zu untersuchen wird die Standardleistung dieser Module bestimmt. Die Standardleistung ist die elektrische Leistung welche die Module unter Standardbedingungen (PLicht = 1000 W/m 2, TModul = 25°C, belastet im MPP2)) abgeben. In der Realität lassen sich diese Standardbedingungen bei einer solchen Anlagengröße nicht nachbilden, daher muss die Standardleistung aus den vorhandenen Messwerten berechnet werden. Dazu werden in einem Intervall von 10 Sekunden die Modulspannung UM, der Modulstrom IM, die einfallende Lichtleistung PLicht und die Modultemperatur TM gemessen.
Die Leistung der Solarmodule wird wie folgt berechnet:
Da sich die Spannung UM und der Strom IM mit zunehmender Temperatur ändern, kann man nicht auf die Standardleistung hochrechnen, sondern müssen die Temperaturkoeffizienten für Spannung und Strom zur Korrektur verwendet werden.
Üblicherweise werden zur Korrektur der beiden Größen die im Datenblatt der Module angegebenen Koeffizienten genommen. Diese beziehen sich jedoch auf unübliche Betriebszustände, nämlich Kurzschluss und Leerlauf, daher ist es sinnvoll, zu versuchen die realen Koeffizienten aus den gemessenen Daten zu bestimmen und mit diesen die Messwerte zu korrigieren.
Meine Aufgabe bestand darin, diese realen Koeffizienten zu berechnen und dann mit diesen die Standardleistung zu bestimmen. Darüber hinaus soll dann die Stabilität der Module über ein Jahr geprüft werden.
Mir war bekannt, dass bei zunehmender Modultemperatur die Spannung abnimmt und der Strom steigt. Um die genauen Koeffizienten bei einer bestimmten Sonneneinstrahlung PLicht zu berechnen, habe ich mit Hilfe eines PHP-Programms Wertepaare (U/T und I/T) aus den Messdaten herausgefiltert. Um Fehlerwerte bei der Rechnung auszuschließen ist Folgendes vorher zu beachten. Nullwerte, also eine Messreihe, bei der ein Wert 0 ist, müssen gestrichen werden. Über eine benutzerdefinierte Varianzangabe wird sichergestellt, dass nur Strahlungswerte genommen werden, die zu vorgehenden und nachfolgenden Werten einen geringen Abstand haben, um Driftfehler auszuschließen.
Die Wertepaare werden in Diagrammen grafisch dargestellt. Mit Hilfe einer linearen Regression kann nun eine „Trend-Linie" gezogen werden, deren Steigung den Koeffizienten wiedergibt. Eine lineare Regression funktioniert folgendermaßen: Es wird eine Linie durch die Punkte gezeichnet. Für jeden Punkt wird ein Quadrat gebildet, dessen Seitenlänge der Abstand des Punktes zur Linie ist. Die Gerade muss so gewählt werden, dass die Summe der Quadrate ein Minimum ergibt.
Wegen der Komplexität der Gleichung wird die Herleitung übergangen und nur die Formel gezeigt:
Als Beispiel soll der 18. Mai 2002 gewählt werden, der einen „Vorzeige-Tag" darstellt, da keine Wolken vorhanden waren.
Folgende Graphen werden für den Messtag 18. Mai 2002, bei einem Strahlungsleistungsintervall von 900-1000 W/m2 (Varianz: 5 Schritte mit 25 W/m2 ), gebildet:
An mehreren Diagrammen stellte ich fest, dass sich der Strom unwesentlich ändert, so dass der TK des Stromes vernachlässig werde kann. Folglich änderte sich die Gleichung:
Im nächsten Schritt ging es nun darum UK zu berechnen. Mit dem errechneten Temperaturkoeffizienten TK konnte ich die Temperatur korrigieren:
Dies baute ich in die Gleichung für die Spannung ein und erhielt so die Gleichung zur Berechnung der korrigierten Spannung, mit der ich die Standardleistung ausrechnen konnte:
Die Standardleistung für den 18. Mai 2002 mit den Werten (PLicht = 900 W/m2 – 1000 W/m2, Varianz von 25 W/m2 über 5 Schritte) errechnet sich im Durchschnitt zu 604,98 W/m2. Dieser Wert bezieht sich aufgrund der auf 2 Stränge aufgeteilten Messung auf 16 von 32 Solarmodulen.
Des Weiteren betrachtete ich die Standardleistung über den gesamten Monat Mai 2002 mit denselben Parametern. Diese Analyse bestätigt mein Ergebnis für den 18. Mai 2002, denn die durchschnittliche Standardleistung im Monat Mai 2002 beträgt 598,48 W/m2.
Um nun die Stabilität zu überprüfen analysierte ich die Messdaten des Monats Mai 2001. Die Standardleistung für diesen Monat beträgt im Durchschnitt 614,34 W/m2. Die Differenz von 16 W/m2 muss nicht bedeuten, dass sich die Standardleistung pro Jahr verschlechtert, denn aufgrund eines Austausches der Messelektronik am Anfang des Jahres kann es zu Messfehlern im Jahr 2001 gekommen sein. Um eine genauere Analyse zu machen, muss man die Werte vom Mai 2003 mit in die Rechnung aufnehmen oder weitere Analysen mit allen Monaten durchführen, was mir in meinem engen Zeitraum nicht mehr möglich war.
CuInSe2, kurz CIS genannt, gehört zur Gruppe der Chalkopyrite und ist ein direkter Halbleiter, weswegen es sehr gut für Dünnschichtsolarzellen geeignet ist.
MPP = Maximal-Power-Point