Standardtestbedingungen

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Eigentlich sollte es in diesem Blogbeitrag/Video um die Herstellerangaben für Module gehen. Wechselrichter und Solarmodule bestimmen immerhin die Wirtschaftlichkeit eine PV-Anlage.

Doch bevor wir uns mit den Herstellerangaben befassen, müssen wir erst mal klären unten welchen Bedingungen Solarmodule getestet werden. Deshalb handelt dieser Blogbeitrag/dieses Video von den Standardtestbedingungen (STC für engl. Standard Test Bedingungen) für Solarmodule. Die STC bieten die bekannteste Vergleichsmöglichkeit für die Bewertung der Leistungsparameter von verschiedenen Solarzellen und Solarzellentechnologien.

Die IEC-Norm „Measurement of current-voltage characteristics of multi-junction photovoltaic (PV) devices” (IEC 60904-1-1:2017) definiert die Standardtestbedingungen.

Die Standard Test Bedingungen für terrestrische Solarzellen basieren auf folgender Testumgebung:

1. Spektralverteilung das AM1.5g-Spektrum
2. Bestrahlungsstärke von 1000 W/m²
3. Temperatur der Solarzelle von 25° C

Unter diesen Bedingungen wird die Modulleistung auch Nennleistung (P) in der Einheit Watt Peak (Wp) gemessen.

Die STC sind klar von den NOCT (Nominal Operating Cell Temperature) abzugrenzen. Bei den NOCT handelt es sich um die folgenden, deutlich realitätsnähere Testbedingungen:

1. Solare Gesamtbestrahlungsstärke = 800 W/m², AM 1,5 G Spektrum
2. Umgebungstemperatur = 20°C, Modultemperatur = 45°C
3. Windgeschwindigkeit = 1 m/s

Die NOCT-Temperatur entspricht einem mitteleuropäischen Frühlingstag, während die Sonneneinstrahlung von 800 W/ allenfalls einem leicht bewölkten Sommertag entspricht.

Die wichtigsten elektrischen Kenngrößen eines Moduls werden für STC (tlw. auch NOTC) angegebenen. Dazu gehören:
• Strom-Spannungs-Kennlinie
• Kurzschlussstrom (Isc),
• Leerlaufspannung (Uoc),
• Maximale Leistung (Pmpp),
• Strom bei Pmpp (Impp),
• Spannung bei Pmpp (Umpp),
Füllfaktor (FF) und
• Wirkungsgrad (η)

1. Spektralverteilung das AM1.5G-Spektrum

Das „G“ in „AM1,5G-Spektrum“ steht für global und bedeutet, dass in die simulierte Strahlung sowohl der direkte als auch der diffuse (abgelenkte) Strahlungsanteil eingehen. Für Konzentratorsolarzellen wird hingegen nur der direkte Strahlungsanteil „AM1,5D-Spektrum“ verwendet.

 

i) Solarspektrum

Die Sonne gibt wie jeder heiße Körper Energie an seine Umgebung ab. Photonen bewegen sich aufgrund ihres unterschiedlichen Energiegehaltes in unterschiedlich langen Wellen von der Sonne in Richtung Erde. Die gesamte Bandbreite dieser Wellenbewegungen nennt sich das Spektrum der Solarstrahlung. Das plancksche Strahlungsgesetz besagt, dass das Spektrum von der Oberflächentemperatur des Körpers abhängt. Diese Temperatur beträgt bei der Sonne rund 5.8000 K und erzeugt das Schwarzkörperspektrum, das dem außerhalb der Erdatmosphäre gemessenen Spektrum (AM0) annähernd folgt. Addiert man die einzelnen Strahlungsbeiträge von AM0 auf, ergibt sich die sogenannte Solarkonstante mit einer Bestrahlungsstärke von 1.367 W/.

Solarschäden in Buxtehude
Abbildung 1 Quelle: K. Mertens, Lehrbuch Photovoltaik, 2015 (www.lehrbuch-photovoltaik.de)

Das Strahlungsspektrum reicht von der kurzwelligen, hochenergetischen Röntgenstrahlung bis hin zu Radiowellen mit über 10 cm Wellenlänge. Nur ein Teil dieses Spektrums (aufsummiert immerhin fast 50%) ist sichtbar.

Atmosphärische Effekte verändern, dass Sonnenspektrum außerhalb der Atmosphäre und verursachen tiefe Einbrüche in der Strahlungskurve. Manche Wellenlängen werden fast vollständig herausgefiltert. Zu den wichtigsten atmosphärischen Effekten zählen die Streuung durch Aerosole und Staubteilchen, Reflexion und Absorption durch gasförmige Moleküle (z.B. O3, CO2 und H2O). Terrestrische PV-Anlagen müssen also mit einem komplexeren Strahlungsspektrum zurechtkommen.

Die spektrale Empfindlichkeit drückt aus, wie gut eine bestimmte Solarzelle bzw. eine Solartechnologie (z. B. amorphes Silizium, Dünnschicht) das Licht einer bestimmten Wellenlänge in elektrische Energie verwandeln kann.

Nur ein Teil des Lichtspektrums kann durch herkömmliche Solarzellen in elektrische Energie umgewandelt werden. Zwei Verlustarten (Transmissions- und Thermalisierungsverluste) begrenzen die Umwandlung. Sie beschränken den Wirkungsgrad von Solarzelle deutlich. Diese Limitierung nennt sich spektraler Wirkungsgrad. Der Teil des Sonnenspektrums, dessen Energie kleiner ist als diejenige der Bandlücke des verwendeten Halbleitermaterials, kann nicht absorbiert (Transmissionsverluste). Der Teil des Sonnenspektrums der größer als die der Bandlücke ist, wird zwar absorbiert, aber gleichzeitig wird die überschüssige Energie in Wärme umgesetzt (Thermalisierung). Die nachstehende Abbildung zeigt die Verlustarten in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Die max. nutzbare Anteil des Sonnenspektrums beträgt nur noch knapp 50% und limitiert den Wirkungsgrad von Solarzellen unverkennbar.

Solarschäden in Buxtehude2
Abbildung 2 Quelle: K. Mertens, Lehrbuch Photovoltaik, 2015 (www.lehrbuch-photovoltaik.de)

Die Überwindung dieser Begrenzung könnte durch Tandem-Solarzellen erreicht werden. Eine Tandem-Solarzelle kombiniert Solarzellen aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien mit unterschiedlich absorbierbaren Spektralbereichen und erzielt dadurch eine bessere energetische Nutzung des Sonnenspektrums.

ii) Air Mass

Die atmosphärischen Effekte verstärken sich je weiter der Weg ist, den die Photonen in der Atmosphäre zurücklegen. Die geringste Wegstrecke legt das Licht zurück, wenn es senkrecht, also im 90°-Winkel auf die Solarzelle trifft. Dies entspricht einer genau einmaligen Durchquerung der Atmosphäre und wird somit als AM1 bezeichnet. Verlängert sich die Wegstrecke der Photonen, in dem die die Lichtstrahlen in einem schrägen Winkel auf die Erde treffen, wird die Wegverlängerung mit einem Faktor gegenüber der senkrechten Durchquerung angegeben.

Air-Mass
Abbildung 3 Quelle: Nach K. Mertens, Lehrbuch Photovoltaik, 2015 und Quaschning, 2015

2. Bestrahlungsstärke

Die Bestrahlungsstärke außerhalb der Erdatmosphäre nennt sich „Solarkonstante“ mit dem Formelzeichen ES.

Die Solarkonstante definiert sich als ankommende Strahlungsleistung der Sonne (abgestrahlte Leistung Sonne PSonne = 3,845⋅1026W) auf einer Kugeloberfläche (O=4⋅π⋅rSE2). Da nur ein minimaler Bruchteil der Sonnenstrahlen auf die Erde fällt, wird der Radius als Abstand zwischen Sonne und Erde (rSE ≈ 150 Mio km) gewählt. Gemäß folgender Formel beträgt die Solarkonstante 1.367 W/m2:

\[E_\text{S}=\frac{\text{Strahlungsleistung}}{\text{Kugeloberfläche}}=\frac{P_\text{Sonne}}{4\pi \cdot r_\text{SE}^2}=\frac{3,845\cdot 10 ^{26}\,\mathrm{W}}{4\pi \cdot (149,6\cdot 10^9\, \mathrm{m}^2)}=1.367\frac{\mathrm{W}}{\mathrm{m}^2}\]

Wie wir bereits gelernt haben, verändern atmosphärische Effekte das AM0-Spektrum, das außerhalb der Atmosphäre herrscht. Die Addition des AM1,5-Spektrums ergibt lediglich eine Bestrahlungsstärke von 835 W/m2. Den Erdboden erreichen also nur der 61% abgestrahlten Sonnenbestrahlung als sogenannte Direktstrahlung (schattenwerfende Strahlung).

Wie kommt es, dass die Standardtestbedingungen dann einen so unrealistischen Wert von ESTC = 1.000 W/m2 annehmen? Der Grund ist ein weiterer Strahlungsanteil, nämlich die Diffusstrahlung. Dieses indirekte Strahlungskomponente entsteht durch atmosphärische Effekte wie Streuung.

Die Summe aus Direkt- und Diffusstrahlung nennt sich Globalstrahlung:
EG = EDirekt + Ediffus

Je nach Standort beträgt die Diffusstrahlung einen erheblichen Anteil an der gesamten ankommenden Strahlung. Im Norden Deutschland macht die Diffusstrahlung einen höheren Anteil an der Globalstrahlung als im Süden Deutschlands aus. In Hamburg besteht 61% der Globalstrahlung aus dem diffusen Strahlungsanteil. In München trägt der Anteil nur 54% zu Globalstrahlung bei. Insgesamt liefert die Diffusstrahlung aber den größeren Beitrag zur Globalstrahlung. Die Globalstrahlung (angegeben als EG) spielt also eine entscheidende Rolle bei der Planung von PV-Anlagen.

An einem klaren Sommertag kann man daher tatsächlich Strahlungswerte von EG = ESTC = 1.000 W/m2 messen. Insofern eignet sich dieser Wert durchaus zur Messung der Spitzenleistung eines Solarmoduls. Da das AM1,5-Spektrum Diffus- und Direktstrahlung enthält wird als AM1,5G bezeichnet.

Der DWD veröffentlicht übrigens Globalstrahlungskarten für Deutschland. Die nachstehende Karte zeigt die Werte für das Jahr 2019. Wenn Sie wissen möchten, welchen Ertrag Ihnen eine Photovoltaikanlage liefert, ist die jährliche Globalstrahlung der wichtigste Indikator, um die Wirtschaftlichkeit zu prüfen.

Globalstrahlung_D_2019
Abbildung 4 Quelle: DWD 2020

3. Temperatur

Wichtige Kenngrößen einer Solarzelle wie der Kurzschlussstrom und die Leerlaufspannung sind temperaturabhängig. Die Messung erfolgt daher unter einer konstanten Device-Under-Test-Temperatur von 25 °C.

Exkurs Simulator

Die STC werden in einem Solarsimulator erzeugt. Im einfachsten Fall besteht dieser Simulator aus einer Lichtquelle, einem Spektralfilter, einer Linse und Messinstrumenten, die die Strom-/Spannungskennline des DUT aufnehmen. Die Lichtquelle erzeugt eine zeitlich gleichbleibend intensive Strahlung, die durch einen spektralen Filter auf das gewünschte Spektrum (bei STC: AM1,5G) gefiltert wird. Eine Linse stellt sicher, dass die Strahlung homogen auf das DUT auftrifft. Das STC-Modell berücksichtigt übrigens auch die Albedo von sandigem Boden [H. Seifert, 2015].