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Jahresenergieerträge unterschiedlicher Photovoltaik-Technologien bei verschiedenen klimatischen Bedingungen
(2010) Zinßer, Bastian; Werner, Jürgen H. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)
Es ist sowohl für Ingenieure als auch für Investoren sehr wichtig zu wissen, welche Energiemenge E [kWh] eine Photovoltaik(PV)-Anlage im realen Betrieb ins Stromnetz einspeist. Hintergrund ist meist die Frage nach den Kosten für den Solarstrom in €ct/kWh. Das Datenblatt gibt den Wirkungsgrad von PV-Modulen meist nur für Standardtestbedingungen im Labor an. In der Praxis verursachen erhöhte Modultemperaturen T, schwächere Einstrahlung G und ein anderes Spektrum des Lichts Abweichungen vom Wirkungsgrad unter Standardtestbedingungen; letztere kommen im realen Betrieb in Deutschland praktisch nie vor. In sonnigeren, südlichen Ländern variieren die Betriebsbedingungen noch stärker als in Deutschland, wodurch die Auswirkungen solcher Variationen auf den Jahresenergieertrag E_Jahr dort größer sind. Zur Klärung der Frage, welche PV-Technologie unter welchen klimatischen Bedingungen den höchsten Jahresenergieertrag E_Jahr erzeugt, wurden im Rahmen dieser Dissertation dreizehn verschiedene PV-Systeme unterschiedlicher Technologie in Stuttgart, Nikosia und Kairo aufgebaut und mit einer umfangreichen Messtechnik für Wetter- und Systemdaten ausgestattet. Dabei kommen sowohl mono- und multikristallines Silizium (Si) als auch verschiedene Dünnschicht-Technologien (amorphes-Si, Cu(InGa)Se2 (CIGS) und CdTe) zum Einsatz. Diese Arbeit untersucht mehrere Möglichkeiten, den Jahresenergieertrag einer PV-Anlage im Voraus zu bestimmen und vergleicht die modellierten Erträge mit den tatsächlich gemessenen. Die Felddatenauswertung bestätigt die in der Literatur oft genannten, besseren Temperaturkoeffizienten der Dünnschicht-Technologien. Die HIT-Technologie zeigt ein besseres Schwachlichtverhalten gegenüber den übrigen kristallinen Si-Technologien, die alle ein ähnliches Schwachlichtverhalten zeigen. Die CIGS-Technologie weist im Feld ein zum Labor entgegengesetztes Schwachlichtverhalten auf. Im Feld zeigen die amorphen Si- und CdTe-Technologien ein deutlich günstigeres Schwach-lichtverhalten als die kristallinen Si-Module. Den größten Einfluss auf die Bestimmung des Jahresenergieertrages E_Jahr hat, neben der örtlichen Einstrahlung G und Verschmutzung, die Toleranz der Nominalleistung P_STC der PV-Module. Nimmt man eine übliche Toleranz von ±2 bis 6% mit einem zusätzlichen Fehler von ±2% bei der Energiemessung an, so können sich zwei PV-Systeme um bis zu 8 bis 16% im Jahresenergieertrag E_Jahr unterscheiden, ohne dass dies auf die PV-Technologie zurückgeführt werden kann. Die PV-Anlagen erzeugen in Stuttgart im langjährigen Mittel einen Jahresenergieertrag E_Jahr von ca. 1000 kWh/kWp. In Nikosia ist der Ertrag mit ca. 1650 kWh/kWp um 65% größer. In Kairo beträgt der Jahresenergieertrag E_Jahr aufgrund starker Verschmutzung durch Sandstaub lediglich ca. 1300 kWh/kWp. Nach zwei Monaten vermindert der Staub die Leistung um 25%, so dass in Kairo eine regelmäßige Reinigung der Module unerlässlich ist. Als wesentliches Ergebnis dieser Arbeit lässt sich feststellen, dass die vom Hersteller angegebene Nominalleistung P_STC mit ihren Toleranzen, neben der Verschmutzung, den größten Einfluss auf den normierten Jahresenergieertrag E_Jahr einer Photovoltaikanlage hat. Die Effekte durch ein besseres Temperatur- und/oder besonders durch das Schwachlichtverhalten gehen bisher meist in den Toleranzen der Nominalleistung P_STC unter. Dennoch zeigt der Technologievergleich, dass die meisten Dünnschicht-Module und die HIT-Technologie ein besseres Temperatur- und Schwachlichtverhalten aufweisen und an wärmeren Standorten zu höheren Erträgen tendieren. Sobald exaktere Nominalleistungsbestimmungen möglich sind, werden die in dieser Arbeit entwickelten Methoden die Unterschiede im Temperatur- und Schwachlichtverhalten deutlich besser analysieren können.