Verbundforschungsvorhaben "MiMoRisk - Minimierte modulbedingte Ertragsrisiken für künftige PV-Kraftwerke"; Teilvorhaben "Minimierte Ertragsrisiken durch verbesserte Flasher-Messtechnik"

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Motivation: Die Wirtschaftlichkeit von photovoltaischen Anlagen zur Stromerzeugung hängt bei geringen Margen und großen Volumen von einer präzisen Vorhersage der Erträge ab. Diese Vorhersagen basieren auf Annahmen zur Moduldegradation, Einstrahlungs- und Wetterdaten für den zu betrachtenden Standort und Modulparametern, primär der Leistung, sekundär dessen Abhängigkeit von Temperatur, Einstrahlungswinkeln und anderen Einflussfaktoren. Die Kostenreduktion auf Modulseite fördert gleichzeitig die Weiterentwicklung von PV-Modulen in immer kürzeren Entwicklungszyklen (größere Modulabmessungen, Halbzellen, Schindelmodule, Waferformat-Anpassungen, neue Zellkonzepte und Prozessschritte, Glas-Glas-Module) und unter Verwendung neuer Materialien. Dies hat jeweils Auswirkungen auf die Modulcharakterisierung und die Langzeitstabilität. Die Kostenreduktion auf Finanzseite erfordert in diesem dynamischen technologischen Umfeld ein ganzheitliches Bewertungssystem, das Modul-Designvariationen, ihre Auswirkungen auf Leistung, Ertrag und Systemverhalten und deren Unsicherheiten berücksichtigt und mit einem integrierten Modell verbindet. Dabei kommt erschwerend hinzu, dass eine Anlage auf eine Betriebsdauer von ca. 30 Jahren auszulegen ist, die aktuellen Modultechnologien aber kaum auf eine Historie in Nutzung von mehr als 2 Jahren zurückblicken können. Dieses Umfeld, welches präzise Ertrags- und damit Finanzierungsmodelle erschwert erfordert präzisere Charakterisierungsmethoden auch für neue Modultechnologien, um für die Ertragsmodellierung genaue Eingangsdaten zur Verfügung zu stellen und Degradation präzise zu erfassen. Stand der Technik: Stand heute wird in Laborsystemen die STC Leistung von Solarmodulen bestimmt. Dazu wird das Lichtfeld einer Xenon-Lichtquelle spektral geeignet gefiltert und homogenisiert um einen Bereich von 2.1 m x 1.4 m homogen ausleuchten zu können. Zur Bestimmung von Schwachlichtverhalten und Temperaturkoeffizienten wird das Licht mit Hilfe von spektral neutralen Filtern sowie der Einstellung der Leuchtkraft am Leuchtmittel selbst reduziert und die Module in einer präzise temperierbaren Kammer montiert. Letztere fasst mechanisch allerdings nur Module bis zu einer maximalen Größe von 2.2 m x 1.4 m. In einer aktuellen Weiterentwicklung wurden bei halm zunächst die homogene Beleuchtungsfläche bis auf ein Maximum von 2.8 m x 1.6 m erweitert und darüber hinaus die Kammer zur präzisen Temperierung neu designed und auf eine maximale Modulgröße von 2.75 m x 1.6 m ausgelegt. Für die Optimierung der Messung von bifacialen Modulen muss ferner die Reflektion von der Rückseite der Kammer minimiert werden. Arbeiten daran sind bei halm ebenfalls gestartet. Für große Module und neuartige Zellkonzepte kommt es bisher zu erhöhten Messunsicherheiten, welche den Einsatz solcher Module in Anlagen durch erhöhte wirtschaftliche Unsicherheiten erschweren. Auch spezielle Module für den Einsatz in der Landwirtschaft oder auf Autodächern zeichnen sich durch erhöhte Messunsicherheiten aus. Für die in Entwicklung befindlichen Perovskit-Silicium Tandemmodule steht die Messtechnik aktuell noch weit am Anfang. Erste etablierte Laborverfahren sind verfügbar, erlauben aber noch kaum die Angabe einer erweiterten Messunsicherheit. Auch sind diese Verfahren sehr zeitaufwendig und damit nicht geeignet um zu höheren Zahlen präzise vermessener Devices zu gelangen, sowohl in Kalibrierlaboren, als auch in Forschung und Entwicklung der Zellen, als auch in einer denkbaren Produktion dieser Module. Treiber der Messunsicherheiten sind teilweise unbekannte Eigenschaften der Devices, teilweise aber auch ungenau bekannte Eigenschaften der Messmittel oder Unzulänglichkeiten die durch geeignetes Design der Messmittel optimiert werden können. Zielsetzung: Ziele des Teilprojektes sind: - Minimierung der Messunsicherheit für aktuelle Technologien (z.B. Heterojunction-, XL-Module etc.) - Optimierung des Messaufwandes im Kalibrierlabor (insbesondere zeitlich) - Analyse und Optimierung der Messunsicherheit für sekundäre Leistungsparameter (TK, IAM) einschließlich Methodenentwicklung für gebogene Module - Reduzierung der Messunsicherheit von Inline-Systemen basierend auf einer Bewertung von systematisch bedingten Abweichungen - Vergleichende Bewertung Xenon-basierter und LED-basierter Mess-Hardware im Kontext der Anwendbarkeit auf künftige Modul-Generationen (Hocheffizienz-Bereich, Pero-Si-Tandem etc.) Es besteht ein Forschungsbedarf zur Risikoabschätzung neuester PV-Modultechnologien bei angestrebten Betriebsdauern jenseits von 30 Jahren. Diese Technologien drängen auf den Markt, werden durch genormte Prüfprogramme nicht sicher erfasst und haben teilweise bereits zu massiven Ausfällen geführt. Verschiedene Ansätze zur Erweiterung der Prüfprogramme sind daher bereits bei Herstellern oder Prüfinstituten in Untersuchung. Praktisch immer soll dabei die notwendige Untersuchungsdauer verkürzt werden, daher müssen selbst kleine Änderungen der Moduleigenschaften sehr frühzeitig und sicher erkannt werden. Diagnosen müssen deshalb deutlich über die gewöhnliche Charakterisierung anhand der Hellkennlinien-Messung im Labor hinausgehen. Dies erfordert sehr präzise Messmöglichkeiten für bestehende und neue Modultechnologien, Im Bereich der Laborcharakterisierung liegen die Projektziele im Erreichen und Validieren einer deutlich verringerten Messunsicherheit für neue Modulformate und den darin verwendeten neuen Zelltechnologien. Ferner wird die Ableitung der Anwendbarkeit in Nischenmärkten wie bspw. bei "Curved Modules" oder Agrivoltaik-Modulen betrachtet. Im Sinne des Gesamtprojektziels, der Minimierung der Risiken bei Projektierung von Solaranlagen durch präzisere Ertragsprognosen, wird ebenfalls ein Vergleich mit Table-Top-Systemen angestrebt, da diese mehrheitlich zur Leistungsbestimmung der Module in der Produktion verwendet werden. Weiter in die Zukunft blickend sollen ferner Ansätze zur Charakterisierung von neuartigen Materialien (Perovskite) und Tandemmodulen entwickelt werden, die in der Zeit nach Beendigung des Projektes den Markt zunehmend erreichen werden. Methode / Ergebnisse: Hinsichtlich des primären Zieles des Teilprojektes, der Minimierung der Messunsicherheit für neue Modultechnologien und größere Module wird zunächst eine Analyse des Ist-Zustandes der Messunsicherheit mit nachfolgender Optimierung an den ermittelten kritischen Treibern erfolgen. Hier konnten im Projektverlauf wesentliche Verbesserungen sowohl von Seiten der Methodik, als auch der Präzision der Charakterisierung, als auch im Aufbau des Flashers erreicht werden, um eine Reduktion der Messunsicherheit zu ermöglichen. Im Weiteren wurden die Betrachtungen auf Spezialmodule und die Messung von Modulen in Produktionssystemen erweitert, um auch hier Wege für eine Optimierung der Messgenauigkeit aufzuzeigen. Final wurden ebenfalls erste Betrachtungen an Tandem-Proben und Betrachtungen zur Messgenauigkeit und dem Einfluss der Sekundärparameter durchgeführt, um letztere in Ertragsprognosen zu präzisieren und für Tandemmodule einer validen Betrachtung von Messunsicherheiten näher zu kommen. Schlussfolgerung: Durch die Ergebnisse des Projektes konnte die Messunsicherheit für neuartige Si-Module wesentlich reduziert und damit die Risiken der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung von Anlagen optimiert werden. Gleichzeitig konnten die Messdauern für neuartige Module im Kalibrierlabor wesentlich optimiert werden. Auch für Sondermodule und Produktionsanlagen konnten Verfahren zur Bestimmung und Optimierung der Messunsicherheiten entwickelt werden. Im Projekt insbesondere bei den Projektpartnern und in Bewitterungsversuchen sowie parallel dazu im Feld entdeckte neue Degradationsmechanismen an neuartigen Si-Modulen, wie auch bestehende Unsicherheiten hinsichtlich der Degradation gerade in der zweiten Hälfte der Nutzungsdauer von Solarmodulen verbleiben als größter Unsicherheitsfaktor für den Einsatz der betreffenden Module und sollen in einem Nachfolgep

Ce résumé expose les affirmations des auteurs. BNTIC ne l’interprète pas comme une validation indépendante des résultats.