Einflussfaktoren der Solarbatterie

Die Nennleistung und andere Parameter aller Solarzellenmodule werden unter Standardbedingungen gemessen. Diese Standardbedingungen sehen eine Modultemperatur von 25 °C, eine Lichtintensität von 1000 Watt pro Quadratmeter und eine Luftqualität von AM1.5 (Strahlung von der Sonnenoberfläche) vor. Wenn das Licht die Erdatmosphäre erreicht, verändert es sich mit dem Breitengrad, der Tageszeit und den meteorologischen Bedingungen. Das heißt, die direkte Sonneneinstrahlung am selben Ort variiert mit dem Luftvolumen, das die Atmosphäre durchdringt, und der Luftqualitätsklasse AM. Die Luftmenge, die die Atmosphäre durchdringt, wird als AM bezeichnet. Die Luftmenge, die das Sonnenlicht senkrecht vom Zenit durchdringt, wird als AM1 bezeichnet. Unter natürlichen Bedingungen durchdringt das Sonnenlicht die Atmosphäre jedoch in der Regel schräg, und die Luftmenge zu diesem Zeitpunkt wird als AM1.5 bezeichnet. Spektrale Eigenschaften. Allerdings arbeiten herkömmliche Solarzellen unter diesen Bedingungen nicht.

Solarzellen umfassen monokristallines Silizium, polykristallines Silizium, Dünnschichtzellen und weitere Typen. Sie alle nutzen den photovoltaischen Effekt von Halbleitern zur Stromerzeugung, wobei ihre Leistungsfähigkeit zwangsläufig von der Sperrschichttemperatur beeinflusst wird. Die Sperrschichttemperatur wiederum hängt von der Umgebungstemperatur, der Sonneneinstrahlung und der Belüftung ab.

Unter Sonneneinstrahlung steigt die Sperrschichttemperatur von Solarzellen rapide an. Besonders im Sommer, wenn die Sonneneinstrahlung stark und die Temperaturen hoch sind, kann die Sperrschichttemperatur des Moduls sogar 70 °C oder mehr erreichen. Je höher die Betriebstemperatur, desto deutlicher werden die Vorteile von amorphen Siliziumzellen. Die durchschnittliche jährliche Stromerzeugung von amorphen Siliziumzellen ist etwa 10 % höher als die von kristallinen Siliziumzellen.

Jede Solaranlage besteht aus mehreren in Reihe geschalteten Komponenten, die anschließend parallel geschaltet werden. Die Komponenten sind so ausgelegt, dass sie in Reihe geschaltet sind, um Parameter wie Leerlaufspannung und Betriebsspannung optimal an den Wechselrichter anzupassen. Drei grundlegende Bedingungen müssen erfüllt sein, um eine optimale Anpassung der in Reihe geschalteten Komponenten zu gewährleisten: Erstens darf die maximale Leerlaufspannung der in Reihe geschalteten Komponenten die maximale Systemspannung der Komponenten nicht überschreiten (die zulässige Betriebsspannung der Komponenten; in China und Europa liegt dieser Wert üblicherweise bei 1000 Volt, in Nordamerika bei 600 Volt). Zweitens darf die maximale Leerlaufspannung der Komponenten die maximal zulässige Spannung des Wechselrichters nicht überschreiten. Drittens muss die Betriebsspannung der in Reihe geschalteten Komponenten innerhalb des Nachführbereichs der Betriebsspannung des Wechselrichters liegen. Es ist jedoch zu beachten, dass alle drei Punkte von Temperatur und Lichteinfall beeinflusst werden.

Die Ausgangsleistung der Solarzelle sinkt mit steigender Temperatur, sobald die optimale Betriebstemperatur von 25 °C erreicht ist. Insbesondere im Hochsommer ist der Leistungsverlust bei hohen Temperaturen größer. Im Vergleich zu kristallinen Silizium-Solarzellen eignen sich amorphe Silizium-Dünnschichtzellen aufgrund ihrer guten Tieftemperatureigenschaften besser für den Betrieb unter hohen Sommertemperaturen. Im Vergleich zu anderen Solarzellentypen können amorphe Silizium-Dünnschichtzellen bei gleicher Leistung eine höhere jährliche Gesamtstromerzeugung erzielen.

Die elektrischen Leistungsparameter von Photovoltaikmodulen werden üblicherweise unter Standardtestbedingungen (STC) gemessen. Diese umfassen: Lichtintensität: 1000 W/m²; Stromstärke: 1.5 Ampere; Modultemperatur: 25 °C. Im Freilandbetrieb liegt die Temperatur eines Photovoltaikmoduls jedoch in der Regel über 25 °C, insbesondere bei Modulen auf Dächern. In der Praxis erreicht die Betriebstemperatur von Modulen oft über 55 °C. Daher sollten Verbraucher bei der Auswahl von Photovoltaikmodulen den Temperaturkoeffizienten als wichtigen Faktor berücksichtigen.

Da mit steigender Temperatur die Ausgangsleistung der Komponenten entsprechend abnimmt, ist der Temperaturkoeffizient von amorphem Silizium-Dünnschichtmaterial bei -0.2 %/°C und der von kristallinem Silizium bei -0.5 %/°C zu berücksichtigen. Dies bedeutet, dass die Leistung des Moduls bei einer Temperatur von 50 °C im Vergleich zu den Standardbedingungen von 25 °C um etwa 5 % sinkt, während die Leistungsdämpfung bei kristallinem Silizium etwa 12.5 % beträgt. Obwohl der Wirkungsgrad von amorphem Silizium-Dünnschichtmaterial unter Standardtestbedingungen geringer ist als der von kristallinem Silizium, verringert sich der Unterschied im durchschnittlichen Wirkungsgrad in der Praxis.

Amorphe Silizium-Dünnschichtzellen arbeiten bei schwachem Licht besser als kristalline Siliziumzellen. In der Praxis erreichen Photovoltaikmodule selten die Standardlichtintensität von 1000 W/m². Sie arbeiten meist unterhalb dieser Intensität, und um den optimalen Betriebszustand zu erreichen, benötigen kristalline Siliziumzellen eine starke, senkrechte Bestrahlung. Amorphe Silizium-Dünnschichtzellen sind deutlich weniger an Lichtintensität und Einfallswinkel gebunden. So können kristalline Siliziumzellen in der Zeit vor Sonnenuntergang unter Umständen keinen Strom mehr erzeugen, während Dünnschichtzellen weiterhin funktionieren. Zudem weisen amorphe Silizium-Dünnschichtzellen eine flachere Strom-Spannungs-Kennlinie auf und erreichen daher schneller ihre optimale Ausgangsleistung.

Da die Ausgangsleistung von Solarzellenkomponenten von der Intensität des Sonnenlichts, der Verteilung des Sonnenspektrums sowie der Temperatur, der Beschattung und der Kristallstruktur der Solarzellen abhängt, werden Messungen an Solarzellenkomponenten unter Standardbedingungen (STC) durchgeführt. Diese Messbedingungen sind von der Europäischen Kommission in der Norm Nr. 101 definiert. Die Bedingungen lauten: Die spektrale Bestrahlungsstärke beträgt 1000 W/m².

m2; Spektrum AMl.5; Batterietemperatur 25 ℃.

Unter diesen Bedingungen wird die maximale Ausgangsleistung des Solarmoduls als Spitzenleistung bezeichnet und in Watt (Wp) angegeben. In vielen Fällen wird die Spitzenleistung eines Moduls üblicherweise mit einem Sonnensimulator gemessen und mit standardisierten Solarzellen internationaler Zertifizierungsstellen verglichen.

Die Messung der Spitzenleistung von Solarmodulen im Freien ist schwierig, da das tatsächliche Spektrum des von den Modulen empfangenen Sonnenlichts von den atmosphärischen Bedingungen und dem Sonnenstand abhängt; auch die Lichtintensität ändert sich ständig. Messfehler im Freien können leicht 10 % oder mehr betragen.

Bei hohen Temperaturen des Solarmoduls sinkt dessen Wirkungsgrad. Mit steigender Temperatur der Solarzelle nimmt die Leerlaufspannung ab. Im Bereich von 20–100 °C sinkt die Spannung jeder Zelle um 2 mV pro 1 °C Temperaturanstieg. Der Photostrom hingegen steigt mit zunehmender Temperatur leicht an, etwa um ein Tausendstel pro 1 °C bzw. 0,03 mA/°C·cm². Generell nimmt die Leistung von Solarzellen mit steigender Temperatur ab, typischerweise mit einem Temperaturkoeffizienten von -0.35 %/°C. Das heißt, steigt die Temperatur der Solarzelle um 1 °C, sinkt ihre Leistung um 0.35 %. Daher ist eine ausreichende Luftzirkulation ober- und unterhalb des Moduls unerlässlich, um die Wärme abzuführen und eine Überhitzung der Solarzellen zu verhindern.

Hier wird der Einfluss der Temperatur auf die Leistung kristalliner Siliziumsolarzellen erläutert; bei amorphen Siliziumsolarzellen verhält es sich jedoch anders. Laut einem Bericht der Firma Uni-Solar in den USA beträgt der Leistungstemperaturkoeffizient der Dreifach-Solarzellenmodule aus amorphem Silizium des Unternehmens lediglich -0.21 %.

Die Lichtintensität ist direkt proportional zum Photostrom des Solarzellenmoduls und liegt im Bereich von 100 bis 1000 W/m².

Im Inneren steigt der Photostrom stets linear mit der Lichtintensität an, während die Lichtintensität die Photospannung kaum beeinflusst. Bei konstanter Temperatur bleibt die Leerlaufspannung des Solarmoduls im Bereich von 400–1000 W/m² nahezu konstant. Daher ist die Leistung der Solarzelle im Wesentlichen proportional zur Lichtintensität.

Die Auswirkungen von Verschattung auf die Leistung von Solarmodulen dürfen nicht unterschätzt werden. Selbst Teilverschattung kann die Ausgangsleistung von Photovoltaikmodulen erheblich reduzieren. Bestimmte Komponenten reagieren empfindlicher auf Verschattung als andere, und mitunter kann bereits eine geringfügige Verschattung einer einzelnen Zelle einen großen Unterschied ausmachen. Bei vollständiger Verschattung einer Zelle kann die Leistung des Solarmoduls um bis zu 75 % sinken. Daher ist die Verschattung ein sehr wichtiger Aspekt bei der Standortbewertung. Obwohl die Module mit Dioden zur Reduzierung der Verschattungseffekte ausgestattet sind, kann die Unterschätzung der Auswirkungen von Teilverschattung die Leistung der installierten Photovoltaikanlage und damit die Rentabilität der Investition für die Nutzer stark beeinträchtigen.