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Erzielbare Genauigkeiten für die

Leistungsbemessung von PV-Modulen

im Feld und im Labor

13. Workshop „Photovoltaik-Modultechnik“

28. und 29. November 2016

Radisson Blu Hotel | Messe Kreisel 3 | 50679 Köln

Dr. Werner Herrmann, Doreen Moldenhauer, Günter Köppe TÜV Rheinland Energy GmbH

[email protected]

29.11.2016 13. Workshop „Photovoltaik-Modultechnik“


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Problemstellung

Das Leistungsverhalten eines PV-Generators ist abhängig von der

effektiven Bestrahlungsstärke an den Solarzellen sowie der

Betriebstemperatur der PV-Module.

Die Bestimmung der Leistung eines PV-Generators erfordert die Messung

der Strom-Spannungskennlinie.

Feldmessungen können nicht bei Standard-Testbedingungen (STC)

durchgeführt werden und erfordern die Umrechnung von gemessenen Strom-

Spannungskennlinien auf STC.

Anwendung der Norm IEC 60891 Kenntnis von PV-Modulparametern

Einflussfaktoren für die Genauigkeit von Leistungsmessungen im Feld:

Einstrahlungs- und Modultemperaturmessung

Instrumentierung

Umrechnungsverfahren auf STC

IEC 61829 Ed. 2 (2015): Photovoltaic (PV) array - On-site measurement of

current-voltage characteristics

29.11.2016 13. Workshop „Photovoltaik-Modultechnik“


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Versuchsprogramm

1. Leistungscharakterisierung von 16 PV-

Modulen gleichen Typs im Labor

(LDK 220P, 60 multi-Si Zellen)

2. Bestimmung der Parameter für die I-V

Einstrahlungs-/Temperaturkorrektur

3. Simulation der Generatorkennlinien mit

den Messergebnissen für eine serielle

Verschaltung Leistungsmismatch

4. Aufbau eines PV-Generators mit den

Testmodulen auf dem Labordach

5. Automatisierte Messung der Strom-

Spannungskennlinien im Tagesverlauf

6. Extrapolation der STC Nennleistung

Verwendung der PV-Modulparameter

7. Vergleich Labor- und Feldmessung

Leistungsbemessung im Labor

Leistungsbemessung im Feld

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Labormessungen

Leistungscharakterisierung bei

verschiedenen Bestrahlungsstärken:

400, 600, 800, 1000 W/m²

Bestimmung Kennlinienkorrekturparameter

entsprechend IEC 60891

Temperaturkoeffizienten (TK) bei 1000 W/m²

I-V Kennlinien bei 25°C – 65°C

Bestimmung TK von Pmax, Isc und Voc

Elektrolumineszenzanalyse bei ISC,STC

Aussortieren von Modulen mit Zellschäden

oder anderen Defekten



Absolut: TK‘ Isc = 0,0049 A/K TK‘ Voc = -0,121 V/K

Relativ: TK Isc = 0,059 %/K TK Voc = -0,33 %/K

29.11.2016 5

Leistungscharakterisierung im Labor

Erzielbare Genauigkeiten



TÜV Rheinland

Sonnensimulator

PV-Modul

Kalibrierung

Primär-

Kalibrierung

Referenzzelle

PTB

WPVS Zelle

±0,52%

PMAX Messunsicherheitsbeiträge:

Kalibrierunsicherheit WPVS Zelle, Drift zwischen Kalibrierungen

Elektrischer Mismatch WPVS Zelle und PV-Modul (Spektrale Empfindlichkeit)

Optischer Mismatch WPVS Zelle und PV-Modul (Winkelcharakteristik)

Ungleichförmige Bestrahlung des PV-Moduls

Messequipment: Strom-, Spannungs-, Temperaturmessung

Messpraxis: Falsche Ausrichtung von WPVS Zelle und PV-Modul,

Hysterese Effekte infolge Messgeschwindigkeit, Temperaturinhomogenität,

Kontaktwiderstand an den Modulklemmen

Pmax Kalibrier-

unsicherheit

±2,0%

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Streuung der Leistungsdaten von 16 PV-Modulen

STC: 1000 W/m², 25°C 800 W/m², 25°C

400 W/m², 25°C 600 W/m², 25°C



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Streuung der Leistungsdaten von 16 PV-Modulen

Min Max Mittel Streuung

Pmax [W] 208,1 223,4 215,9 3,59%

Vmp [V] 28,32 29,03 28,64 1,24%

Imp [A] 7,28 7,72 7,54 2,93%

Voc [V] 36,41 37,02 36,69 0,83%

Isc [A] 8,13 8,39 8,26 1,57%

FF [%] 68,24 73,78 71,21 3,90%


Pmax [W] 127,8 136,0 131,6 3,12%

Vmp [V] 28,58 29,36 28,93 1,35%

Imp [A] 4,44 4,63 4,55 2,09%

Voc [V] 35,53 36,15 35,80 0,86%

Isc [A] 4,86 5,01 4,94 1,52%

FF [%] 72,40 76,22 74,45 2,57%

STC: 1000 W/m², 25°C

600 W/m², 25°C


Pmax [W] 168,5 179,9 174,2 3,27%

Vmp [V] 28,23 29,13 28,81 1,57%

Imp [A] 5,89 6,21 6,05 2,64%

Voc [V] 36,01 36,64 36,30 0,87%

Isc [A] 6,48 6,69 6,59 1,59%

FF [%] 70,24 74,91 72,79 3,22%


Pmax [W] 85,4 90,8 87,8 3,08%

Vmp [V] 28,37 29,23 28,82 1,49%

Imp [A] 3,00 3,11 3,05 1,80%

Voc [V] 34,84 35,46 35,10 0,88%

Isc [A] 3,25 3,35 3,30 1,52%

FF [%] 73,81 77,13 75,78 2,20%

STC: 800 W/m², 25°C

400 W/m², 25°C



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Kennlinienumrechnung, IEC 60891 (Prozedur 2)

ISTC = IMESS · [1 + · ( 25°C – TMESS)] · 1000 W/m² / EMESS

Korrekturparameter (Prozedur 2 der IEC 60891) Quelle

Temperaturkoeffizient Kurzschlussstrom α Datenblatt oder Labormessung

Temperaturkoeffizient Leerlaufspannung β Datenblatt oder Labormessung

Einstrahlungskoeffizient Leerlaufspannung EK Labormessung

Interner Serienwiderstand PV-Modul oder PV-Generator RS Labormessung

Temperaturkoeffizient interner Serienwiderstand Kappa Labormessung

UKORR = UMESS + UOC,MESS · [ β · ( 25°C – TMESS) + EK · ln (1000 W/m² / GMESS)]

– RS · ( ISTC – IMESS) – Kappa · IKORR · ( 25°C – TMESS)

Umrechnung von gemessenen Strom-Spannungskennlinien auf STC:

Korrektur jedes einzelnen IV-Datenpunktes (IEC 60891, Verfahren 2)

5 Kennlinienkorrekturparameter erforderlich



IKORR GMESS

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Bestimmung der Kennlinienkorrekturparameter

1. Messung bei 25°C 2. Einstrahlungskorrektur auf 1000 W/m²

4. Optimierung Rs,c bis Überdeckung 3. Optimierung EK bis Punkt



EK = 0,0460

RS,C = 6,8 m

EK = 0

RS,C = 0 m

EK = 0,0460

RS,C = 0 m

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Streuung Kennlinienkorrekturparameter der Testmodule

Modul

Nr.

Pmax

Wp

EK

Rs,c

mOhm

Rs,m

mOhm

1 216,7 0,0490 5,8 348

2 214,1 0,0480 7,5 450

3 215,7 0,0485 7,6 456

4 217,8 0,0475 7,5 450

5 212,5 0,0482 7,5 450

6 208,1 0,0460 7,0 420

7 215,6 0,0490 7,5 450

8 222,4 0,0482 7,5 450

9 208,3 0,0490 7,0 420

10 210,5 0,0470 6,5 390

11 218,9 0,0490 6,5 390

12 219,1 0,0475 5,9 354

13 220,0 0,0465 6,5 390

14 220,6 0,0465 7,0 420

15 211,4 0,0460 7,0 420

16 223,4 0,0460 6,8 408

EK

Rs,c

mOhm

Rs,m

mOhm

Mittelwert 0,0476 6,9 417

Minimum 0,0460 5,8 348

Maximum 0,0490 7,6 456

Streuung 0,0030 1,8 108



Korrekturparameter EK

Geringe Streuung innerhalb Modultyp

Erfahrungswerte für c-Si Module:

[0,045 – 0,055]

Interner Serienwiderstand RS

Variation infolge Eigenschaften von

Wafer/Zelle und Schaltkreis

Erfahrungswert für c-Si Module:

5 mOhm bis 10 mOhm pro 6“ Zelle

Indikator für Degradation

29.11.2016 11


Vergleich der Ergebnisse mit Datenblattangaben



Modultyp: LDK 220P Labormessung Datenblatt

Nennleistung PMAX,STC 215,9 Wp 220 Wp 0/+5W

Pmax Streuung 3,5%

Rated Voc 36,7 V 36,5 V

Rated Isc 8,26 A 8,14 A

I-V Korrekturparameter

Temperaturkoeffizient

Leerlaufspannung TK VOC -0,33 %/K -0,34 %/K

Temperaturkoeffizient

Kurzschlussstrom TK ISC -0,059 %/K 0,06 %/K

Serienwiderstand RS,C

RS,M

6,9 mOhm

417 mOhm k.A.

Einstrahlungskorrekturfaktor EK 0,0476 k.A.

Temperaturkoeffizient Pmax TK PMAX -0,476 %/K -0,47 %/K

Datenblattangaben von PV-Modulen sind nicht ausreichend für Kennlinien-

umrechnungen auf STC Zusätzliche Labor- oder Feldmessungen

29.11.2016 12

Simulierte Strom-Spannungskennlinie PV-Generator

Leistungsmismatch bei serieller Verschaltung

Bestrahlungs-

stärke

Generator-

leistung

Leistungs-

mismatch

1000 W/m² 3446,2 W -0,253%

800 W/m² 2782,8 W -0,142%

600 W/m² 2103,1 W -0,152%

400 W/m² 1403,0 W -0,153%

Berechnete Strom-Spannungskennlinien des PV-Generators aus

Labormessungen der einzelnen PV-Module



Erfahrungswert: Leistungsverlust bei serieller Verschaltung von c-Si Modulen

infolge elektrischem Mismatch < 0,5% bei < ±5% Pmax-Streuung

29.11.2016 13

Feldmesstechnik

Kennlinienmessung



Messunsicherheiten:

Spannungsmessung < ±1%

Strommessung < ±1%

Temperaturmessung < ±1%

Peakleistungsbestimmung mit

integriertem Korrekturverfahren

(nicht normkonform) ±5%

Gerätetyp: PVPM1000X

Strommessbereiche:

2A / 5A / 10A / 20A

Spannungsmessbereiche:

25V / 100V / 500V / 1000V

Anschlüsse:

4-Leiter-Messkabel zum Generator

Einstrahlungssensor

Modultemperatur

Temperatur Einstrahlungssensor

Korrekturverfahren des Geräteherstellers wurde im Versuchsprogramm nicht

verwendet Messdaten wurden ausgelesen und mit Excel weiterbearbeitet.

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Feldmesstechnik

Sensorik



Pt100 Oberflächenfühler:

Genauigkeitsklasse 1/3 DIN (±0,3°C)

0,14 mm Polyimid-Folie

Die Modultemperatur wird repräsentativ

an der Rückseite eines PV-Moduls

gemessen (Modulmitte) IR Aufnahme

zur Festlegung der Messposition.

Solare Einstrahlung in Modulebene

ISE WPVS Referenzzelle

Zelltyp: Mono-Si

Messunsicherheit: ±0,5%

30,055 mV / 1000 W/m²

Alpha = 0,000555 1/K

Der Sensor wird am Modulrahmen

befestigt koplanar mit PV-Modul

Modultemperatur

29.11.2016 15


Messbedingungen am 24. August 2016



Messfenster

Ric

htu

ng

zu

r S

on

ne

EFW

Definition

Einfallswinkel (EFW)

EFW = 53°

EFW = 8°

Aufstellwinkel PV-Module: 35° Südausrichtung

STC

29.11.2016 16


Ergebnisse: Umrechnung der Feldmessungen auf STC



TK ISC 0,059 %/K

TK VOC -0,33 %/K

EK 0,0476

RS,C 6,9 mOhm

TK ISC 0,059 %/K

TK VOC -0,33 %/K

EK 0,0476

RS,C 9,5 mOhm

Schritt 1: Parameter

aus der Labormessung Schritt 2: RS Optimierung

Gt: 546 W/m² – 985 W/m²

Tmod: 40°C – 60°C

Pstc: 216,5 Wp – 207,3 Wp

Voc,stc: 6 V Pstc: 212,4 Wp – 207,2 Wp

Voc,stc: 6 V

Messkurven

STC Ohmscher Verlust:

RS,C = 2,6 m

RS,G = 2,5

29.11.2016 17


Ergebnisse: Äquivalente Zellentemperatur (ECT)



Ist einzelne Temperaturmessstelle repräsentativ für den PV-Generator?

Überprüfung der punktuellen Temperaturmessung mit der Äquivalenten

Zellentemperatur ECT (siehe IEC 60904-5)

ECT = Mittlere Solarzellentemperatur im Modulstrang

𝐸𝐶𝑇 = 25°𝐶 +1

𝑻𝑲 𝑽𝑶𝑪∙

𝑽𝑶𝑪,𝑴𝑬𝑺𝑺

𝑽𝑶𝑪,𝑺𝑻𝑪− 1 − 𝑬𝑲 ∙ 𝑙𝑛

𝑮𝑴𝑬𝑺𝑺

𝐺𝑆𝑇𝐶

TK VOC -0,33 %/K

EK 0,0476

VOC,STC 587,2 V

GSTC 1000 W/m²

Gmess

W/m²

Voc,mess

V

Tmod,mess

GradC

ECT

GradC

Differenz

GradC

24.08.2016 09:57:16 546,1 540,1 40,8 40,6 0,2

24.08.2016 10:33:46 675,6 537,0 45,1 45,2 -0,1

24.08.2016 10:45:16 710,0 534,6 46,5 47,2 -0,7

24.08.2016 11:00:24 751,7 533,1 48,1 48,8 -0,7

24.08.2016 11:11:50 782,9 531,7 49,2 50,1 -0,9

24.08.2016 12:03:32 897,4 522,2 56,5 57,0 -0,4

24.08.2016 12:30:00 938,1 518,7 58,6 59,4 -0,8

24.08.2016 12:57:52 969,1 520,5 58,8 59,0 -0,1

24.08.2016 14:01:22 984,8 519,1 59,0 59,9 -0,9

29.11.2016 18


Ergebnisse: Vergleich mit Labormessungen



Pmax,stc: 212,2 Wp – 207,3 Wp

Pmax,stc: 5,1 Wp

Voc,stc; 579,2 V – 583,4 V

Voc,stc: 4,2 V

Labormessung Feldmessung Differenz

Generatorleistung 3446 Wp 3358 Wp -2,6%

Mittlere Modulleistung 215,4 Wp 209,9 Wp -2,6%

Leerlaufspannung 587 V 582 V -0,9%

Kurzschlussstrom 8,35 A 8,30 A -0,6%

Verwendung der ECT bewirkt

geringere Streuung der

extrapolierten Voc,stc Werte

29.11.2016 19


Fehlerquelle Einstrahlungsmessung



ISE WPVS Referenzzelle

Zelltyp: Mono-Si


30,055 mV / 1000 W/m²

Alpha = 0,000555 1/K

Mencke & Tegtmeyer

Zelltyp: multi-Si


55,1 mV / 1000 W/m²

Alpha = 0,000725 1/K

HT Instruments

Zelltyp: multi-Si & mono-Si

Messunsicherheit: ±3%

Mono: 26,12 mV/1000 W/m²

Poly: 25,84 mV/1000 W/m²

Alpha = 0,0005 1/K

29.11.2016 20


Fehlerquelle Einstrahlungsmessung



ISE WPVS Referenzzelle Mencke & Tegtmeyer HT Instruments

W/m²

Differenz

zu WPVS

564,8 3,31%

598,0 4,88%

702,3 3,80%

737,1 3,69%

778,6 3,46%

806,0 2,87%

915,6 2,00%

957,8 2,05%

983,7 1,48%

1000,0 1,52%

24.08.2016

Einfalls-

winkel

W/m²

09:57:16 52,7° 546,1

10:03:00 51,5° 568,8

10:33:46 44,0 675,6

10:45:16 41,4° 710,0

11:00:24 37,6° 751,7

11:11:50 34,9° 782,9

12:03:32 22,5° 897,4

12:30:00 16,4° 938,1

12:57:52 10,0° 969,1

14:01:22 8,0° 984,8

W/m²

Differenz

zu WPVS

562,5 2,93%

582,0 2,27%

690,8 2,20%

735,0 3,40%

765,8 1,84%

796,4 1,70%

908,0 1,17%

949,2 1,17%

978,7 0,99%

994,0 0,92% Nic

htl

ineari

tät

/

Au

sri

ch

tun

gs

feh

ler

/

Win

kelc

hara

kte

risti

k

Nic

htl

ineari

tät

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Au

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ch

tun

gs

feh

ler

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Win

kelc

hara

kte

risti

k

29.11.2016 21 13. Workshop „Photovoltaik-Modultechnik“



Fehlerquelle Ausrichtungsfehler

Messfehler < 1% bei 1° Ausrichtungsunterschied

Einfallswinkel < 30° 850 W/m² bei wolkenfreiem Himmel

0,5 Grad

1 Grad

2 Grad

3 Grad

29.11.2016 22


Erzielbare Genauigkeit



Einstrahlungsmessung

Kalibrierunsicherheit

Nichtlinearität

Elektrische Drift zwischen zwei Kalibrierungen

Unsicherheit Spannungsmessung

Spektraler Mismatch

Ausrichtungsfehler

Einfallswinkel / Grad

Ausrichtungsfehler zum PV-Modul / Grad

Kennlinienmessung

Messunsicherheit Spannungsmessung

Messunsicherheit Strommessung

Punktdichte im MPP

Kennlinienumrechnung auf STC

Unsicherheit Korrekturparameter

Temperaturmessung

Genauigkeitsklasse Sensor

Unsicherheit Messdatenerfassung

Temperaturinhomogenität im PV-Generator

Die Gesamtunsicherheit bei Feldmessungen wird wesentlich durch die

Kalibrierunsicherheit des Einstrahlungssensors bestimmt.

29.11.2016 23

Zusammenfassung



Die Leistungsmessung von PV-Generatoren erfordert die Umrechnung von

gemessenen Kennlinien auf STC Bedingungen.

Das Verfahren 2 der IEC 60891 liefert gute Umrechnungsresultate auf STC für

Einstrahlungen > 500 W/m².

Die erforderlichen Modulparameter zur Kennlinienumrechnung werden durch

Labormessungen bestimmt. Datenblätter von PV-Modulen geben jedoch nur

Temperaturkoeffizienten an Öffentliche Moduldatenbanken sind lückenhaft

Verbesserung der Umrechnungsgenauigkeit durch Feldmessungen bei

verschiedenen Bestrahlungsstärken ( = 300 W/m²).

Einstrahlungssensoren liefern im Feld den größten Messunsicherheitsbeitrag

Kennlinienmessgeräte sollten Korrekturverfahren 2 der IEC 60891 verwenden

Höchste Transparenz für Anwender, Validierung der Ergebnisse möglich

Genauigkeit Feldmessung <4%: Kalibriergenauigkeit Einstrahlungssensor <±2%,

Einstrahlung >800 W/m², Temperaturmessunsicherheit <±2 K, Ausrichtungsfehler

Einstrahlungssensor <±1°, einstrahlungsbedingte Modulparameter bekannt

Dr. Werner Herrmann, Doreen Moldenhauer, Günter Köppe TÜV Rheinland Energy GmbH

[email protected]

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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