DE10026162C2 - Process for quality control of photovoltaic cells and modules (PV modules) - Google Patents

Process for quality control of photovoltaic cells and modules (PV modules)

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Qualitätskontrolle von photovoltaischen Zellen und Modulen (PV-Modulen).The invention relates to a method for quality control of photovoltaic cells and modules (PV modules).

Die Qualitätskontrolle von photovoltaischen Zellen und Modu­ len, nachfolgend kurz als PV-Module bezeichnet, ist eine not­ wendige Dienstleistung für Anwender von PV-Systemen unter Be­ rücksichtigung von Garantieleistungen von 10 und mehr Jahren. Das Betriebsverhalten einer Solarzelle wird durch ihre Strom- Spannungs-Kennlinie (I-U-Kennlinie) dargestellt. Durch Messung aktueller Kennlinien unter natürlichen Umgebungsbedingungen kann die Funktionsfähigkeit eines Solargenerators, der aus einem oder mehreren PV-Modulen besteht, nachgewiesen werden. Abweichungen des Kennlinienverlaufes vom theoretischen Erwar­ tungswert erlauben Rückschlüsse auf interne Störungen, Kabel­ brüche, Teilabschattungen, Fehlanpassungen, u. s. w.. Neben dem aktuellen Betriebsverhalten ist zur Erkennung von Degrada­ tionserscheinungen aber auch die Messung der stationären Eig­ enschaften Peakleistung und Serieninnenwiderstand notwendig.Quality control of photovoltaic cells and modules len, hereinafter referred to as PV modules for short, is an emergency agile service for users of PV systems under Be consideration of guarantee services of 10 and more years. The operating behavior of a solar cell is determined by its current Voltage characteristic curve (I-U characteristic curve) shown. By measurement current characteristic curves under natural environmental conditions can the operability of a solar generator from one or more PV modules. Deviations of the characteristic curve from the theoretical expect value allow conclusions to be drawn about internal faults, cables breaks, partial shading, mismatches, etc. s. w .. Besides that current operating behavior is used to detect degrada tion phenomena but also the measurement of the stationary property Properties of peak power and series internal resistance are necessary.

Die Peakleistung ist definiert als die maximale Leistung bei Standardprüfbedingungen. Diese Standardprüfbedingungen (STC DIN EN 60904-3) stellen jedoch hohe Anforderungen an den Prüf­ stand, was folglich zu hohen Kosten pro Messung führt. The peak power is defined as the maximum power at Standard test. These standard test conditions (STC However, DIN EN 60904-3) places high demands on the test stood, which consequently leads to high costs per measurement.  

Verluste in den PV-Modulen werden durch den Serieninnenwider­ stand beschrieben, ein Zunehmen des Serieninnenwiderstandes zeigt sowohl interne Verluste als auch alternde Kontakte. Der experimentelle Aufwand für die Messung des Serieninnenwider­ standes im Labor ist jedoch recht hoch, da es in jedem Falle notwendig ist, das zu überprüfende PV-Modul auszubauen und zu einem Labor zu bringen und dort zu überprüfen. Dieser Aufwand ist so hoch, dass sich eine solche Qualitätskontrolle prak­ tisch nicht lohnt, vielmehr ist bei etwa gleichem Aufwand so­ gar eine Neuinstallation eines PV-Moduls möglich.Losses in the PV modules are resisted by the series interior was described, an increase in series internal resistance shows both internal losses and aging contacts. The experimental effort for the measurement of the series interior However, the level in the laboratory is quite high as it is in any case it is necessary to remove and close the PV module to be checked bring it to a laboratory and check it there. This effort is so high that such a quality control is practicable table is not worth it, but is about the same effort it is even possible to reinstall a PV module.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Lösung zu schaffen, mit der eine zuverlässige Qualitätskontrolle von PV-Modulen wesentlich einfacher und mit wesentlich geringerem Aufwand durchgeführt werden kann.The object of the invention is therefore to create a solution with the reliable quality control of PV modules much easier and with much less effort can be carried out.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs bezeichne­ ten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass unter realen Um­ gebungsbedingungen am Einsatzort des betreffenden PV-Moduls zwei Strom-Spannungs-Kennlinien des PV-Moduls bei unterschied­ licher Bestrahlungsstärke gleichen Spektrums gemessen und daraus zwei effektive Kennlinien ermittelt werden, wobei ba­ sierend auf diesen effektiven Kennlinien der Serieninnenwider­ stand und aus wenigstens einer effektiven Kennlinie die Peak­ leistung bestimmt werden.This task is described in a method of the beginning ten kind solved according to the invention in that under real Um conditions at the place of use of the relevant PV module two current-voltage characteristics of the PV module at difference Licher irradiance measured in the same spectrum and two effective characteristic curves are determined from this, ba based on these effective characteristics of the series interior and the peak from at least one effective characteristic performance can be determined.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, eine Qualitätskontrolle unter normalen Umgebungsbedingungen am Ein­ satzort des betreffenden PV-Moduls selbst durchzuführen, d. h. ein Ausbau des Moduls, ein Verbringen zu einem Labor und das Einhalten von exakten Standardprüfbedingungen ist nicht erfor­ derlich. Vielmehr ist es möglich, nach Messung der zwei Strom- Spannungs-Kennlinien unter realen Umgebungsbedingungen aus diesen unter Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen, insbe­ sondere der vorhandenen Bestrahlungsstärke und Umgebungstempe­ ratur effektive Kennlinien zu ermitteln. Mit den zwei effekti­ ven Kennlinien kann einerseits der Serieninnenwiderstand be­ stimmt werden und andererseits kann wenigstens eine effektive Kennlinie auf Standardprüfbedingungen übertragen werden, wor­ aus die Peakleistung bestimmt werden kann.With the method according to the invention it is possible to carry out a quality control  under normal environmental conditions at the on to carry out the location of the relevant PV module itself, d. H. an expansion of the module, a transfer to a laboratory and that Compliance with exact standard test conditions is not required sary. Rather, it is possible, after measuring the two current Voltage characteristics under real environmental conditions this taking into account the environmental conditions, esp in particular the existing irradiance and ambient temperature effective characteristic curves. With the two effekti On the one hand, the series internal resistance can be used and on the other hand at least an effective one Characteristic curve are transferred to standard test conditions, wor from which the peak power can be determined.

Zur Bestimmung der Peakleistung ist vorteilhaft vorgesehen, dass neben der Messung der Strom-Spannungs-Kennlinien eine effektive Bestrahlungsstärke bestimmt wird, die nur aus dem Teil des Sonnenspektrums gebildet wird, der zur Energieumwand­ lung in dem jeweiligen PV-Modul genutzt wird, und dass die Um­ gebungstemperatur gemessen wird und aus der effektiven Kenn­ linie, der effektiven Bestrahlungsstärke und der Umgebungstem­ peratur die Peakleistung bestimmt wird. Wie aus DIN EN 60891 grundsätzlich bekannt ist, ist es möglich, eine unter realen Umgebungsbedingungen gemessene Strom-Spannungs-Kennlinie von PV-Modulen auf andere Temperaturen und Einstrahlungen umzu­ rechnen. Zur Umrechnung muss die während der Messung herr­ schende Bestrahlungsstärke, das Spektrum und die Zellentemperatur bekannt sein. Durch die Beschreibung der Kennlinie als effektive Solarzellen-Kennlinie (Wagner, Andreas: Photovoltaik Engineering, "Die Methode der effektiven Solarzellen-Kenn­ linie", Springer-Verlag Berlin, Heidelberg 1999) wird die Um­ rechnung explizit dadurch möglich, dass aus der gemessenen Umgebungstemperatur über den bekannten Temperaturkoeffizienten der PV-Module die Zellentemperatur ermittelt wird. Die effek­ tive Bestrahlungsstärke kann über einen Bestrahlungsstärkesen­ sor gemessen werden, der die gleiche spektrale Empfindlichkeit wie der Prüfling besitzt.To determine the peak power, it is advantageously provided that that in addition to measuring the current-voltage characteristics effective irradiance is determined, which is only from the Part of the solar spectrum is formed, which leads to energy conversion is used in the respective PV module, and that the Um ambient temperature is measured and from the effective characteristic line, the effective irradiance and the ambient temperature the peak power is determined. As from DIN EN 60891 is known in principle, it is possible to use a real one Ambient conditions measured current-voltage characteristic of To convert PV modules to other temperatures and insolation expected. The conversion must be carried out during the measurement irradiance, spectrum and cell temperature  be known. By describing the characteristic as effective solar cell characteristic (Wagner, Andreas: Photovoltaik Engineering, "The method of effective solar cell identification line ", Springer-Verlag Berlin, Heidelberg 1999) the Um calculation is explicitly possible by using the measured Ambient temperature above the known temperature coefficient of the PV modules the cell temperature is determined. The effec tive irradiance can be via an irradiance sor be measured with the same spectral sensitivity how the examinee owns.

Zur Ermittlung der effektiven Bestrahlungsstärke kann vorge­ sehen sein, dass diese mit Hilfe eines Referenzmoduls mit ver­ gleichbaren spektralen Eigenschaften wie diejenigen des zu überprüfenden PV-Moduls gemessen wird, wobei das Referenzmodul in gleicher Orientierung zur Sonne ausgerichtet wird wie das zu überprüfende PV-Modul.To determine the effective irradiance, pre can be seen that this with the help of a reference module with ver spectral properties comparable to those of the checking PV module is measured, the reference module is oriented in the same orientation to the sun as that PV module to be checked.

Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass eine aus dem Quotien­ ten aus Bestrahlungsstärke und zugehörigem Kurzschlussstrom bei AM 1,5-Bedingungen gebildete Phox-Konstante des PV-Moduls bestimmt und daraus die effektive Bestrahlungsstärke ermittelt wird. Bei bekannter, nachfolgend näher erläuterter Phox- Konstante dient das PV-Modul selbst als Messgerät, ein zusätz­ licher Referenzmodul ist nicht erforderlich. It is particularly preferably provided that one from the quotient radiation intensity and associated short-circuit current Phox constant of the PV module formed at AM 1.5 conditions determined and the effective irradiance determined becomes. With known phox Constantly the PV module itself serves as a measuring device, an additional one Reference module is not required.  

Zur Bestimmung des Serieninnenwiderstandes wird bei einer ersten Bestrahlungsstärke zunächst eine erste Strom-Spannungs- Kennlinie gemessen und aus dieser eine erste effektive Kenn­ linie ermittelt und anschließend wird bei einer zweiten veränderten Bestrahlungsstärke eine zweite Strom-Spannungs- Kennlinie gemessen und daraus eine zweite effektive Kennlinie ermittelt, wobei aus den beiden ermittelten effektiven Kennlinien der Serieninnenwiderstand bestimmt wird.To determine the series internal resistance at a first irradiance first a first current-voltage Characteristic curve measured and from this a first effective characteristic line is determined and then at a second  changed irradiance a second current-voltage Characteristic curve measured and from it a second effective characteristic curve determined, with the two determined effective Characteristic curves of the series internal resistance is determined.

Aus der Norm DIN EN 60891 ist ein Verfahren zur Umrechnung von gemessenen Strom-Spannungs-Kennlinien von PV-Modulen aus kris­ tallinem Silizium auf andere Temperaturen und Einstrahlungen bekannt. Es wird ferner eine Methode zur Ermittlung des Se­ rieninnenwiderstandes angegeben. Dabei werden durch graphische Auswertung der gemessenen Kennlinien spezielle Arbeitspunkte ermittelt und daraus der Serieninnenwiderstand ermittelt. Die rechnerische Genauigkeit hängt jedoch von der maßstäblichen Zeichengenauigkeit ab.From the standard DIN EN 60891 is a procedure for the conversion of measured current-voltage characteristics of PV modules from kris talline silicon on other temperatures and insolation known. A method for determining the Se internal resistance indicated. This is done by graphical Evaluation of the measured characteristic curves special working points determined and from this the series internal resistance is determined. The However, computational accuracy depends on the scale Character accuracy.

Durch die Beschreibung der Kennlinie als effektive Solarzel­ len-Kennlinie sind die geforderten Arbeitspunkte demgegenüber explizit berechenbar, zeichnerische Ungenauigkeiten entfallen. Aus zwei gemessenen Kennlinien kann deshalb jeweils die effek­ tive Kennlinie bestimmt und daraus rechnerisch der Serienin­ nenwiderstand ermittelt werden.By describing the characteristic curve as an effective solar cell len characteristic are the required working points explicitly predictable, graphic inaccuracies are eliminated. Therefore, the effec tive characteristic curve determined and from it arithmetically the series resistance can be determined.

Bei Messung der beiden Strom-Spannungs-Kennlinien ist vorteil­ haft vorgesehen, dass diese innerhalb eines kurzen Zeitinter­ valles durchgeführt wird. So können die Messungen nacheinander in einem Abstand von beispielsweise 1 min durchgeführt werden. When measuring the two current-voltage characteristics is advantageous provided that this within a short period of time valles is carried out. So the measurements can be made one after the other at a distance of, for example, 1 min.  

Um ohne Änderung des Spektrums die Bestrahlungsstärke auf mög­ lichst einfache Weise ändern zu können, ist vorteilhaft vorge­ sehen, dass nach der Messung der ersten Kennlinie über die PV- Modulfläche ein großflächiges Filter gelegt wird, das keine spektrale Veränderung verursacht. Dies läßt sich auf einfache Weise am Einbauort realisieren, wobei als Filter beispiels­ weise ein feinmaschiges Netz verwandt wird. Ein solches Netz kann beispielsweise von einem Fliegennetz oder dgl. gebildet werden und eine Maschenweite von z. B. 5 mm aufweisen.In order to change the irradiance to possible without changing the spectrum To be able to change as simply as possible is advantageous see that after measuring the first characteristic curve over the PV A large filter is placed on the module surface caused spectral change. This can be done easily Realize at the installation site, using as a filter for example as a fine-mesh network is used. Such a network can be formed, for example, by a fly net or the like be and a mesh size of z. B. 5 mm.

Um das vorbeschriebene Verfahren mit einem Messgerät ausführen zu können, kann beispielsweise ein an sich bekanntes PV-Modul- Kennlinien-Messgerät um folgende Eigenschaften erweitert wer­ den. Der bisherige externe Steuerrechner wird durch einen in­ ternen Mikroprozessor ersetzt. Das Messgerät wird mit einem Bedienteil versehen. Das Messergebnis wird auf einem Display ausgegeben. Die Algorithmen zur Durchführung des Messverfah­ rens werden in einem nicht flüchtigen Speicher im Gerät imple­ mentiert.To perform the procedure described above with a measuring device To be able to, for example, a known PV module Characteristic curve measuring device can be expanded with the following properties the. The previous external control computer is replaced by an in microprocessor replaced. The measuring device comes with a Provide control panel. The measurement result is shown on a display output. The algorithms for performing the measurement process rens are implemented in a non-volatile memory in the device mented.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispiel­ haft näher erläutert. Diese zeigt inThe invention is illustrated below with reference to the drawing explained in detail. This shows in

Fig. 1 eine Strom-Spannungs-Kennlinie eines PV-Moduls, Fig. 1 shows a current-voltage characteristic of a PV module,

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild eines PV-Moduls als Idealmodell, Fig. 2 is an equivalent circuit diagram of a PV module as an ideal model,

Fig. 3 ein Ersatzschaltbild als einfaches Modell, FIG. 3 is an equivalent circuit diagram as a simple model,

Fig. 4 ein Ersatzschaltbild als Standardmodell, Fig. 4 is an equivalent circuit diagram as a standard model,

Fig. 5 ein Ersatzschaltbild als Zwei-Dioden-Modell, Fig. 5 is an equivalent circuit diagram of a two-diode model,

Fig. 6 ein Ersatzschaltbild für die effektive Solarzellen- Kennlinie, Fig. 6 is an equivalent circuit diagram for the effective solar cell characteristic,

Fig. 7 eine Strom-Spannungs-Kennlinie zur Ermittlung des Widerstandes als Last eines Solarmoduls und Fig. 7 shows a current-voltage characteristic curve for determining the resistance as a load of a solar module and

Fig. 8 eine gemessene Strom-Spannungs-Kennlinie zur Serien­ innenwiderstandsermittlung. Fig. 8 is a measured current-voltage characteristic for series internal resistance determination.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Qualitätskontrolle von PV- Modulen unter realen Umgebungsbedingungen am Einsatzort des betreffenden PV-Moduls basiert in erster Linie darauf, aus der am Einsatzort gemessenen Strom-Spannungs-Kennlinie eine effek­ tive Solarzellen-Kennlinie zu ermitteln. Dazu sind sogenannte Solarzellen-Kennlinien-Modelle erforderlich. Der Sinn der Kennlinien-Approximationen mit Ersatzschaltbildern liegt in der daraus folgenden expliziten Berechenbarkeit von Anpas­ sungsproblemen zwischen PV-Solargeneratoren und Verbrauchern. An eine Berechnungsmethode für Anpassungsaufgaben im Enginee­ ring-Bereich müssen die folgenden Anforderungen gestellt wer­ den:
The method according to the invention for quality control of PV modules under real ambient conditions at the place of use of the relevant PV module is based primarily on determining an effective solar cell characteristic from the current-voltage characteristic curve measured at the place of use. So-called solar cell characteristic models are required for this. The purpose of the approximation of the characteristic curves with equivalent circuit diagrams lies in the resulting explicit predictability of adaptation problems between PV solar generators and consumers. The following requirements must be made of a calculation method for adaptation tasks in the engineering area:

  • - explizite Berechnung der Strom-Spannungs-Kennliniengleichung U(I),- explicit calculation of the current-voltage characteristic equation U (I),
  • - explizite Berechnung der Kennliniengleichungsparameter aus den Kennwerten Isc, Uoc, Ipmax, Upmax,- explicit calculation of the characteristic equation parameters from the characteristic values I sc , U oc , I pmax , U pmax ,
  • - Approximationsgenauigkeit im Bereich der zur Verfügung stehenden Messgenauigkeit (Stand der Technik: 1%).- Approximation accuracy in the range of the available measuring accuracy (state of the art: 1%).

Eine typische Strom-Spannungs-Kennlinie mit den vorgenannten Kennwerten ist in Fig. 1 dargestellt.A typical current-voltage characteristic curve with the aforementioned characteristic values is shown in FIG. 1.

Es existieren mehrere verschiedene Ersatzschaltbilder, die in den Fig. 2 bis 5 dargestellt sind. Fig. 2 zeigt ein soge­ nanntes Idealmodell. Dieses weist jedoch eine geringe Approxi­ mationsqualität auf, für den Strom I und die Spannung U gelten die folgenden Gleichungen:
There are several different equivalent circuit diagrams, which are shown in FIGS. 2 to 5. Fig. 2 shows a so-called ideal model. However, this has a low approximation quality, the following equations apply to the current I and the voltage U:

Fig. 3 zeigt ein einfaches Modell, das eine gute Approxima­ tionsqualität aufweist. Hier gelten die nachfolgenden Glei­ chungen für den Strom I und die Spannung U:
Fig. 3 shows a simple model that has a good approximation quality. The following equations apply here for the current I and the voltage U:

Der Zahlenwert für den Innenwiderstand Rs kann negativ werden.The numerical value for the internal resistance R s can become negative.

Fig. 4 zeigt ein Standardmodell, welches eine gute Approxima­ tionsqualität aufweist. Für die Kennlinie ergibt sich folgende implizite Gleichung:
Fig. 4 shows a standard model, which has a good approximation quality. The following implicit equation results for the characteristic:

Für die Spannung U ist eine explizite Lösung unbekannt.An explicit solution for the voltage U is unknown.

Fig. 5 zeigt das sogenannte Zwei-Dioden-Modell. Es weist eine sehr gute Approximationsqualität auf. Fig. 5, the so-called two-diode model shows. It has a very good approximation quality.

Für die Kennlinie ergibt sich folgende implizite Gleichung:
The following implicit equation results for the characteristic:

Für die Spannung U ist eine explizite Lösung unbekannt.An explicit solution for the voltage U is unknown.

Keines der vier dargestellten Ersatzschaltbilder (Fig. 2 bis 5) erfüllt alle drei vordefinierten Anforderungen. None of the four equivalent circuit diagrams shown ( FIGS. 2 to 5) fulfills all three predefined requirements.

Es konnte jedoch gezeigt werden, dass die sehr gute Approxima­ tionsqualität des Zwei-Dioden-Modells auch mit dem Ersatz­ schaltbild gemäß Fig. 3 erreicht werden konnte, wenn ein nega­ tiver Zahlenwert für den Serieninnenwiderstand Rs zugelassen wird. Da negative Widerstände real nicht existieren, kann das ermittelte Element kein Ohmscher-Widerstand sein.However, it could be shown that the very good approximation quality of the two-diode model could also be achieved with the equivalent circuit diagram according to FIG. 3 if a negative numerical value for the series internal resistance R s is permitted. Since negative resistances do not really exist, the element determined cannot be an ohmic resistor.

Das Element im Ersatzschaltbild muss daher durch ein fiktives photoelektrisches Bauelement dargestellt werden, dessen Kenn­ linien in erster Näherung der eines positiven oder negativen Widerstandes entspricht. Das Bauelement soll durch Rpv (Photo­ voltaik-Widerstand) beschrieben werden. Dabei ist zu beachten, dass der wahre Serieninnenwiderstand Rs nicht mit dem Photovol­ taik-Widerstand Rpv verwechselt werden darf.The element in the equivalent circuit diagram must therefore be represented by a fictitious photoelectric component, the characteristics of which correspond in a first approximation to that of a positive or negative resistor. The component should be described by R pv (photovoltaic resistor). It should be noted that the true series internal resistance R s should not be confused with the photovoltaic resistance R pv .

Fig. 6 zeigt das Ersatzschaltbild für die effektive Solarzel­ len-Kennlinie. Fig. 6 shows the equivalent circuit for the effective solar cell len characteristic.

Es folgt für die effektive Solarzellen-Kennlinie:
The following follows for the effective solar cell characteristic:

Explizite Form Explicit form

Durch die Einführung des Photovoltaik-Widerstandes lassen sich Leistungsberechnungen und Berechnungen zum Teillastverhalten mit der geforderten Genauigkeit von 1% explizit durchführen. Die Bezugsgröße für die Genauigkeit ist die maximale Leistung Pmax des untersuchten Solar-Generators.With the introduction of the photovoltaic resistor, power calculations and calculations for part-load behavior can be carried out explicitly with the required accuracy of 1%. The reference quantity for the accuracy is the maximum power P max of the examined solar generator.

Zur Ermittlung der vier unabhängigen Gleichungsparamater Rpv, UT I0, Iph werden auch vier unabhängige Kennwerte der Kennlinie be­ nötigt. Im vorliegenden Fall sind dies die Kennwerte Isc, Uoc, Ipmax und Upmax.To determine the four independent equation parameters R pv , U T I 0 , I ph , four independent characteristic values of the characteristic are also required. In the present case, these are the characteristic values I sc , U oc , I pmax and U pmax .

Wird zusätzlich noch die Steigung M bei der Leerlaufspannung in dem Gleichungssystem berücksichtigt: (vgl. Fig. 1):
If the slope M for the open circuit voltage is also taken into account in the system of equations: (see FIG. 1):

können für die vier Kennwerte folgende fünf Bestimmungsglei­ chungen aufgestellt werden:
The following five equations can be drawn up for the four parameters:

U(I = 0) = Uoc (10)
U (I = 0) = U oc (10)

U(I = Isc) = 0 (11)
U (I = I sc ) = 0 (11)

U(I = Ipmax) = Upmax (12)
U (I = I pmax ) = U pmax (12)

Aus diesem Gleichungssystem lassen sich die Gleichungsparame­ ter der Effektivkennlinie näherungsweise wie folgt ermitteln:
From this system of equations, the equation parameters of the effective characteristic curve can be determined approximately as follows:

Voraussetzung für die Berechnung der vier Gleichungsparameter ist, dass die fünf Kennwerte Isc, Uoc, Ipmax, Upmax, M mit hin­ reichender Genauigkeit bekannt sind. A prerequisite for the calculation of the four equation parameters is that the five characteristic values I sc , U oc , I pmax , U pmax , M are known with sufficient accuracy.

Üblicherweise lassen sich die vier Kennwerte Isc, Uoc, Ipmax, Upmax, messtechnisch mit einem Fehler < 1% ermitteln. Die Ermittlung der Steigung M ist dagegen mit einem größeren Fehler behaftet.The four characteristic values I sc , U oc , I pmax , U pmax , can usually be determined by measurement with an error of <1%. The determination of the slope M, however, is associated with a larger error.

Da sich mit Hilfe der Gleichungssysteme (10), (11), (12), (13) aus den vier Kennwerten Isc, Uoc, Ipmax und Upmax eindeutig die Gleichungsparamater Rpv, UT, I0, Iph berechnen lassen und da die Steigung M (9) eindeutig aus den Gleichungsparametern mit (8) berechnet werden kann, existiert eine eindeutige Funktion:
Since with the help of the equation systems (10), (11), (12), (13) from the four characteristic values I sc , U oc , I pmax and U pmax the equation parameters R pv , U T , I 0 , I ph Let it be calculated and since the slope M (9) can be clearly calculated from the equation parameters with (8), there is a clear function:

M = (Isc, Uoc, Ipmax, Upmax) (19)M = (I sc , U oc , I pmax , U pmax ) (19)

Folgende allgemeingültige Approximationsfunktionen wurden für die Steigerung M hergeleitet, die die Berechnung der effekti­ ven Solarzellen-Kennlinien mit einer Genauigkeit von 1% ge­ stattet.The following general approximation functions were used for the increase M is derived, which is the calculation of the effekti ven solar cell characteristics with an accuracy of 1% equips.

Mit den Gleichungskonstanten
With the equation constants

Das folgende Anwendungsbeispiel zeigt den Arbeitspunkt eines Widerstandes RL bei Direktanschluss an das PV-Modul. Gesucht ist der Widerstand, bei dessen Anschluss der Strom IL = 2 A fließt:
The following application example shows the operating point of a resistor R L when directly connected to the PV module. We are looking for the resistor whose current I L = 2 A flows:

Die zugehörige Strom-Spannungs-Kennlinie zeigt Fig. 7.The associated current-voltage characteristic curve is shown in FIG. 7.

Es ergibt sich
It follows

U(IL = 2 A) = 20.5 V
U (I L = 2 A) = 20.5 V

RL = 10.25 Ω (23)R L = 10.25 Ω (23)

Aus Vorstehendem läßt sich der Serieninnenwiderstand folgen­ dermaßen ermitteln:
Die Norm DIN EN 60891 schreibt Verfahren zur Umrechnung von gemessenen Strom-Spannungs-Kennlinien von photovoltaischen Bauelementen aus kristallinem Silizium auf andere Temperaturen und Einstrahlungen vor. Zur Bestimmung des Serieninnenwider­ standes Rs unter künstlichem Sonnenlicht müssen folgende Be­ dingungen eingehalten werden:
From the above, the series internal resistance can be determined as follows:
The standard DIN EN 60891 prescribes methods for converting measured current-voltage characteristics of photovoltaic components made of crystalline silicon to other temperatures and insolation. To determine the series internal resistance R s under artificial sunlight, the following conditions must be observed:

  • - Bei Raumtemperatur müssen zwei Kennlinien bei unterschied­ licher Bestrahlungsstärke (die Größe braucht nicht bekannt zu sein), aber gleicher spektraler Verteilung der Bestrahlungsstärke gemessen werden.- At room temperature, two characteristic curves must be different irradiance (the size does not need to be known to be), but the same spectral distribution of the irradiance  be measured.
  • - Während der Messung muss die Temperatur der Zellen konstant gehalten werden (zulässige Toleranz +/-2°C).- The temperature of the cells must be constant during the measurement be maintained (permissible tolerance +/- 2 ° C).

Aus den beiden Kennlinien müssen zwei Arbeitspunkte U1 und U2 ermittelt werden, woraus der Serieninnenwiderstand berechnet werden kann. Aus der Norm ergibt sich folgende Prozedur zur Ermittlung der beiden Arbeitspunkte:
Two operating points U 1 and U 2 must be determined from the two characteristic curves, from which the series internal resistance can be calculated. The standard gives the following procedure for determining the two operating points:

  • - Festlegung einer Stromdifferenz ΔI zwischen Kurzschlussstrom und Strom im gewählten Arbeits­ punkt der Kennlinie 2 (der Index 2 bezeichnet die Kennlinie mit dem niedrigeren Kurzschlussstrom)
    ΔI = 0.5.Isc2 (24)
    - Definition of a current difference ΔI between short-circuit current and current in the selected working point of characteristic curve 2 (index 2 denotes the characteristic curve with the lower short-circuit current)
    ΔI = 0.5.I sc2 (24)
  • - Ermittlung der Arbeitspunkte U1 und U2 mit (8)
    U1 = U.(Isc1 - ΔI, Rp ν 1, UT1, I01, Iph1) (25)
    U2 = U.(Isc2 - ΔI, Rp ν 2, UT2, I02, Iph2) (26)
    - Determine the working points U 1 and U 2 with (8)
    U 1 = U. (I sc1 - ΔI, R p ν 1 , U T1 , I 01 , I ph1 ) (25)
    U 2 = U. (I sc2 - ΔI, R p ν 2 , U T2 , I 02 , I ph2 ) (26)
  • - Berechnung des Serieninnenwiderstandes
    - Calculation of the series internal resistance

Da das Spektrum für die Messung des Serieninnenwiderstandes Rs nicht bekannt sein muss, kann auch unter freiem Himmel unter natürlichem Sonnenlicht gemessen werden. Die Bedingung der un­ veränderten spektralen Verteilung des Sonnenlichtes läßt sich dadurch einhalten, dass die Messung der beiden Kennlinien in­ nerhalb eines kurzen Zeitintervalles (ΔT < 1 min) durchgeführt wird. Die Veränderung der Bestrahlungsstärke ohne Änderung des Spektrums wird durch ein großflächiges Filter bewirkt, das un­ mittelbar nach der ersten Messung ohne Filter über die Solar- Modulfläche gelegt wird. Als Filter wird ein feinmaschiges Netz verwandt (Maschenabstand z. B. 5 mm), dadurch bleibt das Spektrum unverändert. Alternativ kann anstelle der Verwendung eines Filters auch das PV-Modul gegenüber der Sonneneinstrah­ lungsrichtung verschwenkt werden, wodurch sich ein anderer Einstrahlungswinkel ergibt.Since the spectrum for the measurement of the series internal resistance R s does not have to be known, measurements can also be carried out outdoors under natural sunlight. The condition of the unchanged spectral distribution of the sunlight can be met by measuring the two characteristic curves within a short time interval (ΔT <1 min). The change in the irradiance without changing the spectrum is brought about by a large-area filter which is placed over the solar module surface immediately after the first measurement without a filter. A fine-mesh network is used as a filter (mesh spacing e.g. 5 mm), so the spectrum remains unchanged. Alternatively, instead of using a filter, the PV module can also be pivoted with respect to the direction of solar radiation, which results in a different angle of incidence.

Die Ermittlung des Serieninnenwiderstandes wird mit Bezugnahme auf die in Fig. 8 dargestellte Messung gezeigt.The determination of the series internal resistance is shown with reference to the measurement shown in FIG. 8.

Messung 1 Measurement 1

Messung 2 Measurement 2

In Fig. 8 sind zur Demonstration der Approximationsgenauigkeit sowohl die Messwerte als auch die mit (8) berechneten Effek­ tivkennlinien eingetragen.In FIG. 8, both the measured values and the effective characteristic curves calculated with (8) are entered to demonstrate the approximation accuracy.

Festlegung der Stromdifferenz mit (24)
Determining the current difference with (24)

ΔI = 0.5.Isc2 = 0.398 A (30)ΔI = 0.5.I sc2 = 0.398 A (30)

Arbeitspunkt U1 mit (8)
Working point U 1 with (8)

U1 = U(Isc1 - ΔI, Rp ν 1, UT1, I01, Iph1) = 18.38 V (31)U 1 = U (I sc1 - ΔI, R p ν 1 , U T1 , I 01 , I ph1 ) = 18.38 V (31)

Arbeitspunkt U2 mit (8)
Working point U 2 with (8)

U2 = U(Isc2 - ΔI, Rp ν 2, UT2, I02, Iph2) = 19.663 V (32)
U 2 = U (I sc2 - ΔI, R p ν 2 , U T2 , I 02 , I ph2 ) = 19,663 V (32)

Serieninnenwiderstand Series resistance

Rs = 1.067 Ω (34)
R s = 1,067 Ω (34)

Die Bestimmung der Peakleistung läßt sich folgendermaßen durchführen. Die Peakleistung ist die Spitzenleistung bei Standardprüfbedingungen (STC).
The peak power can be determined as follows. The peak power is the peak power under standard test conditions (STC).

Ppk = Pmax(E0, Tj0) (35)P pk = P max (E 0 , T j0 ) (35)

Dabei bedeuten Standardprüfbedingungen:
Standard test conditions mean:

  • - Bestrahlungsstärke
    - irradiance
  • - Sonnenspektrum
    AM 1.5 (37)
    - Sun spectrum
    AM 1.5 (37)
  • - Zellentemperatur
    Tj0 = 25°C (= 298 K) (38)
    - cell temperature
    T j0 = 25 ° C (= 298 K) (38)

Bei Messungen der aktuellen Spitzenleistung unter natürlichen Umgebungsbedingungen hat neben der Bestrahlungsstärke auch die aktuelle spektrale Verteilung des Lichtes maßgebliche Auswir­ kung auf die Photonen-Ausbeute. Die spektrale Bewertung der Solarzellenempfindlichkeit drückt sich im Kurzschlussstrom der Solarzelle aus.When measuring the current peak performance under natural In addition to the irradiance, the ambient conditions also have current spectral distribution of light has significant impact kung on the photon yield. The spectral evaluation of the Solar cell sensitivity is expressed in the short-circuit current Solar cell off.

Zur Beschreibung der spektralen Abhängigkeit wird eine spektral bewertete effektive Bestrahlungsstärke einge­ führt. Die effektive Bestrahlungsstärke für eine Solarzelle wird nur aus dem Teil des Sonnenspektrums gebildet, der zur Energiewandlung in dieser Solarzelle genutzt wird. In Analogie zur Einheit Lux (lx) der Beleuchtungstechnik, wo die Bestrahlungsstärke durch die menschliche Augenempfindlichkeit spek­ tral bewertet wird, wird hier vorgeschlagen, spektrale Empfindlichkeit der Solarzelle durch eine effektive Bestrah­ lungsstärke mit einer neuen Einheit "Photovoltaik Lux" (phox) zu beschreiben. Der Kurzschlussstrom ist ein lineares Maß für die effektive Bestrahlungsstärke.For the description of the spectral dependence entered a spectrally evaluated effective irradiance leads. The effective irradiance for a solar cell is only formed from the part of the solar spectrum that is used for Energy conversion is used in this solar cell. By analogy to the unit lux (lx) of lighting technology, where the irradiance  through human eye sensitivity tral is evaluated, spectral is proposed here Sensitivity of the solar cell through effective irradiation strength with a new unit "Photovoltaik Lux" (phox) describe. The short circuit current is a linear measure of the effective irradiance.

Bei AM 1.5 gilt bei der aktuellen Bestrahlungsstärke E:
With AM 1.5 the following applies for the current irradiance E:

Außerhalb AM 1.5 gilt:
Outside of AM 1.5:

Eeff = ISC.Kphox (40)E eff = I SC .K phox (40)

Das zu vermessende Solarmodul dient bei bekannter phox- Konstante Kphox selbst als "phox-Messgerät".If the phox constant K phox is known, the solar module to be measured itself serves as a "phox measuring device".

Ermittlung der phox-Konstanten Kphox bei AM 1.5 an einem klaren Tag unter natürlichen Umgebungsbedingungen:
AM 1.5 tritt auf, wenn für den Zenitwinkel gilt
Determination of the phox constant K phox at AM 1.5 on a clear day under natural environmental conditions:
AM 1.5 occurs when the zenith angle applies

Mit AM = 1.5 folgt daraus
With AM = 1.5 it follows

Die Uhrzeiten, zu denen dieser Zenitwinkel auftritt, lassen sich bei bekannter geographischer Lage und Datum ermitteln. Beispiel: Dortmund (λ = 7° östliche Länge, ϕ = 51° nördliche Breite) 17. August, Angaben in Mitteleuropäischer Sommerzeit MESZ
The times at which this zenith angle occurs can be determined with a known geographical location and date. Example: Dortmund (λ = 7 ° east longitude, ϕ = 51 ° north latitude) August 17, data in Central European Summer Time CEST

AM = 1.5(am) 11 h 9 min
AM = 1.5(pm) 16 h 4 min (43)
AM = 1.5 (am) 11 h 9 min
AM = 1.5 (pm) 16 h 4 min (43)

Zur Ermittlung der phox-Konstante wird bei AM 1,5-Bedingungen mit einem Pyranometer die Bestrahlungsstärke gemessen sowie der dabei auftretende Kurzschlussstrom.To determine the phox constant at AM 1.5 conditions with a pyranometer the irradiance is measured as well the short-circuit current that occurs.

Bei bekannter phox-Konstante für das zu messende Modul ist bei bekanntem Kurzschlussstrom eine zusätzliche Messung der Be­ strahlungsstärke für die Ermittlung der Peakleistung nicht notwendig. Für die weiteren Berechnungen wird die Bestrah­ lungsstärken-Abhängigkeit immer auf die effektive Bestrah­ lungsstärke Eeff (gemessen in phox) bezogen. Zur Ermittlung der Peakleistung eines PV-Moduls muss zunächst die phox-Konstante des Moduls bekannt sein. Bei bekannter phox-Konstante kann zu einem beliebigen Zeitpunkt eine aktuelle Kennlinie des Moduls gemessen werden.If the phox constant for the module to be measured is known, if the short-circuit current is known, an additional measurement of the radiation intensity is not necessary for determining the peak power. For further calculations, the dependence on the irradiance is always related to the effective irradiance E eff (measured in phox). To determine the peak power of a PV module, the phox constant of the module must first be known. If the phox constant is known, a current characteristic curve of the module can be measured at any time.

Es lassen sich nun die aktuellen Effektiv-Kennlinien-Parameter ermitteln. Bei zusätzlich bekannter Zellentemperatur Tj sowie dem Temperaturkoeffizient cT der Leistung lassen sich die Er­ wartungswerte bei STC berechnen.The current effective characteristic curve parameters can now be determined. With additionally known cell temperature T j and the temperature coefficient c T of the power, the expected values at STC can be calculated.

Umrechnung von Messwerten auf STC Conversion of measured values to STC

Es folgt die Peakleistung:
The peak power follows:

Ppk = Ipmax0.Upmax0 (47)
P pk = I pmax0 .U pmax0 (47)

Zur vollständigen Kennlinien-Darstellung können die folgenden Beziehungen näherungsweise herangezogen werden:
The following relationships can be approximately used to display the complete characteristic curve:

Zur Anwendung der Beziehung (46) werden noch einige Zusatz- Informationen benötigt:
Some additional information is required to use relationship (46):

  • - Leistungs-Temperaturkoeffizient Silizium-Zellen- Power temperature coefficient silicon cells
  • - Zellentemperatur- cell temperature

Der Leistungstemperaturkoeffizient muss aus den Datenblatt-An­ gaben übernommen werden. Sind keine Angaben vorhanden, so kann für kristalline Silizium-Zellen folgender Wert als Standard­ wert angenommen werden:
The power temperature coefficient must be taken from the data sheet. If no information is available, the following value can be assumed as the standard value for crystalline silicon cells:

cT = -0.0044 K-1 (49)c T = -0.0044 K -1 (49)

Der systematische Fehler der Peakleistung, bedingt durch die Unsicherheit des verwendeten Temperaturkoeffizienten, beträgt im Bereich cT = (-0,003 K-1 bis -0,006 K-1) und ist damit kleiner als 1%.The systematic error of the peak power, due to the uncertainty of the temperature coefficient used, is in the range c T = (-0.003 K -1 to -0.006 K -1 ) and is therefore less than 1%.

Die Zellentemperatur verändert sich in Abhängigkeit von Ein­ strahlung und Umgebungstemperatur. Häufig existiert die Angabe der Nennbetriebs-Zellentemperatur:

NOCT = Tj(EN, TambN) (50)
The cell temperature changes depending on the radiation and ambient temperature. Often there is a specification of the nominal operating cell temperature:

NOCT = T j (E N , T ambN ) (50)

Prüfbedingungen zur Ermittlung von NOCT Nominal Operating Cell TemperatureTest conditions for the determination of NOCT Nominal Operating Cell temperature

  • - Bestrahlungsstärke
    - irradiance
  • - Umgebungstemperatur
    TambN = 20°C (52)
    - ambient temperature
    T ambN = 20 ° C (52)

Die Nennbetriebs-Zellentemperatur muss aus den Datenblatt-An­ gaben übernommen werden. Sind keine Angaben vorhanden, so kann für kristalline Silizium-Zellen folgender Wert als Standard­ wert angenommen werden:
The nominal operating cell temperature must be taken from the data sheet. If no information is available, the following value can be assumed as the standard value for crystalline silicon cells:

typisch: NOCT = 48°C (53)typical: NOCT = 48 ° C (53)

Bei bekannter Umgebungstemperatur lässt sich über NOCT die Zellentemperatur näherungsweise ermitteln. Es folgt die Zel­ lentemperatur in Abhängigkeit von der Einstrahlung.If the ambient temperature is known, the Approximately determine the cell temperature. The cell follows oil temperature depending on the irradiation.

Der systematische Fehler der Peakleistung, bedingt durch die Unsicherheit bei der ermittelten Zellentemperatur beträgt im Bereich ΔT = (-10 K bis +10 K) und ist kleiner als 5%. The systematic error of peak power caused by the Uncertainty in the cell temperature determined is Range ΔT = (-10 K to +10 K) and is less than 5%.  

Die in Fig. 8 dargestellte Messung zur Ermittlung des Rs wurde bei folgender Effektiv-Bestrahlungsstärke durchgeführt:
The measurement shown in FIG. 8 for determining the R s was carried out at the following effective irradiance:

Eeff1 = 777 phox (55)E eff1 = 777 phox (55)

Durch Abdeckung des Moduls mit dem feinmaschigen Netz verrin­ gerte sich die Effektiv-Bestrahlungsstärke um den Faktor
By covering the module with the fine-mesh network, the effective irradiance was reduced by a factor

Somit folgt
Thus follows

Eeff2 = 309 phox (57)E eff2 = 309 phox (57)

Die folgende Zellentemperatur wurde für beide Messungen ermit­ telt:
The following cell temperature was determined for both measurements:

Tj = 294 K (58)T j = 294 K (58)

Da die beiden Messungen innerhalb eines kurzen Zeitintervalles durchgeführt wurden und die Zellentemperatur sich durch das Maschenfilter nicht sprunghaft ändert, liegt bei beiden Mes­ sungen die gleiche Zellentemperatur vor.Because the two measurements within a short time interval have been carried out and the cell temperature is Mesh filter does not change abruptly, is in both measurements sang the same cell temperature.

Zur Berechnung der Peakleistung mit den Formeln (45), (46) und (47) wurden die folgenden Werte verwandt: To calculate the peak power using formulas (45), (46) and (47) the following values were used:  

Messung 1 Measurement 1

Messung 2 Measurement 2

Beim Beispielsfall handelt es sich um ein polykristallines Modul, Herstellungsjahr 1991.The example case is a polycrystalline Module, year of manufacture 1991.

Die Qualitätskontrolle erfolgte im Februar 2000.Quality control was carried out in February 2000.

DatenblattangabenData sheet specifications

Peakleistung Ppk Peak power P pk

= 50 W (61)
= 50 W (61)

Toleranz ±10% (62)
Tolerance ± 10% (62)

Degradationsverluste in 10 Jahren < 10% (63)
Degradation losses in 10 years <10% (63)

Mit der garantierten Mindestleistung 45 W und den Degradations­ verlusten < 5 W folgt die zulässige Mindestleistung nach 10 Jah­ ren von 40 W.With the guaranteed minimum power of 45 W and the degradations losses <5 W follows the permissible minimum power after 10 years ren of 40 W.

Die 10-Jahres-Garantie wurde hier gerade eingehalten.The 10-year guarantee has just been met here.

Claims (6)

1. Verfahren zur Qualitätskontrolle von photovoltaischen Zellen und Modulen (PV-Modulen), dadurch gekennzeichnet, dass unter realen Umgebungsbedingungen am Einsatzort des be­ treffenden PV-Moduls zwei Strom-Spannungs-Kennlinien des PV- Moduls bei unterschiedlicher Bestrahlungsstärke gleichen Spektrums gemessen und daraus zwei effektive Kennlinien er­ mittelt werden, wobei basierend auf diesen effektiven Kenn­ linien der Serieninnenwiderstand und aus wenigstens einer Kennlinie die Peakleistung bestimmt werden.1. Method for quality control of photovoltaic cells and modules (PV modules), characterized in that two current-voltage characteristic curves of the PV module are measured at different irradiance levels and the same spectrum under real ambient conditions at the location of the PV module in question, and two of these effective characteristics are determined, the series internal resistance and the peak power being determined from at least one characteristic based on these effective characteristics. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass neben der Messung der Strom-Spannungs-Kennlinien eine effektive Bestrahlungsstärke bestimmt wird, die nur aus dem Teil des Sonnenspektrums gebildet wird, der zur Eniergieum­ wandlung in dem jeweiligen PV-Modul genutzt wird, und dass die Umgebungstemperatur gemessen wird und aus der effektiven Kennlinie, der effektiven Bestrahlungsstärke und der Umge­ bungstemperatur die Peakleistung bestimmt wird.2. The method according to claim 1, characterized, that in addition to measuring the current-voltage characteristics effective irradiance is determined, which is only from the Part of the solar spectrum is formed, which leads to energy conversion is used in the respective PV module, and that the ambient temperature is measured and from the effective Characteristic curve, the effective irradiance and the reverse the peak power is determined. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine aus dem Quotienten aus Bestrahlungsstärke und zugehörigem Kurzschlussstrom bei AM 1,5-Bedingungen gebildete Phox-Konstante des PV-Moduls bestimmt und daraus die effek­ tive Bestrahlungsstärke ermittelt wird.3. The method according to claim 2, characterized, that one from the quotient of irradiance and associated  Short-circuit current formed under AM 1.5 conditions Phox constant of the PV module is determined and the effec tive irradiance is determined. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der beiden Strom-Spannungs-Kennlinien innerhalb eines kurzen Zeitintervalles durchgeführt wird.4. The method according to claim 1, characterized, that the measurement of the two current-voltage characteristics is carried out within a short time interval. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Messung der ersten Kennlinie über die PV-Mo­ dulfläche ein großflächiges Filter gelegt wird, das keine spektrale Veränderung verursacht.5. The method according to claim 4, characterized, that after measuring the first characteristic curve over the PV-Mo a large filter is placed on the surface caused spectral change. 6. Verfahren nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, dass als Filter ein feinmaschiges Netz verwandt wird.6. The method according to claim 5. characterized, that a fine-mesh network is used as a filter.
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