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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Qualitätsparamters, insbesondere eines Variabilitätsparameters, eines Photovoltaik-Moduls, und eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.
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Bei dem Bau von Photovoltaik (PV) Modulen werden typischerweise 36–72 einzelne PV Zellen verbaut, und dabei in Serie geschaltet. Es ist für die Erzielung einer maximalen Energiekonversionseffizienz erforderlich, dass der Photostrom der einzelnen Zellen so gut wie möglich übereinstimmt, da die schwächste Zelle den Gesamtstrom und damit die Leistung des Moduls determiniert.
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Die Streuung der Leistungsfähigkeit der einzelnen PV Zellen in der Massenproduktion ist für diese Anforderungen bei weitem zu groß, deswegen wird jede einzelne Zelle vermessen, und die Zellen in 10 oder mehr Leistungsgruppen sortiert (sogenannte „Bins“, der Vorgang heißt im Fachjargon „Binning“).
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Das Problem ist, dass die Messung bei Standardtestbedingungen erfolgt (25 Grad, 1000W/m2 Leistung, Sonnenspektrum [Normen: IEC 60904-9 photovoltaic devices part 9 solar simulator performance requirements; IEC 60904-1 Measurement of Photovoltaic Current Voltage Characteristics]). Unter realen Bedingungen sind diese Bedingungen aber nie erfüllt. Das führt dazu, dass die Zellen innerhalb einer sortierten Gruppe unter realen Bedingungen deutlich stärker in ihren Leistungsparametern, insbesondere im tatsächlich unter den verschiedenen Bedingungen erzielten Photostrom streuen als unter den idealen Testbedingungen.
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Das führt durch „Strom – Fehlpassungen“ der in Serie geschalteten Zellen zu sogenannten Mismatch-Verlusten. Das Problem wird dadurch verschärft, dass durch unterschiedliche Alterung der Zellen (insbesondere bedingt durch Variationen in den Materialien, insbesondere des Ausgang-Siliziums) immer stärker voneinander abweichen.
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Ein weiteres Problem ist, dass die Kontaktwiderstände Lötverbindungen zwischen den Zellen ebenfalls stark streuen können, und der Einbauprozess der Zellen zu Veränderungen der elektrischen Parameter führen kann, z.B. durch den Einfluss der Wärmebehandlung beim Laminieren oder mechanische Beschädigungen der sehr fragilen Zellen (Mikrorisse sind nicht ohne weiteres erkennbar, aber vielfach in den Zellen fertiger Module vorhanden).
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Eine Beurteilung, wie gut die Zellen nach dem Einbau in ihrem „Matching“ noch sind ist dadurch nicht mehr ohne weiteres möglich, da die Zellen nur in der Serienschaltung alle auf einmal einer elektrischen Analyse zugänglich sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es den Stand der Technik zu verbessern.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Bestimmen eines Qualitätsparamters, insbesondere eines Variabilitätsparameters, eines Photovoltaik-Moduls, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist
- – Verwenden einer Lichtquelle, insbesondere eines Beamers und/oder in der Intensität und/oder in der Wellenlänge regelbaren und/oder ortsveränderlichen Lichtquelle, wobei ein Lichtsignal der Lichtquelle auf das Photovoltaik-Modul oder auf Teile des Photovoltaik-Moduls gerichtet wird,
- – Abschatten einer Photovoltaik-Zelle oder mehrerer Photovoltaik-Zellen, insbesondere von Subbins und
- – Ermitteln eines Messparameters, insbesondere eines Spannungsabfalls und/oder eines Stroms, oder Messparametersatzes des Photovoltaik-Moduls.
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Somit umfasst die Aufgabenlösung der Erfindung, dass in einer automatisierbaren Vorrichtung die einzelnen Zellen des Moduls mit Hilfe eines Beamers / einer Leuchtquelle / eines Filters abgeschattet werden, während alle anderen beleuchtet werden. Das kann unter anderem dazu führen, dass die abgeschattete Zelle(n) einen starken Einfluss auf die I(U) Kurve des Moduls hat, da die Zelle(n) jetzt zum Verbraucher geworden ist, zusätzlich zu einem zugeschalteten Verbraucher.
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Zudem kann die Qualität der einzelnen Module beurteilt werden, sodass eine Auswahl eines Zulieferers von Solarzellen (Bins/Subbins) im Endprodukt (Modul) bewertbar ist.
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Auch kann ein Modul auf sein örtliches Anwendungsgebiet angepasst werden. Insbesondere in den stark nördlichen Breiten (z.B. Deutschland) oder südlichen Breiten (z.B. Neuseeland) sind die qualitativ hochwertigeren Module einzusetzen, da diese unempfindlicher auf Abweichungen von den Standardmessparametern reagieren, insbesondere eine bessere Low Light performance haben (in Deutschland kommen 40% der Energieernte eines PV Moduls durch diffuses Licht zustande). Hingegen können weniger gute Module in Äquatornähe (z.B. südliche Sahara) eingesetzt werden, da die örtlichen Bedingungen viel eher den Standardmessbedingungen (also hohen Beleuchungsintensitätent entsprechen und Abweichungen aufgrund von geringerer Intensität eine geringere Rolle spielen.
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Die Erfindung nutzt aus, dass wenn alle Zellen sich in ihren Zellparametern (in einem Ersatzschaltbild die Diode, der Shuntwiderstand Rsh und der Serienwiderstand Rs) gleichen, dann würden alle I(U) Kurven für die Abschattung der einzelnen im Modul verbauten Zellen übereinstimmen.
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Ein Variabilitätsparameter ist um so aussagekräftiger, je größer die Fertigungsstreuung ist, die sich NICHT in den Tests bei Standard-Testbedingen eliminieren lässt. Es ist allgemeine bekannt, dass bei großer Fertigungsstreuung die Qualität des Endproduktes niedriger wird, was sich auf Performance, Haltbarkeit und Zuverlässigkeit auswirkt. Bei Photovoltaikmodulen besonders stark, da konstruktionsbedingt die Zellen idealerweise unter allen Betriebsbedingungen denselben Strom liefern sollten. Somit können mit der vorliegenden Lösung der Aufgabe zusätzliche Informationen zur Qualität von Photovoltaikmodulen gewonnen werden.
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Der Variabilitätsparameter ist also ein guter Indikator für die Qualität von Modulen, der vor der Auslieferung ermittelt wird. Es ist somit möglich, die Auslieferung von besonders risikobehafteten Modulen zu verhindern und, noch wichtiger, die Ergebnisse der Variabilitätsparameter in die Produktion rückzukoppeln, um Ursachen für besonders schlechte Module mit hohem Variabilitätsparameter zu identifizieren, und um die Streuung des gesamten Produktionsprozesses im Rahmen kontinuierlicher Verbesserung stetig zu reduzieren.
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Vorliegend werden die Begrifflichkeiten näher erläutert:
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„Variabilitätsparameter“ oder „Qualitätsparameter“ umfasst beispielsweise:
- – den Range (oder Standardabweichung) der Ströme nahe dem Maximum-Power-Point (UMPP) für das Modul (unter den gegebenen Beleuchtungsbedingungen (am naheliegendsten, da es um Strommatching geht) und/oder
- – den Range (oder Standardabweichung) der Spannungen beim Maximum Power Point.
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Zudem umfasst der Variabilitätsparameter oder Qualitätsparameter sämtliche Informationen und ableitbare Kennzahlen aus ermittelten I(U)-Kurven (I = Strom; U = Spannung), I(A)-Kurven (A = Abschattungsgrad in %) und/oder P(B)-Kurven (P = Leistung; B = Beleuchtungsstärke), wobei Kombinationen (von I, U, P, B, A usw.) oder abgeleitete Werte umfasst sind.
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Ein „Photovoltaikmodul“, auch Solarmodul genannt, wandelt das Licht der Sonne direkt in elektrische Energie um. Das Modul besteht aus Photovoltaik-Zellen (Solarzellen), die in Serie oder parallel geschaltet sind. Solarmodule sind als flexible und starre Ausführung verfügbar. Starre Solarmodule bestehen üblicherweise aus siliziumbasierten Photovoltaik-Zellen, die auf einen Aluminiumrahmen montiert und von einer Glasplatte abgedeckt sind. Die Photovoltaik-Zellen werden hier mechanisch durch das Modul vor Umwelteinflüssen geschützt, z. B. Hagel, TCO-Korrosion. Flexible Solarmodule basieren auf organischen Werkstoffen und werden vorzugsweise im mobilen Bereich eingesetzt.
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Die „Lichtquelle“ umfasst insbesondere einen Beamer und/oder ist in der Intensität und/oder in der Wellenlänge regelbar und/oder ortsveränderlich. Die Lichtquelle sendet Licht in Form eines Lichtsignals aus. Die Lichtquelle kann zwei oder mehr (unabhängige) Lichtquellen umfassen. In dieser Ausführungsform ist insbesondere eine Standardlichtquelle mit einem zusätzlichen Beamer überlagert, sodass der Beamer lediglich das ortsveränderliche Zusatzsignal und die Standardlichtquelle eine Grundbeleuchtungsstärke erzeugt.
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Das „Abschatten“ einer Photovoltaik-Zelle kann lediglich nur teilweise erfolgen, sodass einzelne Flächen der Photovoltaik-Zellen nicht oder vermindert beleuchtet werden. Auch ein zeitliches Beleuchten analog zur Funktionsweise eines Stroboskops ist mit umfasst. Auch einzelne Photovoltaik-Zellen oder nur deren Teile können abgeschattet werden. Zudem kann das Abschatten durch ein Ausblenden oder Verringern einzelner Wellenlängen des Lichtsignals erfolgen.
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Beispielsweise können einzelne Hälften (oder allg. Unterteilungen) des Photovoltaikmoduls beschattet werden, um so Unterschiede der beiden Hälften zu ermitteln. Anschließend kann die „schlechtere“ Hälfte wiederum unterteilt werden, sodass so die „schlechteste“ Photovoltaik-Zelle zügig ermittelbar ist (Kurzbezeichnung für das Verfahren sei im Folgenden: „Successive Approximation“).
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Weiterhin kann zum Abschatten ein Filter, insbesondere Graufilter, oder ein Graukeil verwendet werden. Das Filter kann beispielsweise in einen Diaprojektor als Dia oder als Modulaufsatz (ansteuerbare LCD-Anzeige), welcher auf das Photovoltaikmodul gesetzt wird, realisiert werden.
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Die Abschattung wird insbesondere in % gemessen, wobei dann „1“ völlige Dunkelheit (= 100%) und „0“ (= 0%) keine Abschattung bedeuten.
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Ein „Messparameters“ umfasst insbesondere den von dem Photovoltaikmodul unter beschatteter Beleuchtung bereitgestellten Strom. Insbesondere kann ein (variabel einstellbarer) Lastwiderstand an das Photovoltaikmodul angeschlossen werden, über den der Spannungsabfall ermittelt wird. Messparameter können aber auch die Leistung (Spannung·Strom) oder andere Messwerte umfassen, welche eine Qualitätsermittlung in Bezug auf das Photovoltaikmodul ermöglichen. Ein „Messparametersatz“ umfasst mehrere Messparameter, welche auch in Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke, Beschattungsgrad, Shuntwiderstand etc. ermittelbar sind.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist an das Photovoltaik-Modul ein Verbraucher angeschlossen, insbesondere eine variable Last, angeschlossen. Dieser Verbraucher ist beispielsweise ein (variabel einstellbarer) Lastwiderstand.
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Somit kann eine besonders einfache Möglichkeit der Messparameterbestimmung (über den Spannungsabfall am Lastwiderstand) bereitgestellt werden.
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Um das Verfahren besonders effektiv und sensitiv durchzuführen, kann das Bestimmen des Qualitätsparameters bei einer Maximum-Power-Point-Spannung erfolgen. Der Maximum-Power-Point ist der Punkt, an dem bei der verwendeten unabgeschatteten Beleuchtung das Produkt aus Spannung und Strom maximal ist. An diesem Punkt ist somit die Ausbeute aus einem Photovoltaik-Modul maximal. Da sich hier Effekte durch Beschatten besonders stark ausprägen, kann ein besonders aussagekräftiger und/oder empfindlicher Qualitätsparameter ermittelt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform sendet die Lichtquelle ein Lichtsignal in einem Bereich einer Leistung von 1W/m2 bis 100 W/m2, insbesondere von 10W/m2 bis 30 W/m2, aus. Dabei entsprechen 1000W/m2 der Lichtleistung von „1 Sonne“. Ein Wert von 1 Sonne liegt insbesondere bei oben angeführten Standardmessbedingungen vor. Eine niedrigere Beleuchtungsstärke kann für die Ermittlung eines Variabilitätsparameters günstiger sein, da die Diffusionslänge für Minoritätsträger in dem Solarzellenmaterial bei niederigerer Beleuchtungsstärke abnimmt und Materialqualitäts – bedingte Unterschiede stärker herausgearbeitet werden.
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Die Diffusionslänge, insbesondere von durch die Beleuchtung erzeugten Minoritätsladungsträger, steigt bis zum Beleuchtungsstärken-Wert von 1 Sonne an, wobei insbesondere ab 0,5 Sonne langsam eine Sättigung einsetzt. Bei obigen Werten von 0,001 Sonne bis 0,03 Sonne steigt die Diffusionslänge einer Solarzelle stark an, sodass bei diesen Beleuchtungsstärken besonders effektiv Qualitätsparameter ermittelbar sind. Somit kann das Verfahren besonders effektiv mit einem Beamer oder einer vergleichbaren Lichtquelle erfolgen.
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Um möglichst zeiteffektiv den Qualitätsparameter zu bestimmen, kann ein sequentielles Abschatten erfolgen. Sequentiell in diesem Zusammenhang bedeutet insbesondere, dass mehrere oder alle Photovoltaik-Zellen nacheinander beschattet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Abschatten mit unterschiedlichen Abschattungsgraden (zwischen keiner und totaler Abschattung).
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Um die Photovoltaik-Module bei unterschiedlichen klimatischen Bedingungen zu testen, kann das Verfahren bei unterschiedlichen Temperaturen, insbesondere zwischen –20°C und +60°C, des Photovoltaik-Moduls erfolgen und/oder die Temperaturen variiert werden. So können beispielsweise die Module in einer Klimakammer getestet werden.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform können die Beleuchtungsstärke und/oder die Wellenlänge, insbesondere Farbe, der Lichtquelle variiert werden. So können die Module dahin gehend getestet werden, dass diese auf die speziellen örtlichen Gegebenheiten am Einsatzort angepasst sind.
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Um das Abschatten besonders einfach zu realisieren, kann das Abschatten mittels eines Graufilters und/oder eines Graukeils erfolgen. Dabei können kontinuierliche Graukeile oder Graustufenkeile eingesetzt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung, welche derart ausgestaltet ist, dass ein zuvor beschriebenes Verfahren durchführbar ist.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen
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1 eine schematische Darstellung eines Messaufbaus und
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2 eine schematische Darstellung eines Ersatzschaltbildes.
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Ein Messaufbau 101 umfasst ein Photovoltaik-Modul 103, eine LCD-Maske 113 (Liquid-Crystal-Display) und einen Beamer 123. Das Photovoltaik-Modul 103 umfasst in Zeilen 109 und Spalten 107 angeordnete Solarzellen 105, welche in Reihe zueinander verschaltet sind.
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Zwischen dem Beamer 123 und dem Photovoltaik-Modul 103 ist die LCD-Maske 113 angeordnet. Die LCD-Maske 113 weist in Zeilen 119 und Spalten 117 angeordnete LCD-Elemente 115 auf. Dabei sind die Elemente 115 so angeordnet, dass diese der Anordnung der Solarzellen 105 auf dem Photovoltaik-Modul 103 entsprechen. Grundsätzlich sind die LCD-Elemente 115 transparent, sodass ein Lichtsignal des Beamers 123 im Wesentlichen ungehindert durch die LCD-Elemente 115 der LCD-Maske treten und auf die Solarzellen 105 des Photovoltaik-Moduls 103 treffen.
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Durch den Aufbau in Zeilen 119 und Spalten 117 ist jedes LCD-Element separat beschaltbar. Durch ein Beschalten eines LCD-Elements 121 kann dieses als Filter für die dahinter liegende Solarzelle (nicht dargestellt) wirken, sodass ein Abschatten der dahinterliegenden Solarzelle erfolgt.
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Alternativ entfällt die LCD-Maske 113 und das Abschatten oder entsprechend das Beleuchten erfolgt ausschließlich über den Beamer 123. Zudem kann die LCD-Maske 113 durch fest angeordnete Graufilter ersetzt werden.
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Der Messaufbau 101 kann elektronisch mit dem in 2 dargestellten Ersatzschaltbild beschrieben werden. Das Photovoltaik-Modul (auch Modul genannt) 103 weist n-1 nicht abgeschattete Solarzellen 105 auf, wobei n die Anzahl aller Solarzellen auf dem Modul 103 entspricht. Die abgeschattete Solarzelle 125 selbst kann wiederum durch ein Ersatzschaltbild beschrieben werden, welches eine Stromquelle 225 (deren Strom sich nach dem Grad der Abschattung richtet, bei Abschattung 100% ist der Strom 0), eine Diode D, den Shuntwiderstand RP und den Serienwiderstand RS aufweist.
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Um eine I(U)-Kurve 251 aufzuzeichnen, wird das Modul 103 mit dem Beamer 123 beleuchtet, wobei eine Solarzelle 125 abgeschattet ist. Um die einzelnen Werte der I(U)-Kurve 251 zu ermitteln, wird der variable Lastwiderstand RL „durchgefahren“ und es werden die entsprechenden Messwerte für Spannung und Strom aufgezeichnet und in das Diagramm 251 übertragen.
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Das Messprinzip ist: Das Photovoltaik-Modul 103 wird durch den Beamer 123 beleuchtet, dabei ist eine Zelle 125 oder sind mehrere Zellen (Sub-bins) verschattet und das Modul 103 wird an eine variable Last angeschlossen. Damit tritt folgende Situation ein:
- – alle beleuchteten Zellen 105 erzeugen eine Photospannung,
- – die verschattete Zelle 125 wird von den anderen Zellen soweit in Sperrrichtung gebracht, dass der Photostrom fließen kann,
- – die I(U) Kurve 251 des Moduls 103, gemessen durch Variation des Lastwiderstands RL von Null bis unendlich, wird im Wesentlichen durch das Sperrverhalten der abgeschatteten Zelle 125 bestimmt, also durch deren Ersatzschaltbild (2) und
- – hauptsächlich tragen im Ersatzschaltbild (2) die Dioden (im Wesentlichen aufgrund der Rekombinations- und Generationszentren in der abgeschatteten Zelle und der Shuntwiderstand RP zu der gemessenen I(U)-Kurve 251 für dieabgeschattete Zelle 125 bei. (Für die 100% abgeschatten Zellen ist die Stromquelle = 0 (ISC = 0), also nicht aktiv).
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Zusätzlich gehen ein die Veränderungen an den Zellen durch Anbringen der Lötverbindungen (ggf. dadurch hervorgerufene zusätzliche Shunt- und Kontaktwiderstände), evtl. Beschädigungen der Zellen bei der Verarbeitung zum Modul und andere Effekte des Modulherstellprozesses und der verwendeten Modulmaterialien (z.B Inhomogenitäten im Glas oder in dem EVA Einkapselungsmaterial).
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Durch sequentielle Abschattung aller N Zellen 105 oder aller Sub-bins eines Moduls wird so jede einzelne Zelle auf ihr Ersatzschaltbild „abgetastet“.
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Als Ergebnis erhält man also von jeder der N Zellen einen elektrischen Fingerabdruck, in dem alle für den Modulbetrieb wichtigen Faktoren, also auch durch die Modulherstellung selbst verursachte Variabilitäten ein.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen liegen
- 1.) in einer Variation der Beleuchtungsstärke
a. es werden bei stärkerer Beleuchtung immer mehr Rekombinationszentren gesättigt, d.h. die Minoritätsträgerdiffusionslänge wird länger, die I(U) Kurven ändern sich entsprechend;
b. sehr praxisrelevant, da gerade das Schwachlichtverhalten eines Moduls wichtig ist, da dieses der häufigen Bewölkung in Mitteleuropa entspricht.
c. wird beispielsweise mit einem per Software angesteuerten Beamer realisiert.
- 2.) in einer Variation der Farbe (Wellenlänge)
a. Praxisrelevant, da sich im Laufe des Tages die Spektrale Verteilung des Sonnenlichts ändert, welche somit abbildbar ist.
- 3.) in der Variation der Temperatur
a. Die Reaktion der Zellen auf die Temperatur ist sehr unterschiedlich,
b. sehr praxisrelevant, da je nach Tages- und Jahreszeit die Modultemperaturen stark schwanken.
- 4.) durch messen von U(t) und I (t) nach ein- oder Abschalten der Beschattung vor.
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Die Punkte 1.) bis 3.) haben über die Reaktion des Variabilitätsparameters eine Vorhersagekraft für die Performance des Moduls unter Betriebsbedingungen, insbesondere über die Stärke des Mismatch zwischen den Zellen.
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Analyse der Zeitabhängkeit (hier insbesondere Strom): diese reflektiert die Erwärmung der Stellen mit hohen Leckströmen, Gleichgewicht durch Balance zwischen Wärmeerzeugung und Abstrahlung).
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Statt Beamer werden alternativ feste, aber in der Intensität regelbare Lichtquellen verwendet.
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Vorteile:
- – 100% Schatten (Beamer haben eine endliches Kontrastverhältnis, Restbeleuchtung ist vernachlässigbar).
- – höhere Lichtintensität möglich
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Variation der Temperatur wird mit einer Klimakammer, die ein Beleuchtungsfenster hat, realisiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- IEC 60904-9 [0004]
- IEC 60904-1 [0004]
