EP3769416A1 - Sensormodul und verfahren zur erfassung externer einflussparameter, insbesondere beim monitoring von photovoltaik-anlagen - Google Patents

Sensormodul und verfahren zur erfassung externer einflussparameter, insbesondere beim monitoring von photovoltaik-anlagen

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Publication number
EP3769416A1
EP3769416A1 EP19705138.6A EP19705138A EP3769416A1 EP 3769416 A1 EP3769416 A1 EP 3769416A1 EP 19705138 A EP19705138 A EP 19705138A EP 3769416 A1 EP3769416 A1 EP 3769416A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor module
photovoltaic
solar cell
sensor
solar
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19705138.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Hagendorf
Marko Turek
Jens Schneider
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP3769416A1 publication Critical patent/EP3769416A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S50/00—Monitoring or testing of PV systems, e.g. load balancing or fault identification
    • H02S50/10—Testing of PV devices, e.g. of PV modules or single PV cells
    • H02S50/15—Testing of PV devices, e.g. of PV modules or single PV cells using optical means, e.g. using electroluminescence
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the present invention relates to a sensor module for detecting external influencing parameters, in particular when monitoring photovoltaic systems, the
  • At least one solar cell serving for the measurement which is oriented towards a front side of the sensor module and has a layer structure which is connected to the
  • the invention also relates to a method in which the proposed sensor module is used to detect the external influencing parameters.
  • the temporal change of the power or the energy yield of solar or photovoltaic modules is subject to a number of extrinsic and
  • Extrinsic influencing parameters also referred to as external influencing parameters in the present patent application, include varying environmental data such as daytime-dependent solar irradiation, ambient temperatures, cooling, wind and snow loads and certain properties of the respective PV system (PV: photovoltaic), such as solar cells. high electrical potentials in the string and
  • Intrinsic parameters include changes in performance over a longer timescale, for example due to the degradation of modulus
  • Encapsulation materials or the abrasion of the applied on the cover glass of the solar modules anti-reflection coating determine the respective operating state and degradation status of the solar or photovoltaic modules or of these comprehensive PV systems on different time scales and together influence the yield.
  • Inverter of the PV system in order to obtain independent data on the operating status of the PV system from the external influencing parameters.
  • US 2006/0085167 A1 uses a sensor module for recording the reference data, in which the light irradiation is detected with the aid of a solar cell and also the temperature is determined from the measurements on the solar cell.
  • US 2010/0271199 A1 discloses the use of autonomous sensor modules with different sensors for monitoring structures.
  • Reference solar cell array which has a solar cell with a front side facing the irradiation side surface and a back surface, which is not electrically contacted over the entire surface.
  • a permanent preservation of the solar cell properties is to be ensured.
  • the arrangement described can be used for calibrating solar cells or solar modules or for detecting external influencing parameters.
  • the object of the present invention is to provide a sensor module and a method for
  • the task is with the sensor module and the
  • the proposed sensor module has at least one first solar cell serving for measurement, which is oriented toward a front side of the sensor module, and at least one second serving for the measurement
  • the Solar cell which is oriented towards a rear side of the sensor module.
  • the first solar cell thus detects light radiation from the front to the
  • Sensor module meets, the second solar cell detected - depending on the design of the sensor module - either on the back of the sensor module or structures below the sensor module reflected or scattered portions of the incident of the front light radiation.
  • the proposed sensor module is constructed from largely degradation-free components and has a layer structure with a front-side optically transparent cover, a first layer of a polymeric encapsulation material, a layer with the solar cells, a second layer of the polymeric
  • Components are components of the sensor module to understand that have a higher degradation stability than the corresponding components of the
  • Solar modules is usually the cheaper EVA (ethylene-vinyl acetate) used.
  • EVA ethylene-vinyl acetate
  • the solar cells are chosen such that they have as little as possible or only a very small PID and LID. This can, for example.
  • the front cover of the sensor module has no antireflection coating to avoid degradation by abrasion or abrasion of this antireflection coating.
  • the proposed sensor module is preferably in the outer dimensions to the dimensions of
  • Photovoltaic modules adapted in PV systems, so that the sensor module can be integrated instead of a photovoltaic module in a photovoltaic system.
  • IV characteristics of the first and second solar cell can be detected, from which the short-circuit current, the open circuit voltage and the electrical power of the first solar cell and the short-circuit current and the open circuit voltage of the second solar cell determined as a function of time can be. This makes possible the detection of the incidence of light and also the temperature (operating temperature of the solar cell).
  • the temperature in the sensor module can also be integrated by one or more in the sensor module
  • Temperature sensors are measured directly. From the measurement on the second solar cell, the albedo can be determined, not only in bifacial
  • the present sensor module thus represents an optical-thermal multifunction sensor, which can be integrated directly into the PV system at the location of the PV modules due to its structure.
  • the sensor module provides reference data for the evaluation of the optical-thermal losses or yields in situ and in real time.
  • the reference data of the sensor module capture the short-term performance V ariations by environmental conditions at the place of
  • Modules with high time resolution solar or Lichtein radiation, ambient temperature, wind cooling and albedo.
  • the sensor module also has at least one sensor for detecting the degree of soiling of the front-side optically transparent cover.
  • sensors are commercially available and can be readily integrated into the proposed sensor module.
  • the sensor module can be integrated at any position in the string of photovoltaic modules of the PV system.
  • the reference data are thus obtained at the location of the PV system and thus form the local optical and thermal ambient and operating conditions
  • At least the current-voltage characteristics of the first and the second solar cell are measured by means of a measuring device connected to the sensor module, and from this reference values for the monitoring of the
  • Photovoltaic system or a photovoltaic module as a function of time. This is it preferably the short-circuit current, the
  • No-load voltage, power, albedo and temperature can be determined as a reference value.
  • the proposed sensor module and the associated method are preferably used in the continuous monitoring of PV systems in operations management and maintenance. Also a use in the monitoring of individual photovoltaic modules and the
  • Fig. 1 is a schematic representation of a
  • the sensor module supplies long-term stable and degradation-free measured values, in particular short-circuit current reference measured values (IscREF).
  • IscREF short-circuit current reference measured values
  • No-load voltage reference values VocREF
  • PREF power reference readings
  • albedo reference readings A
  • T temperature readings
  • S fouling reference readings
  • Some of these reference readings can be taken directly from a corresponding sensor in the sensor module, such as the temperature through a separate temperature sensor or the level of contamination by a separate clogging sensor.
  • Other reference measurement data such as the albedo or the short-circuit current (Isc) are from a
  • Measurement of the I-V bright characteristic of the inverted-induced degradation-free solar cell determined or derived.
  • the short-circuit current characteristic IscREF of the second, i. to the back-oriented solar cell determine from the measured I-V characteristic of this solar cell. From this value can then be the
  • the correlation between direct and indirect solar radiation can be determined by temporal correlations of the IscREF values of the two solar cells.
  • the temperature can be determined by means of the values for Isc and Voc (no-load voltage) of one of the solar cells of the sensor module.
  • Isc and Voc no-load voltage
  • the irradiance and the temperature of Isc and Voc can then be determined by measuring both values on the sensor module. The irradiation can alternatively be detected via a separate irradiation sensor.
  • the proposed sensor module has a
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of the construction of the proposed sensor module from the different layers.
  • the sensor module has a first solar cell 1 with front-side orientation, a second solar cell 2 with rear-side orientation, a temperature sensor 3, for example
  • thermocouple as well as a pollution sensor 4, which are arranged in the structure of Figure 1 in a layer 7 with the solar cells 1, 2.
  • the two solar cells 1, 2 are here
  • the fouling sensor 4 provides a fouling value S for normalizing the
  • the pollution sensor 4 and the temperature sensor 3 are between two layers 6, 8 of a high-quality, long-term stable polymer encapsulating material
  • the encapsulation material is chosen so as to avoid optical degradation of the encapsulation material (yellowing, delamination).
  • the contamination sensor 4 can be completely integrated in the sensor module (reflection measurement) or optionally also by an additional external
  • Light source 10 are excited, as in the
  • the present sensor module has a front glass 5 without antireflection coating in order to avoid a dependence of the value of IscREF on the state of the antireflection coating.
  • Temperature sensor 3 is used to measure the temperature in order to normalize the temperature dependence of IscREF (T).
  • a cover layer 9 is provided, which is formed either of glass or foil - according to the structure of the photovoltaic module of the PV system.
  • the glass-glass or glass-film module structure is chosen in each case so that it has comparable optical-thermal properties, such as the photovoltaic modules of the PV system in which it is used (Isc (T) ⁇ IscREF (T) and
  • Such sensor module can be integrated in a simple manner flat in an existing PV system.
  • the senor module can be integrated in a simple manner flat in an existing PV system.
  • Sensor module in different formats are designed so that it can be integrated without gaps in PV module surfaces.
  • the sensor module can also be here have additional solar cells, which can be integrated into the string of PV modules of the PV system for additional power generation. It is then full with a corresponding number of solar cells
  • the sensor module better maps the thermal operating state of the entire system and it is also possible in a simple manner to additionally measure measured values for currents and voltages in the module string.
  • the sensor module is in the proposed
  • the temperature T in the sensor module is either measured directly via the temperature sensor 3 or - as already described above - based on the Isc / Voc values of the first solar cell
  • IscRückREF reference parameter from which the albedo value is derived is derived.
  • the sensor module provides long-term stable
  • Degradation and soiling can be used.
  • the inverted laminated degradation-stable second solar cell (backside orientation) delivers by evaluation of their I-V curve a measured value for back light incidence IscRückREF. From this, the method determines values for the albedo A as well as short-term variations due to indirect radiation components. In addition, measured values for the temperature T of the solar cells and for the contamination S of the module surface are detected or determined. The recordings are made as a function of the time t.
  • these reference values of the sensor module provide time-resolved ones
  • Characteristic values for the operating state of the photovoltaic modules of the PV system (solar radiation, temperature).
  • Sensor module may be equipped with a self-sufficient power supply, which may be formed for example by one or more integrated solar cells and a storage battery. Furthermore, the sensor module can also be provided with a device for wireless data transmission, for example via a mobile radio connection,
  • the sensor module is designed to be resistant to degradation, are essentially the short-term
  • IscREF and PREF recorded taking into account the ambient conditions and the operating conditions T and S at the location of the PV system.
  • the measured data are recorded as time series and transmitted for further processing and compared with the data of the PV system Isc and P.
  • the reference data generated by the sensor module can also be used as a measure of the optimal overall system performance under the respective operating and location conditions.
  • first solar cell front side orientation
  • second solar cell rear side orientation

Landscapes

  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

Einflussparameter, insbesondere beim Monitoring von Photovoltaik-Anlagen,weist wenigstens eine erste zur Messung dienende Solarzelle (1), die zu einer Vorderseite des Solarmoduls hin orientiert ist, und wenigstens eine zweite zur Messung dienende Solarzelle (2) auf, die zu einer Rückseite des Solarmoduls hin orientiert ist. Das Sensormodul ist im Bereich der ersten und zweiten Solarzelle (1, 2) aus weitgehend degradationsfreien Komponenten aufgebaut und weist einen Schichtaufbau auf, der an den Schichtaufbau der Photovoltaikmodule einer Photovoltaik-Anlage angenähert ist. Mit dem vorgeschlagenen Sensormodul lassen sich Referenzdaten für externe Einflussparameter beim Monitoring von Photovoltaik-Anlagen erfassen, die zur Differenzierung zwischen Betriebszuständen, allgemeiner Leistungsdegradation, optischen Degradationen und Verschmutzungen beim Monitoring der PV-Anlage genutzt werden können.

Description

Sensormodul und Verfahren zur Erfassung externer Einflussparameter, insbesondere beim Monitoring von
Photovoltaik-Anlagen
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensormodul zur Erfassung externer Einflussparameter, insbesondere beim Monitoring von Photovoltaik-Anlagen, das
wenigstens eine zur Messung dienende Solarzelle, die zu einer Vorderseite des Sensormoduls hin orientiert ist, und einen Schichtaufbau aufweist, der an den
Schichtaufbau der Photovoltaikmodule der Photovoltaik- Anlagen angenähert ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren, bei dem das vorgeschlagene Sensormodul zur Erfassung der externen Einflussparameter eingesetzt wird.
Die zeitliche Veränderung der Leistung bzw. des Energieertrags von Solar- oder Photovoltaikmodulen unterliegt einer Reihe von extrinsischen und
intrinsischen Einflussparametern. Zu den extrinsischen Einflussparametern, in der vorliegenden Patentanmeldung auch externe Einflussparameter bezeichnet, gehören variierende Umweltdaten wie die tageszeitabhängige Sonneneinstrahlung, Umgebungstemperaturen, Kühlung, Wind- und Schneelasten sowie bestimmte Eigenschaften der jeweiligen PV-Anlage (PV: Photovoltaik) wie z.B. hohe elektrische Potentiale im String und
Verschattungen. Im Falle von bifazialen Solarmodulen spielt auch der Albedo, d.h. die diffuse Reflexion der Sonneneinstrahlung vom jeweiligen Untergrund der PV- Anlage, eine Rolle, stellt also einen weiteren externen Einflussparameter dar. Auch Verschmutzungen der
Oberfläche der Solarmodule zählen in der vorliegenden Patentanmeldung zu den externen Einflussparametern. Zu den intrinsischen Parametern gehören Veränderungen der Leistungsfähigkeit auf einer längeren Zeitskala, beispielsweise durch die Degradation von Modul
komponenten. Beispiele sind die lichtinduzierte
Degradation (LID) und die photoinduzierte Degradation (PID) der Solarzellen, die Veränderung der polymeren
Verkapselungsmaterialien oder die Abrasion der auf dem Deckglas der Solarmodule aufgebrachten Antireflexions beschichtung. Diese intrinsischen und extrinsischen Parameter bestimmen den jeweiligen Betriebszustand und Degradationsstatus der Solar- oder Photovoltaikmodule bzw. der diese umfassenden PV-Anlagen auf unterschied lichen Zeitskalen und beeinflussen zusammen den Ertrag.
Eine langfristige Bewertung und Prognose der
Ertragsdaten einer PV-Anlage erfordert ein präzises
Monitoring der relevanten Parameter für Betriebszustand und Degradationsstatus der Anlage. Zu diesem Zweck wird üblicherweise die Leistung der PV-Anlagen im Verlauf der Zeit erfasst. Teilweise werden mit zusätzlichen Sensoren wichtige extrinsische oder intrinsische
Parameter gemessen. Die Überlagerung der verschiedenen Faktoren sowie deren zeitliche Änderungen erschweren jedoch eine klare Trennung von speziellen Betriebs zuständen und Degradationsstatus. Insbesondere müssen kurzfristige zeitliche Fluktuationen durch extrinsische Parameter, z.B. durch Sonneneinstrahlung oder Tempera tur, von langfristigen intrinsischen Degradations prozessen getrennt werden. Stand der Technik
Für das zeitaufgelöste Monitoring von Leistungs- bzw. Ertragsdaten als Funktion der Sonneneinstrahlung und der Windkühlung einer PV-Anlage sind bereits unterschiedliche Verfahren bekannt. So werden zum Teil zusätzliche Wetterstationen eingesetzt, die beispiels weise über ein Pyranometer, einen Temperatursensor und/oder einen Verschmutzungssensor verfügen. Diese Wetterstationen liefern dann Referenzdaten für die zeitaufgelöste Leistungs- bzw. Ertragsmessung am
Wechselrichter der PV-Anlage, um dadurch von den externen Einflussparameter unabhängige Daten über den Betriebszustand der PV-Anlage zu erhalten.
Die US 2006/0085167 Al nutzt für die Erfassung der Referenzdaten ein Sensormodul, in dem die Lichtein strahlung mit Hilfe einer Solarzelle erfasst und auch die Temperatur aus den Messungen an der Solarzelle bestimmt wird. Die US 2010/0271199 Al offenbart die Nutzung autonomer Sensormodule mit unterschiedlichen Sensoren zur Überwachung von Strukturen. Diese
Druckschrift befasst sich nicht speziell mit PV-Anlagen und soll Daten über den Zustand der überwachten
Strukturen liefern.
Aus der EP 2 647 055 Bl ist ein Sensormodul zur Erfassung von externen Einflussparametern beim
Monitoring von Photovoltaik-Anlagen bekannt, das mehrere zur Messung dienende Solarzellen aufweist, über die die Sonneneinstrahlung und die Temperatur als externe Einflussparameter gemessen bzw. bestimmt werden können. Zur Bestimmung des Degradationszustandes wird vorgeschlagen, eine Einrichtung zur Erzeugung eines Referenzstroms zu integrieren. Da die im Sensormodul der EP 2 647 055 Bl eingesetzten Solarzellen aus dem gleichen Material wie die Solarmodule der PV-Anlage aufgebaut sind und damit auf der gleichen Zeitskala degradieren, kann auf diese Weise durch Messung am Sensormodul auf den Degradationszustand der Solarmodule der gesamten PV-Anlage geschlossen werden. Die DE 10 2013 200 681 Al beschreibt eine
Referenzsolarzellenanordnung, die eine Solarzelle mit einer vorderseitigen, zur Bestrahlungsseite gerichteten Oberfläche und einer rückseitigen Oberfläche aufweist, die nicht vollflächig elektrisch kontaktiert ist. Durch die Verkapselung der Solarzelle in einem Gehäuse soll eine dauerhafte Erhaltung der Solarzelleneigenschaften gewährleistet werden. Die beschriebene Anordnung lässt sich zur Kalibrierung von Solarzellen oder Solarmodulen oder auch zur Erfassung externer Einflussparameter einsetzen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Sensormodul sowie ein Verfahren zur
Erfassung von externen Einflussparametern beim
Monitoring von Photovoltaik-Anlagen anzugeben, das präzisere Referenzdaten über externe Einflussparameter in Echtzeit am Ort der Photovoltaik-Anlage erfassen kann, um sie als Bewertungsreferenz für die
Ertragsdatenanalyse zur Verfügung zu stellen. Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Sensormodul und dem
Verfahren der Patentansprüche 1 bzw. 10 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Sensormoduls sowie des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patent ansprüche oder lassen sich der nachfolgenden
Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
Das vorgeschlagene Sensormodul weist wenigstens eine erste zur Messung dienende Solarzelle, die zu einer Vorderseite des Sensormoduls hin orientiert ist, und wenigstens eine zweite zur Messung dienende
Solarzelle auf, die zu einer Rückseite des Sensormoduls hin orientiert ist. Die erste Solarzelle erfasst damit Lichteinstrahlung, die von der Vorderseite auf das
Sensormodul trifft, die zweite Solarzelle erfasst - je nach Ausgestaltung des Sensormoduls - entweder an der Rückseite des Sensormoduls oder an Strukturen unterhalb des Sensormoduls reflektierte oder gestreute Anteile der von der Vorderseite einfallenden Lichtstrahlung.
Das vorgeschlagene Sensormodul ist aus weitgehend degradationsfreien Komponenten aufgebaut und weist einen Schichtaufbau mit einer vorderseitigen optisch transparenten Abdeckung, einer ersten Schicht eines polymeren Verkapselungsmaterials, einer Schicht mit den Solarzellen, einer zweiten Schicht des polymeren
Verkapselungsmaterials und einer rückseitigen Abdeckung auf. Unter den weitgehend degradationsfreien
Komponenten sind hierbei Komponenten des Sensormoduls zu verstehen, die eine höhere Degradationsstabilität aufweisen, als die entsprechenden Komponenten der
Solar- bzw. PV-Module einer PV-Anlage. Es werden somit für den Aufbau des Sensormoduls beispielsweise Polymermaterialien eingesetzt, die hinsichtlich der für den Ertrag von Solarmodulen wichtigen Parameter, insbesondere der optischen Durchlässigkeit eine höhere Langzeitstabilität aufweisen als die in Solarmodulen von PV-Anlagen eingesetzten Polymermaterialien. Es handelt sich hierbei in der Regel um teurere
Materialien wie beispielsweise Polyolefin. In
Solarmodulen wird hingegen in der Regel das billigere EVA (Ethylen-Vinylacetat) eingesetzt. Weiterhin werden die Solarzellen derart gewählt, dass sie möglichst keine oder nur eine sehr geringe PID und LID aufweisen. Dies kann bspw. durch geeignete Auswahl bei der
Herstellung von Solarzellen in Verbindung mit
entsprechenden Messungen oder durch Wahl der
Herstellungstechnologie gewährleistet werden. Die vorderseitige Abdeckung des Sensormoduls weist keine Antireflex-Beschichtung auf, um eine Degradation durch Abrieb bzw. Abrasion dieser Antireflex-Beschichtung zu vermeiden .
Das vorgeschlagene Sensormodul ist vorzugsweise in den äußeren Dimensionen an die Dimensionen von
Photovoltaikmodulen in PV-Anlagen angepasst, so dass sich das Sensormodul anstelle eines Photovoltaikmoduls in eine Photovoltaik-Anlage integrieren lässt. Durch Verbindung des Sensormoduls mit einer geeigneten
Messeinrichtung können Strom-Spannungs-Kennlinien (I-V- Kennlinien) der ersten und der zweiten Solarzelle erfasst werden, aus denen der Kurzschlussstrom, die LeerlaufSpannung sowie die elektrische Leistung der ersten Solarzelle und der Kurzschlussstrom und die LeerlaufSpannung der zweiten Solarzelle in Abhängigkeit von der Zeit bestimmt werden können. Dies ermöglicht die Erfassung des Lichteinfalls und auch der Temperatur (Betriebstemperatur der Solarzelle) . Anstelle der
Auswertung des Kurzschlussstroms und der Leerlauf spannung kann die Temperatur im Sensormodul auch durch einen oder mehrere in das Sensormodul integrierte
Temperatursensoren direkt gemessen werden. Aus der Messung an der zweiten Solarzelle kann das Albedo bestimmt werden, das nicht nur bei bifazialen
Solarzellen eine wesentliche Einflussgröße ist, sondern auch die Bestimmung der Art des Lichteinfalls (direkte Sonneneinstrahlung oder diffuse Lichteinstrahlung aufgrund von Bewölkung) ermöglicht. Das vorliegende Sensormodul stellt somit einen optisch-thermischen Multifunktionssensor dar, der sich aufgrund seines Aufbaus direkt in die PV-Anlage am Ort der PV-Module integrieren lässt. Das Sensormodul liefert Referenz daten zur Bewertung der optisch-thermischen Verluste bzw. Erträge in situ und in Echtzeit. Die Referenzdaten des Sensormoduls erfassen die kurzfristigen Leistungs- Variationen durch Umgebungsbedingungen am Ort der
Module mit hoher Zeitauflösung: Sonnen- bzw. Lichtein strahlung, Umgebungstemperatur, Windkühlung und Albedo. Durch den Aufbau mit langzeitstabilen, weitgehend degradationsfreien Komponenten werden degradationsfreie präzise Referenzdaten zum Lichteinfall (optische
Verluste) sowie zu modulspezifischen Betriebs
temperaturen (thermische Verluste) geliefert. Zu den relevanten optischen Verlusten zählen die Abrasion der Antireflex-Beschichtung, die Polymer-Vergilbung und die Delamination . In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Sensormodul auch noch wenigstens einen Sensor zur Erfassung des Verschmutzungsgrades der vorderseitigen optisch transparenten Abdeckung auf. Derartige Sensoren sind kommerziell erhältlich und können ohne weiteres in das vorgeschlagene Sensormodul integriert werden.
Durch den Aufbau des vorgeschlagenen Sensormoduls, insbesondere durch den vergleichbaren Schichtaufbau, kann das Sensormodul an beliebigen Position in den String der Photovoltaikmodule der PV-Anlage integriert werden. Die Referenzdaten werden damit am Ort der PV- Anlage gewonnen und bilden so die lokalen optischen und thermischen Umgebungs- und Betriebsbedingungen
(Inklination, Verschattung, Windkühlung, Temperatur, Albedo, Verschmutzung/Reinigung usw.) mit hoher
Präzision ab. Eine geeignete Erfassung und Verrechnung dieser Referenz-Sensormesswerte bzw. Referenzdaten mit den Leistungsdaten der jeweiligen PV-Anlage ermöglicht eine quantitative, schnelle und separate Bewertung von kurzfristigen optisch-thermischen Leistungsfluk
tuationen und der langfristigen optischen Degradation der PV-Module sowie deren Ursache. Der Abgleich bzw. die Korrelation der PV-Anlagen mit den Referenzdaten ermöglicht eine Identifikation von Degradations
verlusten und Degradationstypen mit geringem Aufwand und ist fernwartungstauglich . Damit können Maßnahmen zur Ertragsoptimierung in der Betriebsführung gezielt und zeitnah geplant und umgesetzt werden.
Beim vorgeschlagenen Verfahren werden entsprechend mit Hilfe einer mit dem Sensormodul verbundenen Mess einrichtung wenigstens die Strom-Spannungs-Kennlinien der ersten und der zweiten Solarzelle gemessen und daraus Referenzwerte für das Monitoring der
Photovoltaik-Anlage oder eine Photovoltaik-Moduls in Abhängigkeit von der Zeit bestimmt. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um den Kurzschlussstrom, die
LeerlaufSpannung, die Leistung, das Albedo und die Temperatur. Optional kann bei Einsatz eines Sensors zur Erfassung des Verschmutzungsgrades im Sensormodul auch der Verschmutzungsgrad als Referenzwert bestimmt werden .
Das vorgeschlagene Sensormodul und das zughörige Verfahren werden bevorzugt bei der kontinuierlichen Überwachung von PV-Anlagen bei Betriebsführung und Instandhaltung eingesetzt. Auch ein Einsatz bei der Überwachung einzelner Photovoltaik-Module und zur
Bewertung von Standorten für PV-Anlagen, Minder
leistungen bzw. der Ertragsoptimierung ist zeitlich befristet möglich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorgeschlagene Sensormodul sowie das
zugehörige Verfahren werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung nochmals näher erläutert. Hierbei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung für einen
beispielhaften Aufbau des vorgeschlagenen
Sensormoduls .
Wege zur Ausführung der Erfindung
Mit dem vorgeschlagenen Sensormodul lassen sich
Referenzdaten zu externen Einflussparametern einer PV- Anlage in Abhängigkeit von der Zeit erfassen oder bestimmen, die dann eine Trennung von kurzfristigen optisch-thermischen Leistungsfluktuationen und
langfristiger optischer Degradation der PV-Module beim Leistungs- bzw. Ertragsmonitoring dieser Module
ermöglichen. Das Sensormodul liefert dabei langzeit- stabile und degradationsfreie Messwerte, insbesondere Kurzschlussstrom-Referenzmesswerte (IscREF) ,
Leerlaufspannungsreferenzwerte (VocREF) , Leistungs- Referenzmesswerte (PREF) , Albedo-Referenzmesswerte (A) , Temperaturmesswerte (T) sowie optional Verschmutzungs- Referenzmesswerte (S) an der bzw. den Solarzellen im Sensormodul. Einige dieser Referenzmesswerte können direkt von einem entsprechenden Sensor im Sensormodul erfasst werden, beispielsweise die Temperatur durch einen separaten Temperatursensor oder der Verschmut- zungsgrad durch einen separaten Verschmutzungssensor. Andere Referenzmessdaten wie beispielsweise das Albedo oder der Kurzschlussstrom (Isc) werden aus einer
Messung der I-V-Hellkennlinie der invertiert einlami nierten degradationsfreien Solarzelle (Rückseiten- Orientierung) bestimmt bzw. abgeleitet. So lässt sich beispielsweise der Kurzschlussstromkennwert IscREF der zweiten, d.h. zur Rückseite orientierten Solarzelle, aus der gemessenen I-V-Kennlinie dieser Solarzelle bestimmen. Aus diesem Wert lässt sich dann der
Albedowert für die PV-Anlage ableiten. Gleichzeitig lässt sich durch zeitliche Korrelationen der IscREF- Werte der beiden Solarzellen das Verhältnis zwischen direkter und indirekter Sonneneinstrahlung ermitteln. Wird kein Temperatursensor eingesetzt, so kann die Temperatur anhand der Werte für Isc und Voc (Leerlauf spannung) einer der Solarzellen des Sensormoduls bestimmt werden. Hierzu wird vorab die unterschiedliche Isc- und Voc-Abhängigkeit der Solarzelle von Einstrah- lung und Temperatur im Labor bestimmt. Damit können umgekehrt dann durch Messung beider Werte am Sensor modul die Einstrahlung und die Temperatur aus Isc und Voc bestimmt werden. Die Einstrahlung kann alternativ auch über einen separaten Einstrahlungssensor erfasst werden .
Das vorgeschlagene Sensormodul weist einen
ähnlichen Aufbau auf, wie die Photovoltaikmodule der Photovoltaik-Anlage . Dadurch wird sichergestellt, dass die mit dem Sensormodul ermittelten optisch-thermischen Eigenschaften Isc und P vergleichbar denen der
Photovoltaikmodule sind. Figur 1 zeigt hierzu eine schematische Schnittdarstellung des Aufbaus des vorgeschlagenen Sensormoduls aus den unterschiedlichen Schichten. In diesem Beispiel weist das Sensormodul eine erste Solarzelle 1 mit Vorderseitenorientierung, eine zweite Solarzelle 2 mit Rückseitenorientierung, einen Temperatursensor 3, beispielsweise ein
einlaminiertes Thermoelement, sowie einen Verschmut zungssensor 4 auf, die im Aufbau der Figur 1 in einer Schicht 7 mit den Solarzellen 1, 2 angeordnet sind.
Die beiden Solarzellen 1, 2 sind hierbei
degradationsfrei ausgeführt und dienen im Falle der ersten Solarzelle 1 zur Messung von IscREF, VocREF und PREF und im Falle der zweiten Solarzelle 2 zur Messung des Albedo (A) . Der Verschmutzungssensor 4 liefert einen Verschmutzungswert S zur Normierung der
Verschmutzungsabhängigkeit von IscREF (S). Die beiden
Solarzellen 1, 2 und im vorliegenden Beispiel auch der Verschmutzungssensor 4 und der Temperatursensor 3 sind zwischen zwei Schichten 6, 8 aus einem hochwertigen, langzeitstabilen Polymerverkapselungsmaterial
eingebettet. Das Verkapselungsmaterial wird so gewählt, dass optische Degradation des Verkapselungsmaterials (Yellowing, Delamination) vermieden wird.
Der Verschmutzungssensor 4 kann vollständig in das Sensormodul integriert sein (Reflexionsmessung) oder optional auch durch eine zusätzliche externe
Lichtquelle 10 angeregt werden, wie dies in dem
Beispiel der Figur 1 angedeutet ist.
Auf der Vorderseite weist das vorliegende Sensor modul ein Frontglas 5 ohne Antireflexbeschichtung auf, um eine Abhängigkeit des Wertes von IscREF vom Zustand der Antireflexbeschichtung zu vermeiden. Der
Temperatursensor 3 dient zur Messung der Temperatur, um damit die Temperaturabhängigkeit von IscREF (T) zu normieren. An der Rückseite des Sensormoduls ist eine Abdeckschicht 9 vorgesehen, die entweder aus Glas oder aus Folie - entsprechend dem Aufbau der Photovoltaik- module der PV-Anlage - gebildet ist. Der Glas-Glas- oder Glas-Folie-Modulaufbau wird jeweils so gewählt, dass er vergleichbare optisch-thermische Eigenschaften aufweist, wie die Photovoltaikmodule der PV-Anlage, in der er zum Einsatz kommt ( Isc (T) ~IscREF (T) und
P (T) ~PREF (T) ) . Aufgrund seines Aufbaus kann ein
derartiges Sensormodul in einfacher Weise flächig in eine bestehende PV-Anlage integriert werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das
Sensormodul in unterschiedlichen Formaten so ausgelegt werden, dass es sich ohne Lücken in PV-Modulflächen integrieren lässt. Das Sensormodul kann hierbei auch weitere Solarzellen aufweisen, die zur zusätzlichen Stromerzeugung in den String der PV-Module der PV- Anlage integriert werden können. Es ist dann mit einer entsprechenden Anzahl von Solarzellen als voll
funktionsfähiges stromerzeugendes Modul ausgelegt und im String verschaltet. Lediglich die der Messung dienenden Solarzellen werden nicht zur Stromerzeugung genutzt, sondern sind mit der Messeinrichtung
verbunden. Auf diese Weise bildet das Sensormodul den thermischen Betriebszustand der gesamten Anlage besser ab und es können auf einfache Weise auch zusätzlich Messwerte zu Strömen und Spannungen im Modulstring gemessen werden. Das Sensormodul wird bei dem vorgeschlagenen
Verfahren durch eine Elektronik bzw. eine Messein richtung ausgelesen, wobei die I-V-Hellkennlinie der ersten Solarzelle (Vorderseiten-Orientierung) erfasst und zur Ermittlung der Referenz-Kennwerte IscREF und der Leistung PREF unter den jeweiligen Bedingungen am Standort genutzt wird. Die Temperatur T im Sensormodul wird entweder über den Temperatursensor 3 direkt gemessen oder - wie bereits weiter oben beschrieben - anhand der Isc/Voc-Werte der ersten Solarzelle
bestimmt. Aus der I-V-Hellkennlinie der zweiten
Solarzelle (Rückseiten-Orientierung) wird der
IscRückREF-Referenzkennwert bestimmt, aus dem dann der Albedo-Wert abgeleitet wird.
Das Sensormodul liefert langzeitstabile,
degradationsfreie Referenzdaten, die mit den beim Monitoring gemessenen Kennwerten der PV-Anlage
verglichen und in einer zeitlichen Korrelationsanalyse zur Differenzierung zwischen Betriebszuständen, allgemeiner Leistungsdegradation, optischen
Degradationen und Verschmutzungen verwendet werden. Durch die Auswertung der I-V-Kennlinie der
degradationsstabilen ersten Solarzelle (Vorderseiten orientierung) werden der Kurzschlussstrom IscREF sowie die Leistung PREF generiert.
Die invertiert einlaminierte degradationsstabile zweite Solarzelle (Rückseiten-Orientierung) liefert durch Auswertung ihrer I-V-Kennlinie einen Messwert für rückseitigen Lichteinfall IscRückREF. Daraus werden bei dem Verfahren zeitabhängig Werte für das Albedo A sowie kurzfristige Variationen durch indirekte Strahlungs- anteile ermittelt. Zusätzlich werden Messwerte für die Temperatur T der Solarzellen sowie für die Verschmut zung S der Moduloberfläche erfasst bzw. ermittelt. Die Aufzeichnungen erfolgen jeweils in Abhängigkeit von der Zeit t.
Entsprechend der folgenden Tabelle liefern diese Referenzmesswerte des Sensormoduls zeitaufgelöste
Kennwerte zum Betriebszustand der Photovoltaikmodule der PV-Anlage (Sonneneinstrahlung, Temperatur) . Durch eine Korrelation mit zeitaufgelösten Kennwerten des
Gesamtsystems (Isc(t), P(t)) werden Informationen zur allgemeinen Leistungsdegradation und zu den optischen Verlusten durch Degradation der Antireflexbeschichtung (ARC) und Polymerdegradation sowie zu Verschmutzung/ Soiling-Verlusten ermittelt.
In einer speziellen Ausführung des vorgeschlagenen Sensormoduls können auch mehrere degradationsfreie erste Solarzellen (Vorderseiten-Orientierung) jeweils in verschiedenen Verkapselungsmaterialien, beispiels weise auch mit schwarzen und weißen Rückseitenfolien, einlaminiert werden, um den jeweiligen Lichteinfang ( IscREF-Kennwerte) und die Leistung (PREF-Kennwerte) für spezifische Modulaufbauten (cell-to-module ratio) zu ermitteln.
Weiterhin können auch noch zusätzliche Funktionen im Sensormodul vorgesehen sein bzw. in das Sensormodul integriert oder gemessen werden. So besteht die
Möglichkeit, durch Erfassung von Rser-, Rshunt- Referenzmesswerten (Rser: Serienwiderstand) der degradationsstabilen Solarzelle elektrische Verluste wie beispielsweise Shunts, LID/PID oder Zellbrüche, zu bewerten. Die Modulmaterialien können beim vorgeschlagenen Sensormodul auch austauschbar
appliziert sein (Gläser, Folien, Polymere) , um diese Komponenten jeweils an die Photovoltaikmodule einer PV- Anlage anpassen zu können oder um das Sensormodul auch zur Prüfung dieser Komponenten in einer Klimakammer oder im Außeneinsatz einsetzen zu können. Das
Sensormodul kann mit einer autarken Stromversorgung ausgestattet sein, die beispielsweise durch eine oder mehrere integrierte Solarzellen und einen Speicherakku gebildet sein kann. Weiterhin kann das Sensormodul auch mit einer Einrichtung zur drahtlosen Datenübertragung, beispielsweise über einen Mobilfunkanschluss,
ausgebildet sein. Da das Sensormodul degradationsstabil ausgelegt ist, werden im Wesentlichen die kurzfristigen
Variationen von IscREF und PREF unter Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen und des Betriebszustandes T und S am Ort der PV-Anlage erfasst. Die gemessenen Daten werden als Zeitserien erfasst und zur weiteren Verarbeitung übermittelt und mit den Daten der PV- Anlage Isc und P verglichen. Die von dem Sensormodul erzeugten Referenzdaten können auch als Maß für die optimale Gesamtsystemleistung unter dem jeweiligen Betriebs- und Standortbedingungen herangezogen werden.
Bezugs zeichenliste
1 Erste Solarzelle (Vorderseitenorientierung) 2 Zweite Solarzelle (Rückseitenorientierung)
3 Temperatursensor
4 Verschmutzungssensor
5 Frontglas
6 Langzeitstabiles Polymer
7 Schicht mit Solarzellen
8 Langzeitstabiles Polymer
9 Rückglas oder Folie
10 Lichtquelle

Claims

Patentansprüche
1. Sensormodul zur Erfassung externer Einfluss
parameter, insbesondere beim Monitoring von
Photovoltaik-Anlagen, das wenigstens eine erste zur Messung dienende Solarzelle (1), die zu einer Vorderseite des Sensormoduls hin orientiert ist, und wenigstens eine zweite zur Messung dienende Solarzelle (2) aufweist, die zu einer Rückseite des Sensormoduls hin orientiert ist,
wobei das Sensormodul im Bereich der ersten und zweiten Solarzelle (1, 2) aus weitgehend
degradationsfreien Komponenten aufgebaut ist und einen Schichtaufbau mit einer vorderseitigen optisch transparenten Abdeckung (5) , einer ersten Schicht (6) eines polymeren Verkapselungs materials, einer Schicht (7) mit den Solarzellen (1, 2), einer zweiten Schicht (8) des polymeren Verkapselungsmaterials und einer rückseitigen Abdeckung (9) aufweist.
2. Sensormodul nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass es wenigstens einen Sensor (4) zur Erfassung eines Verschmutzungsgrades der vorderseitigen optisch transparenten Abdeckung (5) aufweist.
3. Sensormodul nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass es wenigstens einen Temperatursensor (3) aufweist .
Sensormodul nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der wenigstens eine Temperatursensor (3) durch eine der Solarzellen (1, 2) gebildet ist
Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
dass die vorderseitige optisch transparente
Abdeckung (5) keine Antireflexbeschichtung
aufweist .
6. Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass äußere Dimensionen des Sensormoduls an äußere Dimensionen von Photovoltaikmodulen von
Photovoltaik-Anlagen angenähert sind oder diesen entsprechen, so dass sich das Sensormodul anstelle eines Photovoltaikmoduls in eine Photovoltaik- Anlage integrieren lässt.
7. Sensormodul nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Sensormodul weitere Solarzellen aufweist, die so in dem Sensormodul verschaltet sind, dass sie bei einer Integration in eine Photovoltaik- Anlage zur Stromerzeugung der Photovoltaik-Anlage beitragen können, und Anschlüsse aufweist, über die durch die weiteren Solarzellen fließende
Ströme und/oder an den weiteren Solarzellen anliegende Spannungen gemessen werden können. der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
dass es mehrere erste und zweite zur Messung dienende Solarzellen (1, 2) aufweist, deren
Bereiche im Sensormodul sich durch unterschied liche Verkapselungsmaterialien und/oder vorder seitige und/oder rückseitige Abdeckungen (5, 9) im Schichtaufbau des Sensormoduls unterscheiden. 9 Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass es mit einer Messeinrichtung verbindbar ist, mit der wenigstens Strom-Spannungs-Kennlinien der ersten und der zweiten Solarzelle (1, 2) erfassbar sind, aus denen ein Kurzschlussstrom sowie eine elektrische Leistung der ersten Solarzelle (1) und ein Kurzschlussstrom der zweiten Solarzelle (2) in Abhängigkeit von der Zeit bestimmbar sind. 1 0. Verfahren zur Erfassung externer
Einflussparameter, insbesondere beim Monitoring von Photovoltaik-Anlagen oder Photovoltaik- Modulen, mit einem Sensormodul nach einem der vorangehenden Patentansprüche,
bei dem mit einer Messeinrichtung wenigstens
Strom-Spannungs-Kennlinien der ersten und der zweiten Solarzelle (1, 2) gemessen und daraus Referenzwerte für das Monitoring der Photovoltaik- Anlage in Abhängigkeit von der Zeit bestimmt werden .
1 1. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass als Referenzwerte Kurzschlussstrom, Leistung, Albedo und Temperatur bestimmt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei Einsatz wenigstens eines Sensors zur Erfassung des Verschmutzungsgrades (4) im
Sensormodul auch der Verschmutzungsgrad als
Referenzwert bestimmt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Sensormodul anstelle eines
Photovoltaikmoduls in die Photovoltaikanlage integriert wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Schichtaufbau des Sensormoduls im Bereich der ersten und zweiten Solarzelle (1, 2) so gewählt wird, dass er an den Schichtaufbau der Photovoltaikmodule der Photovoltaik-Anlage
hinsichtlich der optisch-thermischen Eigenschaften angenähert ist.
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