Bifaciale Solarmodule: Mit dem optimalen Neigungswinkel zum maximalen Energieertrag
Bifaciale Photovoltaik-Solarmodule nutzen, im Gegensatz zu den heute üblichen einseitigen Standardmodulen, auch das Licht, welches auf ihre Rückseite fällt. Bifaciale Solarmodule können somit einen höheren Energieertrag erzielen, jedoch hängt dieser produzierte Ertrag stark von den jeweiligen Montagebedingungen ab. Forschende des IEFE haben nun bifaciale Solarmodule mit verschiedensten Montagebedingungen und externen Einflüssen langfristig analysiert.
Obwohl bifaciale Solarmodule mehr Energieertrag erbringen können als einseitige Solarmodule, sind sie bei Investoren noch wenig beliebt. Dieser Sachverhalt lässt sich so erklären, dass dieser Mehrertrag noch selten mit verlässlichen Messwerten belegt wurde. Grund für diese wenigen Messwerte ist, dass eine effiziente Installation von bifacialen Modulen komplexer ist als bei herkömmlichen Modulen. Zudem ist die Vorhersagbarkeit des Energieertrags wegen vielen äusseren Einflussfaktoren schwierig. Die erhöhte Energiegewinnung durch bifaciale Module im Vergleich zu Einseitigen, ist stark abhängig von der Homogenität der Beleuchtung der Modulrückseite. Dieser zusätzliche Rückseitenertrag wird beeinflusst von Faktoren wie reflektiertem Licht von umgebenden Modulen, Bodenreflexion, Installationshöhe, Neigung und Ausrichtung der Module. Eine optimale Montage der Module ist daher ein ständiges «Trade-Off» zwischen der Leistung der Rück- und der Vorderseite.
Verbessern von Modellen
Um dieser Technologie zum Durchbruch zu verhelfen, ist das Untersuchen der komplexen Bedingungen für bifaciale Module unumgänglich. Denn daraus können Schlüsse gezogen werden, wie die Installation von bifacialen Solarmodulen zu optimieren ist. Genau dieser Aufgabe hat sich Thomas Baumann am Institut für Energiesysteme und Fluid-Engineering (IEFE) im Rahmen einer Arbeit seines Masterstudiums angenommen. Ziel war, den Einfluss der Einstrahlungsinhomogenität auf der Modul Vorder- und Rückseite auf den Ertrag zu untersuchen. Er erklärt: «In dieser Arbeit fokussierten wir uns auf die Resultate von Outdoor-Messungen betreffend der Beleuchtungshomogenität auf der Vorder- und Rückseite und deren Auswirkungen auf den totalen Output bei unterschiedlichen Neigungswinkeln der Module.» Die dabei erfassten Messdaten werden zudem für das Verifizieren und Verbessern von Ertragssimulationen bifacialer PV-Anlagen verwendet.
Neue methodische Messvorgehensweise
Das Team führte von Oktober 2016 bis März 2017 Messungen an der ZHAW durch. Auf einer Dachanlage wurde mit einem als BIFOROT (Bifacial Outdoor Rotor Tester) bezeichneten Teststand eine neue methodische Messvorgehensweise durchgeführt: Während einer Messminute wurden alle Solarmodule in 12 synchron wechselnden Winkeln von 0 bis 90 Grad positioniert. Gleichzeitig wurde dabei die Leistung des zentralen Moduls gemessen. Um die Homogenität der Einstrahlung auf die Modulfläche zu messen, wurden kleine Sensoren montiert, welche eine detaillierte Analyse der Beleuchtungshomogenität ermöglichen. Die Resultate sollten aufzeigen, wie sich unterschiedliche Beleuchtungs-Homogenitäten auf beiden Modulseiten, abhängig vom jeweiligen Winkel, auf den Gesamtoutput auswirken. Dabei sollte ein Optimalwinkel ermittelt werden, bei welchem das «Trade-Off» zwischen Vorder- und Rückseite den höchsten Energieertrag ergibt. Für die realitätsnahe Auswertung der Leistungsmessungen wurden auf dem Dach ausserdem verschiedene Umweltsensoren angebracht, welche die unterschiedlichen Wetterparameter aufzeichnen.
Maximaler Energieertrag
Durch die genauen und langfristigen Messungen konnten die Forschenden nach Auswertung der Daten klare Ergebnisse verzeichnen: Der maximale Energieertrag wurde bei einem Neigungswinkelbereich von 35 bis 40 Grad erreicht. Dabei war die Rückseiten-Beleuchtung während der Messungen beinahe konstant für alle getesteten Winkel. Dies könnte laut Baumann darauf hinweisen, dass Anlagen mit bifacialen Modulen ähnlich zu einseitigen Modulen geplant und installiert werden können. Dies soll jedoch in zukünftigen Messungen überprüft werden. Im Hinblick auf die zukünftige Verwendung der Messergebnisse sagt Baumann: «Diese ersten Messresultate, sowie weitere Messungen, werden nun in Zusammenarbeit mit dem 'International Solar Energy Research Center Konstanz (ISC Konstanz)' und dem 'Energy Research Centre of the Netherlands (ECN)' mit Simulationsresultaten verglichen, um die Simulationsmodelle zu optimieren.» Seine Erkenntnisse bezüglich der bifacialen Solarmodule konnte Thomas Baumann an der vergangenen EU PVSEC in Amsterdam mit seinem Poster(PDF 1,2 MB) und Paper(PDF 937,7 KB) vorstellen. Auch die betreuenden Dozenten Prof. Dr. Franz Baumgartner und Dr. Hartmut Nussbaumer erhielten viel positives Feedback für diese Publikation.