CTS1000+ – Mehr Energie pro Zellleistung – ganzheitliche Cell-To-System Modulertragssteigerung

Stand der Technik sind Verfahren, um aus einer gegebenen Zellleistung eine maximale Modulleistung unter Laborbedingungen (Standard Testing Conditions STC) zu erzielen. Diese Optimierung ist für Modulhersteller und Zulieferer nach der heute üblichen Bewertung von PV Modulen basierend auf einem spezifischen Preis €/Wp ein wesentlicher Teil der Produktentwicklung. Allerdings greift diese Betrachtung zu kurz. Das Forschungsprojekt »CTS1000+« geht den nächsten entscheidenden Schritt von einem auf Laborbedingungen optimierten Modul zu einem Modul mit einem gesteigerten Energieertrag (kWh) pro installierter Leistung (kWp): Es erweitert die Cell-To-Module (CTM) Betrachtung in Richtung des Gesamtsystems (Cell-To-System (CTS)). In einem zweiten Betrachtungsschritt wird die finanzielle Seite hinzugenommen: Verbesserungen werden im Projekt auch kostenseitig bewertet. Ziel des Teil- und Gesamtprojekts ist die Senkung der Stromgestehungskosten (€/kWh) und eine Steigerung der erzielten Erträge (kWh/kWp) durch optimierte Module und Komponenten. Notwendige Schritte hierzu sind ein Verständnis für die wirkenden Mechanismen, der Aufbau von Simulations- und Analysewerkzeugen, eine Komponentenoptimierung, eine Anpassung des PV-Moduls sowie die Entwicklung und Anwendung fortgeschrittener Charakterisierungsmethoden.

Dafür sollen im Teilprojekt Modulmaterialien, Materialkombinationen und Moduldesigns umgesetzt und detailliert messtechnisch charakterisiert werden. Für die Moduloptimierung stehen mehrere Themen im Vordergrund:

1. Optimierung des optischen Verhaltens des Moduls zur Erhöhung der Lichtausbeute

2. Optimierung des einstrahlungs- und umgebungsabhängigen Temperaturmanagements

3. Anpassung der Modultopologie, des Schichtaufbaus und der Modulmaterialien.

Zur Vergleichbarkeit von Solarmodulen sind für Produktions- und Labormessungen Testbedingungen definiert (STC: 1000W/m², Spektrum AM1.5, 25°C, senkrechter Lichteinfall). Diese liegen jedoch im realen Betrieb nie vor.

Im Projekt soll daher der Ertrag von PV-Modulen durch ganzheitliche Optimierung gesteigert werden. Hierzu muss der Fokus der Optimierung der Modulleistung von einzelnen Zeitpunkten und streng definierten Betriebsbedingungen (bspw. Laborprüfungen bei STC) zu Zeitreihen (Jahresdaten) und variablen Betriebsbedingungen (Wetter) verschoben werden. Weiterhin werden Module und Komponenten weiterentwickelt, so dass sich eine Steigerung der Modulleistung unter realen Betriebsbedingungen ergibt. Diese wird durch Experiment und Simulation qualifiziert und quantifiziert.

Eine Anpassung auf realistische Bedingungen ermöglicht eine signifikante Kostensenkung. Hierzu wird die Analyse der modulinternen Leistungsverluste basierend auf der Zelle-zu-Modul-Methodik (CTM) wie sie im Vorgängerprojekt CTM100+ Projekt zum Einsatz kommt erweitert und für jeden Betriebszeitpunkt im Jahresverlauf durchgeführt.

Gleichzeitig wird die Charakterisierungstechnik verbessert, um über Standardbedingungen hinaus relevante Ergebnisse liefern zu können. Die realitätsnahe Modulcharakterisierung bei unterschiedlichen Lichteinfallswinkeln wird für Sonnensimulatoren und andere Messsysteme weiterentwickelt. Aus der Analyse und Modellierung werden Optimierungen der Modulkomponenten abgeleitet, die eine Ertragssteigerung ermöglichen. Optimierungen orientieren sich am Modulertrag und nicht an den Leistungsverlusten, die den Einzelkomponente zugeordneten (ganzheitlicher Ansatz).

Zusätzlich werden die Kosten der angepassten Komponenten berücksichtigt, um eine Senkung der spezifischen Kosten (€/kWh) zu ermöglichen. Weitere Kostensenkungen resultieren aus einer Optimierung des Herstellungsprozesses für Module.

Konkrete Projektziele im Teilprojekt:

a) Modulertragssteigerung durch Variation der Solarzelle

b) Optimierte Reflexion und Emissivität der Rückseitenfolie

c) Anpassung der Modulfront zur verbesserten Einkopplung von Licht

d) Optimierung des Zellverbinders

e) Optimierung der Querverschaltung

f) Ertragssteigerung PV-Modul

g) Entwicklung optischer Charakterisierungssysteme

h) Erweiterung der Prognosemodelle für den Modulertrag und –kosten

i) Prozessoptimierung in der Modulherstellung.