Alterung von Photovoltaikzellen

ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht
FRANKFURT AM MAIN
Alterung von
Photovoltaikzellen
Bjarne Bensel
Benjamin Cornelius Selig
Schule:
Weidigschule Butzbach Gymnasium
des Wetteraukreises
Jugend forscht 2015
2015
Alterung von
Photovoltaikzellen
Jugendforscht-Projekt von Bjarne Bensel &
Benjamin C. Selig
Bjarne Bensel & Benjamin C. Selig betreut von Dr. F. Graubner
Weidigschule Butzbach Gymnasium des Wetteraukreises
09.01.2015
Inhaltsverzeichnis:
Fragestellung und erste Überlegungen: .................................................................................................. 2
Zur Photovoltaikanlage: .......................................................................................................................... 3
Erträge der Photovoltaikanlage:.............................................................................................................. 4
Datenursprung: ................................................................................................................................... 4
Auswertung der Erträge: ..................................................................................................................... 5
Berücksichtigung der Sonnenscheindauer: ............................................................................................. 5
Datenursprung: ................................................................................................................................... 5
Sonnendaten: ...................................................................................................................................... 5
Auswertung der Sonnenscheindaten: ................................................................................................. 6
Effizienz: .................................................................................................................................................. 7
Berechnung der Effizienz: .................................................................................................................... 7
Auswertung der Effizienz:.................................................................................................................... 8
Auswertung der Ergebnisse:................................................................................................................ 8
Fazit: ...................................................................................................................................................... 10
Quellen und Literaturverzeichnis: ......................................................................................................... 11
Danksagung: .......................................................................................................................................... 12
Weidigschule Butzbach Gymnasium des Wetteraukreises
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Fragestellung und erste Überlegungen:
Am Anfang unseres Projektes überlegten wir, welches Thema wir untersuchen könnten. Nach einigen
Überlegungen sind wir auf die Photovoltaikanlage unserer Schule aufmerksam geworden. Da diese
Anlage bereits seit vielen Jahren auf der Schule montiert ist, ist der Wirkungsgradverlust ein
interessantes Thema. Dies führte uns zu der Frage: „Um wie viel Prozent hat sich der Wirkungsgrad
unserer Schul-Photovoltaikanlage im Lauf ihrer bisherigen Betriebsdauer von 15 Jahren geändert?“
Unsere Erwartung war, dass keine gravierende Veränderung innerhalb eines Jahres messbar ist. Aber
aufgrund des hohen Alters der Anlage konnten wir die Hoffnung haben, merkliche
Wirkungsgradveränderungen nachzuweisen.
Da eine Photovoltaikanlage teuer ist, muss ein Investor vor dem Bau abschätzen, ob er sich rentiert.
In der Regel geht man von einer Betriebsdauer von 20 Jahren aus. Diese Zeitspanne legen auch das
Finanzamt als Abschreibungsdauer und die Hersteller als Garantiezeit fest. Es ist also aus
betriebswirtschaftlichen Gründen wichtig zu wissen, ob und wie sich der Wirkungsgrad einer
Photovoltaikanlage im Laufe der Zeit verändert.
Um dieses Projekt zu realisieren, brauchten wir Daten, welche uns unsere Fragestellung
beantworten.
Unsere erste Idee war es, den aktuellen Wirkungsgrad herauszufinden, indem wir die Anlage mit
einer gewissen Lichtintensität bestrahlen und dann die erzeugte elektrische Leistung zu messen. Dies
war jedoch nicht möglich, da uns die Gerätschaften zur Simulation der Sonnenstrahlung fehlten.
Auch hätten wir die Photovoltaikanlage dafür vom Netz trennen müssen, um unsere Messgeräte
anzuschließen. Dies wurde uns von der Schule wegen der berührungsgefährlichen Spannungen nicht
gestattet.
Eine andere Idee an Daten zu kommen war der „Stromzähler“, der kontinuierlich die ins Stromnetz
eingespeiste Energie zählt. Um diese Idee zu verwirklichen, mussten wir uns die früheren
Zählerstände des „Stromzählers“ besorgen.
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Zur Photovoltaikanlage:
Die Photovoltaikanlage der Schule besteht aus 9 Modulen KC 120-1 des Herstellers Kyocera. Die
Gleichspannung der einzelnen Module wird durch einen Wechselrichter der Firma SunnyBoy in das
örtliche Stromnetz eingespeist. Die Module enthalten polykristalline Silizium-Solarzellen, die auf
einem Flachdach auf einem Metallgestell montiert sind. Um eine optimale Sonneneinstrahlung zu
erzielen, wurde sie nach Süden ausgerichtet und mit einem Neigungswinkel von 30° aufgestellt. Die
gesamte Anlage wurde im Rahmen des Projekts SONNEONLINE aufgestellt und ging am 15.Juni 1999
ans Netz.
Das Projekt SONNEONLINE wurde an über 400 Schulen durchgeführt. Dabei wurden an jeder dieser
Schulen eine Photovoltaikanlage errichtet und die Daten zentral gesammelt. Das Frauenhofer-Institut
Solare Energiesysteme wertete die Daten der Schulen aus.
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Erträge der Photovoltaikanlage:
Datenursprung:
Die Zählerstände der Photovoltaikanlage erfragten wir bei der EVB (Energie & Versorgung Butzbach)
und bekamen sämtliche Rechnungen von 2003 bis 2012. Die Zählerstände von 1999 bis 2003
entnahmen wir einem Zwischenbericht von Gerhard Weide, der das Projekt SONNEONLINE an
unserer Schule betreut hatte. Für das Jahr 2013 sind keine nutzbaren Werte vorhanden, da in diesem
Jahr die Schule umfangreich saniert und die Anlange für längere Zeit demontiert wurde. Nach
Aussagen des Schulassistenten Herr Fischer lief die Anlage ansonsten ohne wesentliche
Unterbrechungen mit dem originalen Wechselrichter und Stromzähler seit 1999.
Jahr
02.11.1999
31.12.2000
31.12.2001
31.12.2002
31.12.2003
31.12.2004
31.12.2005
31.12.2006
31.12.2007
31.12.2008
31.12.2009
31.12.2010
31.12.2011
31.12.2012
31.12.2013
27.11.2014
Zählerstand in kWh
58.035
59.082
60.653
61.021
62.174
63.170
64.193
65.136
65.924
66.855
67.845
68.721
69.671
70.551
71.025
71.884
Ertrag in kWh
515
1.017
971
968
1.153
996
1.023
943
788
931
990
876
950
880
474
859
1400
1200
Ertrag in kWh
1000
800
Ertrag in kWh
600
Linear (Ertrag in kWh)
400
y = -12,023x + 25078
Korrelation: R2 = 0,3467
200
0
1999
2004
2009
2014
Jahr
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Auswertung der Erträge:
Die Erträge der Photovoltaikanlage sind im Laufe der 15 Jahre im Mittel deutlich zurückgegangen.
Dies sieht man an der Ausgleichsgeraden im Diagramm auf der vorherigen Seite. Der Rückgang
beträgt insgesamt rund 170 kWh bzw. 16%, d.h. pro Jahr eine Abnahme von ungefähr 12 kWh bzw.
1,2%.
Wir können von den Erträgen der Anlage nicht auf den Wirkungsgrad schließen, da wir nicht davon
ausgehen können, dass die Sonneneinstrahlung in diesen Jahren konstant war. Deswegen haben wir
uns überlegt, dass wir die Sonnenscheindauer mit einberechnen müssen.
Berücksichtigung der Sonnenscheindauer:
Datenursprung:
Wir benötigten also die Sonnenscheindauer. Diese kann man über die Website des Deutschen
Wetterdienstes beziehen. Allerdings waren für Butzbach keine Daten vorhanden. Deshalb wählten
wir dort die Daten von Frankfurt und Gießen und bildeten für Butzbach den Mittelwert als
Näherungswert.
Sonnendaten:
Jahr
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
20141
Sonnenscheindauer (in
Stunden)
Frankfurt a. M.
1558,9
1560,3
1618,5
2137,6
1632,4
1770,2
1739,1
1746,8
1506,9
1743,3
1693,8
1943,6
1794,1
1515,0
1611,0
Sonnenscheindauer (in
Stunden)
Gießen
1510,9
1604,1
1512,2
2169,8
1625,2
1750,8
1706,4
1657,9
1514,3
1572,8
1537,4
1747,1
1594,5
1445,6
1492,2
1
Bis 30.11.2014
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Sonnenscheindauer
Mittelwert FFM-GI
(in Stunden)
1534,90
1582,20
1565,35
2153,70
1628,80
1760,50
1722,75
1702,35
1510,60
1658,05
1615,60
1845,35
1694,30
1480,30
1551,60
Sonnenscheindauer Mittelwert FFM-GI
Sonnenscheindauer in Stunden
2500
2000
1500
Sonnenscheindauer
Mittelwert FFM-GI
1000
Linear (Sonnenscheindauer
Mittelwert FFM-GI)
500
0
1999
y = -5,2422x + 12188
Korrelation: R² = 0,0194
2004
2009
2014
Jahr
Auswertung der Sonnenscheindaten:
Bezogen auf die Ausgleichsgerade nahm die Sonnenscheindauer im Beobachtungszeitraum von 2000
bis 2014 um 4,3% ab. Dieses Ergebnis relativiert sich aber, wenn der außergewöhnlich hohe Wert von
2003 unbeachtet bleibt:
Sonnenscheindauer Mittelwert FFM-GI
Sonnenscheindauer in Stunden
2500
2000
1500
Sonnenscheindauer
Mittelwert FFM-GI
1000
Linear (Sonnenscheindauer
Mittelwert FFM-GI)
500
0
1999
2004
2009
2014
y = -5,2422x + 12188
Korrelation: R² = 0,0194
Jahr
Dann ergibt sich sogar ein entgegengesetzter Trend mit leicht ansteigender Sonnenscheindauer. Wir
können also davon ausgehen, dass der Rückgang der Erträge von insgesamt 16% nicht wesentlich
durch die Sonnenscheindauer beeinflusst worden ist. Dies erkennt man auch in folgendem
Diagramm, in dem die Effizienz dargestellt wird. Dabei verstehen wir unter Effizienz die produzierte
elektrische Energie pro Sonnenstunde.
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Effizienz:
Berechnung der Effizienz:
Sonnenscheindauer
Mittelwert
(in Stunden)
1083,00
1534,90
1582,20
1565,35
2153,70
1628,80
1760,50
1722,75
1702,35
1510,60
1658,05
1615,60
1845,35
1694,30
1480,30
1551,60
Jahr
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
Effizienz in kWh/h
(Ertrag durch
Sonnenscheindauer)
0,4755
0,6626
0,6137
0,6184
0,5354
0,6115
0,5811
0,5474
0,4629
0,6163
0,5971
0,5422
0,5148
0,5194
---1
0,5536
Ertrag in kWh
515
1.017
971
968
1.153
996
1.023
943
788
931
990
876
950
880
474
859
1
Keine verwendbaren Werte, da Anlage nicht durchgehend in Betrieb war.
Effizienz
0,7
Effizienz in kWh/h
0,6
0,5
0,4
Effizienz
0,3
Linear (Effizienz)
0,2
y = -0,0071x + 14,791
Korrelation: R2 = 0,3245
0,1
0
1999
2004
2009
2014
Jahr
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Auswertung der Effizienz:
Der Gesamtrückgang der Effizienz beträgt ca. 17%, d.h. pro Jahr 1,2%. Die Berücksichtigung der
Sonnenscheindauer hat unser Ergebnis von Seite 12 nicht schwerwiegend verändert. Der
Gesamtrückgang von 1,2% pro Jahr ist selbstverständlich mit einer Unsicherheit behaftet. Excel
lieferte uns bei der Berechnung der Ausgleichsgeraden einen Fehler von ±7% bezüglich der Steigung.
Somit erhalten wir einen Effizienzrückgang von
1,2% ± 0,1%.
Auswertung der Ergebnisse:
Der Rückgang der Effizienz der Photovoltaikanlage wird durch verschiedene Einflüsse verursacht. In
der Literatur findet man unter dem Begriff Degradation Folgendes:2,3
1. Browning
Darunter versteht man altersbedingte Trübung und Gelb- bzw. Braunfärbung der Abdeckung
in Folge von UV- und Wärmestrahlung.
2. Zellkorrosion
Durch Eindringen von Feuchtigkeit in die Zellen, werden die Zellen schadhaft verändert.
3. Hot-Spots
Infolge von Teilabschattung kann es in den abgeschatteten Zellen zur Hitzeentwicklung und
dadurch zu lokaler Zerstörung an den Zellen kommen, da diese als „Verbraucher“ arbeiten.
4. Veränderung der Kristallstruktur
Veränderung der Kristallstruktur durch den Einfluss der Wärmebewegung der Atome und
Moleküle.
Zu 1.: Unsere Photovoltaikmodule zeigen keine Anzeichen von
Browning. Man findet lediglich geringe Verunreinigung an den
Rändern der Module (Schmutz), die umweltbedingt entstehen
und meist einfach zu beseitigen sind.
Zu 2.: Die Kunststoffoberfläche ist überall intakt und
bemerkenswert glatt. Deshalb konnte keine Feuchtigkeit in die
Module eindringen und so die Zellen korrodieren.
Zu 3.: Eine Teilabschattung kann durch die Ausrichtung und Lage
der Anlage nur in späten Abendstunden auftreten, sodass wir eine
Schädigung durch Hot-Spots ausschließen können.
Zu 4.: Folglich muss bei unserer Anlage der Effizienzrückgang im
Wesentlichen durch die Veränderung der Kristallstruktur
verursacht worden sein. In der Literatur findet man, dass bei
neueren Anlagen die Probleme 1. bis 3. keine große Bedeutung
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besitzen. Dies trifft offensichtlich auch auf unsere Anlage zu.
Die Effizienzverluste werden für mono- und polykristalline Zellen
in der Literatur2 mit etwa 1% pro Jahr beziffert. Speziell für
Kyoceramodule3 des Typs KC 125G liegen die gemessenen
Effizienzverluste etwas niedriger. Der Effizienzrückgang pro Jahr
unserer Anlage ist mit 1,2% nur geringfügig größer.
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Fazit:
Die Photovoltaikanlage unserer Schule hat in den vergangen 15 Jahren ungefähr 14.000 kWh Energie
produziert und in das örtliche Stromnetz eingespeist. Diese Energiemenge liegt sehr nah an den
Erwartungen4 von 15.000 kWh auf eine Laufzeit von 15 Jahren aus dem Jahr 1999. Dabei ist ein
Effizienzverlust von 17% eingetreten. Dieser ist durch die Veränderung der polykristallinen Struktur in
den Solarmodulen zu begründen, da andere aus der Literatur2 bekannten Ursachen für
Effizienzrückgänge wie Browning, Zellkorrosion oder Hot-Spots nicht auf unsere Anlage zutreffen.
Auch die Berücksichtigung des Wetters hat keine nennenswerte Änderung der Effizienz gezeigt. Aus
unseren Messwerten kann man leider nicht ersehen, bis wann die Photovoltaikanlage Energie
produzieren wird, da wir das zukünftige Alterungsverhalten der Anlage nicht abschätzen können. Bei
einem gleichbleibenden jährlichen Effizienzverlust würde die Anlage noch ca. 65 Jahre Energie
produzieren. Jedoch wäre ein Betrieb vorher nicht mehr sinnvoll, da für einen wirtschaftlichen
Betrieb ein Mindestumsatz von elektrischer Energie notwendig ist.
Bezieht man sich auf eine Betriebsdauer von 20 Jahren (Abschreibungsdauer, Garantiezeit), so
können wir aufgrund unserer Ergebnisse für unsere Module von einem Effizienzrückgang von ca. 23%
ausgehen. Der mittlere Ertrag wird also um ca. 11,5% niedriger sein als der Ertrag der neuen Anlage.
Dies muss man bei Investitionsentscheidungen berücksichtigen.
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Quellen und Literaturverzeichnis:
1
http://www.weidigschule.de/mitteil/mit2_990.htm abgerufen am 02.10.2014
2
http://www.volker-quaschning.de/artikel/pvalterung/index.php abgerufen am 11.12.2014
3
http://www.photovoltaik.org/wissen/degradation-von-solarmodulen abgerufen am 11.12.2014
4
Photovoltaik an der Weidigschule (Zwischenbericht) von Gerhard Weide
Wetterdaten:
http://www.dwd.de/bvbw/appmanager/bvbw/dwdwwwDesktop?_nfpb=true&_pageLabel=dwdww
w_start&T168400132081241511503005gsbDocumentPath=Navigation%2FOeffentlichkeit%2FKlima_
_Umwelt%2FKlimadaten%2Fkldaten__kostenfrei%2Fausgabe__monatswerte__node.html%3F__nnn
%3Dtrue abgerufen am 09.10.2014
http://www.dwd.de/bvbw/appmanager/bvbw/dwdwwwDesktop?_nfpb=true&_pageLabel=_dwdww
w_klima_umwelt_klimadaten_deutschland&T82002gsbDocumentPath=Navigation%2FOeffentlichkei
t%2FKlima__Umwelt%2FKlimadaten%2Fkldaten__kostenfrei%2Fausgabe__monatswerte__node.htm
l%3F__nnn%3Dtrue abgerufen am 04.12.2014
Zählerstände: EVB (Energie & Versorgung Butzbach)
Photovoltaik an der Weidigschule (Zwischenbericht) von Gerhard Weide
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Danksagung:
Ein großer Dank gilt unserem Projektbetreuer Dr. F. Graubner, welcher uns die Durchführung dieses
Projektes überhaupt erst ermöglicht hat.
Weiterhin danken wir der EVB (Energie & Versorgung Butzbach) und dem DWD (Deutscher
Wetterdienst) für die Bereitstellung der für uns benötigten Daten.
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