JANUARI ~_995
ECN-C~94-095
EVALUATIE MEETRESULTATEN l kWp a-Si PV-CENTRALE TE PETTEN ~:.W.A. BALTU$ W.C. $INKE
Naam
Gecontroleerd
N.J.C.M. van der Borg
Goedgekeurd Geautoriseerd
W.J. Stam H.J.M. Beurskens
Paraaf
Datum
~//r/~ ~
Verantwoording Dit project werd voor 30% gefinancierd door NOVEM (opdrachtnummer 41.250-011.1 incl. aanvullende opdracht 146.200-011.2) en voor 70% door het ECN (in het kader van het ENGINE-programma: 4415.01, a-Si PVcentrale).
Foto: Kees Baltus
ECN-C--94-095
3
4
ECN-C--94-095
INHOUD NOMENCLATUUR ......................................
7
SAMENVATTING ......................................
9
1. INLEIDING ........................................
11
2. TESTOPSTELLING ................................... 13 2.1 Gemeten grootheden ............................... 13 2.2 Kenmerken van de testopstelling .......................14 2.3 Verwerking van de meetresultaten ......................16 2.3.1 Beschikbaarheidsgraad van her meetsysteem ..........17 2.3.2 Ingestraalde energie ........................... 17 2.3.3 Totale opbrengst .............................. 18 2.3.4 De genormeerde opbrengst ...................... 18 18 2.3.50pbrengstfactor .............................. 2.3.6 Systeemrendemant ............................ 18 3. MEETRESULTATEN ................................. 21 21 3.1 Inleiding ........................................ 3.2 Beschikbaarheidsgraad van het meetsysteem ...............22 3.3 Ingestraalde energie ................................ 22 22 3.4 Totale opbrengst .................................. 3.5 Genormeerde opbrengst ............................. 23 23 3.6 Opbrengstfactoran ................................. 24 3.7 Systeemrendement ................................. 24 3.8 Rendement inverters ............................... 3.9 Gelij kstroomrendement .............................24 25 3.10 Paneeltemperatuur ................................ 25 3.11 Praktijkaspecten .................................. 4. CONCLUSIES ......................................
27
5. AANBEVELINGEN .................................. 29 6. REFERENTIES ......................................
31
Bijlagen: Tabellen Figuren G.W. Hasse et al. Field experience with a grid-connected photovoltaic system based on amorphous silicon. Proceedings ISES Solar World Congress, Photovoltaic components and Systems, Budapest 1993, Volumenr. 3, p. 407 e.v., Hungarian Solar Energy Society.
ECN-C--94-095
5
6
ECN-C--94-095
NOMENCLATUUR E_A Eac_A Eac_P Edc_A Edc_P E_G E_P
Ingestraalde energle (op p-Si referentiecel) nabij a-Si array Wisselstroomenergle geleverd door inverter voor a-Si array Wisselstroomenerg~e geleverd door inverter voor p-Si array Gelijkstroomenergle geleverd door a-Si array Gelijkstroomenerg~e geleverd door p-Si array Ingestraalde energle op pyranometer Ingestraalde energle (op p-Si referentiecel) nabij p-Si array
Idc_A Idc_P In_A In_G In_P
Total~ a-Si arraystroom Totale p-Si arraystroom Instraling op p-Si referentiecel nabij a-Si centrale Globale inslraling (pyranometer) Instraling op p-Si referentiecel nabij p-Si centrale
Pdc_Ap Pdc_Ai Pdc_P Pac_A Pac_P
Vermogen van a-Si array (nabij koppelkast van t)anelen) Vermogen van a-Si array (nabij inverter) Vermogen van p-Si array (nabij koppelkast) Wisselstroomvermogen van inverter voor a-Si array Wisselstroomvermogen van invertar your p-Si array
T_A Tair T_P
Paneeltemp#ratuur a-Si Luchttemperatuur Paneeltemperatuur p-Si
Udc_A Udc_P
Gelijkspamfing a-Si array (nabij koppelkast) Gelijkspanning p-Si array (nabij koppelkast)
ECN-C--94-095
kWh!m~ kWh kWh kwh kwh kWh/m~ kWh/ma
A A W/m~ W/m~ w w w w W
V V
7
8
ECN-C--94-095
SAMENVATTING Twee netgekoppelde PV-systemen van 1 kWp, 66n op basis van amorf silicium en 6~n op basis van multikristallijn silicium, zijn gedurende de periode juni 1992 tot an met mei 1994 bemetan. De meetresultaten worden in dit rapport gegeven en besproken. Het amorf-silicium systeem bestaat uit 96 modules van 11 Wp (fabrikaat NAPS-France), het multikristallijn-silicium systeem uit 24 modules van 40 Wp (fabfikaat R&S Renewable Energy Systems). De systemen zijn vrij opgesteld onder een tilthoek van 45° (orientatie zuid) op het duinterrein van het Energieonderzoek Centrum Nedefland (ECN) te Petten in de provincie Noord-Holland. Beide systemen zijn aan het openbare elektriciteitsnet gekoppeld met een 1 kW DC/AC omzetter (Victron Ecoverter 1000). Gedurende een deel van de tijd is een van de Victron inverters vervangen door een Mastervolt Sunmaster 1800. De instraling over de betreffende periode van twee jaar bedroeg 2060 kWh!m2 in het horizontale vlak (gemeten met een pyranometer) en 2110 kWhim2 in het vlak van de modules (gemetan met een multikristallijnsilicium referentieeel). Her verschil in maandelijkse instraling is maximaal (december vs. juni) een factor 10-15 in bet horizontale vlak en een factor 710 in het vlak van de modules. De netto opbrengst aan de AC-zijde was 695 kWh/kWpjr voor het amorfsilicium systeem en 794 kWh/kWp~r voor het mult’fla’istallijn-silicium systeem. De relatief lage opbrengst voor het mnorf-silicium systeem is voornamelijk een gevolg van het de afname van het systeemrendement door uitval van modules. Deze uitval werd veroorzaakt door corrosie van de elektfische aansluitingen en door aantasting van de actieve laag ten gevolge van vochtindringing. Hierbij wordt verder nog opgemerkt dat de definitie van ge’lnstalleerd (piek)vermogen voor een amorf-siliciumsysteem ook zonder module-uitval niet eenduidig is, omdat fabrikanten veelal niet het beginrendement opgeven, maar een rendement dat gehaald wordt na verloop van tijd, of een minimumrendement. Het maandgemiddelde DC-rendement van het amorf-silicium systeem was bij aanvang van de metingen ongeveer 4% (berekend naar totaal actief oppervlak van de modules) en verminderde door module-uitval binnen ~n jaar tot 2%, waarna 30 modules werden vervangen. Een subarray bestaande uit louter oorspronkelijke (hog niet vervangen) modules had toan hog een rendement van 3,5%, hetgeen betekent dat de intrinsieke degradatie over die periode beperkt bleef tot ongeveer 0,5%. Na ongeveer driekwart jaar werden opnieuw defecte modules vervangen. Het rendement van het multikristallijn-siticium systeem was maximaal ongeveer 10% (berekend naar totaal celoppervlak). Afgezien van temperatuur-, spectrale en intensiteitseffecten was dit rendement constant birmen de meemauwkeurigheid. Het jaargemiddelde rendement van de DC/AC omzetting bedroeg ruim 90%. De temperatuur van beide soorten modules blijkt vrijwel eenduidig af te hangen van de omgevingstemperatuur en de instraling: de temperatuurstijging t.o.v, de omgeving is ruwweg 0,02 K/(W/m2).
ECN-C--94-095
9
ECN-Duurzame Energie
10
ECN-C--94-095
1. INLEIDING Verreweg het grootste deel van de zonnecelsystemen voor "vermogensopwekking" zoals ze anno 1994 worden geInstalleerd bestaat uit panelen op basis van (poly)kristallijn*~ silicium. Met dit materiaal bestaat al ruim 20 jaar ervaring en bet heeft in de praktijk bewezen betrouwbaar te zijn. Bovendien is bet rendement van de panelen op basis van kristallijn silicium het hoogste van de commercieel verkrijgbare soorten. Algemeen wordt echter ingezien dat in de toekomst ook andere materialen een belangrijke rol zullen gaan spelen. Amorf silicium (al dan niet in combinatie met bijvoorbeeld amorf silicium-germanium in tandemstructuren) is 66n van de serieuze kandidaten. Hoewel amorf silicium zonnecellen tot voor een paar jaar vrijwel uitsluitend te vinden waren in consumentenprodukten, zijn nu ook panelen op de markt die bestemd zijn voor toepassingen in grotere opwekeenheden zoals waterpompsystemen. In Nederland waren tot voor kort nog geen systemen van enige omvang. De korte geschiedenis van amorf silicimn is er mede oorzaak van dat het materiaal zich nog onvoldoende heeft kunnen bewijzen. Bovendien hebben de panelen een lager rendement en heerst er verwarring omtrent de stabiliteit. Met het oog op toekomstige toepassing van amorf silicium is het echter belangrijk dat in een relatief vroeg stadium praktijkervaring wordt opgedaan en dat gegevens worden verzameld over her gedrag door de jaren. Doel van het project is informatie te verzamelen over het praktijkgedrag van een netgekoppeld PV-systeem op basis van amorf silicium onder typisch Nederlandse condities. Dit praktijkgedrag behelst zowel de elektrische eigenschappen als ook weersinvloeden op modules, elektrische verbindingen, draagconstructies etc. Doel is het verder demonstreren van bet gebmik in Nederland van een PVsysteem op basis van amorf silicium. Ter vergelijking wordt het gedrag van een bestaand systeem op basis van polykristallijn silicium gemeten.
*~ tegenwoordig aangeduid als multikristallijn
ECN-C--94-095
11
ECN-Duurzame Energie
12
ECN-C--94-095
2. TESTOPSTELLING De totale testopstelling bestaat uit twee systemen met afzondeflijke DC/AC inverters [1, 3, 4 en 5]. Het a-Si systeem bestaat uit 96 panelen van 11 Wp (1056 Wp); het p-Si systeem bestaat uit 24 panelen van 40 Wp (960 Wp); zie bijlage 4A. Her meetsysteem bestaat uit diverse meetwaarde-opnemers en een PC (zie bijlagen 1 en 4B).
2.1 Gemeten grootheden De metingen aan de PV-installaties zijn uitgevoerd conform de ISPRA dchtlijnen voor (analytische) metingen aan fotovolta~sche systemen [2]. In onderstaande tabel zijn de gemeten grootheden omschreven. Tabel 2.1 Gemeten grootheden volgens ISPRA richtlijnen Meetgrootheid
Symbool
Eenheid
Instraling, globaal (horizontaal)
In_G
W/m~
Inst~aling (arrayvlak) nabij a-Si array
In_A
W/m~
Instraling (arrayvlak) nabij p-Si array
In_P
Wlm=
Omgevingstemperatuur in de schaduw
Tair
oC
a-Si paneeltemperatuur
T_A
°C
p-Si paneeltemperatuur
T_P
°C
Spanning van a-Si array
Udc_A
v
Spanning van p-Siarray
Udc_P
V
Vermogen van a-Si army (paneelzijde)
Pde_Ap
W
Ingangsvermogen van inverter voor a-Si array
Pdc_Ai
W
Vermogen van p-Si array
Pdc_P
w
wisselstroomvermogen van inverter voor a-Si array
Pae_A
W
Wisselstroomvermogen van inverter voor p-Si array
Pac_P
w
ISPRA schrijft verder nog voor dat de genoemde grootheden gemeten dienen te wordan met ean frequentie van minimaal 1 keer per minuut, om vervolgens hieruit de uurgemiddelde waarde te bepalen. Om echter meet inzicht in het systeemgedrag te verkfijgen is gekozen voor een bemonsteringsfrequentie van circa 18 Hz waaruit tien-rninuten-gemiddelde waarden worden berekend. Deze tien minuten gemiddelde meetwaarden worden (samen met het maximum, minimum en standaard deviatie binnen de meetperiode) regelmatig ingelezen in de verwerkings-PC.
ECN-C--94-095
13
ECN-Duurzame Energie
2.2 Kenmerken van de testopstelling a-Si array Aantal strings Aantal panelen in serie Fabrikaat Type Actief oppervlak per paneel Nominaal vermogen Ori~ntatie Helling t.o.v, horizon Bliksemafleiding
24 4 NAPS France A13R 0,264 m2 > 11 Wp Zuid 45 ° Ringleiding rondom subarray’s
p-Si array Aantal strings Aantal panelen in serie Fabrikaat Type Actief oppervlak per paneel Nominaal vermogen Ori~ntatie Helling t.o.v, horizon Bliksemafleiding
6 4 R&S RSM40 0,36 m2 40 Wp Zuid 45 ° Ringleiding rondom subarray’s
OMZETTER a-Si Fabrikaat Type Wijze van omzetting
Vic~ron Ecoverter 1000 PWqVl
OMZETTER p-Si Vanaf juni 1992: Fabrikaat Type Wijze van omzett’mg Nominaal vermogen Piekvermogen Vanaf juli 1993: Fabrikaat Type Wijze van omzetting Nominaal vermogen Piekvermogen
14
Vietron Ecoverter 1000 PWM 1000 W 1200 W (10 min.) Mastervolt Sunmaster 1800 PWM 1500 W 1800 W (bij gespecificeerde belasting)
ECN-C--94-095
Evaluatie meetresultaten
INSTRALINGSMETERS Pyranometer Fabrikaat Type Plaats Helling t.o.v, horizon
Kipp & zonen CIVI21 Op meetmastje Horizontaal
Referentiecel voor a-Si Fabrikaat Type Plaats Ori~ntatie Helling t.o.v horizon
R&S RSM40 (p-Si) In paneelvlak gemonteerd Zuid 45°
Referentiecel voor p-Si Fabrikaat Type Plaats Ori~ntatie Helling t.o.v, horizon
R&S RSM40 (p-Si) In paneelvlak gemonteerd Zuid 45°
TEMPERATUURMETINGEN paneeltemperatuur voor p-Si Type sensor Plaats paneeltemperatuur voor a-Si Type sensor Plaats
luchttemperatuur Fabrikaat opnemer Sensortype Plaats
ECN-C--94-095
AD590 Ge~ntegreerd in 6~n paneel AD590 Aan achterzijde met warmtegeleidende en siliconenkit aangebracht Miery meteo LM35 In minihutje (schaduw)
15
ECN-Duurzame Energie
VERMOGENSMET1NG DC-ziide (Pdc .Ai) Plaats spanningsmeting Plaats stroommeting Type stroomopnemer Fabr. vermogensmeetwaardeomvormer DC-ziide (Pdc _Ao en Pdc P) Plaats spanningsmeting Plaats stroommeting Type stroomopnemer Fabr. vermogensmeetwanrdeomvormer Plaats van sparmingsmeting Plaats van stroommeting Type stroomopnemer Fabr. vermogensmeetwaardeomvormer
Nabij inverter (in meetkast) In toevoerleiding van inverters LEM ECN
Nabij oanelen (in DCkoppelkas0 In toevoerleiding van invarters LEM ECN In netverdee|kast In afvoerleiding van inverters LEM ECN
DATA-ACQUISITIE-SY STEEM Computer Merk data-acquisitiekaart Aantal bits
Tulip PC-XT Burr Brown PCI20089W-1 12
Software Scanfrequentie Middelingsfijd van meetgegevens Kanaalinstellingen
WIMPROI 2 [9] 18Hz 10 minuten Zie bijlage 1
2.3 Verwerking van de meetresultaten Voor de verwerking van de 8emeten data wordt gebmik gemaakt van een personal computer. In de acquisitiefase van de metingen wordt 18 maal per seconde van ieder kanaal een meetwaarde vastgelegd (programma "WIMPRO"); per 10 minuten houdi de PC het minimum en her maximum bij van de meetwaarden en bepaalt het gemiddelde en de standaarddeviatie. Twee~nzevanfig (72) van deze 10 minuten meetwaarden worden als ~n blok van 12 uur opgeslagen op de harde schijf van de PC.
Voor de verwerking van de meetwanrden kan dezelfde software gebmikt worden. Voor sommige atbeeldingen is her noodzakelijk de gegevens op te splitsen in klassen an het gemiddelde te bepalen binnen die klasse (zgn. birmen).
16
ECN-C--94-095
Evaluatie meetresultaten Met behulp van de gemeten grootheden wordt een aantal afgeleide grootheden bepaald: Afgeleide grootheid
Symbool
Eenheid
Ingestraalde energie opgevangen door pyranometer E_G
kWh/m~
Ingestraalde energie opgevangen door referemiecel nabij a-Si array
E_A
kWh/m2
Ingestraalde energie opgevangen door referentiecel nabij p-Si array
E_P
kWh,/m2
Gelijkstroomenergie geleverd door a-Si array
Edc_A
kWh
Gelijkstroomenergie geleverd door p-Si array
Edc_P
kWh
Energie geleverd aan het net door a-Si inverter
Eac_A
kWh
Energie geleverd aan het net door p-Si inverter
Eac_P
kWh
De meetresultaten worden opgesplitst in een deel componentverificatie (controle op de juiste werking van de apparatuur) en een deel opbrangstmetingen.
2.3.1 Beschikbaarheidsgraad van het meetsysteem De computer wordt geacht per grootheid an per dag 144 meetgegevens op te slaan (24 uur * 6 uur). Door netspanningsuitval, softwarefouten en onvoldoende ruimte op de harde schijf van de PC zijn enkele meetgegevens niet beschikbaar. De beschikbaarheidsgraad is het quotiant van het aantal beschikbare meetgegevens en het maximale aantal te verwerven metingen.
2.3.2 Ingestraalde energie Er zijn drie instralingsgrootheden gemeten: instraling verkregen met een horizontaal geplaatste pyranometer; instraling verkregen met een referentiecel geplaatst nabij het a-Si array (onder een hoek van 45° met de horizon); instraling verkregen met een referentiecel geplaatst nabij het p-Si array (eveneens onder een tilthoek van 45°). De twee referentiecellen zijn bedoeld om voor elkaar reserve te staan. De instraling gemeten met de pyranometer kan niet eenvoudig met de andere instralingen in verband gebracht worden: de referentiecellen en pyranometer hebben een verschillende openingshoek en ongelijke gevoeligheid voor het lichtspectrum. Voor zowel de pyranometer als de referentiecel is op basis van de instralingsgrootheden de getotatiseerde energiedichtheid bepaald. Vanwege ontbrekende meetgegevens is een maandelijkse schatting gemaakt van de energiedichtheid door te delen door de beschikbaarheidsgraad van het meetsysteem.
ECN-C--94-095
17
ECN-Duurzame Energie
Om inzicht te verkrijgan in de samenstelling van de ingestraalde zonneenergie is over de periode juni 1992 - mei 1994 van de referentiecel de instraling verdeeld in klassen; de duur (in uren) en de energiedichtheid (in kWh/m2) zijn vastgesteld. Ook hier zijn ontbrekende meetgegevens geextrapoleerd.
2.3.3 Totale opbrengst De totale opbrengst (zowel aan AC als DC zijde) is berekend door per maand her gemiddelde vermogen over de beschikbare periode [W] te vermenigvuldigen met de werkelijke tijdsduur van die maand [hi. De maandelijkse opbrangsten zijn daarna getotaliseerd. Hiermee wordt een correctie uitgevoerd over de periode dat het meetsysteem niet beschikbaar
2.3.4 De genormeerde opbrengst De genormeerde opbrangst is gedefirtieerd als bet quotient van de jaaropbrengst en her gel’nstalleerde vermogen; in formulevorm: Genormeerde opbrengst -___Eac [kWh/kWp] P
2.3.50pbrengsffactor De opbrengstfactor (performance ratio) is een grootheid die eveneens aanduidt hoe de zonr~e-energie wordt gebruikt die op de panelen valt. Opbrengstfactor -. Eac E’ qsrc
Hiedn is Eac de wisselstroom energi¢ uit de inverter, E de ingestraalde zonne-energie en ~src bet rendement van de panelen onder standaard test condities.
2.3.6 Systeemrendement Het systeemrendement is gedefinieerd als zijnde het quotient van het uitgaande vermogen (soms DC-zijdig, sores AC-zijdig) en het op de panelen ingestraalde vermogen. Her ingestranlde vermogen is her produkt van de instragmgsdichtheid [W/ms] en de totale oppervlakte van de cellen Iraqi, ofwel de netto oppervlakte. Omdat het rendement van zonnepanelen sterk temperatuurafhankelijk is, kan een "temperatuur gecorrigeerd rendement" worden vastgesteld, genormeerd naar een paneeltemperatuur van 25°C: de instraling wordt gecorrigeerd aan de hand van de paneeltemperatuur en de temperatuurco~fficie~t voor de stroom (~x~), het vermogen met de temperatuurcoefficient voor bet vermogen (a~).
18
ECN-C--94-095
Evaluatie meetresultatea Voor de materialen zijn de volgende temperatuurco~ffiei~nten gehanteerd (bron: datasheets van panelen): a-Si: a~ = +0,08%/K o~r = -0,21%/K p-Si: a~ = +0,077%/K a~ = -0,4 %/I( In formule vorm: 425 -- P25 = p .1 +0~-AT Iref25 1 +ap.AT Iref
ECN-C--94-095
19
ECN-Duurzame Energie
20
ECN-C--94-095
3. MEETRESULTATEN 3.1 Inleiding De definitieve metingen vingan aan op 1 juni 1992, nadat eerst een aantal problemen met een inverter was opgelost. In figuur 8 is te zian dat bij toenemende instraling aanvankelijk het vermogen hiermee gelijke tred houdt. Bij toenemende instraling stijgt het in de inverter gedissipeerde vermogen en in her algemeen de omgevingstemperatuur en daarmee ook de temperatuur in de inverterkast. In de bewakingseanheid van de inverter zit een functie die bij hoge kasttemperatuur hat vermogen reduceert om de warmteverliezen te beperkea, zodanig dat geetl schade optreedt. Deze bewuste vermogetlsreductie reageerde al bij een te lage temperatuur, waardoor een deel van de mogelijke opbreagst verloren ging. Een ander probleem is dat de HF-transformator een aanzienlijk geluidsniveau produceerde bij hoge bdastingen (de t~ansf~:mator bleek niet goed ingegoten te zijn); daze is dan ook vervangen. Helaas trad hetzelfde probleem na twee jaar weer op. Ook zijn er problemen geweest met een automatische schakelaar (Stotz) die zonder enige aanwijsbare oorzaak regelmatig uitschakelde. In de loop van hat project zijn enkele wijzigingen aangebracht in de opstelling. Als gevolg van lekkage trad corrosie op bij de aansluitingen van de a-Si panelan. Verder vertoonde een aantal panelen aantasting van de actieve laag ten gevolge van hat binnandringan van vocht via de randen aan de onderzijde. In juni 1993 zijn 26 van de 96 panelen door de leverancier vervangen, vervolgens in februad 1994 hog eens 24 panelen. Het gebruik van een a-Si referentiecel is vanwege de mogelijke degradatie niet zinnig. Om deze reden is de rendementsgrafiek van her a-Si array gemaakt op basis van de instraling gemeten met een p-Si referentiecel. Figuur 6a toont een niet eanduidige relatie, ondermeer vanwege bet verschil in spectrale gevoeligheid. Er is gepoogd een referentiecel op te bouwen die zich gedraagt als a-Si materiaal door een p-Si referentiecel te voorzien van een filter. Vanaf eind december 1993 is de bestaande referentiecel nabij hat a-Si array onlgewisseld veer dit type. Vanaf juli 1993 is de inverter veer het p-Si array (Victron Ecoverter 1000) vervangen door een geheel nieuw type, nl. de Mastervolt Sunmaster 1800. Veer de PV-installaties zijn per 10-minuten periode aan de hand van de instralingsdichthaid en de gemiddelde vermogens bepaald: de instralingsenergie, gemeten met een referentiecel in her vlak van de panelan; - de energiestromen aan de ingangen van de inverters; - de energiestromen aan de uitgangea van de inverters. Bovengenoemde groothedan zijn in tabelvorm weergegeven in tabel A2. Vanwege het 8enoemde ontbreken van meetgegevens zijn de meetresultaten tevens per maand herleid naar een beschikbaarheidsniveau van bet meetsysteem van 100% (gemeton waardan gedeeld door de beschikbaarheidsgraad).
ECN-C--94-095
21
ECN-Duurzame Energie
3.2 Beschikbaarheidsgraad van het meetsysteem Over de meetperiode van twee jaar bedraagt de beschikbaarheidsgraad van het meetsysteem 93,2% (van de vereiste 105.120 meetput~ten zijn er 97.942 aanwezig).
3.3 Ingestraalde energie In tabel A1 is de verdeling van de instralingsenergie gegeven. Over een periode van precies twee jaar wordt de gecumuleerde instral’mgsanergie berekend op 2059 kWh/m: (pyranometer) en 2120 kWh/ms (referentiecel); hJerbij is gecorrigeerd veer de beschikbaarheidsgraad van her meetsysteem van 93,2%. De tabel geeft veer instralingsintetvallen van 50 W/m: ("25" komt overeen met 0 tot 50 W/m2, enz.) de maandgemiddelde waarde van de inslraling in W/m2 in dat interval en het maandtotaal van de instralingsenergie in dat interval in WNm:, E_G [kWh/m’]
E_A [kWh/m2]
E_P [kWh/m~]
jun92-mei93
1060
1084
1074
jun93-mei94
999
1035
1027
jun92-mei94
2059
2120
2101
In figuur 1A is per instralingsklasse de instralingsenergie weergegeven; in Figuur 1B is per instralingsldasse de fijdsduur gegeven behorend bij die klasse (beide gebaseerd op de referentiemeter). Opvalland in figuur 1A is dat de lagere instral’mgsklassen zeer sigrtificant bijdragen aan de totaal beschikbare energie. Hiermee wordt het belang van een hoog systeem deellastrendement onderstreept. De maandelijkse ingestraalde energie is afgebeeld in figuur 2. Deze figuur laat zian dat her maximale verschil in maandelijks ingestraalde energie in bet horizontale vlak een factor 10-15 bedraagt, tegen een factor 7-10 veer een 45°-vlak op her zuiden. Eind december 1993 is de p-Si referentiecel nabij het a-Si array vervangan door een p-Si cel voorzian van een KG1 filterglas (met als doel can referenfiecel te verkrijgen die ongeveer dezelfde spectrale gevoeligheid heeft als een echte a-Si eel. Vanwege vocht’mdringing in de referentieeel is deze later buiten bedrijf gesteld; ondanks dat zijn de gegevens over de periode jan94-mei94 verwerkt.
3.4 Totale opbrengst In de figuren 3a en 3b zijn de maandelijkse energieopbrengstan per m~ actief oppervlak weergegeven veer zowel a-Si en p-Si.
22
ECN-C--94-095
Evaluatie meetresultaten De tweejarig gemiddelde opbrengsten zijn: a-Si centrale: de-zijde 31,6 kWh/mVjaar ac-zijde 28,6 kWh/mVjaar
p-Si cemrale:
de-zijde 100,5 kWhimVjaar ac-zijde 88,2 kWh/mVjaar
Hiemit blijkt dat 90,4% van de energie uit het a-Si array in het elektriciteitsnet komt, van bet p-Si array 87,8%. Dit verschil is te verklaren doordat de kabelverliezen onderling sterk afwijken. Het p-Si array is immers verder verwijderd van de meetwagen dan her a-Si array. Om her effect van de vervanging van de DC-kabel van de p-Si centrale (van 2 x 5 mm: naar 2 x 20 mma) vast te stellen is een opsplitsing gemaakt over de twee jaren. In het eerste jaar is 87,2% van de gelijkstroomenergie in het wisselstroomnet beland, in het tweede jaar 88,4: een verbetering derhalve van 1,2%. De totale energieopbrengsten van het a-Si en p-Si systeem zijn:
Edc_Ap [kWhl
Edc_Pp [kWhl
Eac_P [kWh]
[kWhl
lun92-mei93
875
795
888
775
Jun93-mei94
747
672
847
749
Jun92-mei94
1622
1467
1735
1524
3.5 Genormeerde opbrengst De genormeerde opbrengsten zijn respectievelijk 695 kWh/kWpjr voor ttet a-Si systeem en 794 kWhikWpjr voor her p-Si systeem. Bij het eerste getal client opgemerkt te worden dat dit getal een gerniddelde is over een periode waarin het systeemrendement niet constant is (zie verderop). De opbrengstfaetor voor her p-Si systeem behoort tot de hoogste die tot op heden zijn gerapporteerd voor een netgekoppeld systeem onder vergelijkbare klimatologische omstandigheden [8].
3.60pbrengsffactoren Het nominale rendement onder standaard test condities is voor de a-Si panelen 4,2% (1l W bij een oppervlak van 0,264 m2) en 11,1% voor de p-Si panelen (Pnom = 40 W, A -- 0,36 mS), 66n en ander volgens opgave van de fabrikant. De twee jarige opbrengsten en instralingen leiden tot de volgende opbrengstfactoren: Opbrengstfactor a-Si -- 66% Opbrengstfactor p-Si = 76%
ECN-C--94-095
23
ECN-Duurzame Energie
3.7 Systeemrendement In figuur 4 zijn de systeemrendementen (niet gecorrigeerd voor temperatuur) afgebeeld voor a-Si en p-Si. De zaagtandvorm in de grafiek voor a-Si wordt in hoofdzaak veroorzaakt door het corroderen van de aansluitingen van de panelen; her vaststellen van de intfinsieke degradatie van de panelen wordt hierdoor onmogelijk. In juni 1993 an febmari 1994 is duidelijk waarneembaar dat een aantal slechte panelen door nieuwe exemplaren vervangen is. In figuur 4B is te zian dat llet ongecorrigeerde DC-rendement voor de p-Si centrale fluctueert tussen de 9 en 10%. Herkenbaar zijn de uitschieturs in de maanden februari (lage temperatuur dus hoog rendement) en het lage rendement in december 1993, veroorzaakt door de extreem lage instraling. Tevens is met enige goede wil in deze grafiek te zien dat van augustus 1993 her verschil tussen DC- en AC-rendement kleiner is omdat de bekabeling tussen de panelen en de inverter gewijzigd is van 2 x 5 ram2 in 2 x 20 mm2.
3.8 Rendement inverters Zowel van de Victron Ecoverter 1000 (met en zonder bekabeling) als van de Mastervolt Sunmaster 1800 (zonder bekabeling) zijn de rendementen vastgesteld (figuren 5a, 5b en 5c). Het rendement van de Ecoverter bedraagt maximaal 92%. Het rendement van de Sunmaster kon niet rechtstreeks gemeten worden omdat het gelijkstroomvermogen op de klernmen van de DC-koppelkast gemeten werd (dus inclusief de kabelverliezen). Aanvankelijk was de kabel tussan de DC-koppelkast en inverter een 40 m lange kabel 2x 5 mm~ (2x2x2,5//); zie fig. 5b. Vanwege de hoge kabelverliezen (40 W bij Pdc = 600 W) is de toevoerkabel verzwaard naar 2 x 20 mm~, waardoor nog maar 10 W koperverlies in de toevoerkabel optreedt bij dezelfde belasting (zie fig. 5e). Tussen bet rendement van de Ecoverter en de Sunmaster is nauwelijks verschil te bemerken.
3.9 Gelij kstroomrendement In figuur 6a is voor de maanden juni 1992 en febmari 1993 een zgn. scatterdiagram van her DC-systeemrendemem (niet gecorr, voor temp.) opgesteld voor de a-Si centrale. De scattering in beide curves wordt veroorzaakt enerzijds doordat het rendement bepaald is aan de hand van de instraling gemeten met een p-Si referentiecel, anderzijds vanwege wisselende temperaturen. Verder zouden versehillan in absorptie en reflectiegedrag als functie van de instraling een rol kunnen spelen. De curve van februari 1993 figt beduidend lager door eerder genoemde corrosie van de aansluitklemmen. Figuur 6B geeft de relatie tussen de instraling en het DC-systeemrendement van p-Si. De scattering is in dit geval vooral een gevolg van temperatuurverschillen.
24
ECN-C--94-095
Evaluatie meetresultaten
In figuur 6C is ta zien dat in juni 1992 de inverter als gevolg van een storing bij hoge instralingen her vermogen reduceerde. Figuur 6D toont dat her temperatuur-secorrigeerde rendement van p-Si vdjwel niet seizoenathankelijk is.
3.10 Paneeltemperatuur In figuur 7a zijn de gemiddelde paneeltemperaturen afgebeeld, behorend bij de instralingsklassen. Dit is gedaan voor de maanden juli 1993 an januarl 1994. De paneeltemperatuur van een p-Si paneel bedraagt in dit geval dus maximaal 40°C, de bijbehorend temperatuurstijging ten opzichte van de orngeving is 20 K (figuur 7b). Deze temperatuurstijging is uitzondarlijk laag omdat her een vrij opgesteld systeem betr~ft. De temp~’atuurstijging van a-Si is geringer dan die van p-Si. Hierbij wordt opgemerkt dat de emissieco~ffici~nt voor beide typen verschillend is en dat de temperatuurmefing voor de p-Si en a-Si panelen niet op identieke wijze plaatsvindt.
3.11 Praktijkaspecten Naast genoemde mefmgen zijn ook andere zaken vermeldenswaardig: - de draagconstructies van beide centrales zijn in perfecte conditie gebleven; - in de gehele meetperiode is geen enkel probleem opgetreden met de meetsensoran en meetwaarde-omvormers; menselijke fouten en beperkingen in de data-acquisitie-software hebben geleid tot enig verlies aan meetgegevens; onzorgvuldige montage van de koppelkast van de p-Si panelan heeft in her begin geleid tot uitvallen van strings; slechts ~n keer zijn alle PV-panelan gewassen omdat zich ean dikke laag stuifmeel erop had afgezet.
ECN-C--94-095
25
ECN-Duurzame Energie
26
ECN-C--94-095
4. CONCLUSIES Hoewel een belangrijk oorspronkelijk doel van bet project, het vaststellen van de intrinsieke degradatie van een amorf-silicium systeem onder Nederlandse praktijkcondities, niet kon wordan gehaald, is zeer belangrijk informatiemateriaal verzameld over het gedrag van dergelijke netgekoppelde PV-systeman. Daarnaast werden statistische gegevens verzameld over de instraling op de locatie Pettan, die kunnen bijdragen aan een nanwkeuriger voorspelling van de systeemopbrengst. Afgezien van problemen ten gevolge van vochtindringing in elektflsche aansluitingen en langs de randen van de modules voor amorf silicium, hebben de systeman en de meetapparatuur goed gefuncfloneerd: de beschikbaarheid van her totaal was beret dan 93% (die van de PV-systemen zelfs bijna
lO0%). Een goed functionerend (vrijstaand) netgekoppeld PV-systeem opgebouwd uit commercieel verkrijgbare componenten levert in Pettan bijna 800 kWh/kWpOr aan het openbare elektdciteitsnet (bij een instraling van 1030 kWh/m: in het horizontale vlak). Het gemiddelde vedies ten gevolge van de DC/AC omzetting is minder dan 10%. De temperatuurstijging van de modules ten opzichte van de omgeving is ruwweg 0,02 K/(Wim~) en bedraagt derhalve nooit meer dan 20 K. Dit is weinig in vergelijking met dak-ge’fntegreerde systemen, hetgeen uiteraard de opbrengst ten goede komt.
ECN-C--94-095
27
ECN-Duurzame Energie
28
ECN-C--94-095
5. AANBEVELINGEN - De duurzaamheid van eneapsulatie en elektrische aansluitingen voor amorfsilieium modules diem onder praktijkomstandighedan te worden onderzocht alvorens grootschalig gebruik verantwoord is. - Om de beoogde degradatie van a-Si panelen te kurmen vaststellen is bet noodzakelijke bet corrosieprobleem van de aansluitingert van de panelen op te lossen. Hiertoe zouden de PV-panelen van de eerste leverantie van NAPS vervangen moeten worden door nieuwe exemplaren. De metingen aan de bestaande meetopstelling zullen dan voortgezet moeten worden voor de duur van opnieuw twee jaar. Er dient een daidelijke afspraak gemaakt te worden over te hanteren definities ten aanzien van rendement en opbrengst bij amorf-silicium modules. Hetzelfde geldt voor de wijze waarop instraling wordt gemeten. Onderzoek naar eenvoudige methoden voor het nauwkeurig voorspellen van de praktijkopbrengst van verschillende soorten PV-modules en systemen dient te worden bevorderd.
ECN-C--94-095
29
ECN-Duurzame Energie
30
ECN-C--94-095
6. REFERENTIES [1] N.J.C.M. van der Borg, J. van Twisk Programmabeschrijving van WIMPRO (Wlndturbine MeetPROgramma) Petten, DE-memo-90-08 [2] Commission of the European Communities Joint Research Centre - Ispra Establishment Guidelines for the Assessment of Photovoltaic Plants, Issue 4, January 1991 [3] C.W.A. Balms en N.J.C.M. van der Borg Werkplan voor metingen aan de amorf silicium centrale en de polykfistallijn silicium centrale Pettan, DE-memo-92o01 [4] C.W.A. Balms Ontwerp en beproeving van een vermogensmeetprint Petten, DE-memo 92-46 [5] C.W.A. Balms Realisatie en beproeving van een centrale met amorf silieium zonnepanelen met bijbehorend meetsysteem Petten, DE-memo-92-40 [6] C.W.A. Baltus Amorf-silieium zormecentrale bij ECN Duurzame Energie, april 1992 rrr. 2, p. 17 e.v. [7] C.W.A. Balms et al Praktijkervaring met een 1 kWp amorf silicium zormecentrale Verslag de 4e Nederlandse zonne-energie conferentie, Veldhoven 1993, p. 123 e.v., Holland Solar Utrecht
ECN-C--94-095
31
32
BIJLAGE i.
33
BIJLAGE 2. Ligging van de panelen t.o.v, de ZOn.
34
BIJLAGE 4a. Schematische opbouw meetsysteem.
-H
BIJLAGE 4bi Schematische opbouw van de PV-installatie.
o
I
i 37
ECNoRX-o93-092
FIELD EXPERIENCE WITH A GRID-CONNECTED PHOTOVOLTAIC SYSTEM BASED ON AMORPHOUS SILICON G.W. HASSE* W.C, SINKE C.W,A. BALTUS P,W. VINK N.J.C.M, VAN DER BORG "FOREIGN ASSIGNMENT FROM: ELECTRICITY SUPPLY COb’~v~]SS]ON (ESKOM), RSA
THIS PAPER HAS BEEN PRESENTED AT THE ISES SOLAR WORLD CONGRESS, BUDAPEST, AUGUST 23-27, 1993
38
FIELD EXPERIENCE WITH A GRID-CONNECTED PHOTOVOLTAIC SYSTEM BASED ON AMORPHOUS SILICON G.W. Hasse’, W.C. Sinke, C.W.A. Baltus, P.W. Vink & N.J.C.M. van der Borg Netherlands Ener~ Research Foundation ECN Renewable Energy Postbox 1 1755 ZG Patten The Netherlands
*Foreign assignment from: Eleca’icity Supply Commission (ESKOM) Marimba Powe~ Station Private Bag X215 Ellisras 0555 South-Africa
A 1 kWp grid-connected photovoltaic plant based on amorphous silicon, has been operated for a period of one year at the premises of the Netherlands Energy Research Foundation (ECN). Being the first amorphous silicon grid connected plant in the Netherlands, the project’s aim was to gain field experience under typical Dutch climatical conditions. Results indicate a high inverter efficiency but a drop in the dc system efficiency from 4% to 2.2% due to defective modules and, to a smaller extent, intrinsic module degradation. After replacement of the defective modules the efficiency of the total system was restored to 3.8%. A subarray consisting of original modules showed an efficiency of 3.5% after one year of operation. Apart from the module related problems that have been solved, the system has been found to be very reliable.
i. INTRODUCTION Photovoltaic (PV) grid-connected systems based on monoor polycrystalline silicon solar cells have proven to be stable, reliable and capable of operating at dc system efficiencies ranging from 8 - 12 % (i). These systems are however still expensive and research is aimed at increasing cell and module efficiencies while reducing their manufacturing cost. Another approach is to develop cells based on entirely different materials and manufacturing processes such as amorphous silicon (a-Si). A~Si modules have the potential to be produced at low cost, provided the production volun~ is sufficiently large. This makes them an attractive candidate for large-scale solar electricity generation. A major bottleneck for such an application is the lack of proven reliability due to the small number of field experiments performed so far, the occurrence of an initial efficiency degradation and the relatively low stabilized
efficiencies of commercial modules. Present day grid-connected systems based on a-Si operate at dc system efficiencies ranging from 2.2 % to 4.4 % (1,2,3,4). ECN Renewable Energy constructed and tested a 1 kilowatt-peak (kWp) grid connected system based on a-Si which consists of Neste Advanced Power Systems (NAPS-France) solar modules and a Victron inverter. This system has now been operated for a period of one year with the project aim to gain field experience under typical Dutch paper ¯ climatical conditions. This provides details concerning the design and construction of the system and describes monitoring results o£ the major system parameters. 2. P~NT DESCRiPTiON Two grid connected PV systems are currently operated at the premises of ECN in the province of North Holla~d. A 1 kWp system based on
FIGURE i. Picture of the two grid connected PV systems at ECN~ (front) park of the 1 kWp p-si system and (rear) the 1 kW~ a-Si system
polycrystalllne silicon (p-Si) and a 1 kWp system based on a-Si are separately connected to the grid and monitored continuously (figure i). The system based on a-Si comprises a total of 96 solar modules (NAPS-France: type AI3R, 923x311 mm) with aluminium frames and an individual module power rating of ii Wp to produce a maximum system output of 1054 W at an irradiation level of i000 W/m~. Before construction the modules have been sorted according to their open circuit voltages V~ and short circuit currents I,= to reduce mismatch losses as much as possible (typical values are: V~=22 V,I~==0.9 A @ 1000 W/m~, AM 1.5, 25 °C)~ Four modules were connected in parallel to form a subset. Four subsets were then connected in series to form a subarray and six subarrays were connected in parallel to form the a-Si solar generator. Refer to figure 2 for a schematic layout of the grid-connected system. The solar generator operates at a system voltage of 64 Vdc and a maximum current of 15,6 A and is connected to a DC/AC-inverter which feeds the output power into the grid at 220 V, 50 Hz.
4O
grid FIGURE 2. Schematic layout of the 1 kWp grid-connected PV system based on a-Si at ECN All the subarrays are mounted on an aluminium/steel framework at a tilt angle of 45° and directed south. Protection against lightning is provided by conductors driven into the ground around each group of 3
sub~rrays and which are connected to the aluminium/steel frameworks and the module frames.
ISPRA norms. 4. STARTUP PROBLEMS
The high efficiency inverter (Victron: type Ecoverter i000) is equipped with a built-in maximum power point tracker (MPPT) to maximize the system power output. The inverter is based on digital pulse width modulation and capable of handling a nominal power of I000 W and a peak power of 1200 W for a period of i0 minutes. MEASUREMENTS Measurements have been carried out according to ISPRA guidelines which provide a standard for measuring and comparing of PV systems in Europe (5). Data was recorded as i0 minute sums and means by a 12 bit 18 Hz data acquisition system (Burr Brown: type PCI-20089W-I) integrated with a PC and a locally designed and a modified version of the computerprogramme WIMPRO which was originally developed for use with wind turbines (6). Global irradiation is measured with a horizontally installed pyranometer (Kipp & Zonen : CM21 ) and a p-Si reference cell (R&S Renewable Energy Systems : type RSM40) at the same inclination as the subarrays. The temperature of the a-Si modules are measured with a module embedded sensor (Analog Devices: type AD590) while an outdoor temperature sensor measures the air teraperature (Miery : type 1/435). The signal conditioners have been located close to the above mentioned sensors to avoid unwanted disturbances in the output signals. The solar generator output voltage has been measured at the terminals of the solar generator to eliminate the voltage drop in the transmission cable to the measuring wagon. The output current of the generator is measured at the input connectors of the inverter. In order to determine the inverterand system ef flciencies0 the dc power at the input side and the ac power at the output side o£ the inverter are measured by ECNdesigned printed circuit boards (7) . The energy fed into the utility grid is also measured with conventional kWh-recorders to ensure continuation of data acquisition in case of a failure in the measurement system. All measuring devices have been calibrated by either ECN or the manufactures to comply with the
The system was connected to the grid in April 1992 but due to initial problems, the first useful measurements could only be recorded from June 1992 (8). An isolation switch in the inverter repeatedly tripped due to faulty manufacturing and was replaced. At first the power produced by the solar generator seemed to drop at midday temperatures. It was discovered that the performance of the MPPT tracker was unintentionally altered in order to reduce power dissipation in the inverter housing and thereby preventing a too high box temperature. The respossible thermistor was replaced and the inverter functioned as expected at all times. After solving these problems the system operated smoothly and unbiased data was recorded from July 1992. 5. OPERATIONAL PROBLEMS After some months of operation of the system some modules showed traces of corrosion in their lower corners. This was due to a leaky seal between the module frame and the module glass plates. The problem was discussed with the manufacturer who implement a better module seal in the manufacturing process. An increased drop in system efficiency lead to the discovery in June 1993 of defective modules. A total of 30 out of the 96 modules were found to be defective and were replaced by the manufacturer. Most of the defective modules produced no power at all when replaced due to failing electrical connections between the active layer and the module connector box and a few defective modules had bad electrical connections between the module connector box and the subarray wiring system. New modules were installed in June 1993 and it was decided to replace defective modules in such a way as to group 16 original modules in one subarray which would be monitored separately during July 1993. 6. RESULTS The solar irradiation intensity in the plane of the modules has bgen recorded over a one year measuring period and binned into 50 W/m~
intervals to give the time duration of each interval of the irradiation spectrum as shown in figure 3a (interval: 0 to 50 W/m~ is ’25’}. The energy content of each of these intervals is depicted in figure 3b. Noticeable is the long duration of low intensity irradiation intervals (roughly 0-225 W/m2 in figure 3a) which contain a substantial part of the total available solar energy, In order to harness most of this available irradiated energy, an inverter with high efficiency at low partial load is required°
SOLAR IRRADIATION PARTITION =e~urln~ permd: June ’ $2 - rla4 ~ 9~
The monthly incident irradiation energy and the actual electrical energy produced by the system are depicted in figures 4a and 4b. The available irradiation energy in summer is roughly I0 times as much as in winter in a horizontal plane and 6-7 times as much in the plane of the modules. The electrical energy produced differs approximately by a factor 9 for the same period. The difference of these factors may be partly attributed to the lower inverter efficiency at partial load which is more important in winter than in summer because most of the irradiated energy is in the lower intensity classes. A typical sinusoidal energy delivery pattern with seasons is evident from these figures.
MONTHLY SOLAR IRRADIATION
Irradlatzen *ntens~tg [H/~2]
FIGURE 3a. Time duration irradiation intensity classes
of
IRRADIATION ENERGY PER CLASS
,~0
30 20 ~0 0
FIGURE 3b. Irradiation energy contained in intensity classes 42
FIGURE 4a. Irradiation energy per month for horizontal and ~5s
The average system efficiencies are depicted in figure 5. The dc system efficiency decreased from 4 % in June 1992 to 2.2 % in May 1993 and the steepest decrease occurred from August 1992 to March 1993 whereafter the system efficiencles tended to stabilize. With the defected modules replaced by new ones, the system efficiency increased to 3.8 % in June 1993 and the subarray, consistin~ of original modules, showed an efficiency of 3.5 % in July 1993. If the original system efficiency (July 1992) is compared with the efficiency of the subarray (July 1993), it appears that most of the decrease in system efficiency have
MONTHLY AC ELECTRICAL ENERGY
90 ’% for input powers of about i00 W and up~ This result is very important because of the substantial amount of energy available in the lower power classes at this site (figure 3a).
INVERTER EFFICIENCY
t 0
¥~GURE 4bo AC electrical energy produced by the PV system per month been due to totally defective modules, Thus, it can be estimated that the intrinsic degradation of the modules over this period is no more than 0.5 % (from 4 % to 3.5 %) and that the remainder of the loss in efficiency is due to faulty electrical connections.
..~..........~-.-. i......~..-.-.b.....i...-.;.-....;.......-~ ..........
FIGURE 6. Efficiency of the inverter for the a-Si system
6. CONCLUSIONS
SYSTEM EFFICiENCIES
0 Jun ~ug Oct Oec Feb ~pr JunJul (see ~ext )
PIGURE 5. System efficiencies of the a-Si system for the one year measuring period and upon replacement of defective modules (J~ne 1993) and efficiency of a s~barray consisting of original modules (J~ly 1993) As can be seen from figure 6 the efficiency of the inverter is above
After a few start-up problems the 1 kWp grid connected PV system based on a-Si supplied electricity for a period of one year, The local Dutch climatical conditions are characterised by a summer irradiation 6-7 times greater than in winter when compared at a tilt angle of 45°. The inverter has an efficiency of higher than 90 % for input powers above 100 W. The dc system efficiency decreased from 4 % to 2.2 % for the one year measuring period mainly as a result of faulty electrical connections. A subarray consisting of original modules showed an efficiency of 3.5 % after one year of operation. This indicates that the intrinsic efficiency degradation is limited to roughly 0.5 % (from 4 % to 3.5 %). In a previous paper (9) the fraction of efficiency loss due to intrinsic degradation of the modules could ~ot be determined and therefore the results of the one subarray ~f original modules provide very important additional information about the stability of the active a-Si layer. Considering the efficiency of the
43
original subarray as a measure of total system performance, our system efficiency would be comparable with those obtained at other locations and for other modules(l). 7. ACKNOWLEDGEMENTS This project is jointly financed by Novem (contract no: 41.250-011.1) and ECN as part of the ENGINE (ENergy Generation In the Natural Environment) programme° REFERENCES (i) PVUSA: performance, experience and cost, T.R. Candelario, S.L. Hestsr, T.U. Townsend and DoJo Shipmmn, Conference record of the 22nd IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Volume I, (IEEE, Las Vegas, 1991), p.493. ( 2 ) Performance of amorphous silicon PV modules and arrays in Florida, G.H. Atmaram and B. Marion, Proc. 6th International Photovoltaic Science and Engineering Conference, editors B.K. Das and S.N. Singh (Oxford & IBH Publishing, New Delhi, India, 1992) p.493 o (3) 1 MW Photovoltaic project: planning, construction and operation of photovoltaic power plants, U. Beyer, R. Pottbrock and R. Voermans, Proc. llth EC Photovoltaic Solar Energy Conference, editors L. Guimaraes, W. Palz, C De Reyff, H. Kiess and P. Helm (Harwood Academic Publishers, Chur, Switzerland, 1992) p.1221o Long term behaviour of (4) Monocrystalline and of Amorphous Modules in the Medium Size Grid Connected PV Plan~ Tiso, M. Camani, D. Chianese and S. Rezzonico, Proc. llth EC Photovoltaic Solar Energy Conference, editors L. Guimaraes, W. Palz, C De Reyff, H. Kiess and P. Helm (Harwood Academic Publishers, Chur, Switzerland, 1992) p.1235. (5) Photovoltaic Systems Monitoring: Guidelines for the Assessment of Photovoltaic Plants, Commission of the European Communities Joint Research Centre, Document A, Issue 4, January 1991o (6) Programmabeschrijving van WIMPRO, N.J.C.M. van der Borg and J van Twisk, Netherlands Energy
Research Foundation (ECN, Petten, The Netherlands, 1990) reportno: ECN-DE-Memo-90-08o (7) Ontwerp en beproevlng van een vermogens-meetprint, C.W.A. Baltus, Netherlands Energy Research Petten, The Foundation (ECN, Netherlands, 1992) reportno: ECNDE-Memo-92-46. (8) Realisatie en beproeving van sen centrale met amorf silicium zonnepanelen met bijbehorend meetsysteem, C.W.A. Baltus, Netherlands Energy Research Foundation (ECN, Petten, The Netherlands, 1992) reportno: ECNDE-Memo-92-40. (9) PrakCijkervaring met een 1 kWp amorf silicium Zonnecetrale, C.W.A. Baltus, N.J.C.M. van der Borg, W.C. Sinks and P.W. Vink, 4th Netherlands Solar Energy Conference (Holland Solar, Utrecht, The Netherlands) p.123.
TABEL AI.I Instralingsgegevens.
45
TABEL AIo2 Instralingsgegevenso
46
TABEL AI.3 Instralingsgegevens.
47
TABEL AI.4 Instralingsgegevens.
48
TABEL AI.5 Instralingsgegevens.
49
TABEL AI.6 Instralingsgegevens.
50
TABEL AI.7 Instralingsgegevens.
5~
TABEL A2.1 INSTRALINGEN EN VERMOGENS
METINGEN bins
In_.G gem
[W/m J J A S O N D J F M A M J J A S 0 N D J F M A M
3684 4457 4459 4318 4253 4147 4461 4445 4029 4461 4227 4276 4306 3910 4433 3719 1655 4176 4486 4445 3800 4467 4320 2863 97797
4320 4464 4464 4320 4464 4320 4464 4464 4032 4464 4320 4464 4320 4464 4464 4320 4464 4320 4464 4464 4032 4464 4320 4464
]
247.93 227,70 171.14 114,13 62.51 32.84 22.33 24.89 45,71 121.19 155.01 221.29 246.95 186,39 173.26 119.61 48.33 31.05 15,91 27.51 60.37 98.10 158.52 200.58
In_P gem [W/m ]
In_A gem [W/m ]
212.39 204.30 167.50 128.63 83.54 47.77 34.47 35.41 54.54 149.93 157.07 204.92 209~67 166.72 171.04 139.13 66.59 45.83 20.15 42.31 87.65 119.43 162.12 187.47
213.85 204,89 167.04 127,72 81,88 45.47 32.03 32.11 51.80 148.50 155.47 205.51 210.48 166.42 169.98 137.20 63.80 42.47 17.04 43.56 92.14 137.05 185.74 214.90
Pdc_p gem [W] 172.20 163,88 135.48 105.84 68.72 40.67 28.71 28.59 45.23 129.53 123.97 169.62 171,48 132.51 135.42 113.61 54.79 36.29 13.83 33.91 71.96 102.33 138.29 156.08
Pdc_A gem [W] 216.64 207.70 165.24 120.87 73.02 38.34 23.57 22.83 34.21 86.31 90.31 115.84 202.73 148.38 132.93 109.99 47.14 28.97 10.97 25.16 54.19 71.07 124.03 68.57
Pac_P gem [W] 149.39 142.16 117.45 92.16 59.24 34.83 24.53 24.33 38.56 112.84 115.69 146.68 148.56 115.90 120.77 101.12 48.04 31.77 11.33 29.57 64.30 91.22 123.89 139.70
Pac_A gem [W] 196.17 187.64 149.46 109.85 66.14 34.80 21.45 20.70 30,95 79.19 82.56 105.89 183,12 129.48 120.28 99.50 42.58 26.16 9.68 22.68 49.45 64.30 112.46 61.97
105120
BEREKENINGEN De berekeningen zijn gecorrigeerd voor I00 % beschi~-baarheid (Beschi)~baarheid van her meetsysteem was 93,2%) E_G E_P E_A gem gem gem [kW~/m2 ] [kWh/m2 ] [kWh/m2 ] J J A S O N D J F M A M J J A S O N D J F M A M Ju192-mei93 ju193-mei94 ju192-mei94
52
178.5 169,4 127.3 82.2 46.5 23.6 16.6 18.5 30.7 90.2 111.6 164.6 177.8 138.7 128.9 86.1 36.0 22.4 11.8 20.5 40.6 73.0 114.1 149.2 1060 999 2059
Edc_p gem [kwh]
Edc_A gem [kWh]
Eac_P gem [kWh]
Eac_A gem [kwh]
152.9 152.0 124.6 92,6 62.2 34.4 25.6
154.0 152.4 124.3 92.0 60.9 32.7 23 ¯ 8
124.0 121.9 i00.8 76.2 51.i 29.3 21.4
156.0 154.5 122.9 87.0 54.3 27.6 17.5
107.6 105.8 87.4 66,4 44.1 25.1 18.3
141.2 139.6 iii.2 79.1 49.2 25.1 16.0
36.7 111.5 113.1 152.5 151 . 0 124.0 127.3 100.2 49.5 33.0 15.0
34.8 110.5 Iii. 9 152.9 151 , 5 123.8 126.5 98.8 47.5 30.6 12.7
30.4 96.4 89.3 126.2 123 , 5 98.6 i00.8 81.8 40.8 26.1 10.3
23.0 64.2 65.0 86.2 146 . 0 110,4 98.9 79.2 35,1 20.9 8.2
25.9 84.0 83.3 109.1 107 . 0 86.2 89.9 72.8 35.7 22.9 8.4
20.8 58,9 59.4 78.8 131 . 8 96,3 89.5 71.6 31.7 18.8 7.2
1084 1035 2120
1074 1027 2101
888 847 1735
875 747 1622
775 749 1524
795 672 1467
TABEL A2.2
J J A S O N D J M A M J J A S O N D J F M A M Ju192-mei93 ju193-mei94 Ju192-mei94
Edc_P/m2
Edc_A/m2
Eac_P/m2
EaC_A/m2
[kWh/m2]
[kWh/m2 ]
[kWh/m2]
[kWh/m2]
14.36 6.16 13.66 5.91 ii,29 4.70 8.82 3.44 5.73 2.08 3.39 1.09 2.39 0.67 2.38 0.65 3.77 0.97 10.80 2.46 10.34 2.57 14.14 3.30 14.30 5.77 11.05 4.22 11.29 3.78 9.47 3.13 4.57 1.34 3.03 0.82 1.15 0.31 2.83 0.72 6.00 1.54 8.53 2.02 11.53 3.53 13.01 1.95 =========== =========== lO1.1 34.0 96.8 29.1 197.8 63.1
12.45 11.85 9.79 7.68 4.94 2.90 2.05 2.03 3.21 9.41 9.65 12.23 12.39 9.66 10.07 8.43 4.01 2.65 0.94 2.47 5.36 7.61 10.33 11.65
Re~.dc [%] J J A S o N D J F M A M J J A S O D J F M A M Gemiddeld Juli’92-rnay,94
9.39 8.99 9.06 9.53 9.22 9.86 9.33 9.05 10.29 9.68 9.14 9.28 9.47 8.91 8.87 9.46 9.22 9.17 7.69 8.98 10.19 9.60 9.88 9.33 9.41
Rend.dc [%]
===========
88.2 85.6 173.7 Rend.ac [%]
Niet temperatuur 4.00 3.88 3.78 3.74 3+41 3.33 2.81 2.72 2.80 2.22 2.30 2.16 3.81 3.41 2,99 3.17 2.83 2.70 2.46 2.27 2.62
3.08
5.58 5.34 4.25 3.12 1.88 0.99 0.61 0.59 0.88 2.25 2.35 3.01 5.21 3.68 3.42 2.83 1.21 0.74 0.28 0.65 1.41 1.83 3.20 1.76 =========== 30.9 26.2 57.1 Rend.ac [%]
gecorrigeerd 8+14 3.62 7.80 3.50 7.86 3.42 8.30 3.40 7.95 3.09 8.44 3.02 7.97 2.56 7.70 2.46 8.77 2.53 8.43 2.04 8.53 2.10 8.02 1.97 8.20 3.44 7.79 2.97 7.91 2.71 8.42 2.87 8.88 2.55 8.03 2.43 6.30 2.17 7.83 2.05 9.10 2.39 8.56 8.85 8.35 8.16
2.79
53
IRRADIATION ENERGY PER CLASS measuring period june ’92 - may ’94
160
0
25
175
325
475
625
775
925
~075
I~adiation intensity [W/m2] Figuur la.
Irradiation energy per class.
SOLAR IRRADIATION PARTITION measuring period june ’92 - may ’94
1(
25 125 225 325 425 525 625 725 825 925 1025 Irradiation intensity [W/m2] Figuor lb. Solar irradietion partition.
54
MONTHLY SOLAR IRRADIATION measuring period June ’92 - May ’94
180
J J A S OND J FMAMJ J AS OND J FMAM Month ~ E_G (hor)
~ E_A (45 degr.)
Figuur 2. Monthly solar irradiation.
55
MONTHLY YIELD a-Si measuring period June ’92 - May ’94
J JAS OND J FMAM J J AS OND J FMAM ! Edc_A/m2 ~ Eac_A/m2 Figuur 3a. Monthly yield a-Si (dc and ac).
MONTHLY YIELD p-Si measuring period June ’92 - May ’94
16-
10864" 2J JASONDJFMAMJ JASOND JFMAM Mouth 1~ Eric_P/m2 ~ Eac_P/m2 Figuur 3b. Monlh!y yield p-Si (dc and ac)
56
SYSTEM EFFICIENCY a-Si Active area (June ’92 - May ’94)
4o5"
3.5°
J JASOND JFMAM J JAS OND J FMAM
~ dc ~ ac Figuur 4a. System efficiency a-Si.
SYSTEM EFFICIENCY p-Si Active area (June’92 - May’94)
I
J J A S OND J FMAM J J A S OND J FMAM Month ~ de ~ ac Figuur 4b. Syatem efficiency p-Si.
57
Efficiency VICTRON ECOVERTOR 1000 June 1993
100 9080706050 4O 30 20 10 0
lO0
200
300
400 500 600 Pdc_Ai [W]
700
800
Figuur 5a. Efficiency Victron Ecoverter i000.
58
900 1000
Efficiency Ecovertor 1000 Incl. 40m cable 2x 5 mm2 100 9080" 70 60" 50 40 30 20 10 0 0
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Pdc_P [W]
Figuur 5b. Efficiency Ecoverter i000, kabel 2x5 mm2~
Efficiency Sunmaster 1600 Incl ~[0 m cable 2*20 ram2
0 100 200 300 400 500 600 7bO 800 9~)0 1000 Pdc_P [W] Fi~,uur 5c. Efficiency Sunmaster ~00, kabel 2x20 ram2.
59
dc-SYSTEM EFFICIENCY: a-Si Active area (Jun’92 and Feb’93)
Jun’92
Feb’93
100 200 300 460 560 660 760 I~adiation intensity [W/m2] Figuur 6a. Sys_rend=f(Iref).
dc-SYSTEM EFFICIENCY p-Si Active area (Sept ’92)
4
o ~6o a60 360 460 560 660 760 860 960 1000 I~adiation intensity [W/m2] Fi,2uur 6b. S)~;_r~::~d=f(Ir~f).
6O
dc-SYSTEM EFFICIENCY: a-Si temperature corrected active area
4.5 4
~2.5. 2 1.5 2’5 li5’ 2½5’ 3~5’ 4~5 ’5~5 ’6½5 ’ 7i5’ 8~5’ 9~5’ Insolation [W/m2] + jun’92 + dec’92 ~ may’93 Figuur 6c, Sys_rend=f(Iref)o
dc-SYSTEM EFFICIENCY p-Si Temp. corr., active area (Jun92-Feb93)
12-
= 6-
................ 25 125 225 8i5’955’ 325 425 525 625 725 l~adiation intensity [W/m2] jun’92 + jul dec ~ feb’93
+ aug
Figuur 6d. Sys_rend=f(Iref)
61
Tpanel = f(Irradiation) July ’93 and january ’94
4O
30252O"
5Irradiation class [W/m2] ~ T_P (Jan) + T_A (Jan) + T_P (July) ~ T_A (July) Figuur 7a. Tpanel.
Temp.rise PV-panei = f,,(.Irradiation) July ’93 and January 94
25 125 225 325 425 525 625 725 825 925 Irradiation class [W/m2] + DeltaT_P (Jml) --x<-- DeltaT_A (Jm0 ---m- DeltaT_P (July) ~ DeltaT_A 0uly) Figuur 7b. Temp.rise PV-panel.
62
Pdc A en Pac A = f(In_A) -- 15 juni 1992, st~ttijd 4:20 u
1000 900" 800700 600 500 400’ 300 200. 100. 0 4
900 ’800 700 600 ’500 .400 ’300 200 100
--- Pdc_A .......
Pac_A -- In_A
Figuur 8. Failure in power control.
63
