Für die genaue Vorhersage des Energieertrags von Solaranlagen werden sogar die Satelliten der NASA mobilisiert
May, 2020




Im Zuge des Wachstums des PV-Marktes verbessert sich die Effizienz der Solarstromerzeugung rasch. Darüber hinaus ist die damit verbundene F&E sehr aktiv. Heute stellen wir die neueste Forschung von Professor Carlos Coimbra vor, die die Solarenergieerzeugung auf der Grundlage der Wolkendecke und der hocheffizienten Q.ANTUM-Zelle von Q CELLS, die reflektiertes Licht wiederverwendet, vorhersagt.



Berechnung der durch Wolken absorbierten Sonnenlichtmenge mit Hilfe eines NASA-Satelliten 


Die Sonnenenergie, die die äußere Atmosphäre der Erde erreicht, beträgt etwa 1.360 W/㎡. Allerdings erreicht nicht die gesamte Energie die Erdoberfläche. Ein Teil wird in der Erdatmosphäre gestreut oder in den Weltraum zurückreflektiert. Im Durchschnitt erreichen 1.025 W/㎡ und 550 W/㎡ an einem sonnigen Tag bzw. an einem bewölkten Tag die Erde. Die Stromerzeugung durch Solarenergie wird durch Wolken, Feinstaub und andere Faktoren stark beeinträchtigt. Wolken bilden sich aus Milliarden winziger Tröpfchen im Größenbereich von 0,02-0,05 mm und winzigen Eispartikeln. Das bedeutet, dass Wolken gleicher Größe je nach ihrer Zusammensetzung unterschiedlich viel Sonnenenergie reflektieren. Deshalb entwickeln Wissenschaftler Methoden, um die Leistung der Sonneneinstrahlung genau vorherzusagen. Wenn die photovoltaische Stromerzeugung durch Sonnenenergie genau abgeschätzt werden kann, können wir berechnen, welche Strommenge aus anderen Energiequellen gesichert werden muss und wie viel Strom zu speichern ist.  




▲ Wolken verringern die Intensität der Sonneneinstrahlung | Quelle: Pixabay




Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Carlos Coimbra an der Universität von Kalifornien in San Diego entwickelte kürzlich eine Methode, bei der der Satellit GOES-R verwendet wird, um die Menge an Sonnenenergie, die Wolken absorbieren, genau zu berechnen. Der Satellit wurde 2016 von der NASA gestartet und befindet sich in zuvor festgelegten Umlaufbahnen über der Erdoberfläche. GOES-R ist mit ABI (Advanced Baseline Imager) ausgestattet, das die Erde in 16 verschiedenen Spektralbändern im sichtbaren und infraroten Wellenlängenbereich abbildet, um das Wetter vorherzusagen. Da Infrarot-Wellenlängen leicht von Wasserdampf absorbiert werden, helfen sie, die Verteilung von Wasserdampf in der Atmosphäre darzustellen. Infrarot-Wellenlängendaten können sogar während der Nachtzeit gewonnen werden. Mit dieser Technologie sammelt der Satellit mit 16 Wellenlängen unterschiedliche Informationen über dieselbe Atmosphäre.


Das Team von Professor Carlos Coimbra nannte diese Schätzmethode "SCOPE (Spectral Cloud Optical Property Estimation)".




▲ Schematische Darstellung des GOES-R Satelliten. Der für die Forschungsarbeit benutzte ABI (Advanced Baseline Imager) Sensor befindet sich unten am Satelliten | Quelle: NASA



Geostationäre Satelliten beobachten das Wetter und umkreisen die Erde mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Rotationsgeschwindigkeit der Erde in 36.000 km Höhe über dem Erdäquator. Von der Erde aus bleibt der Satellit immer über demselben Punkt, daher nennt man ihn geostationär. Das Forschungsteam hat auf der Grundlage der vom GOES-R-Satelliten gesammelten Daten die Höhe, Dicke und optische Tiefe der Wolken berechnet. Die optische Tiefe der Wolken stellt die Menge des Sonnenlichts dar, nachdem es beim Durchgang durch die Wolke absorbiert oder gestreut wurde und somit abnimmt. Darüber hinaus entwickelte das Team ein Modell zur Schätzung der durch Sonnenenergie am Boden erzeugten Leistung auf der Grundlage der drei Eigenschaften der Wolken und verglich dann ihre Schätzungen mit Messungen an sieben bodengestützten PV-Erzeugungsstandorten. Da der GOES-R-Satellit die Atmosphäre in 5-Minuten-Intervallen fotografiert, war das Forschungsteam in der Lage, das Energieerzeugungsvolumen alle fünf Minuten zu schätzen. Infolgedessen schätzte das Team an vier Standorten die Leistung mit einem Fehler im Bereich von weniger als 10 W/㎡, und an den anderen drei Standorten betrugen die Unterschiede zwischen der tatsächlichen Leistung und der Schätzung 11,2, 17,7 und 20,2 W/㎡. Professor Carlos Coimbra erläuterte: "Die Genauigkeit der Schätzung war recht hoch, wenn man die Gesamtstromleistung der Werke betrachtet. Die Genauigkeit wäre noch weiter gestiegen, wenn wir die Eigenschaften der Solarzellen und die Umgebung in die Analyse einbezogen hätten. Dies war die erste Studie, in der die optischen Eigenschaften von Wolken, die die Solarstromerzeugung beeinflussen, in diesem hohen Detaillierungsgrad analysiert wurden. Die Verbesserung und bessere Nutzung von SCOPE würde eine neue Ära der Vorhersage der PV-Erzeugungsleistung eröffnen".  




Bilder der Atmosphäre, mit ABI photographiert am 15. Januar 2017 in 16 Wellenlängen | Quelle: NASA



Q CELLS verwendet verlorenes Sonnenlicht wieder 


Die Vorhersage der PV-Leistungsabgabe auf der Grundlage der Bewölkung kann die Effizienz der Stromerzeugung steigern. Da dies jedoch nicht die Menge an Sonnenenergie erhöht, die die Erdoberfläche erreicht, ist die Vorhersage allein im Hinblick auf eine erhöhte Leistung nicht sinnvoll. Deshalb hat Q CELLS Q.ANTUM entwickelt, das die Leistung maximiert, indem es die Verluste minimiert, die bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Elektrizität auftreten. Q.ANTUM-Zellen verwenden die PERC-Technologie (Passive Emitter Rear Contact) auf der Rückseite der Zellen. 

Mit der PERC-Technologie hergestellte Solarzellen weisen auf der Rückseite einen Spiegel auf. Die Zelle reflektiert und absorbiert dann die in die Zelle übertragene Energie, ohne dass sie in Elektrizität umgewandelt wird, um zusätzlichen Strom zu erzeugen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Solarzellen, die die Energie, die nicht beim ersten Mal absorbiert wird, nicht nutzen können, nutzt die Q.UANTUM-Zelle die reflektierte Energie, um den Wirkungsgrad der Stromerzeugung zu maximieren. Darüber hinaus hat Q CELLS eine hocheffiziente Solarzelle entwickelt, die Anti-PID-, Anti-LID- und Anti-LeTID-Technologien integriert, um Faktoren zu überwinden, die eine Leistungsverschlechterung der Solarzellen verursachen. Q CELLS hat den Meilenstein von 1 Milliarde produzierter Q.ANTUM-Solarzellen bereits im Jahr 2017 erreicht. Eine Milliarde Q.UANTUM-Zellen produzieren die entsprechende Menge an Elektrizität, die die 6 Millionen Einwohner der koreanischen Städte Busan und Daegu in einem Jahr verbrauchen. 
Q CELLS investiert weiterhin in Forschung und Entwicklung, um den Wirkungsgrad der Solarzellen zu verbessern. Es wird spannend zu sehen sein, wie Q CELLS die Effizienz von Solarzellen in Zukunft noch weiter verbessern wird.


Quelle  |  Hanwha official blog (geschrieben vom Wissenschaftskolumnisten Youngkyung Park)


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