Einfluss transienter Beleuchtung auf die elektrische Charakteristik von Solarzellen bei fahrzeugintegrierter Photovoltaik

Abstract

Fahrzeugintegrierte Photovoltaik stellt eine Möglichkeit zur Verlängerung der Reichweite von Elektrofahrzeugen dar. Eine Herausforderung stellt jedoch das Auftreten von transienter (Teil-)Verschattung dar. Im Rahmen dieser Arbeit soll untersucht werden, mit welchen Frequenzen Änderungen der Sonneneinstrahlung auf ein fahrendes Fahrzeug auftreten und wie die Solarmodule selbst (elektrisch) auf diese reagieren. Dazu wurde ein Versuchsaufbau entwickelt, welcher es ermöglicht die Sonneneinstrahlung auf einem fahrenden Fahrzeug in verschiedenen Raumrichtungen mit hoher zeitlicher Auflösung zu messen. Der Messaufbau ermöglicht es alternativ das Auftreten von Teilverschattung auf dem Fahrzeugdach zu untersuchen. Durch befahren einer festgelegten Testroute zu verschiedenen Jahreszeiten und Wetterbedingungen wurde der Einfluss von z.B. Sonnenstand, Bewölkung und Belaubung evaluiert. Es wurde festgestellt, das die Sonneneinstrahlung auf dem Fahrzeugdach während der Fahrt im Mittel 17% kleiner ist als bei stationärer Messung und die Einstrahlung auf den Fahrzeugseiten durchschnittlich nochmals 57% geringer ist. Darüber hinaus wurde ermittelt, dass Einstrahlungsänderungen überwiegend im Frequenzbereich unter 1 Hz auftreten, jedoch auch Frequenz über 100 Hz nachweisbar sind. Um das elektrische Verhalten von Solarzellen unter transienter Beleuchtung zu untersuchen, wurde ebenfalls ein spezieller Messaufbau entwickelt, mit dem die Ein- sowie Ausschaltverzögerung der Solarzellen bei abrupten Einstrahlungsänderungen ermittelt werden kann. Diese liegt bei typischen Arbeitspunkten im Bereich von einigen zehn Mikrosekunden, ist also erheblich schneller als die auftretenden Einstrahlungsänderungen. Da das Verhalten einzelner Solarzellen nicht notwendigerweise einfach auf das Verhalten von in Modulen verschalteter Solarzellen übertragbar ist, wurde ein Simulationsmodell erstellt, welches das transiente elektrische Verhalten eines Solarmoduls abbilden soll. Mit diesem wurde der zu erwartenden Effizienzverlust von fahrzeugintegrierten Solarmodulen, auf Grund in realen Fahrsituationen auftretender transienter (Teil-)Verschattung in Abhängigkeit der Regelfrequenz des Maximum Power Point Trackers ermittelt. Es wurde festgestellt, dass eine Trackingfrequenz von 50 Hz einen guten Kompromiss aus Verlustminimierung und technischem Aufwand darstellen könnte.

Vehicle-integrated photovoltaics represent an opportunity to extend the range of electric vehicles, but come with various technical challenges. One is the occurrence of transient (partial) shading. In this work, it is to be investigated with which frequencies changes in solar radiation on a moving vehicle occur and how the solar modules themselves (electrically) react to the changing illumination. For this purpose, an experimental setup was developed, which makes it possible to measure the solar radiation on a moving vehicle in different directions with a high temporal resolution using several sensors. Alternatively, the measurement setup makes it possible to investigate the occurrence of partial shading on the vehicle roof. Through test drive on a specific route at different seasons and weather conditions, the influence of e.g. the solar altitude, cloudiness and foliage was evaluated. It was found that the average solar radiation on the vehicle roof while driving is 17% less than with stationary measurement and the radiation on the vehicle sides is another 57% lower on average. In addition, it was determined that changes in irradiation mainly occur in the frequency range below 1 Hz, but frequencies above 100 Hz can also be detected. In order to investigate the electrical behaviour of solar cells under transient illumination, a special measurement setup was also developed, with which the switch-on and switch-off delay of the solar cells can be determined when the lighting intensity changes abruptly. At typical operating points, this is in the range of a few tens of microseconds, so it is considerably faster than the changes in irradiation that occur. Since the behaviour of individual solar cells cannot necessarily be transferred to the behaviour of solar cells connected in modules, a simulation model was created that is intended to represent the transient electrical behaviour of a solar module. This model was used to determine the expected loss of efficiency of vehicle-integrated solar modules due to transient (partial) shading occurring in real driving situations as a function of the control frequency of the maximum power point tracker. It was found that a tracking frequency of 50 Hz could represent a good compromise between loss minimization and technical effort.