Integral methods of measurement for Photovoltaics

In the domain of solar irradiance measurements, a wide range of irradiation conditions exist. While the primary calibration of reference solar irradiance detectors is usually performed using only direct irradiance, secondary calibrations are conducted with a diffuse incident irradiance component. If the optical properties vary between the reference and the device under test, spectral and angular dependencies of the incident irradiance and the detectors' responsivities may result in a mismatch when referring to defined reference conditions. In this thesis a new multidimensional model is presented. It introduces spectral-angular effects to the field of photovoltaic metrology, with a focus on quantifying their impact on high-accuracy device calibrations. A novel measurement technique has been developed in this thesis. It allows the characterization of the angle of incidence and polarization dependence of the spectral responsivity of solar cells. The enhanced modeling approach considers the anisotropic spectral radiance for arbitrary device orientation and spectrally resolved ground reflections. To account for these effects, both the spectral radiance of the source and the angular-dependent spectral responsivities of the detectors are considered. Angular mismatches of more than 1 % are identified for the investigated examples. The proposed model allows the spectral and angular effects to be determined and corrected. The knowledge of this correction factors allows their consideration for establishing measurement uncertainty budgets of high-accuracy outdoor measurements. In addition to global natural sunlight measurements, the approach can be also utilized for the evaluation of indoor laboratory measurements with solar simulators containing diffuse light. Additionally, a study on the impact of simplifications in the model is shown. A separate section treats the determination of AOI dependent optical losses with regard to PV module energy rating procedures. This study on angular losses includes a discussion on the procedure's uncertainties. The impact of the mathematical model proposed in the international standard IEC 61853-3 is identified to be the most crucial contribution to the uncertainty of the angular loss. This thesis includes an exemplary energy rating scenario that focusses on the determination of the generated electricity of PV devices under reference climate profiles. This comparison considers three different models. The energy loss differences at one exemplary clear sky day are ranging from 0.3 % to 2.7 %, solely for spectral and angular effects. Finally, the results are discussed and an outlook for subjects of future research is presented. Meanwhile, the findings of this work are discussed in a standardization committee and an interlaboratory comparison on AOI dependent measurements has been completed.
 
Im Bereich der solaren Bestrahlungsstärkemessungen existieren unterschiedlichste Einstrahlungs-bedingungen. Während die primäre Kalibrierung von Referenzbestrahlungsstärkedetektoren in der Regel unter Verwendung von direkter Bestrahlungsstärke durchgeführt wird, werden sekundäre Kalibrierungen häufig mit einer diffus einfallenden Strahlungskomponente durchgeführt. Wenn die optischen Eigenschaften zwischen der Referenz und dem zu testenden Detektor variieren, können spektrale und winkelabhängige Eigenschaften der einfallenden Strahlung, sowie die der Empfindlichkeit der Detektoren zu einer Fehlanpassung führen. In dieser Arbeit wird ein neues multidimensionales Modell vorgestellt, dass spektral- und winkelabhängige Effekte in das Gebiet der Photovoltaik-Messtechnik einführt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neuartige Messtechnik entwickelt, die die Charakterisierung von Einfallswinkel- und Polarisationsabhängigkeiten der spektralen Empfindlichkeit von Solarzellen ermöglicht. Der erweiterte Modellierungsansatz berücksichtigt die anisotrope spektrale Strahldichte einschließlich spektral aufgelöster Bodenreflexionen, sowie eine beliebige Ausrichtung der PV Generatoren. Um diesen Einflüssen Rechnung zu tragen, werden sowohl die spektrale Strahldichte der Strahlungsquelle als auch die winkelabhängigen spektralen Empfindlichkeiten der Detektoren berücksichtigt. In dieser Arbeit wurden Winkelfehlanpassungen von mehr als 1% identifiziert. Mit dem vorgeschlagenen Modell können diese Effekte, die bei der Strommessung an PV Generatoren auftreten können, bestimmt und korrigiert werden. Die Kenntnis dieser Korrekturfaktoren ermöglicht ihre Berücksichtigung bei der Bestimmung von Messunsicherheitsbudgets. Neben Messungen unter natürlicher globaler Sonneneinstrahlung kann der hier vorgestellte Ansatz auch zur Korrektur von Labormessungen mit Solarsimulatoren unter diffuser Einstrahlung verwendet werden. Die Auswirkungen von Vereinfachungen im Modell wurden untersucht. Ein wichtiges Ergebnis zeigt, dass die Vernachlässigung der Anisotropie der Strahldichte zu systematischen Fehlern in der Größenordnung der Winkelfehlanpassung selbst führt. Eine Analyse über die winkelabhängigen Verluste bei der Ertragsbewertung von PV Modulen beinhaltet eine Diskussion über die Unsicherheiten verschiedener Verfahren. Die Auswirkung der Verwendung des mathematischen Modells aus der internationalen Norm IEC 61853 3 wurde hierbei als einer der dominantesten Beiträge zur Unsicherheit von winkelabhängigen Verlusten identifiziert. Diese Thesis enthält ein exemplarisches Szenario für die Energiebewertung untersuchter PV Generatoren, das die Bestimmung der erzeugten Elektrizität unter Referenzklimabedingungen ermöglicht. Die Differenzen von mit drei unterschiedlichen Verfahren ermittelten Energieverlusten unter klarem Himmel reichen von 0,3 % bis 2,7 %. Inzwischen werden Teile dieser Arbeit in einem Normungsausschuss der IEC diskutiert und ein Ringvergleich wurde abgeschlossen.