Reflection measurement of solar panels

Im Innen- und Außenbereich gibt es viele verschiedene Oberflächen und Materialien mit den verschiedensten Reflexionseigenschaften. Diese können in der Architektur und Lichtplanung aktiv eingesetzt werden. Es gibt aber auch ungewünschte Effekte. Hierzu zählt insbesondere auch die Blendung durch stark spiegelnde Flächen. Solarzellen auf Dächern oder an Fassaden, die prinzipbedingt direkter Sonneneinstrahlung unter einer Vielzahl von Einstrahlwinkeln ausgesetzt sind, können derartige Blendungen verursachen. So ist es beispielsweise in der Stadt Wien unter Umständen notwendig, Beeinträchtigungen durch Blendung neuer PV-Analgen mittels eines Sachverständigen auszuschließen, um die Genehmigung für deren Errichtung zu erhalten (Richtlinie MA 37 – 476239-2022 Punkt 6.2). Dieses Problem wird durch die große Bandbreite verschiedener Solarzellen, die über unterschiedliche Reflexionsmechanismen und -eigenschaften verfügen, schnell sehr komplex.

Abbildung 1: Auswertung verschiedener Blendsituationen in einer realen Solarmodul-Installation

Abbildung 1 zeigt ein Beispiel einer realen Blendsituation. In dieser Installation sind konventionelle Solarzellen blau und reflexionsoptimierte Solarzellen gelb eingefärbt. Die grün eingefärbten Areale zeigen Imissionspunkte, bei denen die kumulierte Blenddauer von 30h/Jahr eingehalten wurde. Für die roten Imissionspunkte wurde der Grenzwert überschritten.

Ziel

Die messtechnische Erfassung der für die Analyse benötigten Parameter muss für die entsprechende Solarzelle(n) vorab unter reproduzierbaren Bedingungen im Dunkellabor erfolgen. Eine Möglichkeit besteht darin, mit Hilfe eines mehrachsigen Goniometers die komplette bidirektionale Reflexionsverteilungsfunktion (BRDF) mittels einer Lichtquelle und eines Spotmeters abzurastern. Hierfür gibt es spezialisierte Systeme. Allerdings sind diese Systeme sehr teuer und die Messungen zeitintensiv und komplex. In diesem Beitrag soll ein deutlich flexibleres und günstigeres Messverfahren zur Vermessung der Reflexionseigenschaften vorgestellt werden, welches eine bildgebende Leuchtdichtekamera nutzt.

Für die reproduzierbare Vermessungen solcher Reflexionen wird ein Leuchtdichtekamera mit Typ-II-Kalibrierung (ILMD Typ II) verwendet. Das Messprinzip ist in Abbildung 2 gezeigt. Der erforderliche Aufbau ist dank eines geometrischen Ausrichtbestimmungsalgorithmus, der einfach mit einem ausgedruckten Ausrichtbild realisiert werden kann, einfach und flexibel. So eignet sich der Ansatz auch dann gut, wenn häufig zwischen verschiedenen Arten von Messaufgaben gewechselt wird. Ein Beispiel hierfür wäre die Betrachtung stark unterschiedlicher Einstrahlwinkel. Zudem werden Lichtquelleneigenschaften über entsprechende Korrekturmessungen einfach korrigiert. Auf diese Weise können schnell umfassende Daten erfasst werden. Die daraus resultierenden Informationen können dann zur weiteren Überprüfung eingesetzt werden.

Abbildung 2: Prinzip der konoskopischen Reflexionsmessung (links) und Beispielaufbau anhand einer Solarzellenmessung (rechts)

Der vorgestellte Workflow mit entsprechend kommerziell erhältlicher Hard- und Software wurde genutzt, um verschiedene Solarzellen (konventionelle und reflexionsoptimierte) zu vermessen. Beispielhafte Messungen an zwei Solarzellen sind für zwei Einstrahlwinkel in Abbildung 3 gezeigt. Jedes der Falschfarbenbilder zeigt den gemessenen Reflexionskoeffizienten 𝑞 für verschiedene Betrachtungswinkel im Koordinatensystem der Solarzelle auf einer logarithmischen Skala. Zusätzlich wurde das Verfahren im Rahmen einer Round-Robin-Messung validiert.

Abbildung 3: Winkelabhängiger Reflexionskoeffizient für zwei Einstrahlwinkel für je zwei Solarzellen

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