Hintergrund und Technologie

Der solarelektrische Effekt

Gemeint ist die Eigenschaft, Sonnenenergie mit Hilfe von Solarzellen (Photovoltaikzellen) in Strom umzuwandeln. Je nach Material kann eine Solarzelle (siehe Abb. P1) Spannungen zwischen 0,5 V und 2,0 V und einen elektrischen Strom in direkter Abhängigkeit von der Oberfläche (5"- oder 6"-Zellen) erzeugen.

Ihre Eigenschaften werden in einem Strom-/Spannungsdiagramm wie in Abb. P2 abgebildet.

Der solarelektrische Effekt hängt von zwei physikalischen Werten ab (siehe Abb. P3), Bestrahlungsstärke und Temperatur:

• Nimmt die Strahlungsenergie E (Wm²) zu, erhöht sich auch der von der Zelle erzeugte Strom.
• Umgekehrt führt eine höhere Temperatur (T) zu einem negativen Effekt und reduziert die Ausgangsspannung einer photoelektrischen Zelle.

Um die Leistung von Solarzellen vergleichbar zu machen, hat man als Standardtestbedingungen (STC) eine Strahlungsstärke von 1000 W/m² und eine Temperatur von 25 °C definiert.

Um die Nutzung von Strom aus Solarzellen einfacher zu gestalten, bieten Hersteller serielle und/oder parallele Kombinationen in Form von Panels oder Modulen an.

Solarmodule

Diese Zellkombinationen (siehe Abb. P4) ermöglichen eine höhere Spannung und einen höheren Strom. Module bestehen immer aus Zellen mit ähnlichen elektrischen Eigenschaften, um ihre Leistung zu optimieren.

Jedes Modul liefert eine Spannung von mehreren Zehntel Volt und wird anhand sei-ner in Watt Peak (Wp) gemessenen Leistung klassifiziert. Diese Einheit bezieht sich auf die Energie, die auf einer Oberfläche von 1 m², bei 25 °C und einer Bestrahlungsstärke von 1000 W/m² erzeugt wird. Identische Module können allerdings unterschiedliche Leistungen erbringen. Die Messtoleranz (Pmpp) darf nicht mehr als ±3 % betragen (siehe Tabelle in Abb. P5). Module mit einer typischen Leistung von 160 Wp schließen Module mit einer Leistung zwischen 155 Wp (160 - 3 %) und 165 Wp (160 + 3 %) mit ein.

Deshalb ist es notwendig, Wirkungsgrade zu vergleichen, die durch Dividieren der Leistung (W/m²) durch 1000 W/m² ermittelt werden.

Zum Beispiel: Bei einem Modul mit 160 Wp und einer Oberfläche von 1,338 m² (*) ergibt 160/1,338 eine Spitzenleistung von 120 Wp/m².

Aufbau	Glas - Folie - Laminat
Zellengröße	156 x 156 mm
Zellenanzahl	60
Modulspannung	24 V
Anzahl an Bypass-Dioden	4
Normalleistung (Pmpp)	225 Wp	235 Wp	245 Wp
Spannung bei Normalleistung (Vmpp)	29,40 V	29,90 V	30,10 V
Strom bei Normalleistung (Impp)	7,80 V	8,00 V	8,20 V
Kurzschlussstrom (Isc)	8,30 A	8,50 V	8,70 A
Leerlaufspannung (Voc)	36,90 A	37,10 V	37,70 A
Systemspannung	max. 1.000 V
Temperaturkoeffizient Pmpp Uoc Isc	TK (%/K) -0,46 -0,32 0,032
Leistungsdaten bei	1000 W/m²: 25°C: AM 1,5

Abb. P5: Elektrische Eigenschaften eines Bosch Solar Moduls c-Si M60 (Quelle Datenblatt Bosch)

Folglich beträgt der Wirkungsgrad dieses Moduls: 120/1000 = 12 %.

Wenn Solarzellen allerdings in Reihen geschaltet werden und eine der Zellen teil-weise im Schatten liegt, kann ein zerstörerisches Phänomen auftreten, das als Hot-Spot-Effekt bekannt ist. Diese Zelle arbeitet als Empfänger und kann durch den durchfließenden Strom zerstört werden. Zur Vermeidung dieses Risikos installieren Hersteller Bypass-Dioden, um beschädigte Zellen zu umgehen. Bypass-Dioden werden normalerweise im Anschlusskasten hinter den Modulen installiert und ermöglichen es, je nach Hersteller, 18 bis 22 Zellen parallel zu schalten.

Ein defektes Modul in einem Strang muss durch ein baugleiches Modul ersetzt werden. Deshalb ist es wichtig, einen Lieferanten zu wählen, der noch längere Zeit im Geschäft ist.

Diese Module werden dann in Form von Modulketten oder Strängen (Strings) in Reihe geschaltet, um die benötigte Spannung zu liefern.

Diese Stränge werden anschließend parallel angeordnet, um die geforderte Leistung zu erbringen und bilden so eine Photovoltaikanlage.

Die wachsende Anzahl von Modulherstellern weltweit macht es erforderlich, die verschiedenen Möglichkeiten bei der Auswahl der Ausrüstung sorgfältig zu erwägen. Bei der Installation sollte auch auf die folgenden Punkte geachtet werden:

• Die elektrischen Eigenschaften müssen mit denen der Anlage kompatibel sein (Eingangsspannung des Wechselrichters).
• Sie müssen den geltenden Normen entsprechen.
• Es sollten Lieferanten gewählt werden, die voraussichtlich langfristig im Geschäft sind, um zu gewährleisten, dass defekte Module problemlos ausgetauscht werden können, da diese den bereits installierten Modulen entsprechen müssen.

Dieser letzte Punkt ist besonders wichtig, da der Installateur für die Garantie gegenüber dem Kunden verantwortlich ist.

Solaranlagen liefern ausschließlich Energie in Form von Gleichstrom, wenn ausreichend Strahlungsenergie zur Verfügung steht.

Um diese Energie in die Nieder- oder Hochspannungsnetze einspeisen zu können, muss dieser Gleichstrom über spezielle Umrichter in Wechselstrom umgewandelt werden. Wer unabhängig sein möchte, kann die Überschussenergie über Ladewechselrichter in Batterien speichern und diese Speicherenergie in Zeiten ohne Strahlungsenergie für die Eigenversorgung nutzen.

Aktuell kommen bei der Herstellung von Photovoltaiksystemen verschiedene Technologien zum Einsatz. Diese lassen sich in 2 Kategorien einteilen: kristalline Module und Dünnschichtmodule.

Kristalline Module

Es gibt zwei Hauptkategorien kristalliner Module: monokristalline und multikristalline Module.

Monokristalline Module haben derzeit einen Wirkungsgrad von 16 - 18 % und sind damit deutlich höher im Wirkungsgrad als multikristalline Module. Aufgrund der Konstruktion und des Herstellungsprozesses sind sie in der Herstellung etwas teurer als multikristalline Module.

Der Wirkungsgrad von multikristallinen Modulen liegt zwischen 12 und 14 %. Sie werden häufig eingesetzt, um die Investitionskosten zu senken.

Die kristallinen Module haben im Allgemeinen eine Lebensdauer von mehr als 20 Jahren. Mit der Zeit nimmt ihre Leistung allerdings etwas ab (< 1 % pro Jahr), aber sie erzeugen weiterhin Strom. Abhängig vom gewünschten Design können halbtransparente Doppelglasmodule oder Tedlar- bzw. Teflon-Glasmodule eingesetzt werden, die zwar günstiger sind, allerdings auch komplett lichtundurchlässig.

Dünnschichtmodule

Die Anwendung von Dünnschichtmodulen wird momentan intensiv erforscht und ihr Wirkungsgrad, der aktuell noch zwischen 6 und 8 % liegt, sollte sich in den nächsten Jahren erhöhen. Diese Module sind preisgünstig und eignen sich für großflächigen Einsatz, vorausgesetzt, dass diese Flächen nicht für die Versorgung der Bevölkerung mit Nahrungsmitteln verwendbar sind.

Die Kategorie Dünnschichtmodul umfasst eine Vielzahl an Technologien, die sich in 3 Hauptgruppen unterteilen lassen:

• a-Si – Dünnschichtiges oder amorphes Silizium
• CdTe (Cadmiumtellurid)
• CIS (Kupfer-Indium-Selenid)

Es sollte beachtet werden, dass es mit dieser Technologie noch keine langfristigen Erfahrungen über das Verhalten gibt, und deshalb noch nicht genau vorhergesagt werden kann, wie sich diese Module mit der Zeit in ihrer Leistungserzeugung verhalten, bzw. wie sie altern.

Die technischen Spezifikationen namhafter Hersteller geben stabile erste Werte an.

Die Tabelle in Abb. P6 bietet einen vergleichenden Überblick dieser Technologien.

Technologien	sc-Si Monokristallin	mc-Si Multikristallin	a-Si Dünnschicht	CdTe Dünnschicht	CIS Dünnschicht
STC-Modulwirkungsgrad
Maximal	20,4%	16%	10%	14,4%	15,5%
Durchschnitt	16%	15%	6%	11%	11%
relative Kosten ($/Wp)	0,8 bis 1	0,8 bis 1	0,75	0,65	0,85
Temperature coefficient at the power peak (%/°C)	-0,3 / -0,5	0,3 / -0,5	-0,2	-0,2	-0,3

Abb. P6: Gegenüberstellung von Technologien in PV-Anlagen