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.

Abb. P1 – Solarzelle mit einer Siliziumplatte (Quelle: Photowatt)

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

Abb. P2 – Typische Eigenschaften einer Solarzelle

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

Abb. P3 – Strahlungsstärke und Temperatur beeinflussen den solarelektrischen Effekt

• Nimmt die Strahlungsenergie E (Wm²) zu, erhöht sich auch der von der Zelle erzeugte Strom.
• Umgekehrt führt eine höhere Temperatur (°C) 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.

Abb. P4 – PW2300 Abmessungen von Solarmodulen:1638 x 982 x 40 mm (Quelle: Photowatt)

Jedes Modul liefert eine Spannung von mehreren Zehntel Volt und wird anhand seiner 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.

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

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 A	8,00 A	8,20 A
Kurzschlussstrom (Isc)		8,30 A	8,50 A	8,70 A
Leerlaufspannung (Voc)		36,90 V	37,10 V	37,70 V
Systemspannung		max. 1.000 V
Temperaturkoeffizient TK (%/K)	Pmpp	-0,46
	Uoc	-0,32
	Isc	0,032
Leistungsdaten bei		1000 W/m2: 25°C: AM 1,5

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

Wenn Solarzellen allerdings in Reihen geschaltet werden und eine der Zellen teilweise 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 polykristalline Module.

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

Der Wirkungsgrad von polykristallinen 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.

Abb. P6 – Gegenüberstellung von Technologien in PV-Anlagen

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
Temperaturkoeffizient bei Spitzenleistung (%/°C)	-0,3 / -0,5	-0,3 / -0,5	-0,2	-0,2	-0,3

Wechselrichter

Diese Geräte wandeln Gleichstrom in Wechselstrom um und wurden speziell zum Einsatz in Verbindung mit PV-Anlagen entwickelt (siehe Abb. P7a). Es gibt verschiedene Arten von Photovoltaik-Wechselrichtern oder „PV-Wechselrichtern“. Sie erfüllen drei Hauptfunktionen:

Abb. P7a – Conext Core XC, speziell entwickelt für PV-Anlagen (Quelle: Schneider Electric)

• Wechselrichterfunktion: Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom in der benötigten Form (sinusförmig, trapezförmig etc.)
• Maximum-Power-Point-Funktion: Berechnung des Betriebspunktes auf der PV-Oberfläche oder -Anlage, bei dem die maximale Leistung im Sinne von Spannung und Strom erzeugt wird. Diese Funktion nennt man auch „Maximum Power Point Tracker“ (siehe Abb. P7b).

Abb. P7b – Betriebspunkt einer Photovoltaikanlage, bei dem die Leistung am höchsten ist, auch bekannt als „Maximum Power Point“

• Automatische Unterbrechung der Funktion im Netzwerk: Führt zur automatischen Abschaltung des Wechselrichters und zur Trennung des Systems vom Netzwerk, wenn keine Spannung am elektrischen Netz anliegt. Dies dient sowohl dem Schutz des Wechselrichters als auch von Wartungspersonal, das am System arbeitet.

Deshalb unterbricht der Wechselrichter im Falle eines Netzfehlers die Verbindung mit dem Stromnetz und die von den Solarmodulen erzeugte Energie geht verloren.

• Verschiedene Modelle

Einige „Multi-MPPT-Wechselrichter“ verfügen über eine doppelte (oder dreifache, vierfache etc.) Maximum-Power-Point-Tracking-Funktion. Diese Funktion dient der Optimierung der PV-Energieversorgung, wenn das System Stränge umfasst, die in verschiedene Himmelsrichtungen zeigen. Allerdings besteht das Risiko eines Totalausfalls, wenn an einem der Wechselrichter ein Defekt auftritt.

Es besteht jedoch die Möglichkeit, für jeden Strang einen einzelnen, leistungsschwächeren Wechselrichter zu installieren. Diese Lösung ist zwar teurer, erhöht allerdings die Zuverlässigkeit des gesamten Systems.

Es sind auch „Multi-String-Wechselrichter“ verfügbar. Diese Wechselrichter sind nicht zwangsläufig auch Multi-MPPT-Wechselrichter, wie oben beschrieben. Die Bezeichnung zeigt lediglich an, dass mit diesem Wechselrichter mehrere Stränge verbunden und parallel geschaltet werden können.

Europäischer Wirkungsgrad

Um verschiedene Geräte zu vergleichen, wurde anhand von verschiedenen Betriebspunkten ein Wirkungsgrad bestimmt, der die durchschnittliche Tagesleistung eines Wechselrichters angibt. Dieser „Europäische Wirkungsgrad“ wird anhand der folgenden Formel berechnet:

0,03 x (η 5 %) + 0,06 x (η 10 %) + 0,13 x (η 20 %) + 0,1 x (η 30 %) + 0,48 x (η 50 %) +0,2 x (η 100 %)

Schutzart und Betriebstemperatur

Wechselrichter sollten keiner direkten Sonneneinstrahlung ausgesetzt werden, da hierdurch aufgrund der unzulässigen Erwärmung die Lebensdauer stark reduziert wird.

Schutz gegen das Eindringen von Fremdkörpern und die Temperatureigenschaften sind bei der Auswahl eines Wechselrichters entscheidend.

Nahezu alle Hersteller bieten IP 65-Wechselrichter zur Installation im Freien an. Allerdings bedeutet dies nicht, dass die Geräte direkter Sonnenstrahlung ausgesetzt werden dürfen, da die meisten Wechselrichter bei Temperaturen über 40 °C (50 °C für Xantrex-Wechselrichter von Schneider Electric) ihre Leistung herunterfahren, dadurch wird die Ausgangsleistung reduziert.

Die Installation von Wechselrichtern im direkten Sonnenlicht erhöht auch das Risiko von vorzeitiger Alterung einiger Komponenten des Wechselrichters, z. B. den Kondensatoren. Dies verringert die Lebensdauer des Wechselrichters sehr stark, von 10 Jahren auf etwa 5 Jahre!