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Module

Kurzbeschreibung

In einer Photovoltaik- (PV) Anlage übernehmen die PV-Module die entscheidende Aufgabe der Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrischen Gleichstrom. Ein klassisches, kristallines Modul setzt sich dabei aus mehreren Zellen zusammen, die untereinander elektrisch in Reihe verschaltet sind. Innerhalb der PV-Anlage bildet das Modul wiederum die kleinste eigenständige elektrische Einheit. Im Regelfall werden mehrere Module elektrisch in Reihe verschaltet und bilden einen Strang, häufig auch als engl. „String“ bezeichnet. Über den Strang ist das Modul an den MPP-Tacker eines Wechselrichters angeschlossen und wird von diesem gesteuert.

Zell-Technologie

Seit der Entdeckung des Photoelektrischen Effekts im 19. Jahrhundert und der Deutung Albert Einsteins im Jahr 1905 (Nobelpreis der Physik 1921[1]) wurden unterschiedliche Methoden der Nutzung zur Stromproduktion entwickelt. Die heute gängigen und in Serie verfügbaren PV-Module, basieren meist auf dem Einsatz von Siliziumwafern in monokristalliner („mono“, schwarze Färbung) oder polykristalliner („poly“, blaue Färbung) Form. Auch sogenannte Dünnschichtmodule, basierend auf dem Einsatz von amorphem Silizium, Cadmiumtellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) werden in Serie produziert.

Der Umwandlungs-Wirkungsgrad von solarer Strahlung in elektrische Energie ist ein wichtiges Kriterium für die Auswahl der Zell-Technologie. Dieser Wirkungsgrad wird für das fertige Produkt meist auf Modulebene angeben. Je nach Technologie variiert der Modulwirkungsgrad, bei in Serie gefertigten Modulen, zwischen 8 und 22 %[2]:  

  • Silizium, monokristallin: 22 %
  • Silizium, polykristallin:    20 %
  • Silizium, amorph:              8 %
  • CIGS, amorph:                 15 %
  • CdTe, amorph:                18 %

An einem klaren Sommertag kann die Bestrahlungsstärke in Deutschland etwa 1000 W/qm erreichen. Damit können in Serie produzierte, monokristalline PV-Modul (Stand 2021) etwa 220 W/qm an Leistung erzeugen. Bei einem typischen Modul-Maß von 1,7 m x 1,03 m, bzw. einer Fläche von 1,75 qm, würde das einer Spitzenleistung von 385 Wp („Watt-Peak“, Wp) pro Modul entsprechen.

Die jüngeren Entwicklungen in der Produktion haben zu immer größeren Solarzellen und in der Folge auch zu immer größeren Modulen mit teilweise deutlich über 2 qm Fläche geführt. So ergeben sich, bei vergleichbarer Effizienz, auch höhere Modul-Leistungen, teilweise von über 600 Wp pro Modul.

Technischer Aufbau

Das Design von PV-Modulen hat sich seit Beginn der Großserienproduktion nicht grundsätzlich verändert. Die einzelnen PV-Zellen werden dabei in Kunststoff gebettet zwischen zwei elektrisch isolierende Schichten laminiert und untereinander elektrisch verschaltet. Auf der sonnenzugewandten Seite werden die Zellen von einer hochtransparenten Glasscheibe geschützt. Die Rückseite wird, je nach Technologie, von einer Rückseitenfolie oder ebenfalls aus Glas gebildet („Glas-Glas-Module“).

Um die Händelbarkeit zu verbessern und das Modul vor mechanischen Einwirkungen zu schützen, wird um das Laminat aus Glas und Folie ein Rahmen aus Aluminium gelegt. Auf der Rückseite befindet sich eine, häufig IP-Zertifizierte, Anschlussdose mit Kontaktsteckern für die beiden elektrischen Pole.

Abbildung 1 – Explosionszeichnung eines kristallinen PV-Moduls (eigene Darstellung)

Zell-Verschaltung

In einem kristallinen PV-Modul sind meist zwischen 54 und 72 Solarzellen untergebracht. Diese Solarzellen werden elektrisch in Reihe verschaltet. Die Modul-Spannung (V) ergibt sich aus Summe der verschalteten Zellen, während der Strom (I) maßgeblich von der gegenwärtigen Bestrahlungsstärke abhängt. Der Vorteil der Reihen-Verschaltung gegenüber einer, theoretisch möglichen, Parallel-Verschaltung, liegt in der höheren Betriebsspannung und der damit einhergehenden Minimierung von Leitungsverlusten. Gleichzeitig können sich durch die Reihen-Verschaltung allerdings auch elektrische Probleme ergeben.

Wird eine der Zellen durch Verschattung oder Verschmutzung weniger stark bestrahlt als die in Reihe verschalteten Zellen oder durch eine Beschädigung beeinträchtigt, so agiert diese Zelle als Widerstand und erwärmt sich. Es bilden sich so genannte „Hot-Spots“, die unter Umständen zu einer Beschädigung des gesamten Moduls führen können.

Um diesem Problem entgegenzuwirken, werden so genannte Bypass-Dioden in die Zellstränge eingefügt. Steigt der Innenwiderstand einer Zelle durch Verschattung, Verschmutzung oder Defekt, leitet die Bypass-Diode den Strom an der betroffenen Zelle vorbei, um die Bildung eines Hot-Spots zu verhindern. Da Bypass-Dioden zusätzliche Kosten in der Herstellung, sowie Verluste im Betrieb hervorrufen hat sich der Kompromiss ergeben, mit einer Bypass-Diode einen ganzen Teilstrang (Abbildung 2) eines Moduls zu umgehen. Im Falle der Verschattung einer einzelnen Solarzelle kommt es demnach auch zur Abschaltung von mehreren intakten Zellen.


Wissenswertes

  • Rücknahme und Recycling       
    • Seit 2010 gibt es ein Herstellerübergreifendes Recyclingsystem (PV Cycle) an dem mittlerweile mehr als 300 Unternehmen teilnehmen. Die Hersteller verpflichten sich darin, PV-Module kostenlos zurückzunehmen und dem Recycling zuzuführen.
  • Degradation
    • Die Leistung von PV-Modulen verringert sich über den Betriebszeitraum. Je nach Technologie geben Modul-Hersteller Leistungsgarantien zwischen 85-92 % über 20-25 Jahre.
  • Reinigung
    • Obwohl der größte Anteil von Staub- und Schmutzablagerungen durch äußere Einflüsse wie Regen und Wind abgetragen wird, kann es dennoch nötig sein die PV-Module in regelmäßigen Abständen zu reinigen. Gerade am Übergang zwischen Glas und Rahmen können sich bei niedrigen Neigungswinkeln Schmutzkanten bilden, die den Ertrag der Anlage mindern.

Quelle:

https://de.wikipedia.org/wiki/Photoelektrischer_Effekt

https://www.photovoltaik.org/wissen/photovoltaik-wirkungsgrad

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