Aufbau Solarmodul

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Dieser Beitrag erläutert den Aufbau von Glas-Folien-Modulen.

Umwelteinflüsse

Auf Solarmodule wirken verschiedene Umwelteinflüsse. Die wichtigsten Einflüsse sind:

  • Windlasten
  • Sonneneinstrahlung
  • Temperatur
  • Feuchtigkeit und
  • Chemische Einflüsse (z.B. Pollenablagerung, Salz oder Feinstaub)

Anforderungen

Damit die Module durch diese Umwelteinflüsse nicht vorzeitig degradieren und keine Gefahr für Personen besteht, ergeben sich folgende Anforderungen an die Module:

  • Strahlungs- und witterungsbeständige Abdeckung
  • Geringes Reflexionsverhalten
  • Robuste elektrische Anschlüsse
  • Feuchtigkeitsschutz
  • Kühlung der Solarzellen
  • Berührungsschutz der elektrisch leitenden Bauteile
  • Handhabungs- und Befestigungsmöglichkeit

Exkurs zur Alterung von PV-Modulen

Inzwischen altern gebräuchliche Module so langsam, dass der Leistungsabfall nur noch schwer im Versuch nachzuweisen sind. Für eine Studie untersuchte das Fraunhofer ISE 44 qualitätsgeprüften Aufdach-Anlagen in Deutschland. Dabei stellten die Wissenschaftler eine durchschnittliche jährliche Degradation der Nennleistung von ca. 0,15% fest. Der oftmals angenommene Leistungsverlust von 0,5% scheint zu vorsichtig angenommen zu sein. Hersteller geben meist Leistungsgarantien von 20-25 Jahren (teilweise bis 30 Jahre), für einen maximalen linearen Leistungsabfall von 20% (Quelle: Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland, Fraunhofer ISE, Download von www.pv-fakten.de, Fassung vom 26.03.2020)

Aufbau Glas-Folien-Modul

Der häufigste Modultyp ist das Glas-Folien-Aufbau mit folgendem Schichtaufbau:

SchichtBeschreibung
GlasscheibeSchutz gegen Witterung und Verschmutzung
EVA-FolieEinbettung Solarzelle in transparente Kunststoffschicht
SolarzelleDotierter Halbleiter (meist texturiert und AR-beschichtet)
RückseitenfolieVerbundfolie (Polyvinyflourind/Polyester), Feuchtigkeitsschutz und Isolation
ModulrahmenAluminium, Versteifung und Verbindung zur Unterkonstruktion
AnschlussdoseVerschaltungspunkt meist mit Freilaufdiode

Für die Glasscheibe wird meist Einscheiben-Sicherheitsglas (ESG) verwendet. Das ESG bietet ausreichend Schutz gegen mechanische Beanspruchungen, wie Witterung (insb. Hagel) und Transporterschütterungen. Das Glas enthält im Gegensatz zu herkömmlichem Fensterglas einen geringeren Eisengehalt und ist dadurch transparenter bzw. lässt mehr Lichtstrahlen hindurch.

Die Zellen werden in eine Ethyl-Vinyl-Acetat (EVA) eingebettet. Dieser Vorgang nennt sich Laminierung. Wie beim Laminieren von Papier wird hier ein Vakuum und mit hohen Temperaturen eigensetzt. Die EVA-Schicht umschließt die Solarzellen beiderseits und verhindert, dass die Glasscheibe direkt auf den spröden Solarzellen aufliegt.

Der Busbar (Lötbändchen) verbindet die Solarzellen miteinander. Zur Reduktion der optischen Verluste durch Reflexion wurden die Solarzellen zuvor texturiert. Bei der Texturierung wird die Oberfläche der Solarzelle angeraut (z.B. durch Anätzen mit Kali-Lauge). Die „gezackte“ Oberfläche gibt den einfallenden Sonnenstrahlen eine zweite Chance in die Zelle einzudringen. Zudem erhalten die Solarzellen eine Antireflexionsbeschichtung (AR-Beschichtung) aus Siliziumnitrid. Die AR-Beschichtung reduziert weitere Reflexionen und verleiht den Modulen ihre bläulich schimmernde Oberfläche.

Die Rückseitenfolie isoliert gegen elektrische Kontakte und schützt vor eindringender Feuchtigkeit. Die Rückseitenfolie ist ein Verbundmaterial und besteht aus Polyvinylflourid und Polyester. Die Rückseitenfolie wird häufig mit dem Handelsnamen „Tedlar-Folie“ (Firma Dupont) genannt.

Bevor der Rahmen aufgesetzt wird, wird der Modulrand mit Folie abgeklebt. Der Rahmen dient später als Befestigungspunkt für die Modulklemmen, die das Modul mit dem Montagegestellt verbinden. Das Modul enthält eine Anschlussdose mit Bypass-Diode zur Verschaltung mehrerer Module.

Exkurs Bypass-Diode

Herstellungsbedingt ist es durchaus möglich, dass unter Tausenden von Solarzellen, die eine oder andere Zelle beschädigt ist (Isolationsfehler nahe der Zelle oder fehlerhafte Lötverbindungen). Zudem können im Laufe der Zeit Zellschäden auftreten (z.B. Delamination bei der sich die EVA-Folie ablöst, erkennbar an milchigen Flächen). Auch der Transport und die Montage können Zellen beschädigen (z.B. Mikrorisse). Noch häufiger werden einzelne Zellen jedoch durch Verschmutzung (z.B. Wasserflecken, Feinstaub, Pollen, Moosbewuchs, Blätter) oder Objekte (z.B. Parabolantennen, Kamine, Bäume, angrenzende Gebäude) beschattet. Vor allem die andauernde Beschattung einzelner Zellen wirkt sich negativ auf die Modulfunktion aus.

Liegen einzelne Solarzellen innerhalb der Reihenschaltung im Solarmodul im Schatten, erzeugen diese keine elektrische Spannung. Die betroffene Solarzelle produziert keinen Strom und ihr Innenwiderstand steigt. Die anderen in Serie geschalteten Zellen erzeugen weiterhin eine elektrische Spannung und zwingen den Strom durch die verschattete/defekte Zelle. Übersteigt die Spannung an der abgedeckten Zelle einen Wert von etwa 15 V (die „Durchbruchspannung der Zelle“), wird die Zelle plötzlich leitend. Die Spannung fällt dann wie in einem elektrischen Widerstand ab und wird in Wärme umgesetzt. Das erzeugt Hitzeschäden. Diese Stellen nennt man Hot Spots. Vorangeschrittene Hot Spots erkennt man an bräunlichen Schadstellen.

Frühe lokale Überhitzungen lassen sich mit einer Wärmebildkamera (Thermographie) sichtbar machen. Allerdings handelt es sich nicht zwingend bei jeder wärmeren Stelle um einen Hotspot. Vielmehr entstehen wärmere Stellen auch bei Zellen mit einer geringeren Leistung (z.B. Fertigungstoleranzen).

Hotspots lassen sich vermeiden indem man in einer Reihenschaltung von Zellen Schutzdioden parallelschaltet. Diese Schutzdioden werden als Bypassdioden (Synonym Freilaufdiode) bezeichnet. Der Strom sucht sich den Weg des geringsten Widerstandes. Im Fall einer defekten Zelle ist dies nicht mehr der Weg durch den Abschnitt von in Reihe geschalteten Zellen, sondern die „Umleitung“ über die Bypassdiode. Die Bypassdioden werden schon von den Herstellern in die Module eingebaut.