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Definition: ein Bauelement, welches Solarzellen für die Erzeugung elektrischer Energie mit Photovoltaik enthält
Hätten Sie vielleicht eine schöne Fotografie von eines Solarmoduls, die Sie für das RP-Energie-Lexikon zur Verfügung stellen könnten?
Solarzellen können aus Sonnenlicht (Sonnenenergie) elektrische Energie produzieren (Photovoltaik). In der Praxis werden Solarzellen in der Regel nicht einzeln verwendet, sondern als Teil von Solarmodulen, die eine größere Anzahl von Solarzellen enthalten können. (Andere Bezeichnungen hierfür sind Solarpanel, Photovoltaikmodul bzw. Photovoltaikmodul.) Eine Photovoltaikanlage kann wiederum eine Anzahl von Solarmodulen enthalten.
Je nach dem Typ der enthaltenen Solarzellen spricht man z. B. von Silizium-Modulen oder Dünnschichtmodulen. Konzentrator-Module enthalten Konzentrator-Zellen zusammen mit der benötigen Optik für die Fokussierung des Sonnenlichts. In diesem Falle ist eine automatische Nachführung nach dem Sonnenstand notwendig.
Ein Solarmodul bietet zunächst einmal eine stabile mechanische Befestigung für eine Anzahl von Solarzellen sowie einen Schutz gegen Beschädigung. Insbesondere enthält es ein Aluminiumprofil mit einer transparenten Abdeckung, z. B. eine entspiegelte Glasscheibe. Dieses Gehäuse schützt die Solarzellen vor mechanischer Beschädigung, Feuchtigkeit und UV-Bestrahlung.
Ein wichtiger Aspekt ist auch, dass die Solarzellen gut wärmeleitend mit der (im Betrieb kühleren) Rückseite verbunden sind, da der Wirkungsgrad bei steigender Temperatur abnimmt.
Das Modul bietet Möglichkeiten für die stabile Befestigung z. B. auf einem Hausdach sowie eine witterungsgeschützte elektrische Anschlussdose.
Innerhalb eines Moduls sind die Solarzellen in geeigneter Weise elektrisch miteinander verbunden. Hierfür gibt es verschiedene Möglichkeiten:
Typischerweise enthält ein Solarmodul auch eine oder mehrere Freilaufdioden (Bypassdioden). Diese sind wichtig bei Reihenschaltung mehrerer Module. Wenn nämlich ein Modul verschattet wird, während die anderen gut besonnt werden, würde dieses eine Modul den gesamten Stromfluss blockieren und könnte dabei sogar beschädigt werden; dies kann eine Freilaufdiode verhindern.
Eine Photovoltaikanlage enthält ein oder mehrere Photovoltaikmodule. Um die erzeugte Gleichspannung in das Wechselstromnetz einspeisen zu können, benötigt man einen elektronischen Umrichter. In diesem geht ein Teil der erzeugten Leistung verloren; allerdings sind diese Verluste bei modernen Geräten recht gering (höchstens wenige Prozent). Ein einzelner Umrichter kann für mehrere Module genügen, die in Reihe oder parallel geschaltet werden. Ein Umrichter kann einen MPP-Tracker enthalten, welcher die Belastung der Module automatisch am Betriebspunkt mit optimaler Leistung (MPP = maximum power point) hält – auch bei variablen Lichtverhältnissen.
Ein Solarmodul kann mit einer Kombination von Kennwerten elektrisch charakterisiert werden:
Unter “voller Besonnung” versteht man in der Regel die Beleuchtung mit Sonnenlicht bei einer Intensität von 1 kW/m2 (ein Kilowatt pro Quadratmeter) mit senkrechtem Einfall. Die Kennwerte werden angegeben für 25 °C Zellentemperatur.
Der Modulwirkungsgrad ist etwas niedriger als der Wirkungsgrad der verwendeten Solarzellen. Dies liegt daran, dass die transparente Abdeckung das Sonnenlicht nicht vollständig durchlassen kann; ein Teil wird zurückreflektiert. (Eine Entspiegelung unterdrückt diesen Effekt so weit wie möglich.) Außerdem können in einem Modul Lücken zwischen den Solarzellen auftreten, und die Ränder sind ebenfalls nicht mit Solarzellen belegt, so dass ein Teil des Lichts nicht genutzt werden kann.
Der Ertrag eines Solarmoduls für einen Tag hängt natürlich stark von den Wetterbedingungen ab. An einem guten Sommertag können 7 Volllaststunden erreicht werden, d. h. die Produktion, die bei voller Besonnung über 7 Stunden erreicht würde. Ein optimal ausgerichtetes und unverschattetes Modul mit einer Nennleistung von 100 W würde an einem solchen Tag 100 W · 7 h = 700 Wh = 0,7 kWh erzeugen. An einem trüben Tag mögen jedoch nur 0,5 Volllaststunden erzielt werden, was in nur 0,05 kWh resultiert.
Pro Jahr kann in Deutschland mit rund 900 Volllaststunden gerechnet werden; an besseren Standorten in Süddeutschland auch mit etwas mehr als 1000. Somit liefert dann ein 100-W-Solarmodul etwas mehr als 100 kWh pro Jahr.
Hauptmerkmale eines guten Standorts für Solarmodule sind ein sonniges Klima (mit wenig Wolken und Nebel), die Abwesenheit von Beschattung z. B. durch Bäume oder Gebäude sowie eine optimale Ausrichtung nach Süden und auch betreffend den vertikalen Anstellwinkel. (Dachflächen sind häufig nicht genau nach Süden ausgerichtet oder haben einen ungünstigen Neigungswinkel, was den Ertrag etwas reduzieren kann.) Zusätzlich wirken sich niedrige Außentemperaturen und etwas Wind günstig auf den Wirkungsgrad aus. Nachteilig kann sich eine Tendenz zur Schneebedeckung oder zur Verschmutzung z. B. durch Pflanzen oder Erde auswirken. In Mitteleuropa sind Standorte in bergigen Regionen oft besonders günstig – gar nicht sehr viel schlechter als solche in äquatornahen Regionen. Die Solarmodule sollten jedoch so angebracht werden, dass sie möglichst selten vom Schnee bedeckt werden: Schnee sollte gut abrutschen können und sich auch unterhalb der Module nicht stauen.
Siehe auch: Solarzelle, Photovoltaik, Volllaststunden