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Solarmodul

Solarzellen können aus Sonnenlicht (Sonnenenergie) elektrische Energie produzieren. Sie basieren auf dem Prinzip der Photovoltaik. In der Praxis werden Solarzellen meist 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 größere 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 der Module nach dem Sonnenstand notwendig.

Funktionen eines Solarmoduls

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: bei den üblichen kristallinen Silizium-Solarzellen um ca. 0,5 % pro °C, bei Dünnschichtmodulen dagegen wesentlich weniger. Eine Hinterlüftung der Module kann zusätzlich helfen.

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:

• Die Solarzellen können in Reihe (in Serie) geschaltet sein, so dass der erzeugte elektrische Strom durch alle Solarzellen nacheinander fließt, wobei sich die erzeugten elektrischen Spannungen addieren.
• Gruppen von in Reihe geschalteten Solarzellen können wiederum parallel geschaltet werden, um die gesamte Stromstärke zu erhöhen.

Typischerweise enthält ein Solarmodul auch eine oder mehrere Freilaufdioden (Bypassdioden). Diese sind wichtig bei Reihenschaltung mehrerer Module (siehe unten). 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.

Normalerweise enthält ein Solarmodul keinen Wechselrichter, sondern ein solcher wird zusätzlich dazu eingesetzt (siehe unten). Es gibt aber kleine Solarmodule für die Steckdose, die einen Wechselrichter enthalten und direkt über eine Haushaltssteckdose angeschlossen werden können – ohne zusätzliche Technik.

Kombination zu einer Photovoltaikanlage

Eine Photovoltaikanlage enthält ein oder mehrere Photovoltaikmodule. Oft wird ein Wechselrichter (siehe unten) für mehrere oder sogar alle Module einer Anlage gemeinsam verwendet. Wie auch innerhalb des Solarmoduls gibt es für die Verschaltung wieder unterschiedliche Methoden:

• Man kann Module in Reihe schalten, so dass sich die Spannungen addieren. Die Stromstärke wird allerdings vom schwächsten Modul begrenzt; so kann z. B. die Verschattung eines einzigen Moduls die Leistung eines ganzen Strings (einer Kette in Serie geschalteter Module) stark reduzieren.
• Alternativ kann man Module parallel schalten; diese Anordnung ist bei teilweiser Verschattung weniger kritisch. Sie führt aber zu einer größeren Strombelastung der Sammelleitung, so dass diese dicker ausgeführt werden muss und/oder höhere Energieverluste verursacht.
• Oft wird auch eine Kombination beider Methoden verwendet. Beispielsweise schaltet man jeweils einige Module in Serie zu einem String zusammen und kombiniert dann mehrere Strings durch Parallelschaltung.

Um die erzeugte Gleichspannung in das Wechselstromnetz einspeisen zu können oder auch um ein Wechselspannungsnetz autonom zu versorgen, benötigt man einen elektronischen Wechselrichter. In diesem geht ein Teil der erzeugten Leistung verloren; allerdings sind diese Verluste bei modernen Geräten sehr gering (wenige Prozent). Ein Solarwechselrichter enthält in der Regel einen MPP-Tracker, welcher die Belastung der Module automatisch am Betriebspunkt mit optimaler Leistung (MPP = maximum power point, siehe unten) hält – auch bei variablen Lichtverhältnissen.

Elektrische Kennwerte eines Solarmoduls

Ein Solarmodul kann mit einer Kombination von Kennwerten elektrisch charakterisiert werden:

• Die Leerlaufspannung ist die erzeugte elektrische Spannung bei voller Besonnung, wenn kein Strom entnommen wird.
• Der Kurzschlussstrom ist die elektrische Stromstärke, die entstehen würde, wenn das Modul bei voller Besonnung kurzgeschlossen würde.
• Der eigentliche Betrieb sollte dagegen mit einer Strombelastung erfolgen, die so geregelt wird, dass eine optimale elektrische Spannung <$U_{\rm MPP}$> erzeugt wird. (MPP bedeutet maximum power point, also Betriebspunkt maximaler Leistung.) Diese liegt etwas unterhalb der Leerlaufspannung und bietet die beste Kombination aus hoher Spannung und hoher Stromstärke, somit die maximale Abgabe elektrischer Leistung (Energie pro Sekunde) – siehe Abbildung 1.
• Die maximal mögliche Leistung ergibt sich aus der optimalen Spannung multipliziert mit der Stromstärke (für diese Spannung) bei voller Besonnung.
• Der elektrische Wirkungsgrad ist das Verhältnis von erzeugter Leistung und einfallender Lichtleistung.

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.

Energieertrag pro Tag oder Jahr

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 (siehe oben), zumindest bei Verwendung der verbreiteten Silizium-Solarzellen. 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.

Hybridkollektoren

Solarzellen können auch in einen thermischen Sonnenkollektor integriert werden. Man erhält dann einen photovoltaisch-thermischen Solarkollektor (Hybridkollektor), der gleichzeitig elektrische Energie und Wärme produzieren kann und insgesamt eine höhere Energieausbeute pro Quadratmeter Kollektorfläche ermöglicht.

Siehe auch: Solarzelle, Photovoltaik, Solarmodul für die Steckdose, Volllaststunden, photovoltaisch-thermischer Solarkollektor