Solarmodule sind das Herzstück jeder Photovoltaikanlage. Ohne sie ist es nicht möglich, Sonnenenergie in Strom umzuwandeln. Wie Solarmodule genau funktionieren, erfahren Sie in diesem Ratgeber.
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Wie funktionieren Solarmodule?
Solarmodule bestehen aus vielen Solarzellen. Wenn Sonnenlicht auf eine Solarzelle trifft, werden Elektronen in Bewegung versetzt. Diese Bewegung erzeugt einen elektrischen Strom. Die Zellen sind in einem Modul so verbunden, dass sie eine bestimmte elektrische Spannung liefern.
Solarmodule erzeugen Gleichstrom, während Haushaltsgeräte und das öffentliche Stromnetz mit Wechselstrom arbeiten. Um den Solarstrom nutzbar zu machen, ist ein Wechselrichter notwendig.
Wie erzeugen Solarmodule Strom?
Solarmodule erzeugen Strom, wenn Sonnenstrahlen auf das Halbleitermaterial der Solarzellen treffen. Der dotierte Halbleiter in der Zelle interagiert mit dem Sonnenlicht und setzt Elektronen frei. Dadurch entsteht ein Stromfluss, der über Metallkontakte geleitet wird.
Woraus bestehen Solarmodule?
Solarmodule bestehen meist aus kristallinen Solarzellen, die auf Silizium basieren. Die meisten Zellen sind auf beiden Seiten von einer Kunststoff- oder Gießharzfolie umgeben. Die der Sonne zugewandte Seite ist durch eine lichtdurchlässige Glasplatte geschützt. Unter den Solarzellen befindet sich eine witterungsbeständige Kunststoffrückwand. Die Stabilität des Moduls wird durch einen Rahmen aus Aluminium oder Edelstahl gewährleistet.
Solarzellen
Solarzellen wandeln Sonnenlicht in elektrische Energie um. Sie bestehen aus Halbleitermaterial, meist Silizium. Das Herstellungsverfahren bestimmt, ob sie eine ein- oder mehrkristalline Struktur haben. Auf diese Weise entstehen monokristalline und polykristalline Solarzellen. Monokristalline Zellen sind effizienter, weil sich die Elektronen besser bewegen und mehr Strom erzeugen.
Für die Herstellung von Solarmodulen werden Solarzellen sowohl in Reihe als auch parallel verschaltet.
Reihenschaltung von Zellen
Die Reihenschaltung von Solarzellen ist die meistgenutzte Schaltungsform. Um Solarstrom zu erzeugen, sind Solarzellen in Strings organisiert. Strings sind Gruppen von miteinander verbundenen Solarzellen, die in Reihe geschaltet sind. Durch die Reihenschaltung von Solarzellen wird die Spannung von Element zu Element erhöht. Sie entspricht der Summe aller Spannungen der einzelnen Zellen. Der maximale Strom der Reihenschaltung wird durch den maximalen Strom eines Strings begrenzt.
Parallelschaltung von Zellen
Damit die Leistung von Solarmodulen bei Bewölkung und Teilverschattungen nicht zu sehr abfällt, werden Vollzellenmodule in drei Strings und Halbzellenmodule in zwei Strings unterteilt. Diese werden dann miteinander parallel geschaltet.
Bei einer Parallelschaltung sind die Plus- und Minuspole nicht miteinander verbunden. Stattdessen werden die einzelnen Plus- und Minuspole miteinander verbunden. Die Ströme werden addiert, während die Spannung der einzelnen Zellen gleich bleibt. Weil die String getrennte Stromflüsse haben, arbeiten nicht verschattete Teile des Solarmoduls weiter.
Zudem wird eine Bypass-Diode über ein Drittel der Solarzellen geschaltet. Diese hilft, die Leistung bei teilweiser Verschattung aufrechtzuerhalten.
Einsatz von Bypass-Dioden
Eine Bypass-Diode ist ein elektrisches Bauteil in Solarmodulen, das der Sicherheit dient. Diese Dioden reduzieren Abschattungseffekte und verhindern Überhitzung. Verschattungen führen zu hohem Widerstand und Überhitzung, was den Stromfluss und die Leistung des Moduls beeinträchtigt. Bypass-Dioden leiten den Strom um die abgeschatteten Bereiche herum, um die Energieproduktion aufrechtzuerhalten.
Bypass-Dioden bei der Arbeit
Verschaltung von Solarmodulen
Beim Aufbau einer PV-Anlage werden die Module in Reihe geschaltet, um einen String zu bilden. Dieser String wird dann mit anderen Strings parallel geschaltet. Zusätzlich werden bei Bedarf sowohl Stringdioden als auch String-Sicherungen eingebaut:
- Stringdioden verhindern Kurzschlüsse und Erdschlüsse. Ist ein String defekt, wird ein Rückstrom durch ihn geleitet. Das führt allerdings zu einem Spannungsabfall, was zu einem Leistungsverlust der Gesamtanlage führt;
- String-Sicherungen sind mit Sand gefüllte Gleichstromsicherungen. Sie erlöschen den Lichtbogen, wenn die Sicherung durchbrennt. Diese Sicherungen sind in der Regel mit einem Nennstrom dimensioniert. Solarmodule können Rückströme aufnehmen, die das Zwei- bis Dreifache des Nennstroms betragen.
Was passiert bei Verkabelungsfehlern?
Bei der Verkabelung einer Solaranlage kommt es manchmal vor, dass eine unterschiedliche Anzahl von PV-Modulen pro Strang angeschlossen wird. Im schlimmsten Fall wird dadurch der Strom in einem Strang beeinträchtigt. Dies geschieht, wenn die "normalen" Stränge ihren gesamten Strom durch den fehlerhaften Strang leiten. Infolgedessen ist der Rückstrom im rechten String fast doppelt so hoch wie der Kurzschlussstrom der Module. Dieser Betriebsfall ist jedoch für die beiden Module nicht kritisch.
Verluste durch Mismatching
Wenn Sie mehrere Solarmodule desselben Typs kaufen, sind deren Spannungen und Ströme nicht völlig identisch. Werden diese Module zu einer Solaranlage kombiniert, dann entspricht die Gesamtleistung nicht immer der Summe der Einzelleistungen der Photovoltaikmodule. Diese Verluste werden als Mismatch-Verluste bezeichnet. In diesem Fall sollten Sie die Solarmodule so anordnen, dass sie mit dem gleichen Kurzschlussstrom in einer Reihe zusammengefasst werden.
Schlaue Verschaltung bei Verschattung
Beim Anschluss mehrerer Solarmodule ist es wichtig, die Verluste durch Abschattung zu minimieren. Wenn Verschattungen möglich sind, sollten Sie die betroffenen Module in einem String verbinden. Dieser Strang sollte über einen eigenen MPP-Regler verfügen.
Kennlinien von Solarmodulen
Die Leistung von Solarmodulen wird sowohl von der Sonnenstrahlung als auch von der Temperatur beeinflusst. Zum einen steigt die erzeugte elektrische Leistung mit zunehmender Sonneneinstrahlungsleistung, zum anderen nimmt sie bei steigenden Temperaturen ab.
Die Verringerung ist auf die Abhängigkeit der Leerlaufspannung von der Bestrahlung zurückzuführen. Die Leerlaufspannung wird auch durch den Parallelwiderstand des Standard-Ersatzschaltbildes beeinflusst. Bei sehr geringer Bestrahlungsstärke macht sich der Parallelwiderstand bemerkbar. Bei einer geringen Sonnenstrahlungsleistung ist die Spannung an der Diode des Ersatzschaltbildes klein, sodass sie weniger leitet. Stattdessen wird ein Teil der Sonneneinstrahlungsleistung im Parallelwiderstand in Wärme umgewandelt.
Schwachlichtverhalten von monokristallinen Solarmodulen
Neben der Einstrahlung ist auch das Temperaturverhalten der Solarmodule wichtig. Hohe Temperaturen schaden der Leistungsfähigkeit. Das Modul erwärmt sich in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren wie Einstrahlung, Bauart, Montage, Umgebungstemperatur und Windgeschwindigkeit unterschiedlich.
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