Solarmodul

Ein Solarmodul oder Solargenerator ist eine Anwendung der Fotovoltaik und wandelt Strahlungsenergie in elektrische Energie um. Als wichtigste Bauelemente enthält es mehrere Solarzellen. Das Solarmodul wird durch seine elektrischen Anschlusswerte charakterisiert. Diese hängen von den Eigenschaften der einzelnen Solarzellen und der Verschaltung der Solarzellen innerhalb des Moduls ab. Das Solarmodul wird einzeln oder zu Gruppen verschaltet in einer Fotovoltaikanlage betrieben.

Um den vielfältigen Anforderungen bei der Erstellung einer solchen Anlage für solar erzeugten Strom gerecht zu werden, werden die Solarzellen in einem Verbund aus mehreren Materialien und Bauteilen eingebettet. Dieser Verbund erfüllt folgende Zwecke:

* Erzeugung von elektrischer Energie
* praxisgerechte elektrische Anschlussmöglichkeit
* Schutz der spröden Solarzelle vor mechanischen Einflüssen
* Schutz vor Witterungseinflüssen
* Berührungsschutz der elektrisch leitenden Bauteile
* einfache Handhabungs- und Befestigungsmöglichkeit

Es gibt verschiedene Bauformen von Solarmodulen mit verschiedenen Arten von Solarzellen. Im folgenden wird anhand des weltweit am häufigsten eingesetzten Modultyps der Aufbau erklärt.

Aufbau eines typischen Solarmoduls

* Die Vorderseite ist eine Glasscheibe (meist so genanntes Einscheiben-Sicherheits-Glas, kurz ESG).
* Darauf folgt eine transparente Kunststoffschicht (Ethylen-Vinylacetat, EVA), in der die Solarzellen eingebettet sind,
* mono- oder polykristalline Solarzellen, die, verbunden durch Lötbändchen, elektrisch miteinander verschaltet sind,
* Rückseitenkaschierung mit einer witterungsfesten Kunststoffverbundfolie aus Polyvinylfluorid (Tedlar) und Polyester,
* Anschlussdose mit Freilaufdiode (auch Bypassdiode genannt, Erläuterung siehe unten) und elektrischer Anschlussmöglichkeit,
* und ein Aluminiumprofil-Rahmen, zum Schutz der Glasscheibe bei Transport, Handling und Montage, für einfache Befestigungsmöglichkeiten durch standardisierte Befestigungssysteme und für die Versteifung des Verbundes.

Herstellung eines Solarmoduls

Die Fertigung eines Solarmoduls erfolgt weitgehend mit der optisch aktiven Seite nach unten. Als erstes wird ein entsprechendes Glas gereinigt und bereitgelegt. Auf dieses kommt dann eine zugeschnittene Bahn EVA-Folie. Die Solarzellen werden mittels Lötbändchen zu einzelnen Strängen (sogenannte Strings)verbunden und auf der Scheibe mit der EVA-Folie exakt positioniert. Nun werden die Querverbinder, die die einzelnen Stränge miteinander verbinden und zum Ort der Anschlussdose führen, positioniert und verlötet. Danach wird alles nacheinander mit einer zugeschnittenen EVA-Folie und einer Tedlarfolie bedeckt. Als nächster Produktionsschritt erfolgt das Laminieren des Moduls bei einem Unterdruck und ca. 150 °C. Beim Laminieren bildet sich aus der bis dahin milchigen EVA-Folie eine klare, dreidimensional vernetzte und nicht mehr aufschmelzbare Kunststoffschicht, in der die Zellen nun eingebettet sind und die fest mit der Glasscheibe und der Rückseitenfolie verbunden ist. Nach dem Laminieren werden die Kanten gesäumt, die Anschlussdose wird gesetzt und mit den Freilaufdioden bestückt. Nun wird das Modul noch gerahmt, vermessen und nach seinen elektrischen Werten klassifiziert und abschließend verpackt.

Technische Merkmale

Die Daten eines Solarmoduls werden genauso wie die Daten einer Solarzelle für standardisierte Testbedingungen angegeben (siehe dort).
Kennlinie (Strom/Spannung) einer Solarzelle beleuchtet und unbeleuchtet
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Kennlinie (Strom/Spannung) einer Solarzelle beleuchtet und unbeleuchtet

Gebräuchliche Abkürzungen für die Bezeichnungen sind:

* SC: Short Circuit – Kurzschluss
* OC: Open Circuit – Leerlauf
* MPP: Maximum Power Point – Betriebspunkt maximaler Leistung

Die Kennwerte eines Solarmoduls sind:

* Leerlaufspannung UOC
* Kurzschlussstrom ISC
* Spannung im bestmöglichen Betriebspunkt UMPP
* Strom im bestmöglichen Betriebspunkt IMPP
* Leistung im bestmöglichen Betriebspunkt PMPP
* Füllfaktor FF
* Koeffizient für die Leistungsänderung mit der Zelltemperatur
* Modulwirkungsgrad η

Da eindringende Feuchtigkeit durch Korrosionserscheinungen die Lebensdauer eines Moduls stark verkürzen kann und zudem evtl. einen elektrisch leitenden Kontakt mit den stromdurchflossenen Bauteilen des Solarmoduls ermöglicht, sind ausreichende Randabstände äußerst wichtig.

Die Freilauf- oder Bypass-Diode

Werden mehrere Module in Reihe betrieben, so muss parallel zu jedem Modul eine Diode geschaltet werden. Der maximale Strom und die Sperrspannung der Diode entsprechen den Strom- und Spannungswerten eines Moduls. Gleichrichterdioden mit 3 Ampere / 100 Volt sind gängig. Die Freilaufdiode ist so an den Anschlussklemmen jedes Moduls geschaltet, dass sie im normalen Betriebszustand (Modul liefert Strom) in Sperrrichtung gepolt ist (Kathode = mit Ring markierte Seite der Diode an Pluspol des Moduls). Wenn das Modul durch Verschattung oder durch einen Defekt keinen Strom liefert, würde sich die Spannung an den Klemmen umpolen und das Modul beschädigen, zumindest jedoch die Leistung der in Reihe geschalteten Module einer Kette verringern. Durch die Freilaufdiode wird die Verpolung verhindert und der Strom wird aufrechterhalten.

Weitere Arten von Solarmodulen

* laminierte Glas-Glas-Module
* Glas-Glas-Module in Gießharztechnik
* Dünnschicht-Module (CdTe, CIS, a-Si)
* Konzentrator-Module
Das Sonnenlicht wird mit Hilfe einer Optik auf kleinere Solarzellen konzentriert. Damit spart man kostbares Halbleitermaterial indem man es mit vergleichsweise billigen Linsen ersetzt. Konzentratorsysteme werden meist in Verbindung mit III-V-Verbindungshalbleitern verwendet. Da für die Optik ein bestimmter Sonneneinfall (meist senkrecht) notwendig ist, benötigen Konzentratorsysteme immer eine mechanische Nachführung an den Sonnenstand.
* Fluoreszenz-Kollektor
Dieser stellt eine besondere Nutzung von Solarzellen dar. Hier wird die einfallende Strahlung in einer Kunststoffplatte eingefangen. Der Kunststoff ist mit fluoreszierenden Farbstoffen dotiert. Die Solarstrahlung wird vom Farbstoff absorbiert und regt diesen zum Leuchten an. Die dabei emittierte, langwelligere Strahlung verlässt die Platte hauptsächlich an einer Stirnseite, an allen anderen Seiten wird sie durch Totalreflexion oder Spiegelung weitestgehend im Material gehalten. Die entsprechende Stirnseite wird mit Solarzellen bestückt, die optimal auf die durch den Farbstoff emittierte Wellenlänge abgestimmt werden können. Durch das Stapeln mehrerer verschiedener Kunststoffplatten, die jeweils auf einen anderen Wellenlängenbereich optimiert werden, kann der Wirkungsgrad erhöht werden.

Recycling

Trotz einer Lebensdauer der Solarmodule von 20-40 Jahren fallen schon jetzt (2004) mehrere hundert Tonnen Elektroschrott jährlich an. Die weltweit einzige Versuchsanlage zum Recycling von kristallinen Siliziumsolarzellen steht in Freiberg. Dort werden bei Temperaturen um 600°C die im Modul enthaltenen Kunststoffe verbrannt und zurück bleiben Glas, Metall, Füllstoffe und die Solarzelle. Diese kann unter leichten Materialverlusten zu einer neuwertigen Solarzelle werden.

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