PV-Module
PV-Module sind das Herzstück von Photovoltaik-Anlagen. Durch ihre Solarzellen wandeln sie die Sonneneinstrahlung in elektrische Energie um. Die PV-Zellen bestehen aus einem Halbleiter. Silizium (Si) ist ein solcher Halbleiter. Si hat den Vorteil, dass es sehr häufig vorkommt und seine Verarbeitung zudem umweltverträglich ist. Mit aus diesem Grund werden fast alle PV-Module (~90% weltweit) mit kristallinem Silizium gefertigt. Bei diesen Modulen kann dann wieder zwischen Heterojunction-; Monokristallin- und Polikristallin-Zellen unterschieden werden.
Es gibt allerdings auch andere Materialien, die für die Herstellung von PV-Modulen verwendet werden können, z. B.:
- Dünnschicht-Solarzellen: Diese Zellen werden aus amorphem Silizium, Cadmiumtellurid oder Kupferindiumgalliumdiselenid (CIGS) hergestellt. Sie sind flexibler und leichter als kristalline Siliziummodule, haben aber einen niedrigeren Wirkungsgrad.
- Organische Solarzellen: Diese Zellen werden aus Kunststoffen hergestellt. Sie sind noch in der Entwicklung und haben zudem einen sehr niedrigen Wirkungsgrad.
Die Wahl des richtigen Materials für deine PV-Anlage hängt von deinen individuellen Bedürfnissen und Anforderungen ab. Siliziummodule sind die etablierte und kostengünstigste Option, während Dünnschichtmodule eine gute Alternative für Anwendungen sind, bei denen Flexibilität und Gewicht wichtig sind. Organische Solarzellen sind noch nicht für den Einsatz in der Praxis geeignet.
Um die gängigen PV-Module herzustellen, muss Quarzsand und Quarzkies in einem energie-intensiven Prozess zu hochreinem Silizium aufbereitet werden. Danach werden von den hochreinen Si-Blöcken dünne Scheiben abgeschnitten. Aus diesen sogenannten Wafern entstehen nach etlichen weiteren Herstellungsschritten dann die Solarzellen. Die Standardbauweise ist der Photovoltaik-Module ist das sogenannte „Glas-Folien Modul“. Hierbei werden Solarzellen zwischen einer Glasscheibe auf der Vorderseite und einer Folie auf der Rückseite zum Solarmodul zusammengefügt. Dabei werden die Solarzellen beidseitig in EVA-Folie (Ethylen-Vinyl-Acetat) eingebettet, um sie vor Feuchtigkeit und mechanischer Beanspruchung zu schützen. Unter Wärme und Druck werden die Zellen mit dem Glas und der Folie zu einem wetterfesten und bruchsicheren Verbund laminiert. Zum Schluss wird eine Rückseiten-Verbundfolie aus Kunststoff angefügt. Das Glas-Folien Modul ist die leichteste und kostengünstigste Modulvariante.
Eine andere Bauweise ist das sogenannte Glas-Glas Modul mit einer aus Glas bestehenden Vorder- und Rückseite. Dadurch liegen die Zellen in der neutralen Faser und werden bei Durchbiegung des Moduls nicht belastet. Zudem ist das Glas-Glas-Modul auch weniger empfindlich gegen das Eindringen von Wasserdampf, Witterungseinflüssen oder Chemikalien als die Glas-Folie-Module.
Aufgrund dieser Bauweise sind die Kosten für diese Modulvariante auch um einiges höher. Ein Großteil der Hersteller garantiert dafür aber auch eine längere Lebenszeit, einen höheren Energieertrag über dieselbe Zeit und gibt darüber hinaus eine längere Garantie gegenüber einem „Glas-Folien Modul“.
Bei der Auswahl der Module ist ebenfalls zudem zwischen Rahmenlosen Modulen und Modulen mit Rahmen zu unterscheiden. Rahmenlose Module gibt es derzeit nur in der Glas-Glas-Variante und sind bei Flachen Neigungen besonders geeignet, da hier der Selbstreinigungseffekt höher ist und der Schnee besser abrutschen kann. Außerdem kann sich keine Schmutzkante an den Rahmenrändern bilden.
Der Nachteil hierbei ist der höhere Anschaffungspreis.
Module mit Rahmen hingegen sind um einiges Kostengünstiger, montagefreundlicher, und vielseitiger einsetzbar.
Zu guter letzt sind noch Bifazial-Module und PVT-Kollektoren zu erwähnen welche mit guten Grund immer Populärer werden und auf den Markt drücken.
Bifaziale-Solarmodule
Bifaziale Solarmodule, auch als zweiseitige Module bekannt, präsentieren auf beiden Seiten Solarzellen und schöpfen sowohl direktes als auch reflektiertes sowie diffuses Sonnenlicht aus. Bei günstigen Bedingungen können sie unter Umständen bis zu 30 % mehr elektrische Energie erzeugen als herkömmliche monofaziale Module. Diese Module erweisen sich als äußerst effektiv in verschiedenen Umgebungen, darunter Solarcarports, -terrassen, erhöhte Strukturen für die Agri-Photovoltaik und auf Flachdächern mit steilem Neigungswinkel. Ebenfalls empfehlenswert sind sie für Fassadenanlagen, die vor helle Wandflächen platziert werden.
Bifaziale PV-Module sind beidseitig mit widerstandsfähigem Glas ausgestattet und beherbergen zwischen sich zwei Schichten von Solarzellen – eine auf der Vorderseite und eine auf der Rückseite. Normalerweise besteht die obere Schicht aus monokristallinen Solarzellen, während die untere Schicht preisgünstigere polykristalline Solarzellen umfasst. Um eine klare Sicht zwischen den Solarzellen zu gewährleisten, wurde die traditionelle Rückseitenfolie entfernt.
Bifaziale PERC-Zellen, die eine passive Emissionselektrode aufweisen, erreichen einen Bifazialfaktor (ein Vergleich des Wirkungsgrades zwischen Vorder- und Rückseite) von etwa 70 %. Im Gegensatz dazu können Heterojunction-Zellen mit zwei dünnen Schichten amorphes Silizium einen Bifazialfaktor von 95 % oder sogar mehr erreichen.
Für optimale Leistung sollten die Module unter einem Neigungswinkel von 30 bis 35 Grad geneigt und nach Süden ausgerichtet sein. Die Reflexion des Untergrunds (Albedo) spielt eine entscheidende Rolle für den Ertrag, wobei helle Oberflächen eine höhere Albedo aufweisen. Die besten Ergebnisse erzielt man auf weißen Flächen, besonders in Regionen mit viel Schnee oder auf hellen Dächern.
Es ist jedoch zu beachten, dass bifaziale Module höheren Wartungsaufwand erfordern und anfälliger für Leistungsverluste durch Verschattung sind.
PVT-Kollektoren
Ein Hybridkollektor bezeichnet eine PVT-Anlage (Photovoltaik und thermischer Kollektor – Flüssigkeit oder Luft) oder einen Flüssigkeit/Luft-Kollektor. Der PVT-Kollektor ermöglicht nicht nur die Generierung elektrischer Energie, sondern auch die Erzeugung von Wärme.
Durch die Fusion von PV-Modulen und thermischen Solarhubs in einem Bauteil wird bei gleichbleibender Energieausbeute eine reduzierte Fläche benötigt. Dies führt zu verringerten Produktions- und Montagekosten. Zudem erscheint eine Dachfläche mit den PVT-Kollektoren ästhetisch ansprechender.
Die elektrische Energie kann ins öffentliche oder private Netz eingespeist werden. Die durch die Solarflüssigkeit erzeugte Wärme kann direkt für die Trinkwassererwärmung genutzt oder über einen Pufferspeicher zwischengespeichert werden, um sie für verschiedene Anwendungen (Trinkwassererwärmung, Heizung) bereitzuhalten. Durch die Verbindung mit einer Wärmepumpe kann die thermische und elektrische Produktion gesteigert werden, indem der PVT-Kollektor auf niedrigen Temperaturen (20 °C und niedriger) gehalten wird. Dadurch verringert sich der Wärmeverlust des Kollektors möglicherweise (eventuell kann sogar auf eine Wärmedämmung verzichtet werden), und die Solarzellen arbeiten effizienter.
Bypass-Dioden und Leistungsoptimierer
Damit eine PV-Anlage den höchstmöglichen Ertrag erzielen kann, müssen die PV-Module optimal arbeiten. Das kann durch gute Hinterlüftung und den Bypass-Dioden erreicht werden, oder falls wirklich nötig durch den Einsatz von Leistungsoptimierern.
Da PV-Zellen meist in Reihe geschaltet sind, wirken verschattete Zellen wie Verbraucher und nehmen elektrische Leistung auf. Dadurch kann sich die verschattete Zelle stark erwärmen und somit geschädigt werden (Hot-Spot-Effekt). Um das zu vermeiden, werden die Zellen in einem Modul oft mit sogenannten Bypass-Dioden versehen, um die verschatteten Zellen zu überbrücken und vor Schaden zu bewahren. Dabei bekommt aus Gründen des Kosten-Nutzenverhältnisses nicht jede Zelle eine Bypass-Diode. In kristallinen Modulen sind es in der Regel 3-4 Stück.
So wird dann je nach Verschattung jeweils ein Drittel bzw. ein Viertel des Moduls abgeschaltet.
Befindet sich die PV-Anlage in keiner guten Lage und/oder mit Verschattungsrisiko, können die PV-Module, separat mir Leistungsoptimierern ausgestattet werden. Diese wirken wie zusätzliche MPP-Tracker und optimieren den Leistungsoutput von einem z.B. verschatteten Modul. Dadurch kann mehr Energie erzeugt werden.
Verfügt das PV-Module über 3-4 Bypass-Dioden bleiben diese auch in Kombination mit dem Leistungsoptimierer unbeeinflusst und verrichten ihre Arbeit wie gehabt.