Herausforderungen von Standard-Solarmodulen bei Teilverschattung

Es wird erwartet, dass die Solarenergie den Energiemarkt bis zum Ende dieses Jahrhunderts dominieren wird [1]. Die International Technology Roadmap for Photovoltaic (ITRPV) schätzt, dass der jährliche Markt und die Lieferungen bis Ende 2025 um fast 100 % und bis Ende 2050 um 1000 % steigen werden [2].

Dieser globale Markt umfasst alle Aspekte von PV-Anwendungen wie Kraftwerke, Anwendungen für Privathaushalte (Dächer) und anwendungsorientierte kundenspezifische Module (z. B. BIPV). Einer der größten Märkte für Photovoltaik-Anwendungen ist die Installation von PV-Anlagen auf Hausdächern, die 30 % des gesamten europäischen Marktes ausmachen [3].

Verschattung von PV-Modulen

Teilverschattung ist eine der Herausforderungen für PV-Module. PV-Module reagieren sehr empfindlich auf solche Situationen. Selbst sehr kleine Teilverschattungen können bei PV-Modulen zu einem erheblichen Leistungsverlust führen. Über dieses sehr wichtige Thema haben wir mit Dr. Hamed Hanifi gesprochen – dem Leiter der Forschung und Entwicklung und des technischen Marketings bei AE SOLAR.

Wiederkehrende Teilverschattung in Kombination mit dem Vorhandensein lokaler Defekte erhöht das Risiko von Hotspots in PV-Modulen. Hot-Spots können zu Ausfällen (z. B. Bräunung, Blasenbildung und Ausfall des Isolationssystems) und damit zu einer Verkürzung der Lebensdauer der PV-Module führen. Bei typischen kristallinen Silizium-PV-Modulen ist jeder Modulstrang durch eine Bypass-Diode geschützt. Die Bypass-Dioden schützen die beschattete Solarzelle vor einem hohen Rückstrom, bevor ihre Durchbruchspannung erreicht wird. Allerdings werden auch die anderen, nicht beschatteten Solarzellen des Strangs überbrückt, so dass in der Regel ein Drittel der Ausgangsleistung des Moduls verloren geht. PV-Module für Wohngebäude werden hauptsächlich auf Dächern installiert oder in Konstruktionen wie Carports oder Fahrradabstellplätze und als Balkonmodule verwendet. Verschiedene bauliche Hindernisse oder Umweltfaktoren können zur Abschattung der PV-Module beitragen, wie z. B. Abschattung durch Gebäudestrukturen (z. B. Schornsteine), Schnee oder Vogelschlag. Solche Teilabschattungen erhöhen die Stromgestehungskosten, indem sie die Energieausbeute verringern und die Wartungskosten (z. B. für die Reinigung) erhöhen.

Neues Hot-Spot-freies PV-Modul

Das von AE SOLAR entwickelte neuartige Hot-Spot-freie Modul reduziert die Auswirkungen von Teilverschattungen auf PV-Module und erhöht den Energieertrag und die Lebensdauer der PV-Module, ohne dass die Gebäudekonfiguration geändert werden muss. Im Gegensatz zu Standard-PV-Modulen, bei denen alle 20-24 vollzelligen Solarzellen durch eine Bypass-Diode geschützt sind, verfügt das Hot-Spot-freie Modul von AE Solar über eine Bypass-Diode pro Solarzelle, was das Modul äußerst flexibel in Bezug auf den Prozentsatz, die Form und die Richtungen der verschiedenen Beschattungsszenarien macht. Um die Praxistauglichkeit, Leistung und Zuverlässigkeit des Hot-Spot-freien Moduls zu gewährleisten, hat das Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik (Fraunhofer CSP) die Hot-Spot-freien PV-Module unter verschiedenen Teilverschattungsbedingungen und Belastungssituationen getestet.

Mehr Leistung

Die Ergebnisse bei den häufigsten Teilverschattungen wie Vogelkot oder Laub auf einer kleinen Fläche des PV-Moduls (eine Zelle) zeigen, dass das Hot-Spot-freie Modul bis zu 34 % mehr Leistung im Vergleich zu einem Standard-PV-Modul erzeugen kann. In einem extremeren Szenario, wie z. B. Schattenwurf durch Hindernisse (Schornstein) oder Ansammlung von Staub und Schnee auf der unteren Reihe des PV-Moduls, schalten sich die herkömmlichen Standard-PV-Module ab und produzieren keinen Strom mehr, während die intelligenten hot-spot-freien Module mit 80 % ihrer Nennleistung arbeiten [4].  In Anbetracht der Häufigkeit solcher Abschattungsszenarien im europäischen Klima und in der europäischen Architektur kann eine erhebliche Menge an Energieverlusten eingespart werden, was die LCOE der mit hot-spot-freien Modulen konzipierten Systeme erhöht.

Zuverlässig und langlebig

Darüber hinaus sind die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit von hot-spot-freien Modulen ebenso wichtig wie ihre Leistungsvorteile. Das Fraunhofer CSP hat das Hot-Spot-freie Modul unter Stressbedingungen getestet, bei denen das Modul kontinuierlich mit Sperr- und Vorwärtsspannungen belastet wird, um die Zuverlässigkeit der integrierten Dioden sicherzustellen. Die Ergebnisse nach 10000 Zyklen zeigen, dass das Hot-Spot-freie Modul keine Zuverlässigkeitsprobleme unter Teilverschattungsbedingungen aufweist [4].

“AE Solar ist bestrebt, die Qualität, Zuverlässigkeit, Haltbarkeit und Leistung seiner PV-Module zu gewährleisten. Das Hot-Spot-freie Modul ist ein Beispiel für Innovation und Zuverlässigkeit mit großem Potenzial zur Ertragssteigerung von PV-Anlagen für Wohngebäude. AE Solar testet und entwickelt das Hot-Spot-freie Modul für andere Anwendungen, wie z. B. schwimmende PV- und BIPV-Anwendungen, bei denen das intelligente Hot-Spot-freie Modul einen erheblichen Vorteil im Betrieb bieten kann”, sagt Dr. Hamed Hanifi, Leiter der Forschung und Entwicklung und des technischen Marketings bei AE SOLAR.

[1] Royal Dutch Shell plc

[2] International Technology Roadmap for Photovoltaics, 2021

[3] EU Market Outlook for solar power 2020-2024, Solar Power Europe, 2020

[4] Hanifi et al., ”A novel electrical approach to protect PV modules under various partial shading situations”, Vol. 193, Solar Energy Journal, 2019

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