Solarmodul: Das Herzstück einer Photovoltaikanlage

Der Aufbau eines Solarmoduls

Der Grundaufbau eines Solarmoduls für Photovoltaik ist unabhängig von der Art und Anzahl der verbauten Solarzellen in der Regel immer gleich.

Die Glasscheibe, die zur Sonnenseite ausgerichtet ist, hat eine Anti-Reflex-Schicht. Dadurch wird das Sonnenlicht nicht reflektiert und trifft ungefiltert auf die Solarzelle. Auf die Glasscheibe kommt eine Kunststofffolie. In diese werden die Solarzellen eingebettet und mit den Lötbändchen bzw. Kupferdrähten zu sogenannten Strings miteinander verschaltet. Diese werden zum Verteiler mit Anschlussdose bzw. den Bypass-Dioden geführt, bevor die Rückseite der Solarzellen erneut mit einer Kunststofffolie und einer weiteren Glas- oder Kunststoffscheibe versiegelt wird. Ein Aluminiumrahmen bietet nicht nur Schutz bei Transport, Handhabung und Montage, sondern ist auch für die Befestigung auf dem Dach wichtig. Jedes Solarmodul enthält auch immer eine Seriennummer, die unveränderbar eingebettet werden muss.

Wie groß ist ein Solarmodul?

Für Solarmodule gibt es theoretisch keine Normgrößen. Da die Maschinen für die Produktion und die verbauten Solarzellen jedoch häufig identisch sind, weichen die Größen nicht stark voneinander ab. So haben sich vor allem für private PV-Anlagen folgende Modulgrößen etabliert:

• 1722 mm x 1038 mm mit 108 Halbzellen
• 1755 mm x 1134 mm mit 120 Halbzellen

Andere Größen finden sich entweder im gewerblichen Sektor wie zum Beispiel auf Freiflächenanlagen oder führen ein Nischendasein und werden kaum verbaut.

Wie funktionieren Solarmodule in einer Photovoltaikanlage?

In einer Photovoltaikanlage können die Module entweder in Reihe oder parallel geschaltet werden. Bei Privathaushalten, die an das öffentliche Stromnetz angeschlossen sind, werden die Module fast ausschließlich in Reihe geschaltet:

Die Reihenschaltung

Bei der Reihenschaltung werden mehrere Solarmodule in einer Reihe miteinander verbunden. Dabei werden die Kabel der Plus- und Minuspole ineinander gesteckt. Am Ende bleiben vom ersten und letzten Modul übrig, die einfach mit dem Laderegler eines Batteriespeichers verbunden werden können. Die elektrische Spannung der einzelnen Module wird dabei addiert und erhöht damit die Gesamtspannung der Anlage. Die Reihenschaltung bietet eine höhere Effizienz, geringere Übertragungsverluste sowie geringe Materialkosten für Wechselrichter.

Die Parallelschaltung

Bei der Parallelschaltung werden die Minuspole aller Solarmodule und die Pluspole aller Solarmodule zusammengeführt. Dabei wird die Stromstärke der einzelnen Module addiert, wodurch die Spannung der gesamten Anlage im Gegensatz zur Reihenschaltung gleich bleibt. Diese Option wird nur selten angewendet, wenn eine höhere Stromleistung oder eine niedrigere Spannung erforderlich ist – zum Beispiel bei Inselanlagen. Durch die konstant hohe Stromstärke müssen deutlich dickere Kabel verwendet werden, wodurch sich die Übertragungsverluste erhöhen. Daher arbeitet die Anlage nicht so effizient, wie es bei einer Reihenschaltung der Module der Fall ist. Die Parallelschaltung ist im Gegensatz zur Reihenschaltung auch kostenintensiver, da mehr Material wie dickere Kabel benötigt wird. Zusätzlich müssen durch die höhere Stromstärke bei der Installation mehr Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden.

Was bedeutet das für Privatverbraucher?

Auch wenn in Reihe geschaltete Anlagen eher zur Hotspot-Bildung neigen und bei Verschattungen einen größeren Leistungsverlust haben, werden sie aufgrund ihrer höheren Effizienz bevorzugt. Mit modernen, hochwertigen Solarmodulen wird die Leistungsminderung einzelner Zellen oder Module durch die Bypass-Dioden minimiert. Nur einzelnen Fällen ist die Parallelschaltung zu bevorzugen. Für die Planung und Installation einer Photovoltaikanlage sollte immer Fachpersonal zurate gezogen werden.

Arten von Solarmodulen

Die Art des Moduls und die damit verbundene Leistungsfähigkeit ist hauptsächlich von den verbauten Solarzellen abhängig. In Privathaushalten werden Module mit mono- oder polykristallinen Solarzellen sowie Dünnschichtsolarzellen mit Silizium als Halbleitermaterial verbaut. Monokristalline Module sind im Gegensatz zu polykristallinen Modulen etwas hochpreisiger. Dünnschicht-Module hingegen kommen im Preisvergleich am günstigsten weg.

Bei der Entscheidung für das richtige Modul sollte aber nicht der Preis das ausschlaggebende Kriterium sein. Viel mehr spielen die vorhandene Dachfläche und die Statik, sowie die benötigte Leistung eine Rolle. Diese macht sich vor allem am Wirkungsgrad bemerkbar, sowie an der Leistung bei hohen Temperaturschwankungen und diffusem Licht.

Aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades sind monokristalline Module fast immer die beste Wahl. Da sie eine bessere Leistung erbringen als polykristalline Module, müssen insgesamt weniger in einer Anlage verbaut werden. Das gleicht den höheren Preis der leistungsstarken Solarmodule meist wieder aus. Dünnschichtmodule können auch durch ihre geringen Einbußen bei Schwachlicht und hohen Temperaturen sowie ihren günstigen Preis, den niedrigen Wirkungsgrad nicht aufwiegen. Daher bieten sie nur in seltenen Fällen, wenn zum Beispiel die Dachstatik das Gewicht der Dickschichtmodule nicht tragen kann, eine Alternative für private Hausdach-Anlagen. Besonders gut eignen sie sich für PV-Anlagen auf Freiflächen, wo viel Platz für eine große Anzahl an Modulen ist.

Um die Leistung von Solarmodulen weiter zu verbessern, hat sich seit 2014 eine neue Technik durchgesetzt: die Halbzellen-Module.

Was sind Halbzellen-Module?

Der Herstellungsprozess der Solarzellen in Halbzellen-Modulen ist identisch zu dem der Vollzellen. Jedoch werden sie in einem zusätzlichen Schritt am Ende in zwei Hälften geteilt. Durch die Halbierung der Zelle halbieren sich auch der Widerstand und somit die Verlustleistung. Dadurch erreichen die Halbzellen-Module einen 2 bis 3 Prozent höheren Wirkungsgrad. Durch die zusätzlich entstehenden Zwischenräume kann das Sonnenlicht reflektiert und somit besser verwertet werden. Damit haben Halbzellen-Module auch ein besseres Schwachlichtverhalten als ihre Vollzellen-Konkurrenten.

Zusätzlich wird auch das Modul in zwei parallel geschaltete Hälften geteilt. Dadurch kann zum Beispiel bei einer Verschattung der einen Modulhälfte, die andere Hälfte weiterhin vollumfänglich Strom erzeugen. Das macht monokristalline Halbzellen-Module deutlich effizienter als Vollzellen-Module, die bei einer Teilverschattung komplett ausfallen.

Die Vorteile eines Halbzellen-Moduls auf einen Blick:

• Besseres Schwachlichtverhalten
• Höhere Effizient
• Geringere Verlustleistung

Montage eines Solarmoduls

Für die Montage der Solarmodule gibt es je nach Dach verschiedene Möglichkeiten. Bei der Wahl zwischen Aufdach- oder Indach-Installation ist vor allem der richtige Neigungswinkel der Module ausschlaggebend. Optimalerweise trifft die Sonne in einem 90 °-Winkel auf, um den größten Stromertrag zu erzeugen. Für die perfekte Ausrichtung haben die Module einen Neigungswinkel von 30–40 °. Ein Winkel von 13 ° sollte nicht unterschritten werden, da sonst die Selbstreinigungsfunktion der Module eingeschränkt ist.

Aufdach-Installation

Die Aufdach-Installation der Solarmodule ist die gängigste Variante. Sie kann bei fast allen Dachtypen angewendet werden. Dabei werden die Module mit einem Schienensystem im Abstand von 5–15 cm zum Dach auf der bereits vorhandenen Dacheindeckung befestigt. Das sorgt auch für eine gute Belüftung der Module, jedoch ist die Befestigungskonstruktion ständig der Witterung ausgesetzt. Der Vorteil dieser Installation ist jedoch, dass keine Veränderungen am Dach vorgenommen werden müssen. Daher eignet sie sich auch besonders bei der Nachrüstung von Photovoltaikanlagen. Ist das Dach zu flach oder zu steil, kann mit der Konstruktion auch die Neigung angepasst werden. So können die Solarmodule im optimalen Winkel für einen bestmöglichen Ertrag ausgerichtet werden.

Vorteile:

• preiswerteste Montageoption
• gute Belüftung der Module
• einfache Nachrüstung und Demontage
• Neigung kann optimiert werden

Nachteile:

• Befestigungskonstruktion ist ständig der Witterung ausgesetzt

Indach-Installation

Bei der Indach-Installation ersetzen die Module die Dacheindeckung und werden wie bei der Aufdach-Installation auf Schienen befestigt. Diese sind jedoch in das Dach eingelassen, sodass die Module die schützende Funktion der Dacheindeckung übernehmen. Dadurch ist zwar die Befestigungskonstruktion vor der Witterung geschützt, eine gute Belüftung der Module kann jedoch nicht richtig stattfinden. Da diese Form der Montage gewissermaßen das Dachmaterial ersetzt, eignet sie sich nur für Neubauten oder sanierungsbedürftige Dächer. Die Neigung der PV-Module ist vom Dach abhängig und kann nicht einfach angepasst werden. Das kann zu einem niedrigeren Ertrag führen.

Vorteile:

• Kostenersparnis durch Ersetzen der Dacheindeckung
• witterungsgeschützte Befestigungskonstruktion
• ästhetisch ansprechend

Nachteile:

• nur sinnvoll bei Neubau oder Sanierung
• Neigung ist vom Dach abhängig
• schlechte Belüftung

Flachdach-Installation

Die Flachdach-Installation ist eine spezielle Form der Aufdach-Montage. Da ein Winkel von 13 ° nicht unterschritten werden sollte, können die Solarmodule aber nicht einfach auf flachen Schienen angebracht werden. Durch eine Aufständerung kann der optimale Neigungswinkel manuell eingestellt werden. Dies ist zwar etwas kostenintensiver, jedoch kann ohne Dachschrägen auch die Ausrichtung frei gewählt werden. So ist es möglich, durch eine Südausrichtung mit einem Winkel zwischen 30 und 40 ° die perfekten Bedingungen für die Stromproduktion zu schaffen. Lediglich wird etwas mehr Platz benötigt. Da sich die Solarmodule nicht gegenseitig verschatten dürfen, müssen sie weiter voneinander entfernt installiert werden. Das gewährleistet zwar eine optimale Belüftung, jedoch ist die Befestigungskonstruktion auch hier ständig der Witterung ausgesetzt.

Vorteile:

• Maximaler Stromertrag: Neigungswinkel und Himmelsrichtung können optimal eingestellt werden
• sehr gute Belüftung der Module

Nachteile:

• kostenintensiveres Montagesystem durch Aufständerung
• mehr Platz notwendig
• Befestigungskonstruktion ist ständig der Witterung ausgesetzt

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