Photovoltaikmodule sind das Herzstück von Photovoltaikanlagen. Ihre Funktion besteht darin, Sonnenenergie in elektrische Energie umzuwandeln und diese zur Speicherung in Batterien zu leiten oder zum Betrieb von Verbrauchern zu nutzen. Die Ausgangsleistung von Photovoltaikmodulen ist dabei von entscheidender Bedeutung. Welche Faktoren beeinflussen also die maximale Ausgangsleistung von Photovoltaikmodulen?
1. Temperaturcharakteristika von Photovoltaikmodulen
Photovoltaikmodule weisen im Allgemeinen drei Temperaturkoeffizienten auf: Leerlaufspannung, Kurzschlussstrom und Spitzenleistung. Mit steigender Temperatur sinkt die Ausgangsleistung der Photovoltaikmodule. Der Spitzentemperaturkoeffizient gängiger kristalliner Silizium-Photovoltaikmodule auf dem Markt liegt bei etwa -0,38 bis 0,44 %/°C. Das heißt, mit jedem Grad Temperaturanstieg verringert sich die Stromerzeugung der Photovoltaikmodule um etwa 0,38 %. Der Temperaturkoeffizient von Dünnschichtsolarzellen ist deutlich geringer. Beispielsweise liegt der Temperaturkoeffizient von Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS) bei nur -0,1 bis 0,3 % und der von Cadmiumtellurid (CdTe) bei etwa -0,25 %. Beide Werte sind besser als die von kristallinen Siliziumzellen.
2. Alterung und Abschwächung
Bei der Langzeitanwendung von Photovoltaikmodulen tritt eine langsame Leistungsabnahme auf. Der maximale Leistungsverlust im ersten Jahr beträgt etwa 3 %, die jährliche Abnahmerate in den folgenden 24 Jahren liegt bei etwa 0,7 %. Basierend auf dieser Berechnung kann die tatsächliche Leistung von Photovoltaikmodulen nach 25 Jahren noch etwa 80 % der Anfangsleistung erreichen.
Es gibt zwei Hauptarten der Verlangsamung des Alterungsprozesses:
1) Die durch die Alterung der Batterie selbst bedingte Leistungsminderung wird hauptsächlich durch den Batterietyp und den Batterieherstellungsprozess beeinflusst.
2) Die durch die Alterung von Verpackungsmaterialien bedingte Leistungsminderung wird hauptsächlich durch den Herstellungsprozess der Komponenten, die Verpackungsmaterialien selbst und die Einsatzumgebung beeinflusst. Ultraviolette Strahlung ist eine wichtige Ursache für die Leistungsverschlechterung der Hauptmaterialien. Langfristige UV-Bestrahlung führt zur Alterung und Vergilbung der EVA-Folie und der Rückseitenfolie (TPE-Struktur), was die Lichtdurchlässigkeit der Komponenten und somit deren Leistung verringert. Darüber hinaus beschleunigen Rissbildung, Hotspots, Wind- und Sandabrieb etc. die Leistungsverschlechterung der Komponenten.
Dies erfordert von den Komponentenherstellern eine strenge Kontrolle bei der Auswahl von EVA-Materialien und Backplanes, um die durch die Alterung von Hilfsmaterialien verursachte Leistungsdämpfung der Komponenten zu reduzieren.
3. Anfängliche lichtinduzierte Abschwächung der Komponenten
Die anfängliche lichtinduzierte Degradation von Photovoltaikmodulen führt dazu, dass deren Ausgangsleistung in den ersten Tagen der Nutzung deutlich abfällt, sich dann aber stabilisiert. Verschiedene Batterietypen weisen unterschiedliche Grade der lichtinduzierten Leistungsminderung auf.
Bei p-dotierten (bor-dotierten) kristallinen Siliziumwafern (Einkristall/polykristallinen) führt die Beleuchtung oder Strominjektion zur Bildung von Bor-Sauerstoff-Komplexen in den Siliziumwafern, was die Minoritätsträgerlebensdauer verringert und dadurch die Rekombination einiger photogenerierter Ladungsträger verursacht, was die Zelleffizienz verringert und zu einer lichtinduzierten Dämpfung führt.
Andererseits sinkt der photoelektrische Wirkungsgrad von amorphen Silizium-Solarzellen innerhalb des ersten halben Jahres der Nutzung deutlich und stabilisiert sich schließlich bei etwa 70 bis 85 % des anfänglichen Wirkungsgrades.
Bei HIT- und CIGS-Solarzellen tritt nahezu keine lichtinduzierte Dämpfung auf.
4. Staub- und Regenschutz
Ein Kraftwerk besteht aus vielen in Reihe und parallel geschalteten Batteriezellen. Aus dem Physikunterricht der Mittelstufe wissen wir, dass in einem Reihenschaltkreis der gesamte Stromkreis unterbrochen wird, wenn ein Glied ausfällt. Wird hingegen ein paralleler Schaltkreis unterbrochen, bleiben die anderen Stromkreise verbunden. Das Prinzip von Batteriekomponenten ist dasselbe. In einer Reihe von Photovoltaikmodulen wird der Stromfluss eingeschränkt, wenn ein Modul blockiert ist. Egal wie viel Strom die anderen Module in der Reihe erzeugen, sie können nicht die volle Leistung abgeben.
Anhand des Fassmodells lässt sich erklären, dass die Wassermenge, die ein Fass fassen kann, durch das kürzeste Brett bestimmt wird. Die anderen Bretter sind nutzlos, egal wie lang sie sind. Das blockierte Paneel ist das kürzeste Brett des Fasses und bestimmt somit die Stromerzeugung der gesamten Paneelkette.
5. Fehlanpassung bei der Reihenschaltung der Komponenten
Die Fehlanpassung bei der Reihenschaltung von Photovoltaikmodulen lässt sich anschaulich mit dem Fass-Effekt erklären. Das Fassungsvermögen eines Holzfasses ist durch die kürzeste Holzplanke begrenzt; der Ausgangsstrom des Photovoltaikmoduls ist durch den niedrigsten Strom der in Reihe geschalteten Module begrenzt. Tatsächlich gibt es immer eine gewisse Leistungsabweichung zwischen den Komponenten, sodass eine Fehlanpassung der Komponenten zu einem gewissen Leistungsverlust führt.
Die fünf oben genannten Punkte sind die Hauptfaktoren, die die maximale Ausgangsleistung von Photovoltaikmodulen beeinflussen und langfristige Leistungsverluste verursachen. Daher ist der spätere Betrieb und die Wartung von Photovoltaikanlagen von großer Bedeutung, um die durch Ausfälle bedingten Ertragsverluste wirksam zu reduzieren.
Veröffentlichungsdatum: 09.10.2023