Stromausbeute fast doppelt so hoch

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ISE: „Matrix“-Schindelmodule effizienter bei Verschattung

Wissenschaftler des Freiburger Fraunhofer ISE haben laut pv magazine die Leistung ihres neu eingeführten „Matrix“-Ansatzes zur Verschaltung von geschindelten Solarzellen untersucht – mit positivem Ergebnis: Dank optimierter Stromflüsse fällt die Energieausbeute des „Matrix“-Ansatzes unter zufälliger Verschattung fast doppelt so hoch aus wie bei Standardverschaltung von Schindelzellen. Das haben sie in Progress in Photovoltaics veröffentlicht (open access).

Noch keine Schindeln – PV-Module in Berlin-Adlershof – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

In ihrer Studie untersuchten die ISE-Forscher Nils Klasen, Daniel Weisser, Torsten Rößler, Dirk Holger Neuhaus und Achim Kraft die Abschattungstoleranz zweier Arten von Solarmodulen, die auf der Schindelverschaltung basieren: erstens den bereits kommerzialisierten String-Ansatz und zweitens die Matrix-Technologie, bei der die Solarzellen parallel und in Reihe miteinander verbunden sind. Ein experimentell validiertes LTspice-Modell sagte wesentliche Vorteile für die Leistungsabgabe der Matrix-Anordnung bei Teilverschattung voraus. Untersucht wurde sowohl die diagonale als auch die zufällige Verschattung eines 1,6 m2 großen Solarmoduls. Für die Matrix-Technologie werden Leistungsgewinne bis zu 73,8 % bei diagonaler Verschattung und bis zu 96,5 % bei zufälliger Verschattung im Vergleich zum Standard-String-Ansatz ermittelt. Ausschlaggebend dafür ist eine erhöhte Stromauskopplung aufgrund von seitlichen Stromflüssen. Vor allem bei geringen Verschattungen profitiert die Matrix-Technologie auch von einem erhöhten Füllfaktor (Quotient aus der maximalen Leistung einer Solarzelle am Maximum Power Point und dem Produkt aus Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom). Bei diagonaler Verschattung ist die Wahrscheinlichkeit, dass Teile des Matrixmoduls überbrückt werden, im Vergleich zum Stringmodul um 40 % geringer. Infolgedessen ist das Gesamtrisiko des Auftretens von Hotspots in Matrixmodulen deutlich geringer.

„Schindelmodule – bei denen kristalline Solarzellen in fünf oder sechs Streifen geschnitten und mit einem elektrisch leitenden Klebstoff miteinander verbunden werden – gibt es schon seit einiger Zeit. Obwohl sie nie eine Mainstream-Lösung waren, haben sie die Aufmerksamkeit der Industrie auf sich gezogen, da sie die Möglichkeit bieten, Größe und Form der Module flexibel zu gestalten, ein besseres ästhetisches Erscheinungsbild zu erreichen und die Toleranz gegenüber Abschattungen zu verbessern. Das jüngste Interesse an gebäudeintegrierten und anderen Anwendungen für Photovoltaik-Anlagen, die über die Standardmodule für Dächer oder Freiflächen hinausgehen, sowie die Bedenken hinsichtlich der Verwendung von Blei sowie Verbesserungen bei elektrisch leitfähigen Klebstoffen haben in letzter Zeit für einen neuen Push bei diesem Ansatz geführt. Erst vor kurzem hatte das ISE ein neues in Zusammenarbeit mit dem Anlagenbauer M10 Industries entwickeltes Layout für bleifreie Schindelzellen vorgestellt. Es wird als „Matrix Shingle Technology“ bezeichnet. Bei diesem Ansatz werden die Zellstreifen in versetzten Reihen angeordnet, ähnlich wie Ziegelsteine in einer Mauer. Das ISE erklärte, dass das zu höheren Modulwirkungsgraden und noch besserer Verschattungstoleranz führt.“ (Aus: pv-magazine.de/fraunhofer-ise-matrix-schindelmodule-sind-effizienter-bei-verschattung)

Potenzial von 900 GW ohne weiteren Flächenverbrauch

Der Markt für Solarmodule hat sich inzwischen hin zu vielen Zellformaten und Verschaltungstechnologien gewandelt, welche die Leistung kontinuierlich steigertenn. Gleichzeitig erfordert die weltweite Energiewende die Nutzung zusätzlicher Flächen für die solare Stromerzeugung. Die Aktivierung bereits vorhandener künstlicher Flächen wie z.B. Gebäudehüllen bietet ein technisches Potenzial, um in Deutschland rund 900 GW ohne weiteren Flächenverbrauch zu installieren, aber auch an den Karosserien von Elektrofahrzeugen und in Lärmschutzwänden. Allerdings unterscheiden sich die Betriebsanforderungen im städtischen Umfeld von denen in Solarkraftwerken. Insbesondere die Teilverschattung wird zu einem wichtigen Thema, da viele Objekten unterschiedlich Schatten auf die Solarmodule werfen.

Geschindelte Solarmodule bieten nach Auffassung der ISE-Wissenschaftler eine Lösung für Teilabschattungsverluste – gleichzeitig ein sehr ästhetisches, für integrierte Anwendungen besonders interessantes Erscheinungsbild. Die Forscher untersuchten die Funktionsweise von Schindelmodulen, die in einem hochmodernen industriellen Verfahren unter Verwendung von Strings aus geschuppten Solarzellen hergestellt wurden. Außerdem verglichen sie sie mit Modulen, die mit der Matrix-Technologie hergestellt wurden, und untersuchten die grundlegenden Gründe für die Verschattungstoleranz beider Schindelansätze. Sie stellten ein einfaches LTspice-Modell vor, das in der Lage war, die Leistungsabgabe unter allen Arten von Verschattungsbedingungen vorherzusagen, und validierten den Ansatz mit Experimenten an Solarmodulen im Labormaßstab.

Das Fraunhofer ISE hat nach eigenen Angaben bereits eine Prototyp-Produktionslinie für „Matrix“-Schindelzellen in Freiburg in Betrieb genommen. Die Technologie sei als besonders interessant für gebäude- oder fahrzeugintegrierte Photovoltaik und andere Anwendungen ansieht, bei denen häufige Verschattungen unvermeidlich sind. „Enorme Potenziale für die solare Stromerzeugung treffen auf eine große Vielfalt an unregelmäßigen Verschattungsbedingungen, so dass die Verschattungstoleranz ein sehr wichtiger Aspekt ist“, heißt es abschließend. „Darüber hinaus erfüllen ‚Matrix‘-Module weitere Anforderungen wie ein hochästhetisches Erscheinungsbild, ohne dass es zu Leistungsverlusten kommt, beispielsweise durch Farbgebung oder Druckmuster auf der Vorderseite.“

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