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Sonnenenergie: Photovoltaik & Solarthermie

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Hohe Erträge auch an trüben Tagen

Text: Wolfgang Lange, Solar Frontier Europe Fotos: Solar Frontier Europa, Peter Fischer, Ben Wiesenfarth
Photovoltaik-Anlagen auf teilverschatteten Dächern, mit ungünstiger Ausrichtung oder nicht optimalen Neigungswinkeln gelten als wenig ertragsfähig. Regionen mit eher niedrigen Sonnen-Einstrahlwerten und einem hohen Schwachlichtanteil ebenso. Dünnschichtmodule aus Kupfer, Indium und Selen spielen auch unter diesen Bedingungen ihre Stärken aus und widerlegen dies.

Anlagenplaner und Investoren von Photovoltaik-Anlagen konzentrierten sich bislang vorwiegend auf Dächer mit Südausrichtung, da diese die optimale Sonneneinstrahlung und demzufolge beste Erträge bieten. Die Leistung einer Anlage wird außerdem durch einen Neigungswinkel beeinflusst, der unabhängig von der Jahreszeit einen konstant optimalen Einstrahlungswinkel gewährleistet. Idealerweise sollte das Wetter immer sonnig und kalt und die Installation frei von jeglichem Schattenwurf und von Verunreinigungen sein. In der Realität sind die Voraussetzungen für Solaranlagen allerdings nicht immer optimal. Eine ungünstigere Ausrichtung des Daches, zum Beispiel in Ost-/West-Richtung, Schattenwurf durch Bäume, Schornsteine oder benachbarte Häuser, hohe Temperaturen, Nebel, Wolken und Schmutz sind ebenfalls Faktoren, die die Erträge einer Solaranlage verringern können.

Fortschritte in der Dünnschicht-Modultechnik machen nun auch Dächer mit ungünstigen Voraussetzungen interessant, um Solarstrom zu gewinnen. Module aus Kupfer, Indium und Selen (CIS) erzielen aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften selbst bei teilverschatteten Dächern, ungünstiger Ausrichtung oder nicht optimalen Neigungswinkeln Erträge, die mit der kristallinen Zelltechnik nicht möglich sind.

Dank ihres guten Schwachlichtverhaltens haben etwa die CIS-Dünnschichtmodule von Solar Frontier die Eigenschaft, selbst bei ungünstigen Lichteinfall-Winkeln, wie sie in den frühen Morgen- und späten Abendstunden sowie im Herbst und Winter herrschen, eine hohe Energieausbeute zu erzielen. Das gilt ebenso bei diffusem Licht (Nebel oder Bewölkung).

Der Unterschied im Schwachlichtverhalten von CIS-Modulen gegenüber anderen Technologien lässt sich einfach erklären: Ein entscheidender Faktor ist das breitere Lichtspektrum, das CIS-Dünnschichtmodule nutzen. Dies wird bei genauerem Betrachten der sogenannten Spektralantwort (Spectral Response, SR) deutlich, die durch die Absorptionsfähigkeit von Licht mit unterschiedlichen Wellen bestimmt wird. Die CIS-Technologie besitzt im Gegensatz zu kristallinem Silizium eine deutlich höhere Spektralantwort - und damit eine höhere Effizienz. Die Folge: CIS-Module produzieren selbst dann noch Strom, wenn amorphe oder kristalline Siliziummodule die Energieproduktion bereits eingestellt haben.

Solarerträge auch bei Verschattung

Ein weiterer Vorteil der CIS-Module liegt in der hohen Schattentoleranz. Kristalline Module haben den Nachteil, dass bei Schattenwurf oder teilweiser Abdeckung durch Schmutz oder Laub das komplette Modul oder sogar der gesamte String ausfallen kann. Grund hierfür ist die Serienverschaltung der Solarzellen zu einem Modul sowie die Aneinanderreihung mehrerer Module zu einem String. Hier verhalten sich die CIS-Module deutlich unempfindlicher: Bei Schattenwurf oder teilweiser bedeckter Oberfläche fällt nicht das gesamte Modul aus, sondern nur der Teil, der bedeckt ist oder auf den der Schatten fällt. CIS-Module bestehen im Gegensatz zu kristallinen Modulen aus langen streifenartigen Zellen - bei Solar Frontier beispielsweise 170 pro Modul. Aufgrund dieser Form fällt nur die Fläche des Moduls aus, die im Schatten liegt, der Rest produziert weiter. Das ist vor allem bei privaten Dachanlagen wichtig, da oft Schatten durch Bäume oder Schornsteine die Effizienz von Solaranlagen beeinträchtigen kann.

Ein Beispiel verdeutlicht dies: Auf dem Hausdach einer Familie aus Gräfelfing in der Nähe von München wurde im Mai 2012 eine Solaranlage mit CIS-Dünnschichtmodulen von Solar Frontier installiert. Dieses Haus hatte für die Planung einer Solaranlage einige Herausforderungen zu bieten: die Ost-West-Ausrichtung des Daches, Verschattung durch nahe am Haus stehende Bäume sowie einen hohen Neigungswinkel von 45 Grad. Der Hausbesitzer hielt sein Dach aufgrund dieser Umstände für die Installation einer PV-Anlage ungeeignet. Die Vorteile der CIS-Technologie unter den gegebenen Bedingungen überzeugten ihn jedoch. Der Anlage mit insgesamt 84 Modulen wird ein jährlicher Ertrag von 10.200kWh prognostiziert - dadurch können knapp 10.000Kilogramm CO 2pro Jahr eingespart werden.

Auch Anlagenbauer Jörg Lauterbach, Geschäftsführer von Solagent, der eine Solaranlage für das nach Ost- und West geneigte Dach einer Reithalle in Neudrossenfeld, Oberfranken, planen sollte, war von den Argumenten überzeugt, die für die CIS-Module sprechen. Dabei zog er allerdings zunächst kristalline Module in Betracht, entschied sich aber letztlich für die Installation von CIS-Dünnschichtmodulen, da diese nicht nur hohe Erträge, sondern auch ein gutes Preis-/Leistungsverhältnis unter den gegebenen, als nicht optimal betrachteten Bedingungen bieten. Bei der Installation auf der Reithalle wurden Module mit 130W Leistung eingesetzt. Die Anlage besteht aus insgesamt 1345 Modulen mit einer installierten Leistung von 50kW auf der Ostseite und 130kW auf der Westseite des Daches. Am 1. Mai 2011 wurde die Anlage mit einer Ertragsprognose von etwa 144MWh pro Jahr ans Netz angeschlossen. Ein Jahr nach Inbetriebnahme zeigte sich, dass die Anlage mit über 166MWh erzeugtem Sonnenstrom die Erwartungen sogar übertroffen hatte.

Neben der Aussicht auf hohe Stromerträge war bei beiden Installationen die Umweltfreundlichkeit der Module ein wichtiges Entscheidungskriterium. Durch den Verzicht auf Cadmium und Blei werden keine umweltbelastenden Materialien in den Modulen verarbeitet. Zudem werden bei der Herstellung die eingesetzten Rohstoffe auf ein Minimum reduziert.

Mehr Ertrag durch CIS-Module

In Langzeittests konnte der Beweis erbracht werden, dass die Module auch dauerhaft eine höhere Leistung als in den Modulspezifikationen angegeben erzeugen. Grund dafür ist der sogenannte „Light Soaking Effect“. Dieser beschreibt die spezielle Eigenschaft der CIS-Module, die dazu führt, dass bereits ab den ersten Betriebsstunden in der Sonne die Leistung und der Wirkungsgrad des Moduls steigen. Vergleichbar ist dieser Effekt beispielsweise mit dem Warmlaufen eines Motors, der bei Betriebstemperatur seine höchste Leistung erbringt.

Der technologische Fortschritt im CIS-Dünnschicht-Bereich macht auch eher ungünstig gelegene Dächer für die Gewinnung von Solarstrom interessant. Diese Beispiele auf einem Privatdach sowie auf einer Reithalle zeigen, dass CIS-Dünnschichtmodule auch unter schwierigsten Bedingungen hohe Erträge liefern können. Mit der richtigen Modul-Technologie können Ost-West-Dächer, sowie Dächer mit Schattenwurf und in Regionen mit hohen Anteilen an Schwachlicht bei der Erzeugung von Solarstrom künftig eine deutlich größere Rolle spielen.

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