Nicht selten werfen benachbarte Gebäude oder Bäume Schatten auf das Modulfeld einer Solaranlage – Ertragsverluste können die Folge sein. Anders bei sogenannten Matrix-Schindelmodulen des Fraunhofer ISE. Diese sollen auch bei Schatten genügend Sonnenenergie produzieren. Optimierte Stromflüsse machen’s möglich.
Es gibt ein Problem, mit dem viele Besitzer*innen von Solaranlagen erst konfrontiert werden, wenn ihre Grünstromerzeuger bereits auf dem Feld oder Dach installiert sind: Wo Licht ist, ist auch Schatten. Und eben genau dieser Schatten wirkt sich negativ auf den Betrieb der Anlage aus. Tauchen wir dazu ein wenig in die Technologie der Solarmodule ein: Solarmodule bestehen aus mehreren Solarzellen. Fallen nun einige der winzigen Stromerzeuger aufgrund von Verschattung aus, so reduziert sich logischerweise die gesamte Solarmodulspannung – und zack! Es kann weniger Sonnenstrahlung in elektrische Energie umgewandelt werden.
Diese verschatteten Solarzellen wirken also wie eine Stromflussbremse. Die Stromerzeugung ist dabei nicht nur in den verschatteten Zellen eingeschränkt. Vielmehr wird der Stromfluss auch in den frei liegenden Solarzelle unterbrochen. Nun zur guten Nachricht: Neuartige Schindelmodule des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) sollen trotz teilweiser Verschattung der Solaranlage fleißig Sonnenstrom tanken können. Zudem bekommen sie schon bei der Herstellung einen grünen Stempel aufgedrückt: Einzelne Solarzellen der Fertigungslinie werden komplett bleifrei miteinander verbunden.
Was ist ein Schindelmodul?
Hocheffiziente Schindelmodule, bei denen kristalline Solarzellen in fünf oder sechs Streifen geschnitten und mit einem elektrisch leitenden Klebstoff miteinander verbunden werden, gibt es schon länger. Sie bieten die Möglichkeit, Größe und Form der Module flexibel zu gestalten, ein besseres ästhetisches Erscheinungsbild zu erreichen und besser mit Abschattungen umzugehen. Dennoch wagen sich bis dato nur wenige Forschungseinrichtungen an die Herstellung solcher Module. Eine davon ist das Fraunhofer-Institut ISE.
In Zusammenarbeit mit dem Anlagenbauer M10 Industries entwickelt dieses die sogenannte „Matrix Shingle Technology“ – ein Verfahren für die optimale Verschaltung von Schindelmodulen. Dabei werden Zellstreifen in versetzten Reihen angeordnet, ähnlich wie Ziegelsteine in einer Mauer gesetzt werden. Der von M10 konzipierte Stringer ermöglicht zudem eine Herstellung dieser Matrix-Schindelmodule im industriellen Maßstab. Zum Verständnis: Ein Stringer ist das Herzstück bei der Herstellung von Photovoltaik-Modulen. Es handelt sich dabei um ein Gerät zum Verlöten einzelner Solarzellen zu sogenannten Strings.
Mehr Schatten, nicht weniger Sonnenstrom
Freiburger Forscher*innen testen die Leistung der neuen Matrix-Technologie nun in verschiedenen Laborexperimente. Dazu werden die Module teilweise mit einer schwarzen Folie abgedeckt, ehe es für sie ab in den Sonnensimulator geht. Die Resultate sprechen für sich: Die getesteten Schindelmodule wiesen bei diagonaler und völlig zufälliger Verschattung eine deutlich bessere Leistung als Schindelmodule, die mit dem Standard-Stringer-Verfahren hergestellt wurden. Genauer gesagt, konnte bei diagonaler Verschattung der Solaranlage ein Leistungszuwachs von bis zu 73,8 Prozent festgestellt werden. Bei zufälliger Verschattung der Solaranlage waren es sogar 96,5 Prozent mehr Leistung.
Doch woran liegt das? Laut Forschungsgruppe ermöglicht dieser Ansatz, dass mehr elektrischer Strom aus dem Modul fließt, ohne dass er durch verschattete Bereiche blockiert wird. Sprich: Dank der cleveren Matrix-Anordnung umfließt der Strom quasi die verschatteten Bereiche, sodass bei Teilverschattungen eine deutliche Mehrleistung der Photovoltaik-Anlagen gegenüber eingesetzten Standardmodulen erbracht werden kann.
Keine Hotspots, aber mehr Platz
Außerdem sind geschindelte Module dafür bekannt, dass sie weniger anfällig für Hotspots, also die Überhitzung eines Modulbereichs aufgrund ungleichen Lichteinfalls, sind. Grund dafür ist die bessere Wärmeableitung durch die sich berührenden Zellen. Damit nicht genug: Die versetzte Anordnung der Matrix-Solarzellen macht eine vollständige, homogene Belegung der gesamten Modulfläche möglich. Die Module seien demzufolge zwei bis sechs Prozent effizienter als herkömmliche Halbzellenmodule ohne optimale Matrix-Verschaltung.
Wohin mit den Schindelmodulen?
Das von den Freiburger Wissenschafter*innen entwickelte Schindelkonzept überzeugt aber auch in puncto Optik. Die Matrix-Solarzellen sind laut dem Gruppenleiter der Verbindungstechnologie am Fraunhofer ISE, Achim Kraft, vor allem für gebäudeintegrierte Anwendungen geeignet: „Gerade dort kommt es auf maximale Flächenausnutzung, Verschattungstoleranz und eine ansprechende Ästhetik an.“ In Kombination mit einer Morpho-Color-Farbschicht können die Grünstromerzeuger zudem in unterschiedlichen Farben strahlen. Wer sich für eine effektive Solaranlage entscheidet, führt ein Leben auf der Sonnenseite. Zumindest dann, wenn es um die Stromausbeute der eigenen Anlage geht.