Die Leistungsabgabe von PV-Modulen basiert auf einem Labortest unter sehr günstigen Bedingungen. In der Praxis ist die Strahlungsintensität meist deutlich geringer.
Doch wie gut funktionieren PV-Module unter Schwachlichtbedingungen? Und welche Solarmodule haben das beste Schwachlichtverhalten? Diese Fragen und mehr werden im Ratgeber beantwortet.
Was versteht man unter Schwachlicht?
Unter Schwachlicht versteht man in der Regel eine Strahlungsstärke von unter 200 Watt pro Quadratmeter (W/m²). Im Vergleich dazu liegt die Einstrahlungsleistung unter Standardtestbedingungen (STC) bei 1000 W/m².
Solarmodule laufen jedoch fast nie unter optimalen Wetterbedingungen, mit einer Einstrahlung von 1000 W/m². Die meiste Zeit liegt die Sonneneinstrahlung im Teillastbereich von 50 bis 800 W/m².
In der folgenden Tabelle sind verschiedene Einstrahlungsstärken mit den dazugehörigen charakteristischen Merkmalen des Wetters aufgeführt:
Einstrahlung (W/m²) | Wetterbedingungen |
|---|---|
0-10 | Dämmerung, Regen |
10-100 | Bedeckt |
100-300 | Bewölkt |
300-500 | Leicht bewölkt |
500-800 | Sonnig |
800-1000 | Sehr sonnig |
Warum ist das Schwachlichtverhalten von PV-Anlage wichtig?
Selbst wenn es völlig bewölkt ist und die Sonne verdeckt ist, wird weiterhin Strom vom Solarpanel erzeugt. Tatsächlich liefert die Diffusstrahlung in etwa den gleichen Beitrag zum Jahresertrag der PV-Anlage, wie die Direktstrahlung. Dieser Effekt wird umso größer, desto weiter nördlich der Standort der Solaranlage ist.
Daher ist es logisch, dass Solarmodule im Schwachlicht- oder Teillastbereich möglichst viel Leistung bringen sollten, um das bestmögliche Ergebnis bzw. die bestmögliche Ausbeute zu erzielen.
Was ist das Schwachlichtverhalten von Solarmodulen?
Es gibt in Bezug auf Photovoltaik keine klare Definition für das Schwachlichtverhalten. In der Regel bezieht sich das Schwachlichtverhalten auf den prozentualen Wirkungsgrad in Situationen mit geringer Einstrahlung. Man spricht dabei auch von der gewichteten Moduleffizienz (Normalized Power Output Efficiency).
Beispiel:
Nehmen wir an, ein PV-Modul hat eine Nennleistung von 400 Watt-Peak (Wp) und einen Modulwirkungsgrad von 21 %. Bei einer Einstrahlungsstärke von 200 W/m² liefert das Solarmodul nur noch 75 Watt, anstatt wie zu erwarten 80 Watt.
Damit liegt der Wirkungsgrad nur noch bei 19,69 %. Die Schwachlicht-Leistung (Lowlight Performance) des PV-Moduls liegt damit bei 19,69 / 21,0 = 93,7 %.
Oder anders ausgedrückt: Das Solarmodul verliert (unter sonst gleichen Bedingungen) bei schlechten Lichtverhältnissen prozentual etwa 6,3 % der Leistung.
Wie lässt sich das Schwachlichtverhalten von Solarpanels ermitteln?
Im Datenblatt eines Solarpanels wird heutzutage in der Regel keine feste Angabe mehr zum Schwachlichtverhalten gemacht. Früher war dies jedoch häufig der Fall, und gemäß der Norm EN 50380 wurde die Modulleistung bei einer Einstrahlung von 200 W/m² angegeben.
Mittlerweile wird dies nur selten gemacht, was die Vergleichbarkeit der Schwachlichtfähigkeit der einzelnen PV-Module erschwert oder sogar unmöglich macht.
Doch welche Parameter sind für die Leistung bei Schwachlicht überhaupt wichtig?
Laut der wichtigsten Studie zum Thema gibt es drei Einflussfaktoren auf das Schwachlichtverhalten von Solarmodulen:
- den Serienwiderstand Rs,
- den Shunt-Widerstand Rsh (oder Rp)
- und den Idealitätsfaktor.
Der Shunt-Widerstand hat den größten Einfluss auf die Low-Light-Performance.
Einfluss von R-Shunt auf das Schwachlichtverhalten von PV-Modulen
© Bernd LItzenburger
Wie aus der Grafik hervorgeht, führt eine Erhöhung des Rs von 5 auf 30 Ohm (unter sonst gleichen Bedingungen) zu einer Steigerung der relativen Effizienz von 90 % auf 93,5 %.
Einige Modulhersteller geben den Shunt-Widerstand in der Flash-Liste an, aber dies ist leider nicht die Regel und es besteht keine öffentliche Einsicht auf diese Listen, somit ist auch diese Angabe nicht sonderlich praktikabel.
Die wohl praktischste Möglichkeit, das Schwachlichtverhalten zu beurteilen, besteht darin, es anhand der UP-Kennlinie (Spannungs-Leistungs-Kurve) abzulesen, die häufig im Datenblatt von Solarmodulen angegeben wird.
© aus Datenblatt – jolywood.cn
Dabei wird die Leistung (in Watt) bei verschiedenen Einstrahlungen angegeben. Mithilfe dieser Informationen kann man dann leicht den relativen Wirkungsgrad berechnen.
Einige wenige PV-Hersteller (z.B. REC) haben diese Berechnung bereits durchgeführt. In der nachfolgenden Grafik kann man den relativen Modulwirkungsgrad unter Schwachlichtbedingungen einfach ablesen.
© aus Datenblatt – recgroup.com
PV-Module mit gutem Schwachlichtverhalten
Es gibt eine große Vielzahl von verschiedenen Solarzellen, basierend auf unterschiedlichen Zelltechnologien. Oft wird die grobe Einordnung von monokristallinen oder polykristallinen Solarmodulen vorgenommen. Auch verschiedenen Arten von Dünnschichtsolarmodulen sind auf dem Markt verfügbar.
In einer indischen Studie wurde das Schwachlichtverhalten von Solarmodulen auf monokristalliner, polykristalliner und nichtkristalliner (amorphes Silizium) Basis getestet.
Resultat:
Der relative Modulwirkungsgrad von polykristallinen Modulen ist unter Schwachlicht (< 200 W/m²) leicht besser, als bei monokristallinen Modulen. Ab einer Einstrahlung von mehr als 300 W/m² sind monokristalline Solarzellen effektiver.
Amorphe Solarmodule haben einen deutlich besseren relativen Wirkungsgrad unter schlechten Lichtbedingungen, dafür ist der generelle Wirkungsgrad (unter STC) im Vergleich sehr schlecht.
Fakt ist, das Schwachlichtverhalten der verschiedenen Modultechniken (Poly- und Monokristallin) unterscheiden sich nur minimal. Zudem werden mittlerweile de facto nur noch monokristalline Solarmodule verkauft.
Natürlich gibt es unterschiedliche Zelltechnologien auf monokristalliner Basis, aber auch hier sind keine signifikanten Unterschiede im Schwachlichtverhalten festzustellen. In einer chinesischen Studie wurden verschiedene bifaziale Solarmodule getestet und unter anderem auch das Schwachlichtverhalten untersucht.
Das sind die Resultate zum relativen Wirkungsgrad (Schwachlichtperformance):
- TopCon: 96,5 %
- HJT: 94,0 %
- PERC: 96,0 %
Fazit: das Schwachlichtverhalten ist nicht aussagekräftig
Das relative Schwachlichtverhalten hat nur eine bedingte Aussagekraft, denn es ist nur eine einzige Variable, das Temperaturverhalten wird beispielsweise gar nicht bedacht. In der Praxis gibt es je nach Wetterlage viele weitere Faktoren.
Bei herkömmlichen Solarmodulen (mit verschiedenen Technologien) gibt es keinen gravierenden Unterschied unter Schwachlichtbediungungen.
Und der wohl wichtigste Punkt: Relative Angaben sind an dieser Stelle eher unwichtig, im Vergleich zu absoluten Zahlen.
Schauen wir uns das in einem Beispiel an:
Nehmen wir ein polykristalline Solarmodul mit einem Wirkungsgrad von 19 %. Bei 200 W/m² bringt es noch 97 % relative zur Nennleistung, also ca. 18,43 %.
Im Vergleich dazu hat ein modernes HJT-Solarmodul einen Wirkungsgrad von 22 % (unter STC). Zwar liegt der relative Wirkungsgrad unter Schwachlichtbedingungen nur noch bei 94 %, doch das macht immer noch einen absoluten Wirkungsgrad von 20,68 % aus.
Mein Fazit lautet daher: Der Wirkungsgrad vom Solarmodul unter Normalbedingungen hat einen größeren Einfluss auf den Ertrag der PV-Anlage, als das relative Schwachlichtverhalten. Der Wirkungsgrad unter STC bieten die beste Vergleichbarkeit der verschiedenen Module.