Dünnschichtmodule verändern Photovoltaik

AUF EINEN BLICK
Gebäudetechnik
Dünnschichtmodule
verändern Photovoltaik
Herausforderungen an die Systemtechnik
Knappe Ressourcen machen erfinderisch. Der weltweite Siliziummangel
führt zu einem Aufschwung bei
Dünnschicht-Modulen. Vor allem
große Anlagen auf Hallendächern
und im Freiland boomen. Die Systemtechnik stellt dies vor neue Herausforderungen. Speziell bei den Wechselrichtern gilt es, bei der Auswahl und
Auslegung einige Besonderheiten zu
beachten.
Aufgrund der Siliziumknappheit gewinnen Dünnschichtmodule an
Bedeutung. Der verstärkte Einsicht dieser Technik stellt die Systemtechnik vor neue Herausforderungen. Dies betrifft mechanische und
elektrotechnische Komponenten gleichermaßen.
K
ristalline Siliziumzellen dominieren derzeit den Solarstrommarkt. Um den Material- und
den Energieverbrauch zu senken, sucht
die Solarindustrie schon seit einigen
Jahren verstärkt nach alternativen
Technologien. Mit Erfolg: Die verschiedenen Dünnschichtverfahren verzeichnen ein sehr großes Marktwachstum
von rund 30 % pro Jahr.
Die Hersteller von Dünnschichtmodulen bringen photoaktive Halbleiter mit einer großflächigen, aus der
Displaybeschichtung bekannten Technik als dünne Schichten auf ein Trägermaterial auf. Als Halbleiter haben sich
amorphes Silizium (a-Si), KupferIndium-Diselenid (CIS) und CadmiumTellurid (CdTe) durchgesetzt. Die drei
Technologien haben gemeinsam, dass
die photoelektrisch aktive Schicht nur
wenige Mikrometer dünn ist. Als Trägermaterial verwenden die Hersteller
preiswerte Substrate wie Glas, Metalloder Plastikfolien. Durch die geringeren Wirkungsgrade erhöhen sich
jedoch die Nebenkosten für das Gestell
und die Montage.
Für die Systemtechnik schafft die
Dünnschichttechnologie neue Herausforderungen. Die realen Messwerte
variieren bei Dünnschichtmodulen
deutlich stärker als bei konventionellen Technologien. Eine Abweichung
von 15 % vom MPP-Spannungswert ist
realistisch. Bei der Wech-
Bild 2: Cadmium-Tellurid-Modulen
wurden an der Universität Magdeburg installiert
Bild 4: Die weltgrößte Freiflächenanlage mit CIS-Modulen wurde
im spanischen Albacete
errichtet
Bild 3: Auf diesem
Reiterhof hat man sich
für den Eisnatz von a-SiModulen entschieden
selrichterdimensionierung müssen die
Abstände zu den Grenzwerten daher
etwas großzügiger gewählt werden als
bei konventionellen Modulen. Damit
der Markt mit zukunftsfähigen und
verlässlichen Lösungen bedient werden kann, muss sich der Austausch zwi-
Bild 1: Die Wechselrichter des
Schweizer Herstellers Sputnik Engineering AG verfügen über einen
breiten Eingangsspannungsbereich und
ein breites MPP-Fenster. Bei den Strangwechselrichtern liegt der MPP-Bereich zwischen
100 V und 550 V, bei den Zentralwechselrichtern sind
es 400 V bis 800 V (SolarMax-S-Serie) beziehungsweise
430 bis 800 Volt (SolarMax-C-Serie)
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schen Dünnschichtmodul- und Wechselrichterherstellern weiter verbessern.
Großer Verschaltungsaufwand
Im Vergleich zu kristallinen Modulen
haben Dünnschichtmodule niedrigere
Ströme bei höheren Modulspannungen. Typisch für ein kristallines Modul
ist beispielsweise eine Spannung von
12 V bei einem Strom von 5 A. Bei
Dünnschichtmodulen sind es dagegen
zum Beispiel 80 V und 2 A.
Für die Verschaltung und die Anlagenauslegung hat man daher weniger Möglichkeiten, denn es lässt sich
eine deutlich kleinere Anzahl an Solarde 20/2008
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modulen zu einem Strang in Reihe
schalten. Weil man mehr Stränge parallel schalten muss, ist der Verschaltungsaufwand größer, was die Komplexität und die Montagezeit erhöht.
Um die Flexibilität zu steigern,
sollte der entsprechende Wechselrichter über ein breites Eingangsspannungsfenster verfügen. Damit der
Wechselrichter stets im optimalen
Arbeitspunkt (Maximum Power Point,
MPP) des Solargenerators arbeitet, ist
deshalb ein großes MPP-Fenster nötig
(Bild 1).
Ein großes Spannungsfenster ist
auch wegen einer anderen Besonderheit der Dünnschichttechnik von Vorteil: Insbesondere amorphe Siliziummodule degradieren in den ersten
Monaten. Anfangs ist die Spannung
erhöht und die Module liefern etwa
10% mehr Leistung. Bei der Anlagenauslegung muss man daher beachten,
dass die erhöhte Anfangsspannung den
Wechselrichter nicht beschädigen kann.
Mit dem Auslegungsprogramm
»MaxDesign« kann man diese Spannungserhöhung in den Griff bekommen. Die Software bietet die Option,
Grenzwerte sowohl mit stabilisierten
Endwerten als auch mit Initialspannungen zu berechnen.
Verschiedene Modultypen
verfügbar
Das amerikanische Unternehmen First
Solar zählt zu den Marktführern unter
den Anbietern von Cadmium-TelluridModulen (Bild 2). Die Module sind
vor Wechselrichter-Rückwirkungen geschützt. Zentralwechselrichter mit galvanischer Trennung arbeiten bereits
seit einigen Jahren problemlos mit diesen Modulen.
Die Abweichung des MPP-Spannungswerts bei Standard-Testbedingungen beläuft sich nach Herstellerangaben
auf maximal ±10%. Die Abweichung
durch Degradation beträgt über die
Lebensdauer des Systems etwa –10%.
Für eine optimale Auslegung sollte
die Betriebsspannung des Solargenerators bei Standardtestbedingungen
daher um 10% unterhalb der oberen
MPP-Spannungsgrenze des Wechselrichters und um 20% oberhalb der
unteren MPP-Spannungsgrenze des
Wechselrichters liegen. Für einen
zuverlässigen Betrieb über die gesamte
Lebensdauer muss man daher eine
Stringlänge finden, die diese Kriterien
erfüllt und dabei die maximale Systemde 20 /2008
Link zum Hersteller:
www.solarmax.com
spannung des Wechselrichters nicht
überschreitet.
Zu den Marktführern bei a-Si-Modulen zählt das US-amerikanische Unternehmen Unisolar. Die Module werden
in Triple-Junction-Technologie gefertigt, wobei drei amorphe Siliziumzellen
übereinander gestapelt sind. Die Zellen
nutzen das Sonnenspektrum besser aus.
So absorbiert die untere Subzelle rotes
Licht, die mittlere gelb/grünes, die
obere blaues. Als Trägermaterial verwendet man Plastikfolien. Mit diesem
Aufbau wird das Gewicht der Module
reduziert. Da die Module für Spannungen von bis zu 1000V freigegeben sind,
ist der Verschaltungsaufwand geringer
(Bild 3).
Die
transformatorlosen
Wechselrichter von Sputnik sind für die
Kombination mit diesen Modulen freigegeben.
Solarmodule aus Kupfer-IndiumDiselenid erreichen die höchsten Wirkungsgrade im Dünnschicht-Vergleich.
Sie lassen sich sowohl mit Transformator- als auch mit transformatorlosen Wechselrichtern kombinieren. Den
Markt dominiert derzeit Würth Solergy
aus Schwäbisch Hall.
Seit vergangenem Jahr verkauft das
Unternehmen SolarMax-String- und
Zentralwechselrichter als OEM-Produkte namens solarSTAR im Megawattbereich. Im spanischen Albacete
hat Würth Solergy in diesem Jahr die
weltgrößte Freiflächenanlage mit CISModulen und SolarMax-Wechselrichtern errichtet (Bild 2). Das System hat
eine Leistung von 3,26 MW.
Literatur
[1] Michael Powalla, Zentrum für Sonnenenergieund Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg: Einführung in die Dünnschichtphotovoltaik, 4. Anwenderforum Dünnschichtphotovoltaik 2008.
[2] Jörgen Klammer, First Solar GmbH: Wechselrichter aus Sicht des Dünnschicht-Modulherstellers, 4. Anwenderforum Dünnschichtphotovoltaik 2008.
Iris Krampitz,
Presse Agentur Krampitz, Köln