Das Photovoltaikmodul besteht aus einer Anzahl kristalliner Solarzellen, die elektrisch miteinander verschaltet sind und die elektrische Kennwerte bestimmen.
Die Modulspannung ergibt sich durch das Hintereinanderschalten (Reihenschaltung) von einzelnen Solarzellen. So ergeben z.B. 60 in Reihe geschaltete Solarzellen in einem Modul bei STC eine Betriebsspannung (UMPP) von ca. 30 V.
Der Modulstrom ergibt sich aus dem Zellenstrom, wenn alle Zellen in Reihe geschaltet sind oder durch das Parallelschalten von Solarzellenstrings im Photovoltaikmodul, wenn größere Ströme im Modul erwünscht sind. So ergeben z.B. 2 parallelgeschaltete Reihenschaltungen (Strings) von je 36 Solarzellen in einem Modul bei STC einen Modulstrom (IMPP) von ca. 16 A.

 Aufbau von Photovoltaikmodule

Das Photovoltaikmodul besteht aus einzelnen Solarzellen, die elektrisch miteinander verbunden sind. Um die Zellen vor äußeren Einflüssen zu schützen (klimatischen und mechanischen), werden sie verkapselt. Es gibt mehrere Verfahren.
Bei Standardmodulen werden die Solarzellen dabei zwischen eisenarmem Solarglas (Vorderseite) und einer Kunststofffolie aus Tedlar (Rückseite) mittels einer Verbundfolie aus Ethylen-Vinyl-Acetat (EVA) verkapselt.

Um die mechanische Festigkeit des Moduls zu gewährleisten, erhält das Standardmodul noch eine Rahmung z.B. aus Aluminium oder Edelstahl.
Für bestimmte Anwendungen, vor allem wenn die Optik eine große Rolle spielt, werden auch andere Modultechniken eingesetzt, z. B. Glas-Glas-Module für die Dachintegration aus Verbundsicherheitsglas (VSG).
Durch Serien-und Parallelschaltungen von Solarzellen in einem Modul können die benötigten Spannungen und Ströme erreicht werden.

 

Verschaltung von Photovoltaikmodule

Solarmodule werden durch Reihen- und Parallelschaltung zu größeren Einheiten verschaltet, dem Solargenerator (PV-Generator). Der Solargenerator kann in einzelne, elektrisch unabhängige Teilgeneratoren (TG) unterteilt sein oder elektrisch eine Einheit bilden.

Serienverschaltung

Die gesamte Generatorspannung einer PV-Anlage ergibt sich aus der Reihenschaltung einzelner Solarmodule zu einem String. Um Leistungsverluste zu vermeiden, sollten sowohl die Solarmodule als auch die Strings elektrisch gleiche Werte haben.

Bei Verschattung sollte man auf eine Reihenschaltung mit vielen Modulen verzichten, da die Leistungsverluste im String zu groß werden. Hier ist das Parallelschalten von Solarmodulen die bessere Alternative. Sind die Module unverschattet, ist die Serienschaltung die optimale Verschaltung.
Bei Reihenschaltung ist der gesamte Strom gleich groß wie der Strom eines einzelnen Moduls und die gesamte Spannung ist die Summe aus allen Modulspannungen.

Parallelverschaltung

Der gesamte Generatorstrom einer PV-Anlage ergibt sich aus der Anzahl parallel verschalteter Module bzw. Stränge. Der Generatorstrom ist dann die Summe der einzelnen Modul- bzw. Stringströme.
Die Parallelschaltung kommt vorwiegend bei verschatteten Flächen von netzgekoppelten PV-Anlagen und in Inselanlagen (netzautark) zum Einsatz, denn bei Verschattung sind hier die Leistungsverluste wesentlich geringer.

 

Bei Parallelschaltung ist der gesamte Strom die Summe aus den einzelnen Modulströmen bzw. Stringströmen. Die gesamte Spannung ist die Stringspannung.

Teilverschattung von Photovoltaikmodule

Durch Teilverschattungen wird die Leistung eines Photovoltaikmoduls und in der gesamten Photovoltaikanlage negativ beeinflusst.

Wenn in einem Modul eine Solarzelle beschattet wird, bestimmt diese Zelle durch die verringerte Stromlieferung die gesamte Modulleistung. Durch die Verschaltung von Bypassdioden können die beschatteten Modulbereiche überbrückt werden.

Wird eine Solarzelle im Modul beschattet, wandelt sie sich vom Erzeuger zum Verbraucher.  Es wird kein Strom mehr erzeugt, sondern der Strom anderer Zellen wird verbraucht und die Zelle erwärmt sich („Hot Spots“ Gefahr). Die Richtung der Spannung dreht sich um.

Um die Solarzellen vor Zerstörung zu schützen, werden Bypassdioden in internen Teilstrings antiparallel verschaltet. 60 Zellen Standard-Photovoltaikmodule, wie sie in den meisten Photovoltaikanlagen eingesetzt werden, haben meistens 3 Bypassdioden in drei internen Teilstrings mit einer Diodenspannung von etwa 0,5 V.

Wenn das Modul nicht verschattet ist, liefern die Solarzellen eine positive Spannung. Die Summe von jeweils 20 Zellen in einem Teilstring fällt an der Bypassdiode als Sperrspannung ab, so dass die Bybassdiode keinen Strom führt. Die Bypassdiode sperrt, da die Spannung an der Kathode größer ist als an der Anode.

Wenn eine Solarzelle im Modul verschattet ist, entsteht in dieser Zelle eine negative Spannung und die Bypassdiode wird leitend. Die verschatte Solarzelle wird damit überbrückt.

 

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