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Interview

Strom von der Stallwand: PV-Module für landwirtschaftliche Fassaden

Matrix-Modul
am Samstag, 14.01.2023 - 05:00 (Jetzt kommentieren)

Photovoltaikelemente befinden sich meist auf Hausdächern – schließlich ist dort die Sonneneinstrahlung am höchsten. PV-Elemente an Fassaden können die Energieversorgung jedoch sinnvoll ergänzen, wie Forscher am Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) herausgefunden haben. Ein Interview mit PV-Experte Achim Kraft.

Wie entstand die Idee der Matrix-Schindeltechnologie?

In den letzten fünf Jahren ist die Schindeltechnologie als String-Schindeltechnologie auf den Markt gekommen. Diese hat aber das Problem, dass sie im Vergleich zu der normalen PV-Technologie ebenfalls auf die sequenzielle Herstellung von Serien-Verschaltungen sogenannter Strings setzt. Daher bringt sie keine große Weiterentwicklung in der grundsätzlichen Verschaltungsstruktur.

Um den Nachteil des geringeren Durchsatzes beim String-Schindeln auszugleichen und eine neue Netzwerk-Verschaltung zu realisieren, haben wir uns von der sequenziellen Herstellung einzelner Strings verabschiedet. Um dies im industriellen Maßstab umzusetzen, entstand die Idee einen neuen Stringer zu entwickeln. Anstelle von einzelnen Strings ist es durch einen zusätzlichen seitlichen Versatz möglich, eine komplette Fläche direkt mit Schindeln auszulegen.

Wie funktioniert der Stringer?

Die Schindelsolarzellen kommen im Stapel und laufen in die Maschine hinein. Dort wird auf den Randkontakten ein leitfähiger Klebstoff auf die Solarzellenstreifen aufgetragen. Dann legt die Maschine die Solarzellen in Matrix-Schindel-Technik übereinander, sodass immer die Vorderseite der einen Zelle mit der Rückseite der nächsten Zelle in Kontakt gebracht wird. So wird die Serien-Verschaltung erreicht. Die Maschine härtet den leitfähigen Klebstoff aus, nachdem die Zellen aufeinandergelegt worden sind. Dabei fahren die Zellen durch ein Infrarotfeld, wo sie auf rund 150 Grad für eine halbe Minute erhitzt werden.

Wie groß ist eine Schindel-Solarzelle?

Es kommt immer darauf an, welche Mutter-Solarzelle geteilt wird, um die Schindel-Solarzellen zu erhalten. Die Kantenlänge der langen Seite der Schindel ist dabei immer identisch mit der der Mutter-Solarzelle. Diese bewegt sich zwischen 166 und 210 Millimetern. Die Breite der Schindeln beträgt rund 2,5 Zentimeter. Je kleiner eine Solarzelle ist, desto weniger Strom produziert sie. Das Teilen der Mutter-Solarzelle in kleinere Streifen hat den Vorteil, dass der Strom pro Zell kleiner ist. Dies reduziert die Widerstandsverluste im PV-Modul.

Was für Vorteile bietet die Matrix-Verschaltung noch?

Durch die Matrix-Verschaltung ist eine komplette Ausnutzung der Modulfläche möglich, weil die Zellen lückenlos die Fläche bedecken. Es gibt keine String-Zwischenräume mehr. Dadurch entsteht gleichzeitig ein sehr homogenes Erscheinungsbild. Die Zellen sind in der Matrix-Technologie mit den Zellen der nächsten und vorherigen Reihe in Serie und gleichzeitig mit den Zellen der eigenen Reihe parallel verschaltet. Dadurch entsteht ein elektrisches Netzwerk. Dieses Netzwerk erlaubt, dass Querströme im Modul seitlich entlang der Zellreihen fließen können. Das hat den großen Vorteil, dass bei kleinteiligen Verschattungen der Strom diese umfließen kann und so nur der verschattete Teil für die Stromerzeugung ausfällt. Vergleichsmessungen haben gezeigt, dass Module mit Matrix-Technologie dadurch, je nach Verschattungsszenario, bis zu drei Mal so viel Ertrag bringen als Standard PV-Module.

Wofür eignen sich die Matrix-Schindel-Module?

Die Matrixmodule sind überall dort sehr geeignet, wo ein homogenes optisches Erscheinungsbild gefragt ist, wo es Teil-Verschattungen gibt und wo verschieden große Module gebraucht werden. Man kann die Größe dieser Matrix-Module gut einstellen und sehr viele Zellen in der Breite und in der Länge aneinanderlegen, um eine große Matrix zu erhalten. Sie können aber auch kleiner gestaltet werden, dann entstehen kleinere Module. Das ist vor allem in der Gebäudeintegration sehr interessant und in anderen Feldern der integrierten Photovoltaik. Wir arbeiten aber beispielsweise auch bereits an der Integration in Autodächern und an Lärmschutzwänden.

Eignet sich die Technologie auch im landwirtschaftlichen Bereich?

Die gebäudeintegrierte Photovoltaik eignet sich aufgrund der Kombination von homogenem Erscheinungsbild, Größenskalierbarkeit, besserem Teilverschattungsverhalten durch die Serien- und Parallelschaltung sowie eine hohen Flächenausnutzung auch für Fassaden landwirtschaftlicher Gebäude. Im landwirtschaftlichen Bereich arbeiten wir gerade auch daran, sogenannte Agri-Photovoltaik Matrix-Module zu entwickeln, die spezielle Lücken haben. Diese Module lassen Licht durch und sind somit teiltransparent, wobei sich bei der Matrix-Technologie die Anzahl der Lücken und die Modulgröße sehr einfach einstellen und verändern lässt. Diese Module lassen sich dann beispielsweise über landwirtschaftlichen Kulturen aufbauen.

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Haben Sie bereits mit Landwirten Kontakt, die eine Agri-PV Anlage haben und diese Module nutzen?

Wir haben verschiedene Projekte in der Agri-Photovoltaik, wo wir das Feld schon ausprobieren. Allerdings derzeit noch nicht mit der Matrix-Technologie. Aber das wird jetzt im nächsten Schritt folgen. Wir planen für die Intersolar im Juni 2023 ein Ausstellungsstück, an dem wir zeigen, was man mit der Matrix-Technologie im Agri-PV Bereich machen kann.

Lassen sich Module dann auch in verschiedenen Farben beschichten?

Das Matrix-Modul sieht erstmal homogen Schwarz aus, wenn es mit einem Standard-Solarglas hergestellt wird. Wir haben am Fraunhofer ISE aber die MorphoColor® Technologie entwickelt. Dabei wird die Glasscheibe, die vorne auf den Modulen angebracht ist, auf der Innenseite beschichtet. Diese Schicht erzeugt durch Interferenz einen starken Farbeindruck. Prinzipiell ist dabei jede beliebige Farbe möglich und die Verluste sind gering. Sie liegen im Bereich zwischen fünf und acht Prozent.

Wodurch entsteht der Verlust?

Die Beschichtung reflektiert einen schmalen Teil des Wellenlängenspektrums des Lichts. Dadurch entsteht der Farbeindruck. Dieser Teil steht dann nicht mehr zur Stromerzeugung zur Verfügung.

Welche Gebäude-Fassadenseite wählt man für die PV-Module?

Grundsätzlich wählt man die Gebäudeseite, die am günstigsten in Richtung der Sonne ausgerichtet ist. Das ist in der Regel die Südseite. An der Nordseite ist der Ertrag wesentlich geringer und die Wirtschaftlichkeit sollte überprüft werden. An der Ost- und Westseite kann es sich aber auch lohnen. Es kommt immer auch darauf an, ob z.B. um das Gebäude Bäume oder andere Gebäude stehen und mit dauerhaften Verschattungen zu rechnen ist. Manchmal ist es auch sinnvoll, an der Gebäudefassade die unteren zwei bis drei Meter nicht zu belegen, weil dort oft Verschattungen durch Mauern oder andere Gebäude auftreten.

Mit was für Kosten muss man bei der Technologie rechnen?

Die Kosten der Matrix-Technologie sind sehr ähnlich wie die Kosten eines Standardmoduls. Es gibt auf der einen Seite Einsparungen beim Material, weil bei der Schindel-Technologie keine Kupferverbinder mehr benötigt werden. Auf der anderen Seite sind der Prozess und die Maschine etwas aufwendiger als bei der Standard-Modulproduktion. Unter dem Strich sind die Kosten vergleichbar.

Gibt es die Modultechnologie schon zu besichtigen?

Am Fraunhofer ISE kann man sich die Module bereits anschauen und wir stellen für Interessenten auch Prototypen her. Es gibt diese Module jedoch momentan noch nicht kommerziell zu kaufen. Wir arbeiten grade daran, mit verschiedenen Partnern eine Produktion der Matrix-Schindelmodule in Europa aufzubauen.

Wer hat das Projekt gefördert und wie hoch ist die Fördersumme?

Die Matrix-Technologie wurde im öffentlich geförderten Projekt „Shirkan“ entwickelt. Dieses Projekt wurde vom Bundeswirtschafts- und Klimaministerium im Rahmen des siebten Energieforschungsprogramms gefördert. Die Fördersumme beträgt insgesamt knapp 2,5 Mio. Euro, wovon das Fraunhofer Institut 2 Mio. Euro erhielt.

Achim Kraft

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