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Einflussfaktoren auf die Leistung von Solarmodulen

Wie bemisst sich die Leistung von Solarmodulen? Von welchen Faktoren hängt die Leistung der Solarmodule ab?

Die Leistung von Solarmodulen gilt als eines der Hauptkriterien bei der Anschaffung einer PV-Anlage. Die angegebene Nennleistung ist jedoch nicht mit der in der Praxis erreichbaren Leistung der Solarmodule vergleichbar. Zudem bedingen verschiedene weitere Faktoren die Leistung der Module und damit der gesamten Photovoltaikanlage. Hier erfahren Sie, was Sie beim Begriff der Solarmodul-Leistung beachten müssen und welche Faktoren diese beeinflussen.

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Definition der Solarmodulleistung

Gemessen wird die elektrische Leistung von Solarmodulen typischerweise in Watt (W). Die von den Solarmodulen abgegebene elektrische Leistung wird dabei in Watt Peak (kWp) angegeben. Watt Peak (Wp) ist der Wert, den ein Solarmodul unter idealen Einsatzbedingungen erreichen kann. Die Peakleistung ist somit die Spitzenleistung eines Solarmoduls. Sie wird unter definierten Testbedingungen (STC) ermittelt und schaffen so eine Vergleichbarkeit von verschiedenen Solarmdoulen. Einige Hersteller bezeichnen die Peakleistung von Solaranlagen auch als Nennleistung und geben diese mit PNenn an. Trotz gleicher Peak-Leistung können Solarmodule im praktischen Einsatz aus unterschiedlichen Gründen differierende Leistungswerte aufweisen.

Messung der Nennleistung

Die Messung der Leistungsfähigkeit von Solaranlagen erfolgt unter Standardbedingungen bzw. Testbedingungen (STC) denen folgende Parameter zugrunde liegen:

  • Eine Umgebungstemperatur für die Solarzellen von 25 Grad Celsius
  • Eine Sonneneinstrahlung bzw. Bestrahlungsstärke von 1000 Watt/m2
  • Ein Sonnenlichtspektrum gemäß AM* von 1,5

Grundsätzlich kann davon ausgegangen werden, dass höhere Einstrahlungen zu höheren Leistungswerten bei den Modulen führen, wohingegen niedrigere Einstrahlungen auch niedrigere Leistungswerte zur Folge haben. Dagegen ist es bei den Temperaturen umgekehrt. Höhere Temperaturen führen zu niedrigeren Leistungswerten, niedrigere Temperaturen dagegen zu höheren.

Abweichung von der Nennleistung

Der unter Testbedingungen ermittelte Wert Watt Peak wird in Mitteleuropa jedoch nur selten erreicht und zwar dann, wenn 1.000 Watt Lichtleistung auf einen Quadratmeter (m2) Modulfläche fällt. In unseren Breitengraden kommt dies beispielsweise nur an völlig klaren, nicht bewölkten Sommertagen um die Mittagszeit vor. Demzufolge lässt sich davon ausgehen, dass die erreichte Nennleistung der Solarmodule in der Regel geringer ausfällt und sie generell in den Sommermonaten höher ist als in den Wintermonaten.

Die Nennleistung bzw. der Wert Watt Peak ist daher weniger ein Maß zur Ermittlung der tatsächlichen Modulleistung und daraus folgend des Solarertrags einer PV-Anlage unter realen Bedingungen**. Vielmehr dient er als Richtwert zur Vergleichbarkeit der einzelnen Solarmodule und –anlagen untereinander. Nichtsdestotrotz gibt er Anhaltspunkte zur Orientierung für die Leistungsstärke der Solaranlagen.

Übersicht der die Leistung von Solarmodule beeinflussenden Faktoren (Grafik: energie-experten.org)
Übersicht der die Leistung von Solarmodule beeinflussenden Faktoren (Grafik: energie-experten.org)

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Modulleistung nach Aufstellungsort

Regional differenzierte Jahressumme des produzierten Solarstroms nach PVGIS bezogen auf eine Modul-Leistung von 1 kWp und einer Performance Ratio von 0,75 (kWh/kWp). (Grafik: PVGIS © European Union, 2001-2012)
Regional differenzierte Jahressumme des produzierten Solarstroms nach PVGIS bezogen auf eine Modul-Leistung von 1 kWp und einer Performance Ratio von 0,75 (kWh/kWp). (Grafik: PVGIS © European Union, 2001-2012)

Realistischer und genauere Anhaltspunkte zur Ermittlung der Leistung bzw. des Energieertrags der Solarmodule und der Wirtschaftlichkeit der Solar-Anlage ist der Aufstellungsort und der Breitengrad, in dem die Solaranlage installiert wird. Über diese lässt sich die durchschnittliche Sonneneinstrahlung im Jahr ermitteln, d.h. die mittlere Bestrahlungsstärke. Zudem lässt sich mit Hilfe dieser Parameter einschätzen, wie die klimatischen Bedingungen vor Ort sind.

Sie geben Auskunft darüber, ob und wie häufig die Leistung annähernd den Testbedingungen der Solarmodule überhaupt erreicht werden können. An manchen Orten werden die künstlichen Testbedingungen häufiger erreicht als an anderen. Es gibt jedoch auch Orte, an denen sie gar nicht vorkommen. Das bedeutet, die für die Solarmodule angegebenen Spitzenleistungswerte können an diesen Orten nicht erreicht werden.

Laut PVGIS-Daten kann in Süddeutschland kann beispielsweise von einer Jahresleistung von einer Kilowattstunde (kWh) pro genannter Wattzahl (Wp) der Nennleistung einer Photovoltaikanlage ausgegangen werden. Im Norden Deutschlands dürfte der Wert etwas darunter liegen, da hier die Sonnenstrahlung niedriger ist.

Dachneigung und Modulausrichtung

Je nach der Ausrichtung der Module nach Himmelsrichtung und Neigungswinkel variiert die Leistung der Solarmodule. (Grafik: energie-experten.org)
Je nach der Ausrichtung der Module nach Himmelsrichtung und Neigungswinkel variiert die Leistung der Solarmodule. (Grafik: energie-experten.org)

Neben dem Standort der Anlage hat auch die Ausrichtung des Daches als auch der Neigungswinkel der Solarmodule einen erheblichen Einfluss auf die Leistung der Module.

  • Die optimale Dachneigung beträgt immer 90° zum aktuellen Sonnenstand.
  • Der optimale Aufstellwinkel beträgt in Deutschland ca. 30° - 35°.

Bei einer nach Süden ausgerichteten Anlage kann der Winkel stark nach oben oder unten abweichen (+/- 30 Grad), die Auswirkungen auf die Leistung bleiben im einstelligen Prozentbereich. Je weiter die Dachfläche jedoch von der optimalen Ausrichtung Süden abweicht, desto mehr wirkt sich eine steile Montage negativ auf die Modul-Leistung aus, da sich das Dach zunehmend selbst verschattet. Je mehr die Anlage also nach Osten oder Westen abweicht, desto flacher sollte die Neigung der Module sein.

Leistungseinbußen durch Verschattung

Auch der Schatten einer Blitzfangstange kann die Leistung von Solarmodulen einschränken. Entweder wird die Leistung des gesamten Stranges reduziert oder - wie hier im Bild - der Wechselrichter zieht die Spannung nach unten und die Bypassdioden überbrücken den verschatteten Bereich des Moduls. (Foto: photovoltaikbuero Ternus & Diehl GbR)
Auch der Schatten einer Blitzfangstange kann die Leistung von Solarmodulen einschränken. Entweder wird die Leistung des gesamten Stranges reduziert oder - wie hier im Bild - der Wechselrichter zieht die Spannung nach unten und die Bypassdioden überbrücken den verschatteten Bereich des Moduls. (Foto: photovoltaikbuero Ternus & Diehl GbR)

Eine Verschattung von PV-Modulen kann sich extrem auf die Gesamtleistung der Anlage auswirken. Daher sollte während der Planung der ganzjährige Schattenverlauf ermittelt werden. Großflächiger Schatten von umliegenden Gebäuden, Bäumen oder sonstigen Verursachern sollten zumindest ganzjährig nicht vorhanden sein. Geringere Schattenbildung, z.B. durch einen Kamin oder eine Satellitenanlage kann, wenn dies nicht zu vermeiden ist, auch in die Planung mit einbezogen werden.

Denn in der Planungsphase können Leistungseinbußen maßgeblich durch die richtige Wahl der Module in Kombination mit den Wechselrichtern, sowie der richtigen Aufteilung der Module auf verschiedene Strings beeinflusst werden. Alternativ kann man aber auch auf das eine oder andere Modul verzichten, als durch die Anbringung dieser Module einen ganzen Modulstrang in der Leistung vermindern würde.

Leistungsunterschiede nach Modulart

Welche Leistung Solarmodule erbringen wird natürlich auch durch die Art der Module selbst maßgeblich mitbestimmt. Einen Einfluss auf die Leistung üben dabei das Herstellungsverfahren und die verwendeten Trägermaterialien aus:

Leistung von kristallinen Modulen

Bei kristallinen Solarmodulen ist das Trägermaterial in der Regel Silizium. Monokristalline Solarzellen werden in einem Stück gefertigt, dadurch entsteht ein homogenes Kristallgitter. Polykristalline Solarzellen werden im Gießverfahren gefertigt und bestehen aus Scheiben, wodurch die Zellen nicht überall die gleiche Kristallordnung aufweisen. An den Grenzen der Kristallkörner polykristalliner Zellen treten dann Ladungsträgerverluste auf, die die Stromabgabe verringern. Diese geringere Leistung wird jedoch häufig durch den Modulaufbau kompensiert, sodass in der Praxis keine größeren Leistungsunterschiede bestehen.

Leistung von Dünnschichtmodulen

Eine geringere Leistung als die kristallinen Solarmodule erbringen Dünnschichtmodule. Sie sind jedoch bislang von der Herstellung am günstigsten, haben allerdings neben einer geringeren Leistungsfähigkeit auch eine geringere Lebensdauer, da sie anfälliger gegenüber äußeren Umwelteinflüssen sind.

Leistungsdegradation von Solarmodulen

Im Sonnensimulator testet der TÜV Rheinland die Leistung von Solarmodulen auf deren Degradationsverhalten. (Foto: TÜV Rheinland)
Im Sonnensimulator testet der TÜV Rheinland die Leistung von Solarmodulen auf deren Degradationsverhalten. (Foto: TÜV Rheinland)

Die Leistung von Solarmodulen nimmt aber auch während der Nutzungsdauer aus unterschiedlichen Gründen ab. Dies nennt man auch die Leistungsdegradation von Solarmodulen, die allgemein durch Verschleiß und Alterung der verbauten Modulkomponenten bedingt ist.

Daneben unterscheidet man weitergehend die so genannten Anfangsdegradation oder auch lichtinduzierten Degradation (LID) und die potenzialinduzierte Degradation (PID). Die LID beschreibt dabei einen Leistungsabfall von Solarmodulen während der ersten Tage unter Sonneneinstrahlung. Die PID kommt verstärkt bei großen Photovoltaik-Anlagen mit hoher negativer anliegender Systemspannung, die bei trafolosen Wechselrichtern entstehen, vor.

* Mit AM ist die Luftmasse gemeint. Sie ist in der Astronomie ein relatives Maß für die Länge des Weges, den das Licht eines Himmelskörpers durch die Erdatmosphäre bis zum Erdboden zurücklegt. Der Lichtweg beeinflusst die Streuung und Absorbtion des Lichts wie auch seine spektrale Zusammensetzung (vgl. de.wikipedia.org/wiki/Luftmassse)

** Um die Leistung eines Moduls unter realen Bedingungen zu messen, wird vielfach die Performance Ratio genutzt. Die Performance Ratio gibt an, wie viel Prozent der auftreffenden Solarenergie ein Modul unter Berücksichtigung seines Modul-Wirkungsgrades in Strom verwandelt. Das theoretische Maximum von 100 Prozent wird erreicht, wenn das Modul unter allen Einstrahlungsbedingungen denselben Wirkungsgrad hat wie unter Standardtestbedingungen (STC).

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"Nennleistung und tatsächliche Leistung von Solarmodulen" wurde am 14.03.2016 das letzte Mal aktualisiert.