Leistungskennzahlen und Werte in der Photovoltaik

Die Leistungskennzahlen von Photovoltaikanlagen sind entscheidend für die Planung, Bewertung und das Management von Solarenergieprojekten. Diese Kennzahlen umfassen diverse technische Spezifikationen und Leistungsdaten, die das Verständnis der Effizienz und Effektivität einer Solaranlage erleichtern. Im Folgenden wird eine umfassende Analyse dieser Kennzahlen durchgeführt, die von der installierten Nennleistung über den Energieertrag bis hin zur Degradation der Module reicht.

Nennleistung und kWp (Kilowattpeak)

Die Nennleistung einer Photovoltaikanlage, ausgedrückt in Kilowattpeak (kWp), entspricht der maximalen Leistung, die unter Standard-Testbedingungen (STC) erreicht werden kann. STC definiert eine Bestrahlungsstärke von 1000 W/m² bei einer Zelltemperatur von 25°C und einem Spektrum von AM 1.5.

kWp ist daher ein Maß für die maximale Leistungsfähigkeit einer Anlage und dient als Vergleichswert für die Effizienz verschiedener Solarpaneltypen und -konfigurationen.

Kilowattstunde (kWh)

Im Gegensatz zu kWp misst die Kilowattstunde (kWh) die tatsächlich erzeugte Energiemenge und gibt an, wie viel Energie über einen bestimmten Zeitraum hinweg produziert wurde. Eine Kilowattstunde entspricht der Energieproduktion von einem Kilowatt über die Dauer von einer Stunde. Dieser Wert ist entscheidend, um den tatsächlichen Energieertrag einer Photovoltaikanlage zu erfassen, der von vielen Faktoren, darunter Wetterbedingungen, Anlagenorientierung und geografische Lage, beeinflusst wird. kWh ist somit ein praktischer Indikator für die Energieleistung einer Anlage über Zeit und hilft bei der Berechnung von Stromerträgen, Kostenersparnissen und Amortisationszeiten.

Ertrag in Deutschland je kWp und je Quadratmeter

Der Ertrag einer Photovoltaikanlage in Deutschland variiert regional und wird sowohl in kWh pro kWp als auch in kWh pro Quadratmeter gemessen. Durchschnittlich kann man in Deutschland mit einem Jahresertrag von etwa 800 bis 1200 kWh je kWp rechnen. Der spezifische Ertrag pro Quadratmeter hängt stark von der Effizienz der verwendeten Solarmodule ab und liegt in der Regel zwischen 100 und 150 kWh/m² pro Jahr.

Temperaturbeständigkeit und Temperaturkoeffizient von Photovoltaikanlagen

Der Temperaturkoeffizient ist eine wichtige Kenngröße, die beschreibt, wie sich die Leistung eines Solarmoduls mit der Änderung der Zelltemperatur verändert. Typischerweise wird der Temperaturkoeffizient als prozentuale Abnahme der Leistung pro Grad Celsius Temperaturerhöhung über der Standard-Testbedingung (STC) von 25°C angegeben. Für die meisten kristallinen Silizium-Solarmodule liegt dieser Wert zwischen -0,3% und -0,5% pro °C. Dies bedeutet, dass die Leistung des Moduls um diesen Prozentsatz abnimmt, wenn die Temperatur der Solarzelle um einen Grad Celsius steigt.

Die praktische Bedeutung dieses Koeffizienten liegt darin, dass Photovoltaikanlagen oft in Umgebungen betrieben werden, in denen die Temperaturen erheblich über 25°C liegen können, was zu einer reduzierten Effizienz führt. Insbesondere in warmen Klimazonen ist dieser Effekt signifikant und muss bei der Planung und Auslegung von Solaranlagen berücksichtigt werden.

Beispiel: Leistungsänderung eines 430 Watt Solarmoduls bei unterschiedlichen Temperaturen

Um zu veranschaulichen, wie die Temperatur die Leistung eines typischen 430-Watt-Solarmoduls beeinflusst, können wir folgende Tabelle erstellen. Nehmen wir an, das Modul hat einen Temperaturkoeffizienten von -0,4% pro °C:

Zelltemperatur (°C)	Temperaturänderung (°C)	Leistungsänderung (%)	Modulleistung (Watt)
25	0	0%	430
35	10	-4%	412.8
45	20	-8%	395.6
55	30	-12%	378.4
65	40	-16%	361.2

In dieser Tabelle wird deutlich, dass mit jeder Erhöhung der Temperatur um 10°C die Leistung des Moduls um 17,2 Watt abnimmt, basierend auf dem Temperaturkoeffizienten von -0,4%. Diese Information ist kritisch für das Verständnis der Leistungsdynamik von Solarmodulen unter verschiedenen Umweltbedingungen und für die Optimierung der Systemleistung in Abhängigkeit von geografischen und klimatischen Faktoren.

Degradation von Photovoltaikanlagen

Die Degradation von Solarmodulen bezieht sich auf den Verlust der Leistungsfähigkeit und Effizienz über die Nutzungsdauer hinweg. Dieser Leistungsabfall wird durch eine Vielzahl von technischen und umweltbedingten Faktoren verursacht und ist ein kritischer Aspekt bei der langfristigen Bewertung der Wirtschaftlichkeit von Photovoltaikanlagen.

Technische Gründe für die Degradation

1. Lichtinduzierte Degradation (LID): Einige Solarzellen, insbesondere solche aus kristallinem Silizium, erleiden in den ersten Stunden der Sonnenexposition einen Effizienzverlust. Dies wird hauptsächlich durch die Bildung von Defekten im Siliziumkristall verursacht, die die Beweglichkeit der Ladungsträger einschränken.

2. Potential Induced Degradation (PID): Bei hohen Spannungen können bestimmte atmosphärische Bedingungen (wie hohe Luftfeuchtigkeit) dazu führen, dass Ladungen aus dem Modul entweichen, was die Effizienz verringert.

3. Thermische Degradation: Hohe Betriebstemperaturen können die Materialien in Solarmodulen beschädigen und zu einer schnelleren Alterung führen.

4. Mechanische Belastungen: Wind, Schnee und andere mechanische Einflüsse können Mikrorisse und Rahmenbeschädigungen verursachen, die die Integrität der Module beeinträchtigen.

5. Umwelteinflüsse: UV-Strahlung, Feuchtigkeit und Temperaturschwankungen können die Schutzschichten der Module abbauen und zu einer Abnahme der Leistung führen.

Degradationsrate und Langzeitleistung

Moderne Solarpanele sind darauf ausgelegt, über lange Zeiträume hinweg zuverlässig zu funktionieren. Die durchschnittliche jährliche Degradationsrate für aktuelle kristalline Siliziummodule liegt typischerweise bei etwa 0,5% bis 0,7% pro Jahr. Bei einer anfänglichen Leistung von 100%, würde ein Solarmodul nach 30 Jahren eine erwartete Leistung von etwa 82,5% bis 85,5% seiner ursprünglichen Kapazität aufweisen, wenn man eine durchschnittliche Degradationsrate von 0,5% annimmt.

Beispiel zur Veranschaulichung der Degradation

Nehmen wir als Beispiel ein modernes 430-Watt-Solarmodul mit einer anfänglichen Effizienz und einer Degradationsrate von 0,5% pro Jahr:

• Jahr 0 (Start): 430 Watt
• Jahr 1: 427,85 Watt (430 Watt - 0,5%)
• Jahr 10: 405,6 Watt
• Jahr 20: 382,65 Watt
• Jahr 30: 361,19 Watt

Dies illustriert, dass nach 30 Jahren Betrieb das Modul noch etwa 84% seiner ursprünglichen Leistung beibehält, vorausgesetzt, es sind keine weiteren externen oder unvorhergesehenen Schäden entstanden. Solche Berechnungen sind essentiell für die Planung und Finanzierung von Photovoltaikanlagen, da sie helfen, die langfristige Rentabilität und den Return on Investment (ROI) zu bewerten.

Leistungstoleranz von Solarmodulen

Die Leistungstoleranz eines Solarmoduls gibt die mögliche Abweichung der tatsächlichen Modulleistung von ihrer Nennleistung an. Übliche Toleranzen liegen bei ±3%, was bedeutet, dass die tatsächliche Leistung um bis zu 3% höher oder niedriger als angegeben sein kann.

Beispiel zur Veranschaulichung der Leistungstoleranz

Nehmen wir ein Solarmodul mit einer angegebenen Nennleistung von 300 Watt und einer Leistungstoleranz von ±3%. Hier sind die möglichen Szenarien für die tatsächliche Leistung dieses Moduls unter idealen Testbedingungen (STC):

• Maximale Leistung: 300 Watt + 3% = 309 Watt
• Minimale Leistung: 300 Watt - 3% = 291 Watt

In der Praxis bedeutet dies, dass jedes Modul dieser Serie eine Leistung zwischen 291 Watt und 309 Watt erbringen könnte, obwohl es als 300-Watt-Modul verkauft wird.