In Landshut kündigen sich erneut Tage an, an denen die Hitze über Straßen, Dächern und Gebäuden steht. Bayern steuert auf die vierte große Hitzewelle des Sommers zu, mit möglichen Temperaturen bis an die 40-Grad-Marke. Während Menschen Schatten suchen und sich Häuser immer weiter aufheizen, liegen Solarmodule in der prallen der Sonne. Ihre dunklen Oberflächen können dabei noch deutlich heißer werden als die Luft.
Eigentlich müssten Photovoltaikanlagen unter solchen Bedingungen besonders viel Strom produzieren. Doch ausgerechnet große Hitze kann die Solarzellen ausbremsen. Während die Sonne Energie liefert, heizen sich die Module stark auf. Mit steigender Temperatur sinkt der Anteil der Sonnenenergie, den sie in Strom umwandeln können.
Wie sich dieser Effekt bemerkbar macht und welche technischen Lösungen helfen können, wurde an einer Versuchsanlage der Fakultät Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen der Hochschule Landshut untersucht. Dort verglichen Forschende ein klassisches Photovoltaikmodul mit einem Hybridmodul, das neben Strom auch Wärme gewinnt und über einen Flüssigkeitskreislauf temperiert werden kann.
„Ein sonniger Tag bietet grundsätzlich gute Voraussetzungen für die Stromerzeugung durch Photovoltaik“, erklärt Prof. Dr. Stefan-Alexander Arlt, Leiter des Labors Energiewirtschaft und -technik. „Steigt die Temperatur der Solarzellen jedoch stark an, sinkt ihr elektrischer Wirkungsgrad. Entscheidend ist deshalb nicht allein, wie intensiv die Sonne scheint, sondern auch, wie heiß das Modul dabei wird.“
Solarmodule werden heißer als die Umgebung
Die Außentemperatur allein verrät noch nicht, wie warm eine Photovoltaikanlage tatsächlich wird. Trifft intensive Sonnenstrahlung auf die dunkle Oberfläche, kann die Temperatur der Module deutlich über der Lufttemperatur liegen. Der Effekt lässt sich mit einem Auto vergleichen, das in der Sonne steht: Auch dort heizen sich dunkle Flächen und der Innenraum stärker auf als die Umgebung.
Ein Teil der Sonnenenergie wird von den Solarzellen in elektrischen Strom umgewandelt. Ein großer Anteil erwärmt jedoch das Modul. Je heißer die Zellen werden, desto ungünstiger sind die Bedingungen für die Stromproduktion. Zwar erzeugt eine Anlage an einem sonnigen Sommertag weiterhin viel Energie. Sie arbeitet bei gleicher Einstrahlung aber weniger effizient als bei niedrigeren Modultemperaturen.
Wie stark die Erwärmung ausfällt, hängt von mehreren Faktoren ab. Dazu gehören neben der Sonneneinstrahlung auch Wind, Lufttemperatur, Bauweise und Montage. Hinterlüftete Module können Wärme beispielsweise besser an die Umgebung abgeben als Anlagen, bei denen sich die Hitze staut.
Zwei Arten, die Sonne zu nutzen
An der Hochschule Landshut wurde ein herkömmliches Photovoltaikmodul mit einem sogenannten PV/T-Modul verglichen. Die Abkürzung steht für Photovoltaik und Solarthermie. Von vorne ähnelt das Hybridmodul einem klassischen Solarmodul. Auf seiner Rückseite befindet sich jedoch ein Leitungssystem, durch das eine Flüssigkeit zirkuliert. Diese nimmt Wärme auf und transportiert sie vom Modul weg. Dadurch kann die Temperatur der Solarzellen beeinflusst werden. Zugleich lässt sich die abgeführte Wärme weiterverwenden, beispielsweise zur Unterstützung der Warmwasserbereitung oder eines Heizsystems.
Das Hybridmodul nutzt die Sonnenenergie somit doppelt: Auf der Vorderseite entsteht elektrischer Strom, während auf der Rückseite Wärme gewonnen wird. Entscheidend ist allerdings, dass die Flüssigkeit ausreichend Wärme aufnehmen kann. Ist sie selbst bereits zu heiß oder fließt zu wenig davon durch das System, nimmt die Kühlwirkung ab.
Messungen im Frühjahr und Frühsommer
Für die Untersuchung zeichneten Sensoren verschiedene Messwerte auf. Erfasst wurden unter anderem die Sonneneinstrahlung und die Temperaturen an mehreren Stellen der Anlage. Eine Wärmebildkamera half dabei, die Erwärmung der Moduloberflächen sichtbar zu machen. Die Messungen fanden unter unterschiedlichen Wetterbedingungen im Frühjahr und im Frühsommer statt. Dabei zeigte sich ein klarer Zusammenhang: Mit zunehmender Sonneneinstrahlung stiegen in der Regel auch die Modultemperaturen. Gleichzeitig sank der elektrische Wirkungsgrad, je wärmer die Solarzellen wurden.
Bei den Versuchen lag die elektrische Effizienz des Hybridmoduls im Frühjahr etwa einen Prozentpunkt über der des klassischen Photovoltaikmoduls. Im Frühsommer betrug der Unterschied rund zwei Prozentpunkte. Hinzu kommt die Wärmeenergie, die das Hybridmodul zusätzlich nutzbar machen kann. Die Messwerte gelten für die untersuchte Anlage und lassen sich nicht unverändert auf jedes Gebäude übertragen. Sie zeigen jedoch, dass die Temperatur bei der Planung und Bewertung von Solaranlagen eine wichtige Rolle spielt.
Nicht jede Anlage braucht eine aktive Kühlung
Eine Kühlung klingt zunächst nach einer einfachen Lösung. Technisch ist ein PV/T-System jedoch aufwendiger als eine gewöhnliche Photovoltaikanlage. Zusätzlich zu den Solarmodulen werden unter anderem Leitungen, eine Pumpe und ein Wärmekreislauf benötigt. Dadurch steigen die Anschaffungs- und Wartungskosten. Ob sich ein Hybridmodul lohnt, hängt deshalb vom jeweiligen Einsatzort ab. Besonders interessant kann die Technik dort sein, wo neben Strom regelmäßig Wärme benötigt wird. Wird die abgeführte Energie sinnvoll verwendet, kann das System einen größeren Teil der einfallenden Sonnenenergie nutzbar machen.
Klassische Photovoltaikanlagen bleiben dennoch auch bei Hitze leistungsfähig. Die Erwärmung führt nicht dazu, dass die Stromproduktion aussetzt. Vielmehr sinkt die Effizienz schrittweise, während die intensive Sonneneinstrahlung weiterhin für hohe Erträge sorgen kann. Die Untersuchung der Hochschule Landshut macht damit ein scheinbares Paradox verständlich: Sonnenschein ist die Grundlage der Photovoltaik, extreme Wärme jedoch nicht ihr Idealzustand. Wer möglichst viel Sonnenenergie nutzen möchte, muss deshalb nicht nur nach oben zur Sonne schauen, sondern auch auf die Temperatur der Module und die Technik dahinter.
Foto: Hochschule Landshut
(Frei zur Verwendung bei Angabe der Quelle)
Bildunterschrift: An der Versuchsanlage der Hochschule Landshut untersuchen Studierende, wie sich die Temperatur auf die Leistung von Photovoltaik- und Hybridmodulen auswirkt.
