Wir befragten zwei Experten im pv magazine-Webinar am 2. Oktober, was der Vorteil dieser Halbzellenmodule ist und worauf der Installateur im Umgang achten sollte. Fragen, die im Webinar aus Zeitgründen nicht mehr vollständig beantwortet werden konnten, haben wir nun im Nachgang geklärt. Hier lesen Sie die Antworten von Klaus Hofmeister, Produktmanager bei Initiativpartner Trina Solar. Er erklärt, warum Halbzellenmodule nur drei Bypass-Dioden benötigen und bei verschiedenen Verschattungssituationen eine höhere Leistung abgeben als Vollzeller und er beantwortet Fragen zum Produkt.
Hier finden Sie das Webinar zum Nachsehen und können die Präsentationen herunterladen.
Ändern sich die Dimensionen des Moduls bei der Verwendung von Halbzellen?
Klaus Hofmeister: Bei den meisten Produkten ist ein Längenzuwachs zu verzeichnen, was sich leicht durch die erhöhte Anzahl an Zellzwischenräumen in Längsrichtung erklären lässt. Der Längenzuwachs beträgt etwa 10 bis 30 Millimeter.
Werden bei Halbzellenmodulen auch Zellen verarbeitet, die bei der Produktion von Vollzellenmodulen aufgrund von Brüchen aussortiert wurden?
Der Prozess, der zur Teilung der Zellen in zwei Hälften benutzt wird, erlaubt es nicht, Bruchzellen zu verwenden. Zudem besteht bei solchen Zellen, die in den Produktionsanlagen brechen, das Risiko, dass sie noch mit weiteren Schädigungen behaftet sind. Das ist ein weiterer Grund, diese Bruchzellen gänzlich aus der Modulfertigung auszusortieren.
Wie lösen Sie beim Moduldesign das Problem, dass Busbars von jeder Seite der Parallelschaltung am gleichen Ort auf dem mittleren Querverbinder ankommen?
Die Busbars, die von den beiden Modulhälften kommen, in der Mitte des Moduls mit dem breiten Querverbinder zu verlöten, stellt in der automatisierten Fertigung kein Problem dar.
Bei Vollzellenmodulen sorgen im Fall von teilweisen Verschattungen drei Bypass-Dioden dafür, dass das Modul noch teilweise Strom produziert oder im String überbrückt wird. Wie funktioniert das bei Halbzellenmodulen genau und wie viele Bypassdioden sind dabei im Einsatz?
Ein Halbzellenmodul hat ebenfalls drei Bypassdioden. Wandert der Schatten über die lange Seite des Moduls ganzflächig über das Modul, verhält sich das Modul exakt genauso, wie es von einem Vollzellenmodul bekannt ist. Im Halbzellenmodul ist jeweils ein Zellstring nach oben und einer nach unten parallel geschaltet und mit einer Bypassdiode geschützt (linkes Bild A). Drei dieser Zell-Doppelstrings sind in Reihe geschaltet. Wenn die untere Hälfte des Moduls verschattet ist (mittleres Bild B), arbeiten alle oberen Zellstrings normal weiter (Bypassdioden sind nicht aktiv) – das Modul hat die halbe Leistung. Bei einem Vollzellenmodul würde die Leistung dagegen einbrechen. Wenn, wie im mittleren Bild, nur zwei der drei unteren Strings verschattet sind, kann zwar auch String 6 zur Leistung beitragen. Da String 1 und 3 aber die Stromstärke auf die Hälfte begrenzen, sind auch hier nur 50 Prozent Modulleistung möglich (bei einem Vollzellenmodul wäre es ein Drittel; der 50 Prozent Arbeitspunkt ist beim Halbzellenmodul der Punkt mit der max. Leistungsabgabe). Wenn, wie im Bild ganz rechts zu sehen, nur einer der sechs Substrings verschattet ist, entsperrt die Bypassdiode an den Zellstrings 1 und 2. String 3,4,5 und 6 tragen zur Modulleistung bei, die dann bei wie beim Vollzeller bei zwei Dritteln liegt. Das ist die Betrachtung, wenn ein einzelnes Modul an einen Wechselrichter angeschlossen ist. Relevanter für die Praxis ist die Betrachtung eines Modulstrings. Im Modulstring sind alle Module und innerhalb der Module noch viel mehr Zell-Doppelstrings in Reihe geschaltet. Wenn 50 Prozent oder mehr der Module z.B. in der unteren Hälfte der Module im Modulstring verschattet sind, erbringt der Modulstring insgesamt die Hälfte der Nennleistung. Wenn weniger als 50 Prozent der Module z.B. in der unteren Hälften verschattet sind, wird die gesamte Leistung im Strang durch die unverschatteten Module bestimmt. Die verschatteten Module werden durch die Bypassdioden ausgenommen.
Was passiert bei einer U-förmigen Verschaltung der Module mit dem Strom, wenn der untere Teil der unteren Modulreihe verschattet wird?
Um eine exakte Antwort für die U-förmige Verschaltung zu geben, ist es wichtig zu wissen, wie viele Module relativ zur gesamten Stranglänge verschattet sind. Sind mehr als 50 Prozent der Module in der U-Form verschattet, so würde die Gesamtleistung des Stranges auf die Hälfte reduziert. Sind weniger als 50 Prozent der Module verschattet, dann würden die Module, die verschattet sind, über die Bypassdioden überbrückt werden; allerdings nur dann, wenn der sich dadurch einstellende Arbeitspunkt (MPP) für den Wechselrichter möglich ist.
Ist nur die vertikale Montage und horizontale Verschaltung der Module sinnvoll?
Auch die horizontale Montage ist sinnvoll, wenn möglich. Dies hängt aber von der individuellen Anlagenplanung ab und von der zu erwartenden Verschattung. In dieser Variante funktionieren die Module identisch zu Vollzellenmodulen und bieten somit auch die Möglichkeit, mit Verschattungssituationen umzugehen.
Muss man bei der Befestigung und Auflage der Halbzellmodule etwas besonderes beachten? Reicht die Kabellänge für eine horizontale Befestigung?
Die Anforderungen bei der Montage der Halbzellenmodule sind nicht anders als bei Vollzellenmodulen auch. Grundsätzlich gilt es immer, in der Montageanleitung des Herstellers zu prüfen, wo die zulässigen Klemmbereiche liegen. Die Kabel sind bei Modulen von Trina Solar ausreichend lang für eine horizontale Befestigung, allerdings verlaufen die Kabel diagonal hinter dem Modul. Das ist der Tatsache geschuldet, dass die Halbzellenmodule dreigeteilte Anschlussdosen haben und die Kabel nicht von einer zentralen Anschlussdose herausgeführt werden.
Verhalten Sich die beiden parallelen Halbmodule völlig identisch oder treten ähnliche Effekte auf, wie mit zwei parallelen Vollzellen-Solarmodulen, zum Beispiel minimal andere MPPT-Arbeitspunkte?
Ein einziges Halbzellenmodul ist nicht identisch mit zwei parallel geschalteten Einzelmodulen. Ein Halbzellenmodul besitzt zwei Kabelenden und ist somit nach außen als eine Einheit zu betrachten. Der sich einstellende Arbeitspunkt (MPP) ist somit ein Kompromiss aus der Summe der beiden Hälften des Moduls. Dies funktioniert bei einer entsprechenden Zellsortierung sehr gut. Es ist technisch ausgeschlossen, einen Arbeitspunkt für die beiden Hälften getrennt einzustellen. Bei zwei unabhängigen parallel geschalteten Modulen lässt sich für jedes Modul ein individueller Arbeitspunkt (MPP) einstellen.
Welchen Einfluss auf Mikrorisse hat das Halbzellkonzept?
Vorhandene Mikrorisse haben bei Halbzellen keine andere Wirkung als bei Vollzellen. Dass in einer Halbzelle mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit Mikrorisse entstehen, kann ich nach meinen Erkenntnissen nicht bestätigen. Auch bei Halbzellenmodulen ist es ratsam, ähnlich vorsichtig und fachgerecht mit den Modulen umzugehen.
Wie wird sichergestellt, dass beim Halbieren der Zellen keine Defekte im Material entstehen?
Sowohl vor dem Laminieren als auch danach werden die Module zu 100 Prozent per Elektrolumineszenz geprüft. Defekte, die vor der Laminierung auftreten, können noch behoben werden; danach können die Module nur noch entsprechend aussortiert werden. Der Prozess an sich erzeugt keine höhere Defektrate, und das kontrollierte Brechen von Silizium wird auch in anderen Bereichen der Halbleiterindustrie eingesetzt.
Werden die Zellen nach dem Lasern und Teilen an den Kanten isoliert?
Der Laser schneidet die Zelle fast bis zur Hälfte durch und damit auch weit durch den p-n-Übergang. Nach dem Halbieren folgt kein weiterer Prozessschritt. An der Grenzfläche bildet sich natürliches Oxid und eine weitere Isolation ist nicht nötig. Da die Zelle zu dem Zeitpunkt bereits komplett fertig prozessiert ist, wäre das auch nicht ganz einfach durchzuführen.
Gibt es bei Trina Solar Preisunterschiede (pro Watt-Peak) zwischen Halbzellen- und Vollzellenmodule?
Da Trina Solar seine Produkte nur über den Grosshandel vertreibt und wir auf die nachfolgende Preisgestaltung keinen Einfluss haben, ist das durchaus möglich. Das liegt natürlich auch daran, dass höhere Leistungsklassen meist auch zu höheren Preisen pro Watt Peak angeboten werden.
Welche Mehrkosten ergeben sich durch das Verwenden von Halbzellen für den Hersteller?
Das Modul als solches ist in der Herstellung verständlicherweise etwas komplexer und aufwändiger. Durch den erreichten Leistungszuwachs wird versucht, die Kosten pro Wp zu senken oder zumindest auf ähnlichem Niveau zu halten. Dazu ist allerdings immer die individuelle Fertigungslandschaft zu betrachten, denn die Umstellung auf Halbzellen bedeutet in der Regel auch Investitionen in neue Produktionsanlagen. Eine generelle Aussage ist also nicht möglich, aber langfristig erwartet auch Trina Solar, die Kosten zu senken.
Müssen Halbzellenmodule auf der Baustelle vorsichtiger behandelt werden verglichen mit Vollzellenmodulen?
Wenn die Module in ihrer Bauart identisch sind zu Vollzellenmodulen (z.B. bei Glasdicke und Rahmen), gibt es keine zusätzlichen Anforderungen. Es gilt grundsätzlich für alle Module, möglichst wenig Belastung auf die Vorder- und Rückseite auszuüben.
Wird das Halbzellenkonzept künftig auch auf polykristalline Module und bifaziale Module übertragen?
Polykristalline Halbzellenmodule bietet Trina Solar bereits an. Aus technischer Sicht kann man das Konzept auch auf bifaziale Module anwenden, doch dabei gilt es zu prüfen, ob es wirtschaftlich sinnvoll ist. Aufgrund der Anordnung der Anschlussdosen und der Kabel beim Halbzellenmodul und der einhergehenden Verschattung der Zellrückseite gibt es durchaus noch Bedarf für technisch clevere Lösungen.
Wie verhalten sich die Module in Verbindung mit Leistungsoptimierern, im speziellen Tigo TS4-R-O (kam ja auch bei Trina schon im Smartmodul zum Einsatz), sind hier Besonderheiten zu beachten auch auf Bezug zum Tigo DUO Leistungsoptimierer?
Da das Modul nach außen genau wie ein Vollzellenmodul zu betrachten ist und auch eine identische Strom-Spannungskennlinie hat, sollten die Leistungsoptimierer auch mit diesen Modulen problemlos funktionieren. Im Zweifelsfall sollten Sie beim Hersteller des Optimierers nachfragen, dieser kennt das Regelverhalten seiner Geräte genau und kann damit auch eine eindeutige Aussage treffen.
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Ich würde mich sehr wundern, wenn Solarzellen nun auf einmal durch den PN-Übergang (bei Standardzellen also von vorn) gelasert und von der anderen Seite gebrochen werden. Bisher war das Lasern immer von hinten (bei Sunpower von vorn) üblich, also eben gerade nicht durch den PN-Übergang, da dies mit üblichen Lasern einen totalen Kurzschluss verursacht und die Zelle praktisch keine Spannung mehr erzeugt.
Hallo zusammen,
ich verstehe im Moment leider nicht weshalb bei der Verschattung des Strings 2 dessen parallel geschaltete Bypassdiode leitet.
Kann mir das jemand beantworten? Ich wäre sehr dankbar!
Viele Grüße!