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Standardmodule oder Bifazialmodule – Wo liegt der Unterschied?
03/06/2021
Vor nicht allzu langer Zeit war der Markt der Standard-Solarmodule noch hart umkämpft. Hersteller investierten all ihre Energie und finanzielle Mittel in die Verbesserung der Effizienz und suchten nach vielversprechenden Entwicklungen, die den Weg zur Eroberung des Photovoltaik-Marktes ebnen sollten. Nun stellt es sich heraus, dass eine solch innovative Idee bereits existiert. Es handelt sich um doppelseitige Solarzellen, so genannte bifaziale Module.
Entwickelt in der Mitte des letzten Jahrhunderts, konnten sie damals noch kein großes Ansehen erlangen und blieben nicht weit verbreitet. Sie existierten lange Zeit nur in Form eines theoretischen Modells und einer kleinen Anzahl von Prototypen. Der Grund dafür ist, dass ihre erhöhte, aber immer noch unzureichende Effizienz keinen signifikanten Gewinn an Rentabilität der Produktion im Vergleich zu herkömmlichen, einseitigen, so genannten monofazialen Module brachte.
Die tatsächliche Produktion bifazialer Module wurde erst möglich durch eine neue Technologie in der Solarzellenherstellung – PERC. Erste Versuche mit solchen Zellen haben bereits damals einen deutlichen Wirkungsgradvorteil doppelseitiger Paneelen gegenüber einseitigen gezeigt.
Heute zweifelt niemand mehr an der Tatsache, dass bifaziale Module die Stromproduktion erhöhen. Um jedoch eine fundierte Entscheidung über die Auswahl von Standard- oder bifazialen Modulen treffen zu können, ist es notwendig, sich weitere und detailliertere Informationen über die Vor- und Nachteile zu verschaffen. Wenn wir uns vor Augen halten, dass Erkenntnis durch Vergleich entsteht, sollten wir die Merkmale betrachten, die bei der Auswahl berücksichtigt werden sollten.
Effizienz
Effizienz ist einer der Hauptparameter von Solarmodulen, der unter Standardbedingungen (unmittelbar nach der Montage) nur durch ihre Konstruktionsmerkmale bestimmt wird. Bei einseitigen Modulen schwankt dieser Parameter zwischen 10 und 20%. Die Verwendung bifazialer Paneele ermöglicht eine Effizienzsteigerung um durchschnittlich 20 bis 30% – ihr Wirkungsgrad erreicht 27%. Durch den Einfluss verschiedener Faktoren, u.a. auch Witterungsbedingungen, können die tatsächlichen Werte erheblich von den angegebenen Werten abweichen, sowohl nach oben als auch nach unten.
Es ist anzumerken, dass heutzutage das Effizienzkriterium nicht mehr das entscheidende ist. Heute sind die erfolgreichsten Module auf dem Markt diejenigen, die das beste Verhältnis zwischen den Gesamtkosten für ihre Herstellung und ihren Betrieb und der während ihrer Lebensdauer erzeugten Energiemenge für sich beanspruchen können. Mit anderen Worten: Module, die den günstigsten Strom produzieren. Um dieses Verhältnis zu berechnen, wurde die Kennzahl LCOE (Levelized Cost of Energy) entwickelt.
Angesichts der Bedeutung externer Faktoren und Eigenschaften von Solarmodulen bei der LCOE-Berechnung ist es sinnvoll, einen Vergleich anhand des Kriteriums seiner Minimierung durchzuführen.
Leistung
Vergleicht man einseitige und bifaziale Module in Bezug auf ihre Leistung, ergibt sich bei letzteren, unter sonst gleichen Bedingungen, ein Leistungsgewinn von bis zu 25 % allein durch die Nutzung von reflektiertem Licht zur Stromerzeugung auf der Rückseite des Moduls.
Die Kosten für die Umsetzung von Projekten, die auf bifazialen Modulen basieren, werden bei gegebener Kapazität und Leistung aufgrund der geringeren Anzahl der benötigten Module niedriger sein als bei einseitigen Modulen. Dementsprechend wird eine kleinere Stellfläche benötigt, was bei
hohen Grundstückskosten wichtig sein kann.
Gewicht
Die Verwendung einer beidseitigen Glasabdeckung erhöht das Gewicht der bifazialen Module um durchschnittlich 5-8 kg im Vergleich zu Standardmodulen. Dies kann die Installation etwas erschweren, stellt aber kein Hindernis im Betrieb dar, und der geringfügige Anstieg der Kosten für die Arbeiten hat keinen signifikanten Einfluss auf den LCOE-Wert.
Langlebigkeit
Die Lebensdauer sowohl einseitiger als auch bifazialer Solarmodulen hängt von der Degradationsrate der darin verwendeten Photovoltaikzellen ab und liegt bei etwa 30 Jahren. Allerdings sollte man den Einfluss natürlicher Faktoren nicht vernachlässigen. Hier sind bifaziale Module im Vorteil. Die Verwendung von gehärtetem Glas für die Beschichtung der Vorder- und Rückseite eliminiert den negativen Einfluss von UV-Strahlen, und die transparente Struktur verhindert eine übermäßige Erwärmung der Zellen, was sich positiv auf die Langlebigkeit auswirkt. Durch den Verzicht auf einen Aluminiumrahmen (bei rahmenlosen Modulen) wird die Gefahr von Korrosion ausgeschlossen. Generell steigert die erhöhte Widerstandsfähigkeit von bifazialen Modulen gegenüber natürlichen Einflüssen ihre Lebensdauer.[2]
Besonderheiten bei der Installation
Im Gegensatz zu Standardmodulen sind bei Projekten mit bifazialen Modulen zusätzliche technische Berechnungen erforderlich:
- korrekte Platzierung der Module unter Berücksichtigung von Abschattung, Reihenabstand, Oberflächenreflexion, Höhe über dem Boden;
- die auf der Rückseite des Moduls erzeugte Leistung;
- Neigungswinkel der Module, der einen maximalen Wirkungsgrad für den gegebenen Standort gewährleistet;
- Leistung des Wechselrichters.
Die praktische Anwendung der Ergebnisse dieser Berechnungen wird zweifellos zu höheren Modulinstallations- und Gerätekosten führen und die Gesamtkosten des Projekts nach oben treiben. Die erzielten Vorteile in Form einer signifikanten Steigerung der Stromerzeugung übersteigen jedoch bei weitem die Größenordnung dieser Kosten und tragen letztendlich zu einer Senkung der LCOE bei.
Einfluss natürlicher Faktoren
Ein Vergleich der Effizienz und Leistung von Solarmodulen unter widrigen Umweltbedingungen zeigt den unbestrittenen Vorteil von bifazialen Modulen. Ihre Fähigkeit, auch bei geringem Licht (morgens, abends) und Streulicht (Nebel, tiefe Bewölkung) ausreichend Energie zu erzeugen, erlaubt den Einsatz in allen Klimazonen.
Ein weiterer Vorteil bifazialer Module im Vergleich zu Standardmodulen ist die niedrigere Zelltemperatur [3], die für eine minimale Leistungsverschlechterung bei heißem Wetter sorgt. Sonnenlicht, das durch die transparente Zelle fällt, verursacht keine zusätzliche Erwärmung. Bei einseitigen Modulen trifft der Lichtstrom auf die lichtundurchlässige Rückwand und erwärmt diese, wodurch sich die Temperatur der Zellen erhöht.
Verwendung von Solar-Trackern
Sowohl einseitige als auch doppelseitige Module können optional mit Nachführeinrichtungen, so genannten Solar-Trackern, ausgestattet werden. Sie ermöglichen eine maximale Ausleuchtung der Module. Während der Leistungsgewinn von Standardmodulen recht gering ist, können bifaziale Module mit einachsiger Nachführung eine Leistungssteigerung von bis zu 35% erreichen. Dieses Design bietet eine signifikante Reduzierung der LCOE-Werte. Außerdem bedeutet dies, dass die Verwendung non Solar-Trackern in den meisten Teilen der Welt möglich und effektiv ist.
Design
Während die Platzierung von Standard-Solarmodulen (Hausdächer, Balkone von Hochhäusern und angrenzende Flächen) nicht viel Spielraum für designerische Kreativität bietet, sind bifaziale Module in dieser Hinsicht wesentlich effektiver. Ihre transparente Struktur ermöglicht die Verwendung als originelle Verkleidungselemente, z.B. für Tankstellen, offene und geschlossene Durchgänge zwischen Gebäuden, Vordächer über Terrassen von Landhäusern und andere moderne Designlösungen. Es sind sogar Anwendungen als Lärmschutzwände entlang von Bahnstrecken bekannt.
Zusammenfassung
Vergleichende Analysen zeigen, dass bifaziale Module den Standardmodulen in vielerlei Hinsicht überlegen sind, was ihren schnellen Aufstieg im Photovoltaik-Markt erklärt. Im Jahr 2020 lag ihr Marktanteil bereits bei über 25%, im Gegensatz zu den Prognosen von ITRPV (11. Ausgabe), die nicht mehr als 15% vorhersahen.
Diese schnelle Marktexpansion war vor allem aufgrund unabhängiger Tests möglich, die von verschiedenen Unternehmen durchgeführt wurden und die die Herstellerangaben bestätigten, einschließlich der höheren Energieerträge und Effizienz von bifazialen Modulen im Vergleich zu einseitigen Modulen.
Weltweit führende Hersteller entwickeln dieses Segment erfolgreich weiter und investieren erhebliche finanzielle Mittel in Forschung und Entwicklung, um Kosten zu senken, bekannte Mängel zu beseitigen und die Effizienz zu erhöhen.
Es ist sicher, dass, wenn der aktuelle Trend anhält, in naher Zukunft bifaziale Module die führende Position auf dem Markt einnehmen und die bevorzugte Wahl für große Solarenergieprojekte werden.
[2] X. Sun, M.R. Khan, C. Deline, M.A. Alam, Optimization and performance of bifacial solar modules: a global perspective, Appl. Energy 212 (2018) 1601-1610.
[3] M.W.P.E. Lamers, E. Ozkalay, R.S.R. Gali, G.J.M. Janssen, A.W. Weeber, I.G. Romijn, B.B. Van Aken, Temperature effects of bifacial modules: hotter or cooler? Sol. Energy Mater. Sol. Cell. 185 (2018) 192e197.