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Letztlich erreichte mich die Anfrage einer Leserin zur Grösse von Solarmodulen mit dem Hintergrund von gebäudeintegrierter Photovoltaik (oder auf englisch: building integrated photovoltaics BIPV). Bei BIPV (und bei der Anfrage) geht es letztlich darum, die PV-Module möglichst reibungslos in die Grösse des Gebäudes einzubetten. Somit ist klar, dass Standard-Grössen von Solarmodulen meist nicht «passen». In diesem Beitrag möchte ich deshalb der Grösse von Solarmodulen etwas mehr auf den Grund gehen. Dabei fange ich mit der Standard Grösse von Solarmodulen an, bevor ich dann auf Solarmodul Grösse für BIPV Anlagen eingehe.
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Wie gross sind Solarmodule?
Die Grösse der Solarmodule wird bestimmt durch
- Die Grösse der verwendeten Solarzellen
- Der Anzahl von Solarzellen pro Modul
In den letzten ca. 10 Jahren wurden zumeist Solarzellen mit einer Grösse von 156.75 mal 156.75 mm2 verwendet. Pro Modul wurden entweder 60 oder 72 dieser Solarzellen verwendet. Dies resultiert bei einer Anordnung der Solarzellen von 6 Zellen Breite und 10 oder 12 Zellen Länge in einer Gesamtgrösse der Solarmodule von ca. 1.00m mal 1.65m (60 Zellen) oder 1.00m mal 1.95m (72 Zellen).
Im Moment geht der Trend zu grösseren Solarzellen und dementsprechend grösseren Solarmodulen.
Entscheidungskriterien für Solarmodule
Letztlich möchte man bei der Auswahl von Solarmodulen möglichst viel Strom (resp. hohe Leistung) zu einem möglichst kleinen Preis erhalten (ästhetische Aspekte lasse ich für den Moment aussen vor und gehe später darauf ein). Die Leistung wiederum wird bestimmt durch die Effizienz der Solarmodule (siehe einen früheren Beitrag zur Effizienz von Solarmodulen) und die Grösse der Solarmodule.
Einfach gesagt: je grösser das verwendete Solarmodul und je höher die Effizienz der darin verwendeten Solarzellen, desto grösser die Leistung und damit der Stromertrag der Module.
Allerdings sind der Grösse von Solarmodulen einige praktische (und auch finanzielle) Grenzen gesetzt: Werden die Solarmodule zu gross, passen sie für den Transport nicht mehr in einen Standardcontainer, was die Frachtkosten (vor allem für Module aus China) stark ansteigen lässt. Und: Ab einem Gewicht von 25 kg pro Modul müssen diese von mindestens 2 Personen verlegt werden (festgelegt wegen Arbeitssicherheit von der SUVA), was natürlich die Installationskosten in die Höhe treibt.
Erschwerend kommt (zumindest im Hausdachbereich) hinzu: je grösser die Solarmodule werden, desto weniger gut lassen sich diese auf die Grösse des Daches oder der Fassade anpassen. Im schlechtesten Fall entstehen so ungenutzte Dachflächen, die die Rentabilität einer Solaranlage negativ beeinflussen (in diesem Beitrag teile ich meine Überlegungen und Analysen zum Schlagwort: «Dach voll machen!?»).
Grösse von Solarzellen
Die Grundbausteine von Solarmodulen sind die einzelnen Solarzellen. In den letzten ca. 10 Jahren waren Solarzellen mit einer Grösse von 156.75 mal 156.75 mm2 der Standard (oft auch M2 genannt). Diese wurden ab ca. 2019 durch die nächste Grösse M3 (verwirrender weise oft auch G1 genannt) mit 158.75 mal 158.75 mm2 abgelöst wurden. (Kleinere Solarzellen sind immer seltener zu finden; wenn dann zumeist für «Nischenanwendungen» wie z.B. Solarzellen für den Outdoor/ Off-Grid- Markt. Diese haben oft eine Spannung von 12V bei einer Grösse von 100 mal 100 mm2.)
Aktuell geht der Trend zu noch grösseren Zellen, nämlich M6 (166 mal 166 mm2) und sogar M12 (210 mal 210 mm2). Eine Grössendarstellung erhält man in folgender Grafik:
Der Grund für den Trend zu grösseren Zellen ist die Kostenreduktion. Um eine Kostenreduktion zu erreichen, versuchen die Hersteller in ihrer Produktion jeweils ähnliche Maschinen einzusetzen, so dass sich dadurch eine praktische Standardisierung ergibt. Dadurch ähneln sich bei vollautomatisierter Herstellung die Grösse der Solarzellen und damit die Grösse von Solarmodulen. Die folgende Grafik zeigt, wie sich die Grössen der Solarzellen in den letzten Jahren verändert hat und welche Entwicklung in Zukunft zu erwarten ist (Daten von der International Technology Roadmap for Photovoltaics, veröffentlicht hier).
Solarmodul-Grösse
Da die Solarmodule aus Solarzellen aufgebaut sind, ergibt sich also die Grösse von Solarmodulen als ein Vielfaches der Grösse der Solarzellen. Hinzu kommt jeweils ca. ein halber Zentimeter zwischen den Zellen und 1 bis 2 Zentimeter zwischen Zelle und Modulrahmen.
Die Anordnung der Solarzellen auf einem Solarmodul war in den letzten Jahren 6 mal 10 Zellen (also 60 Zellen insgesamt) für den Hausbereich und 6 mal 12 Zellen (also 72 Zellen insgesamt) für den industriellen Bereich. Vermehrt werden nun sogenannte Halbzellen eingesetzt, um vor allem die Stromproduktion in schwierigen Lichtverhältnissen zu verbessern.
Es werden dann also nicht mehr 60 bzw. 72 Zellen sondern 120 bzw. 144 Halbzellen pro Solarpanel verwendet. (Achtung beim Lesen der folgenden Tabelle: nicht nur die Grösse der Zellen und Module hat sich verändert, sondern auch die verwendete Solarzellen-Technologie. Dadurch hat sich die Effizienz erhöht, d.h. pro Fläche Solarmodul wird immer mehr Leistung erzeugt)
|Zellgrösse (mm2)||Zellanordnung in Modul||Grösse cm2 (typisch)||Leistung (typisch) (abhängig von Technologie)|
|156.75 *156.75 (M2)||6 * 10||160 * 100||250 Watt|
|156.75 *156.75 (M2)||6 * 12||192 * 100||300 Watt|
|158.75 *158.75 (G1)||6 * 10||164 * 102||270 Watt|
|158.75 *158.75 (G1)||6 * 12||197 * 102||320 Watt|
|166 * 166 (M6)||6 * 10||175 * 105||330 Watt|
|166 * 166 (M6)||6 * 12||204 * 105||400 Watt|
Haben sich bisher die Zellgrössen «nur» um wenige Millimeter von einer Generation zur nächsten vergrössert, so findet nun und vermehrt in der Zukunft ein deutlicher Sprung in der Grösse statt. Damit können die bisher üblichen Layouts von 6 mal 10 bzw. 6 mal 12 Zellen nicht mehr aufrecht erhalten werden.
Zudem kommen nun nicht nur Halbzellen, sondern auch Drittel- und Viertelzellen zum Einsatz. (Eigentlich schon verrückt: erst werden dauernd grössere Zellen entwickelt, um sie dann doch wieder klein zu sägen.) In der folgenden Tabelle gebe ich als Beispiele die Produktepalette von Jinko-Solar (Jinko Tiger Neo 54/60/72/78 HC) für die M10-Grösse und Trina Power (Vertex S und Vertex) für die M12-Grösse.
|Zellgrösse (mm2)||Zellanordnung in Modul||Modulgrösse (typisch cm2)||Leistung (typisch) (abhängig von Technologie)||Beispiel|
|182 * 182 (M10)||6 * 18 (Halbzellen)||172 * 113||420 Watt||Jinko Tiger Neo 54 HC|
|182 * 182 (M10)||6 * 20 (Halbzellen)||190 * 113||470 Watt||Jinko Tiger Neo 60 HC|
|182 * 182 (M10)||6 * 24 (Halbzellen)||228 * 113||565 Watt||Jinko Tiger Neo 72 HC|
|182 * 182 (M10)||6 * 26 (Halbzellen)||246 * 113||600 Watt||Jinko Tiger Neo 78 HC|
|210 * 210 (M12)||5 * 24 (Drittelzellen)||175 * 110||400||Trina Vertex S|
|210 * 210 (M12)||5 * 30 (Drittelzellen)||219 * 110||500||Trina Vertex|
Die oben genannten Grössen von Solarzellen decken über 90% des Weltmarktes ab. Wie sieht es nun aber mit Solarmodulen aus, die auch gebäudeintegriert (BIPV) verwendet werden können.
Arten von gebäudeintegrierten Solaranwendungen (BIPV)
Bisher sind wir in der Betrachtung von den Standard-Solarmodulen ausgegangen. Diese werden in gleicher Grösse in grosser Stückzahl für hohe Leistungen auf Dächern oder – wenn die Leistung noch grösser sein soll – in Freiflächenanlagen genutzt.
Jedoch werden mehr und mehr Solaranlagen an der – im weitesten Sinne – Gebäudehülle verbaut. Als Oberbegriff wird hier oft der englische Ausdruck Building Integrated PV, abgekürzt BIPV benutzt. Dies bedeutet nichts anderes als «gebäudeintegrierte PV».
Anzahlmässig am weitesten verbreitet sind Balkonsolaranlagen. Diese sind zumeist so gestaltet, dass ihre Einspeiseleistung 600 Watt (also 0.6 kW) nicht übersteigt. Das ist zwar verglichen mit normalen PV-Anlagen auf Einfamilienhausdächern mit meist 10 kW nicht gerade viel. Aber es hat zwei grosse Vorteile.
Vorteil Nummer 1: für die Installation benötigt man keinen Elektriker. Jeder (Mann/ Frau) darf eine solche Anlage selbst «einstecken». Sie heissen deshalb auch oft Solar-Steckeranlagen oder auch Plug and Play Solaranlagen. (Mehr Infos zu solchen Anlagen gibt es in diesem früheren Blogbeitrag.) Vorteil Nummer 2: da eine solche Anlage «nur» einen Balkon benötigt und kein Dach, ist sie vielmals auch in Mietwohnungen einfach installierbar. Ggfs. sollte man jedoch vorgängig den Vermieter darauf ansprechen.
Von der elektrischen Leistung her liegen Solaranlagen auf Carports im Mittelfeld. Sie haben meist eine Leistung von einigen wenigen Kilowatt. D.h. sie sind deutlich leistungsfähiger als Balkonanlagen, aber weniger leistungsfähig als Dachanlagen. Und da sie die magische 600 Watt Grenze überschreiten, müssen sie zwingend von einem Elektriker installiert und angemeldet werden.
Ebenso vermehrt im Kommen sind Fassaden-PV-Anlagen. Wie der Name sagt, bedecken diese Solaranlagen die Gebäudefassaden. Damit können grosse Flächen bedeckt und im besten Fall grosse Leistungen erzielt werden. Gerade die Fassaden-PV-Anlagen bieten jedoch einige Herausforderungen, die die Begleitung von einer erfahrenen Fachperson (Architekt und/ oder Solarteur) unbedingt notwendig machen.
Herausforderung Nummer 1: die Sonnenexposition. Oft stehen Häuser ja nicht alleine, sondern sind in einem Strassenzug von anderen Häusern umgeben. Am meisten Strom erzeugen Solaranlagen allgemein dann, wenn die Sonne ziemlich senkrecht auf die Module fällt. D.h. bei einer Fassadenanlage ist die Stromproduktion dann am höchsten, wenn die Sonne ziemlich tief steht. Dann können aber die Nachbarhäuser (aber natürlich auch Bäume etc.) Schatten werfen. Eine genaue Auslegung der Fassadenanlage ist damit also notwendig, um später keine Enttäuschung zu erleben.
Herausforderung Nummer 2: häufig werden die Solarmodule der Fassade «vorgehängt». Damit muss die Unterkonstruktion das gesamte Gewicht der Solarmodule auch bei einem Sturm sicher tragen können. Das ist natürlich kein No-Go (es gibt schliesslich schon genügend Fassaden mit vorgehängten Glaselementen). Aber es bedarf wiederum einer Fachperson, die auch die Statik einer solchen Fassadenanlage im Blick hat.
Solarmodul Grösse im BIPV-Umfeld
Gebäudeintegrierte PV-Anlagen sind meist sichtbarer als Solaranlagen, die auf dem Dach fast schon «versteckt» sind. Damit steigen aber auch die ästhetischen Anforderungen (mehr dazu auch über Solarziegel in diesem Blog). Und oft genug werden diese ästhetischen Anforderungen durch die Standard-Solarmodule, die wir oben angeschaut haben, nicht abgedeckt.
Aus diesem Grund gibt es zwar zunehmend mehr (aber auch noch bei weitem nicht «unendlich» viele) Hersteller von Solarpanelen mit mehr oder weniger individuellen Abmessungen. Hierbei ist aber klar: je individueller die Anforderung und je kleiner die benötigte Stückzahl, desto höher der Preis.
Letztlich nur in zwei Grössen (und das wieder in je zwei Kombinationen, also insgesamt vier Kombinationen) werden Balkonanlagen von www.solarbalkon.ch angeboten. Die angebotenen Solarmodule sind entweder 1.70 m mal 1.02 m oder 0.99 m mal 1.01 m gross. Dabei liefert Solarbalkon auch direkt an Endkunden.
Ein breiteres Angebot im Bereich BIPV liefert https://www.solarmarkt.ch/ (allerdings beliefert Solarmarkt nur Unternehmen und keine Endkunden). Hier werden verschiedene Lösungen für Balkone, Fassaden und Carports angeboten. Zwar sind verschiedene Grössen erhältlich, aber leider auch nicht beliebige Grössen.
Wer also höchste Ansprüche in Bezug auf Design und Grösse hat (und möglichst wenige Kompromisse eingehen möchte), muss letztlich mit einer Manufaktur zusammenarbeiten. Hier sind praktisch unbegrenzte Grössen, nicht-quadratische Formen und auch eine Vielzahl von Designs möglich.
Natürlich nur in gewissen Grenzen: da auch hier letztlich Solarzellen von Standardherstellern genutzt werden (die dann aber individuell zusammengesetzt werden). Somit sind die minimalen Grössen für individuelle Solarmodule begrenzt durch die Grösse der Solarzellen, also ca. 16 mal 16 cm2. Die Grösse von Solarmodulen sind dann letztlich ein Vielfaches dieser Solarzellen-Grössen. Ein Anbieter solcher Module ist das schwyzerische Unternehmen Activ’Glass.
Fazit
Die starken Preissenkungen von Solarmodulen in den letzten Jahren wurden durch immer grössere Standardisierung und immer grössere Solarzellen erreicht. Dadurch ging auch der Trend zu grösseren Solarmodulen mit höherer Leistung.
Durch die zunehmende Bedeutung von gebäudeintegrierten Solaranlagen sind nun aber vermehrt individuelle Grössen von Solarmodulen gefragt. Darauf haben sich einige Hersteller spezialisiert, die spezielle Solarmodule für Balkone, Carports oder auch Fassaden herstellen. Dies sind im Moment noch Nischen, die aber wahrscheinlich in der Zukunft an Bedeutung gewinnen werden.