Defekte an Solarmodulen & Solaranlagen erkennen » PV-Anlage prüfen

1) Sonnenlicht  |  2) Negative Elektrode  |  3) N-dotiertes Silizium  |  4) Grenzschicht  |  5) P-dotiertes Silizium  |  6) Positive Elektrode  |  7) Verbraucher (Glühlampe)

Ein Solarmodul besteht aus einer mehr oder weniger großen Anzahl von Photovoltaik-Zellen. Eine Photovoltaik-Zelle wiederum besteht aus zwei hauchdünnen Schichten aus hochreinem Silizium, dem gezielt Fremdatome wie beispielsweise Bor und Phosphor zugefügt wurden.

Fachleute sprechen von einer positiven Dotierung mit Bor und einer negativen Dotierung mit Phosphor.

An der Nahtstelle beider Halbleiterschichten entsteht ein sogenannter pn-Übergang (Grenzschicht).

Den genauen Aufbau und die Funktion eines pn-Übergangs haben wir in unserem Ratgeber zur Diode 1N4148 ausführlich beschrieben.

Bei einer Solarzelle werden durch den Einfall von Sonnenlicht (Photonen) in der Grenzschicht Elektronen frei, die für eine elektrische Spannung an den Anschlussklemmen sorgen.

Eine einzelne Solarzelle mit einer Größe von beispielsweise 156 × 156 mm ist durchaus in der Lage, bei starker Sonneneinstrahlung eine beachtliche Menge an Strom zu liefern.

Allerdings ist die elektrische Spannung verhältnismäßig gering. Bei Silizium beträgt die Klemmenspannung einer einzelnen Photovoltaik-Zelle rund 0,5 - 0,7 V. Deshalb werden die einzelnen Solarzellen innerhalb eines Moduls hintereinander (in Serie) geschaltet. Das funktioniert ähnlich wie bei den Batterien einer Taschenlampe, die zur Spannungserhöhung ebenfalls in Serie geschaltet sind. 

Bei den im Bild gezeigten Solarmodulen sind 36 Zellen in Serie, zu sogenannten Substrings, geschaltet. Dadurch erreichen diese Module eine Leerlaufspannung (offene Anschlussklemmen) von 24,9 V.

Die Zellen werden nach dem Verlöten zwischen zwei Folien laminiert und sind so optimal vor Feuchtigkeit geschützt. Ein Alurahmen mit Glasscheibe und eine stabile Rückseitenfolie mit Anschlusskasten schließen den Aufbau eines Solarmoduls ab.

1) Solarzelle  |  2) Solarmodul  |  3) Solarstring

Ein Solarfeld besteht aus mehreren miteinander verschalteten Modulen (2). Die einzelnen Module werden dabei in Reihe zu sogenannten Strings (3) verbunden.

Die Anzahl der in Serie geschalteten Module hängt vom Platzangebot und somit von der möglichen Anzahl der Module ab.

Wichtig dabei ist, dass die Gesamtspannung (Leerlaufspannung) aller in Serie geschalteten Module die Eingangsspannung des Wechselrichters nicht überschreitet.

Um die gewünschte Leistung zu erhalten, werden in einem Solarfeld mehrere Strings parallel geschaltet. Die Anzahl der Module pro String muss dabei identisch sein.

Zentralstück einer jeden Photovoltaik-Anlage mit Netzeinspeisung ist der Wechselrichter.

Diese recht sensible Komponente reagiert sehr empfindlich auf starke Strom- und Spannungsschwankungen. Aber auch äußere Einflüsse können sich negativ auf den Wechselrichter auswirken.

Wenn mit Hilfe von LEDs oder im Display Fehlermeldungen angezeigt werden, sollte unbedingt die Bedienungsanleitung griffbereit sein, damit der Fehlercode richtig zugeordnet werden kann.

Meist sind in den Unterlagen auch alle weiteren Schritte beschrieben, die von den anwendenden Personen durchgeführt werden sollen oder müssen, bevor Fachleute angefordert werden.

In der linken Abbildung sind alle Solarzellen eines Moduls an der Stromerzeugung beteiligt (siehe rote Linie). In der rechten Abbildung werden die Substrings mit den abgeschatteten Zellen (grau eingefärbt) durch Bypass-Dioden überbrückt.

Im Falle einer Abschattung erzeugen die betroffenen Zellen einerseits keinen Strom und wirken andererseits wie ein störender Widerstand. Dadurch wird der Stromertrag der aktiven Zellen des Moduls deutlich verringert. 

Da die abgeschatteten Zellen durch den hohen Modulstrom sehr heiß werden, entsteht ein Hotspot, der die Zelle früher oder später zerstört.

Um das zu vermeiden, bauen Hersteller sogenannte Bypass-Dioden zusätzlich mit in die Anschlusskästen der Solarmodule ein.

In diesem Fall stellen die Dioden für den Strom einen deutlich geringeren Widerstand als die abgeschatteten Zellen dar und schließen den Strang mit den betroffenen Zellen kurz. Dadurch wird die Hotspot-Bildung effektiv vermieden.  

Wenn ein String als fehlerhaft erkannt worden ist, müssen die zum String gehörenden Solarmodule zunächst einer Sichtprüfung unterzogen werden. Dabei lässt sich sehr leicht erkennen, ob beispielsweise Hagel die Glasplatte zerstört hat oder ob sich feine Risse im Glas (sogenannte Schneckenspuren) gebildet haben. Je nach Alter des Schadens lassen sich dann auch Oxidationsspuren durch die eingedrungene Feuchtigkeit leicht erkennen. 

Aber auch defekte Anschlussdosen oder durch Tierbisse beschädigte Kabel lassen sich bei einer Sichtprüfung recht einfach feststellen. Örtlich begrenzte Farbveränderungen oder Beschädigungen der Rückseitenfolie können ebenfalls ein Hinweis auf eventuell überhitzte und schadhafte Zellen sein. 

Bei Modulen, die ihre maximale Leistung nicht mehr erreichen, können unter Umständen die Bypass-Dioden als Fehlerquelle in Frage kommen.

Wenn die Dioden überlastet wurden und einen Kurzschluss aufweisen, können die zur Diode gehörenden Substrings in den Modulen nicht mit zur Stromerzeugung beitragen. Weisen die Dioden eine Unterbrechung auf, werden fehlerhafte oder abgeschattete Zellen im Modul nicht mehr überbrückt, wodurch der Stromertrag ebenfalls sinkt. 

Defekte Dioden lassen sich sehr leicht mit einem Multimeter messtechnisch prüfen. Um Fehlmessungen zu vermeiden, sollten die Dioden ausgebaut oder zumindest einseitig angelötet werden. Die Vorgehensweise bei der Messung von Dioden haben wir in unserem Multimeter-Ratgeber genau beschrieben.

Schwieriger wird es, wenn die Glasplatte auf der Moduloberseeite beschädigt ist. Dann stellt sich die Frage, ob nur das Glas Schaden genommen hat oder auch die darunter liegenden Solarzellen.

In diesem Fall muss zunächst die aktuelle Leistungsfähigkeit des beschädigten Solarmoduls mit Hilfe einer Messung eindeutig ermittelt werden. 

Denn ist der Schaden schon älter, führen mit der Zeit eindringende Feuchtigkeit und Schmutz zur Oxidation der unter dem Glas liegenden Solarzellen bzw. deren Anschlüsse (siehe auch das Bild im Abschnitt optische Prüfung).