Solarmodule für maritime Leuchtfeuer

Die Verwendung von Solarmodulen als Energiequelle für maritime Leuchtfeuer geht auf die Mitte der 1980er Jahre zurück, als das Ziel darin bestand, eine saubere, erneuerbare Energiequelle zu nutzen. Diese neue Energiequelle ermöglichte die Stromversorgung von abgelegenen und schwimmenden Seezeichen, wodurch die Lieferung von Acetylengas oder Diesel zur Stromversorgung der Lichtquelle überflüssig wurde.
Seit diesen frühen Tagen hat die Entwicklung von Solarmodulen bedeutende Fortschritte gemacht und hat zu einer erheblichen Leistungssteigerung der Solarzellen und einer Senkung der Herstellungskosten geführt. Die Anforderungen an Solarfarm-Modulen mit hohen Stückzahlen unterscheiden sich jedoch von denen, die an abgelegenen Standorten auf See erforderlich sind. Um die Zuverlässigkeit der Solarmodule sicherzustellen müssen mehrere Kriterien und technische Spezifikationen bewertet werden.

Es gibt mehrere Solarzellentechnologien und in Entwicklungslabors auf der ganzen Welt werden viele Verbesserungen und Variationen vorangetrieben. Die allgemein verfügbaren werden im Folgenden beschrieben:

• Monokristalline Solarmodule Die Module werden aus dem Halbleitermaterial Silizium hergestellt, das in Sand in großen Mengen vorkommt. Ein einzelner Siliciumkristall (c-Si) wird nach und nach zu einem Block geformt. Die Zellen werden dann in dünne Scheiben (Wafer) von 250 bis 350 μm geschnitten. Derzeit erreicht dieser Zelltyp Wirkungsgrade von bis zu 22%. Monokristalline Solarmodule sind an ihrer schwarzen bis bläulichen Färbung und gleichmäßigen Struktur zu erkennen. Sie haben eine Lebensdauer von über 20 Jahren.

• Polykristalline Solarmodule Polykristallin Solarmodule werden aus geschmolzenem Siliziumglas hergestellt, das in einer Form geformt wird. Sie sind billiger als die monokristallinen Zellen. Derzeit erreicht dieser Zelltyp Wirkungsgrade zwischen 15% und 20%. Polykristalline Solarmodule erkennt man daran, dass ihre Farbe unregelmäßiger und klarer ist als die der monokristallinen und sie haben eine rechteckige Form ohne Schnitte an den Kanten.

• Dünnschicht-Solarmodule Hierbei wird eine neue Technologie verwendet, bei der eine dünne Schicht aus amorphem (glasartigem, also nichtkristallinem) Silizium auf einem Glas- oder Keramiksubstrat aufgebracht wird. Diese Schicht ist nicht dicker als 20 μm. Die Dicke der gesamten Zelle beträgt zwischen 300 und 800 μm. Das Substrat kann auch aus Kunststoff sein, was die Herstellung flexibler Module ermöglicht. Derzeit liegt der Wirkungsgrad dieser Zellen bei etwa 13 %. Der Vorteil dieser Technologie besteht darin, dass sie viel billiger herzustellen sind als kristalline Zellen, die Bildung flexibler Module ermöglicht und im Herstellungsprozess keine umweltschädlichen Elemente verwendet werden. Allerdings ist ihre Leistung nur halb so hoch wie die der kristallinen Zellen.

Monokristalline vs. Polykristalline Module

Kristalline Silizium-Solarzellen sind heute die beliebtesten Solarzellen auf dem Markt und bieten die höchste Energieumwandlungseffizienz aller kommerziellen Solarzellen. Monokristalline Module werden, wie der Name schon sagt, aus hochwertigem Silizium hergestellt und ihre Einzelzellenstruktur erzeugt nur minimalen Widerstand gegen den Stromfluss, sobald die Elektronen durch die Sonne angeregt werden. Solarmodule werden aus einer Ansammlung dieser Zellen hergestellt, die miteinander verbunden sind, um die gewünschte Spannung und Leistung zu erreichen.
Früher waren polykristalline Solarmodule 20–30 % billiger als monokristalline Solarmodule. Dies ist jedoch nicht mehr der Fall. Bei allen Solarzellen sinkt die Stromproduktion, wenn die Temperatur steigt. Studien haben gezeigt, dass polykristalline und monokristalline Module in den Sommermonaten mit hohen Temperaturen eine ähnliche Leistung erbringen. In den Wintermonaten, wenn die Photonenenergie geringer ist, erbringen monokristalline Module jedoch eine bessere Leistung als polykristalline Module. Die Wahl zwischen monokristallinen und polykristallinen Solarmodulen wird beim Kauf von Solarmodulen nicht als entscheidender Faktor angesehen, es sei denn, die Module werden über eine längere Zeit mit geringer Bestrahlungsstärke betrieben. In diesem Fall wären monokristalline Module gegenüber polykristallinen die bessere Wahl.

Moduldesign

Jede Solarzelle in einem Solarmodul erzeugt unter Standardtestbedingungen etwa 0,5 Volt. Daher werden die Solarzellen in einem Modul in Reihe und parallel geschaltet, um die gewünschte Ausgangsspannung und -leistung zu erreichen. Bei einem 12-V-Modul sind dies normalerweise 36 Zellen in Reihe, um eine geeignete Ausgangsspannung zum Laden eines 12-V-Batteriesystems bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen zu ermöglichen.
Die serielle/parallele Verbindung der Solarzellen in einem Modul wird durch lötbeschichtete Bänder erreicht, die normalerweise an die vorderen und hinteren gedruckten Elektroden der Solarzelle gelötet werden. Die seriellen Solarzellengruppen werden außerdem durch Sammelschienenbänder an der Ober- und Unterseite eines Moduls parallel verbunden. Diese Sammelschienenbänder werden dann zu einer Anschlussdose geführt, die sich meist auf der Rückseite des Moduls befindet.
Auf dem Papier sieht es so aus, als ob das Streben nach Modulen mit der höchsten Effizienz am besten ist, aber in der maritimen Umgebung werden diese Module oft dort angebracht, wo es aufgrund von Stützstrukturen oder Handläufen in der Nähe zu geringer Beschattung kommen kann. Beschattung kann daher zu einer Zeit geringerer oder gar keiner Leistung eines Moduls führen. Vor diesem Hintergrund lohnt es sich, ein insgesamt weniger effizientes Modul in Betracht zu ziehen, dafür aber eines mit größeren parallelen Abschnitten. Dadurch wird sichergestellt, dass ein Modul auch bei teilweiser Beschattung etwas Leistung erbringt, was wahrscheinlich insgesamt zu einem effizienteren Solarsystem führt.

Modulfarbe

Die Farbe von Solarmodulen ist im Allgemeinen dunkelblau oder schwarz, um die Energiegewinnung zu maximieren. Dies kann sich jedoch nachteilig auf das Aussehen der Tagesmarke auswirken, daher müssen die Solarmodule unter Berücksichtigung der Tagesmarke sorgfältig platziert werden.
Der Einsatz farbiger Solarmodule auf Leuchttonnen ist ein neuer Entwicklungsbereich, der vor allem durch architektonische Bauzwänge vorangetrieben wird und immer leichter verfügbar wird. Dies ermöglicht nun die Verwendung farbiger Module mit geringerer Effizienz, um das Aussehen der Tagesmarke zu verbessern.
Es gibt eine Reihe von Ansätzen, um ein farbiges Modul zu erhalten, darunter das Färben der Solarzellen oder des Glases. Eine der effektivsten Methoden ist jedoch der digitale Keramikdruck kleiner Farbpunkte auf dem Glas. Diese Option bietet die größte Auswahl an Farben und eine stabile Farbe für eine Lebensdauer von über 20 Jahren, allerdings mit einer Leistungsminderung des Solarmoduls von etwa 20 %.

Moduleffizienz

Die Effizienz eines Solarmoduls wird als der Anteil der Sonnenenergie bestimmt, der über die Photovoltaik-Solarzellen in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Ein Solarmodul mit z. B. 15 % Effizienz und einer Fläche von 1 m² erzeugt unter Standardbedingungen 150 W. Die Gesamteffizienz eines Moduls und die Effizienz der Zellen unterscheiden sich, wobei die Effizienz des Moduls geringer ist. Dies liegt an den benötigten Abständen zwischen den Zellen, dem Rahmenrand und den Verbindungen zwischen den Zellen, die alle Auswirkungen auf die verfügbare Siliziumfläche haben, die dem Sonnenlicht ausgesetzt ist. Im Allgemeinen können Module mit einer Effizienz zwischen 12 % und 20 % erhalten werden. Es ist zu beachten, dass die Effizienz des Solarmoduls nur ein Faktor für die Effizienz des Stromerzeugungssystems ist und dass es wichtig ist, sich nicht nur auf die Moduleffizienz zu konzentrieren, sondern auf die Effizienz des gesamten Systems unter Berücksichtigung der Leistungsübertragung.
Mit einer aufgebrachten Antireflexionsschicht kann die Reflexion der Sonne auf dem Solarmodul reduziert und dadurch der Energieverlust minimiert werden.

Bypass- und Sperrdioden bei Solarzellen

Ein Solarmodul ist idealerweise mit Dioden ausgestattet, die entweder in der Modulanschlussdose oder irgendwo im Modullaminat angebracht sind. Diese Dioden haben zwei verschiedene Zwecke und werden entweder als Bypassdiode oder Sperrdiode bezeichnet.

• Bypassdioden werden antiparallel zu den Zellen geschaltet und begrenzen die Auswirkungen der Beschattung auf ein Modul. Sie sind physisch im Laminat angebracht, können aber auch in einer Anschlussdose angebracht werden, die an das Solarmodul angeschlossen ist. Die Bypassdioden ermöglichen es einem Abschnitt von Serienzellen, weiterhin Strom mit reduzierter Spannung zu liefern, wenn ein Teil der Serienkette beschattet ist. Idealerweise würde eine Diode über jede Zelle angebracht, aber das wäre sehr teuer, daher werden sie im Allgemeinen in einem Serienabschnitt innerhalb eines Moduls angebracht.

• Sperrdioden werden verwendet, um zu verhindern, dass ein beschattetes Modul als Last wirkt, wenn Module parallel geschaltet sind. Diese werden normalerweise in der Anschlussdose auf der Rückseite des Moduls angebracht. Bei diffusem Licht, beispielsweise von einem nach Norden ausgerichteten Modul, müssen diese Dioden nicht verwendet werden, da das diffuse Licht im Allgemeinen eine gewisse Leistung von jedem der Module liefert. Als Alternative zum Einbau von Sperrdioden kann jedes Modul mit einem Regler ausgestattet werden, sodass die Leistungsabgabe des Moduls vom Regler basierend auf der Bestrahlungsstärke gesteuert wird. Dies bietet ein hervorragendes Maß an Redundanz, ist aber wesentlich teurer als Sperrdioden.

Modulaufbau

Ein Solarmodul besteht normalerweise aus einem dreiteiligen Laminat, wobei die ausgewählte Solarzellentechnologie im Wesentlichen zwischen zwei anderen Trägermaterialien versiegelt wird und Ethylen-Vinylacetat-Folien (EVA) als wasserdichte Verbindungsschicht für das Laminat verwendet werden. Für flexible Solarmodule werden Dünnschicht-Solarzellen in einem flexiblen Kunststofflaminat verwendet, für starre Solarmodule können jedoch monokristalline und polykristalline Zellen mit einem stützenden Versteifungsmaterial als Teil des Laminats verwendet werden. Es dürfen während des Produktionsprozesses keine Hohlräume oder Lücken im Solarmodul-Laminat oder der Anschlussdose entstehen, in die Feuchtigkeit eindringen kann. Dies ist ein kritischer Aspekt für den langfristigen, zuverlässigen Betrieb eines Moduls in einer Meeresumgebung.
Als Glasteil kann sowohl gehärtetes Glas als auch Acryl verwendet werden. Die Verwendung von Acryl ermöglicht ein geringes Maß an Biegung bei Stößen, ohne dass das Modul beschädigt wird. Die Lichtdurchlässigkeit von Acryl kann auch besser sein als die von gehärtetem Glas, was die Gesamtleistung des Moduls verbessert. Acryl ist jedoch anfälliger für Kratzer und hohe Temperaturen.

Elektrische Leistung

Solarmodule sind in verschiedenen Nennspannungen erhältlich, typischerweise 6 V, 12 V, 24 V und 36 V, wobei die von den Herstellern angegebenen Maximalspannungen höher sind, um ein Aufladen der Batterie zu ermöglichen. Eine typische Spannung eines Solarmoduls, das auf einer größeren Leuchttonne verwendet wird, wäre 12 V. Die von einem einzelnen Modul erzeugte Leistung basiert auf seiner physischen Größe und Effizienz. Solche Einheiten werden jedoch normalerweise miteinander verbunden, um eine gewünschte Leistung zu erzielen. Das heißt, zusätzliche Module können in Reihe geschaltet werden, um die erzeugte Spannung zu erhöhen, damit sie der vom Laderegler benötigten entspricht. Alternativ dazu gibt es eine entsprechende Stromerhöhung, wenn sie parallel geschaltet werden. Eine Kombination aus Reihen- und Parallelschaltungen wird im Allgemeinen gewählt, um die erforderliche Spannung, Stromstärke und damit Leistung (Spannung x Stromstärke) für das entworfene System zu erfüllen.

Solarladeregler

Die Leistung des Solarmoduls wird durch das Sonnenlicht beeinflusst, das es empfängt. Daher kann es bei intensivem und langem Sonnenschein im Sommer leicht passieren, dass eine Batterie bis zu ihrer oberen Spannungsgrenze aufgeladen wird. Wenn das Solarmodul die Batterie dann weiter auflädt, nachdem sie vollständig aufgeladen ist, wird der Großteil der vom Solarmodul gelieferten elektrischen Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Dies kann dazu führen, dass die Batterie Elektrolyt verliert, was zu einer Verringerung der Kapazität führt.
Im Winter oder bei anhaltend bewölktem Wetter, wo das Sonnenlicht begrenzt und ineffizient ist und nachts mehr Energie aus der Batterie verbraucht wird, kann das Solarmodul die Energie tagsüber nicht wieder auffüllen, um den Bedarf zu decken. Wenn dies so weitergeht, nimmt die Batteriekapazität schnell ab. Die Anwendung eines Solarladereglers kann eine Überladung der Batterie im Sommer wirksam verhindern, wobei einige Laderegler die Batterie vor einer Tiefentladung schützen, wenn die Sonnenenergie nicht ausreicht. Eine Tiefentladung kann durch eine Erhöhung der Anzahl der Solarmodule oder der Kapazität der Batterie gelöst werden.
Gleichzeitig können einige Laderegler auch an ein Telemetrie-Fernbedienungsterminal angeschlossen werden, um den Betriebszustand des Energiesystems zu überwachen. Bei kleinen Systemen enthalten einige integrierte Laternen Elemente zum Lade- und Tiefentladeschutz, so dass kein Solarladeregler erforderlich ist.

Lebensdauer von Solarmodulen

Die Betriebsdauer, während der ein Solarmodul Strom erzeugen kann, kann viele Jahrzehnte betragen. Während dieser Zeit verringert sich die Leistung des Moduls langsam von seiner anfänglichen Leistung von 100 %. Im Allgemeinen geben Hersteller eine garantierte Leistung über einen bestimmten Zeitraum an. Dies wird häufig grafisch dargestellt, wie in der unteren Abbildung gezeigt.
Ein Solarmodul erzeugt normalerweise auch nach Ablauf der Garantiezeit weiterhin Strom auf einem reduzierten Niveau, bis es zu einem Totalausfall kommt. Dies wird häufig als Betriebsdauer eines Moduls bezeichnet. Diese Leistungsminderung kann viele Ursachen haben, darunter Zellschäden, Kontaktkorrosion und Verschlechterung der Antireflexbeschichtung.
Bei der Entwicklung eines Solarsystems sollte der Mindestbedarf an erzeugter Leistung für das Ende der Lebensdauer angegeben und bei der Auswahl der Module berücksichtigt werden. Aktuell erhältliche Module bieten typischerweise eine Leistungsabgabe von 86 % nach 25 Jahren Nutzungsdauer, was die maximale Betriebslebensdauer eines Systems definiert.

Jährliche Degradationsraten für die unterschiedlichen Photovoltaikmodule

Lichtinduzierte Degradation

Die lichtinduzierte Degradation (LID) ist ein Prozess, der bei einem Solarmodul in den ersten Tagen auftritt, wenn es zum ersten Mal natürlichem Sonnenlicht ausgesetzt wird. Das Ergebnis ist eine Verringerung der effektiven Leistung um 1 % bis 5 % für jedes beliebige Solarmodul im Vergleich zur während der Produktion gemessenen Leistung. Diese Verringerung tritt während der ersten Tage der Exposition auf, danach erreicht die Leistung einen stabilen Zustand. Die Verringerung ist in das Produkt "eingebrannt" und ist auf den Sauerstoff zurückzuführen, der im aktiven Bereich des mit Bor dotierten Siliziums vorhanden ist. Dieser Effekt ist bei hocheffizienten monokristallinen Zellen stärker ausgeprägt, kommt aber auch bei polykristallinen Zellen vor.

Betriebsfaktoren

Obwohl Solarmodule wie inerte Objekte mit einer Glasoberfläche und ohne bewegliche Teile wirken und alles in einem Rahmen zusammengehalten wird, werden Leistung und Lebensdauer von der Betriebsumgebung beeinflusst.

• Temperatur
  Einer der Faktoren, die die Lebensdauer und Leistung eines Solarmoduls beeinflussen, ist die Temperatur, der es während des Betriebs ausgesetzt ist. Bei einer niedrigeren Betriebstemperatur wird eine optimale Effizienz erzielt. Bei Modulen, die in heißen Gegenden installiert sind, kommt es zu einem Rückgang der Moduleffizienz. Die Ausgangsspannung eines Moduls wird von der Zelltemperatur beeinflusst, die sich auf ähnliche Weise wie die Ausgangsleistung ändert. Jeder Solarmodultyp hat seine eigenen thermischen Eigenschaften, die unter Standardtestbedingungen bestimmt werden. Diese Eigenschaft wird als "Temperaturkoeffizient" bezeichnet. Die Einheiten dieses Koeffizienten werden in "% pro °C" ausgedrückt. Je niedriger der Koeffizient ist, desto effizienter ist das Solarmodul. Ein typischer Wert für monokristallines Material beträgt -0,45 %/°C und für polykristallines Material ein etwas höherer Wert von -0,50 %/°C. Die besten Solarmodule erreichen einen Wert von bis zu -0,3 %/°C.

• Bestrahlungsstärke
  Die Bestrahlungsstärke ist die Menge an Sonnenenergie, die pro Flächeneinheit verfügbar ist. Die Einheiten sind W/m². Die Ausrichtung jedes Moduls zur Sonne ist sehr wichtig. Aufgrund geometrischer Effekte wird immer empfohlen, jedes Modul 90° senkrecht zum Höhenwinkel der Sonne auszurichten (wenn sie am höchsten Punkt am Himmel steht), um sicherzustellen, dass das Modul die gesamte Sonnenstrahlung einfangen kann. Für verschiedene Standorte werden die Module jedoch auf die Wintersonnenwende ausgerichtet, um die Leistung im Winter statt im Sommer zu maximieren.

• Schmutzablagerungen

• Staub kann die Solarmodule bedecken und dadurch die Ladefähigkeit der Batterien verringern und dessen abrasive Eigenschaft kann den Verschleiß von Aluminium- und Glasoberflächen beschleunigen.

• Obwohl es möglich ist, Vögel mit Vogelabwehrmitteln, z. B. Vogelspikes usw., davon abzuhalten, auf den Solarmodulen zu landen, können sie dennoch während des Fluges ihren Kot hinterlassen. Wenn dieser nicht entfernt wird, verhärtet er sich mit der Zeit und ist dann nur schwer zu entfernen, was zu einem langfristigen Schatteneffekt führt, der die Effizienz des Moduls drastisch beeinträchtigen kann.

• In einer Meeresumgebung setzt sich auf den Modulen mit der Zeit Salz ab. Um zu verhindern, dass sich auf der Oberfläche ein Salzfilm und Staub ansammeln, wird empfohlen, die Module in einem Winkel zu installieren, um bei Regen einen natürlichen Wascheffekt zu erzielen. Dadurch wird das auf der Oberfläche angesammelte Salz weggespült. Der optimale Winkel für eine sich selbstreinigende Oberfläche beträgt 45°, der Mindestwinkel 12°. Der tatsächliche Montagewinkel eines Moduls ist ein Gleichgewicht zwischen dem Winkel, der für eine natürliche Reinigung erforderlich ist, und dem Winkel, der für eine optimale Leistung durch Bestrahlung erforderlich ist.

Integrierte Module (Solarkompakteinheiten)

Integrierte Einheiten sind im Allgemeinen kompakte, effiziente und wartungsarme Lichtquellen. Sie werden im Rahmen des Produktionsprozesses mit kleinen Glas-Solarmodulen bestückt, die vollständig in die Gehäusestruktur integriert sind. Dadurch wird sichergestellt, dass sie das höchste Maß an physischem Schutz im Einsatz unter rauen maritimen Bedingungen erhalten, da alle Verbindungen innerhalb der Einheit versiegelt sind. Ein integrierter Solarladeregler im Polyethylengehäuse kontrolliert die Ladung und schützt die VRLA-Batterie vor Tiefentladung. Die LEDs können über GPS mit anderen Solarkompakteinheiten synchronisiert werden. Die Programmierung erfolgt mit einer Fernbedienung über eine Infrarot-Schnittstelle. Auf der LED-Laterne können Vogelspikes montiert werden.

Die Solarmodule sind normalerweise stark geneigt oder vertikal angebracht, um die Auswirkungen von Ablagerungen zu minimieren, wobei der erforderliche Solarmodulbedarf auf die verschiedenen Seiten verteilt ist, wodurch die Einheiten hinsichtlich der Montageausrichtung ambivalent sind, was sie zu idealen Leuchtmitteln für Leuchttonnen macht.