Was ist eine Solarmodulkennlinie?

Auf Datenblättern von Solarmodulen begegnet einem immer wieder eine graphische Darstellung der sogenannten Strom-Spannungskennlinie eines Solarmoduls (im Englischen auch als VI-curve bezeichnet.) Außerdem bieten viele Solarteure sogenannte Flashlisten der gelieferten Solarmodule an. Was eine Kennlinie ist und was es mit den Flashlisten auf sich hat, soll im folgenden Artikel möglichst einfach und verständlich erklärt werden.

Die Begriffe Strom und Spannung sollten für das Verständnis des Artikels bekannt sein.

Ein Solarmodul liefert bei Bestrahlung mit Licht zunächst eine Spannung. Diese Spannung kann dazu genutzt werden einen elektrischen Strom durch einen Verbraucher zu treiben. Erst wenn der Strom fließt wird tatsächlich Sonnenenergie in nutzbare Energie gewandelt. Solange kein Strom fließt, die Solarzellen also einfach nur in der Sonne liegen und kein Verbraucher angeschlossen ist wird die Sonnenergie direkt wieder in der Solarzelle in Wärme umgewandelt. Dies ist für das Solarmodul übrigens völlig ungefährlich. Im Gegensatz zu manchen Solarkollektoren findet hier keine Überhitzung statt. In der Fachsprache spricht man vom Leerlauf des Solarmoduls. Der zugehörige Wert auf dem Datenblatt des Moduls wird mit U0 bezeichnet. (im Englischen auch Uoc für open circuit). Es wird zwar eine Spannung erzeugt, es fließt aber kein Strom. Nimmt man das Solarmodul nun und verbindet den Pluspol direkt mit dem Minuspol fließt der maximal mögliche Strom, den das Modul liefern kann. Obwohl ein Strom fließt wird allerdings auch in diesem Fall vom Solarmodul keine Energie abgegeben. Der Strom fließt ja nicht über einen Verbraucher sondern direkt wieder zum Modul zurück. Dieser Fall wird in der Fachsprache Kurzschluss genannt. Der charakteristische Wert, den man auch im Datenblatt des Solarmodules nachlesen kann ist der sogenannte Kurzschlussstrom Ik. (im Englischen auch oft Isc für short circuit). Der eigentliche Zweck eines Solarmoduls kann jedoch weder im erst- noch im zweitgenannten Fall verfolgt werden. Energieabgabe findet nur statt wenn zwar ein Strom fließt, dieser jedoch nicht direkt zum Modul zurückfließt, sondern über einen Verbraucher läuft. In einer real existierenden Photovoltaikanlage ist natürlich nicht ein einziger Verbraucher angeschlossen, sondern über den Wechselrichter das gesamte Stromnetz. Um die Verhältnisse am Solarmodul zu verstehen genügt es jedoch sich einen einfachen regelbaren elektrischen Widerstand vorzustellen. Eine Glühbirne mit einem einfachen Schiebewiderstand der die Helligkeit der Lampe verändern kann könnte hierfür benutzt werden. Verstellt man nun den Schiebewiderstand so lange bis die Lampe Ihre maximale Helligkeit erreicht, hat man den Punkt maximaler Leistung des Solarmodules gefunden. Dieser Punkt wird auch im deutschen Sprachraum als MPP = Maximum Power Point bezeichnet. Was dem technischen Laien nicht sofort einleuchten mag ist die Tatsache, dass der Zusammenhang zwischen Strom und Spannung nicht linear ist, das heißt die Halbierung des Widerstandes am Schieberegler führt nicht zu einer Verdopplung des Stromes durch die Glühbirne. Der Zusammenhang zwischen dem fließenden Strom und der verbleibenden Spannung am Verbraucher wird beim Solarmodul – und natürlich auch bei der Solarzelle – durch die sogenannte Strom-Spannungskennlinie beschrieben. Kennlinie eines SolarmodulsHierbei wird in einem Diagramm zu jeder Spannung am Solarmodul der entsprechende Strom durch den Verbraucher aufgetragen. Man kann diese Kennlinie zum Beispiel dadurch messen indem man den Widerstand des Verbrauchers kontinuierlich verändert und bei jedem Widerstand das Paar aus einem Spannungs- und einem Stromwert notiert.

Bisher ging es ausschließlich um den Zusammenhang zwischen Strom und Spannung an einem Solarmodul. Die Form der Kennlinie eines Solarmoduls hängt aber natürlich ganz entscheidend noch von weiteren Parametern ab. Die beiden Wichtigsten sind hierbei die Einstrahlung, das heißt die Intensität der Sonnenstrahlung auf die Modulfläche und die Temperatur des Solarmoduls. Ein weiterer Parameter ist die spektrale Zusammensetzung des Lichtes. Licht besteht ja vereinfacht ausgedrückt aus verschiedenen Lichtfarben, die durch die unterschiedlichen Frequenzen der elektromagnetischen Strahlung beschrieben wird. Das Licht, das die Erde erreicht hat keineswegs von allen Frequenzen gleiche Anteile. Die Zusammensetzung der einzelnen Frequenzen hängt zusätzlich noch von der Tageszeit, der Jahreszeit und vom Wetter ab. Um hier den Überblick nicht zu verlieren wurde ein normiertes Spektrum festgelegt, bei dem Solarmodule üblicherweise vermessen werden. Dies wird mit AM 1,5 bezeichnet wobei die Abkürzung AM für “Air Mass” steht.

Nachfolgend sehen Sie die typische Kennlinie eines Solarmoduls. Die rote Kurve zeigt hierbei die Strom-Spannungskennlinie. Die blaue Kurve zeigt die Leistungs-Spannungskennlinie. Hierbei wird jeweils das Produkt aus Strom und Spannung über der Spannung aufgetragen. Das Maximum der blauen Kennlinie repräsentiert den MPP (Maximum Power Point). (Mit dem wunderschönen interaktiven Modell eines Solarmoduls der Hochschule für Technik und Wirtschaft in Berlin, dass Sie durch einen Mausklick auf das Bild erreichen, kann man selbst ausprobieren wie sich die Kennlinie verändert, wenn man die Temperatur des Solarmoduls erhöht oder wenn man die Einstrahlung auf das Modul verändert. Eine Variation des AM Faktors wurde in diesem Modell noch nicht berücksichtigt). Das Modell ist leider nicht mehr verfügbar. Hier gibt es aber etwas Vergleichbares…(Stand 01-2013)

Kennlinie eines Solarmoduls bei einer Reduzierung der Einstrahlung auf 500W/m²

Verändert man zum Beispiel die Einstrahlung auf das Solarmodul erkennt man deutlich, dass sich die Spannungswerte kaum verändern. Dies sei ausdrücklich erwähnt, da es nicht unbedingt intuitiv ist. Es verändert sich im Wesentlichen der Strom. Man erkennt, dass der Kurzschlusstrom eines Solarmoduls fast exakt proportional zur Einstrahlung ist. In vielen technischen Anwendungen werden daher Einstrahlungssensoren mit kleinen kurzgeschlossenen Solarzellen realisiert. Außerdem wird durch diesen Sachverhalt klar, warum ein Wechselrichter auch bei einer relativ kleinen Einstrahlung bereits seine Einschaltspannung erreicht.

Den Einfluss der Temperatur auf die Kennlinie eines Solarmoduls zeigt das untere Bild.

Kennlinie eines Solarmoduls bei - 10°C

Hier kann man deutlich erkennen, dass die Temperatur im Wesentlichen die Spannung eines Solarmoduls beeinflusst. Die Leerlaufspannung ist bei -10°C deutlich größer als bei 25°C. Wie stark sich die Spannung bei einer von 25°C abweichenden Temperatur verändert kann man übrigens auf einem Moduldatenblatt am sogenannten Temperaturkoeffizient der Spannung ablesen. Dieser Wert wird oft in %/K * Leerlaufspannung angegeben.  Es ist daher wichtig bei der Auslegung von Wechselrichtern nicht mit den Spannungsdaten aus dem Datenblatt zu arbeiten, da diese immer bei STC (Standard Test Conditions : Temperatur: 25°C; Einstrahlung = 1000W/m²; AM = 1,5) angegeben werden. Bei der Wechselrichterauslegung müssen immer auch die auftretenden Temperaturextreme berücksichtigt werden. (Siehe die Artikel zur Wechselrichterauslegung).

In einem weiteren Simulationsmodell der HTW Berlin kann man schließlich auch noch die Einflüsse von Parallelwiderständen und Seriellwiderständen auf den Verlauf der Modulkennlinie studieren. Ein hoher serieller Widerstand kann zum Beispiel durch fehlerhafte Steckverbinder am Modul oder durch fehlerhafte Lötverbinder auf den Solarzellen entstehen. Ein kleiner Parallelwiderstand wiederum kommt zum Beispiel von lokalen Kurzschlüssen auf einer Solarzelle zwischen Vorder- und Rückseite. Die Kennlinien von Solargeneratoren werden daher oft auch bei bestehenden Anlagen zum Zwecke der Fehlersuche mit speziellen Kennlinienmessgeräten gemessen. Bei der Produktion wird die Kennlinie jedes Solarmoduls mit einem sogenannten Flasher gemessen. Dies ist ein Gerät, dass einen hellen Lichtblitz (engl. Flash) erzeugt, der auf das zu messende Modul gerichtet wird. Während der kurzen Dauer des Lichtblitzes wird die Kennlinie elektronisch durchfahren und als Messprotokoll ausgegeben. Die Ergebnisse dieser Messung kann man übrigens als Solarkunde von seinem Solarteur als sogenannte Flashliste bekommen. Die Flashliste enthält in der Regel jedoch nicht die gesamte Kennlinie sondern nur die vier wichtigsten Punkte: (U0= Leerlaufspannung; Umpp= Spannung im Punkt maximaler Leistung; Ik = Kurzschlussstrom; Impp = Strom im Punkt maximaler Leistung) und natürlich das Produkt aus Umpp und Impp als Pmpp = Peakleistung des Solarmoduls gemessen in der Einheit Wp (sprich Wattpeak).

Update 12-2017: Da die Tools der HTW Berlin offenbar nicht mehr vorhanden sind empfehle ich wärmstens die Software PV-Teach von Professor Mertens von der FH Münster.
Herr Prof. Mertens hat auch ein gutes Lehrbuch zur Photovoltaik geschrieben, in dem man viel über Kennlinien lernen kann.

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