Bifaziale Module: Ein Testprojekt für die Zukunft der Technologie

Schon die alten Ägypter erkannten das gewaltige Potenzial der Sonne und richteten ihre Türen beispielsweise so aus, dass die heiße Mittagssonne den Wohnraum nicht zusätzlich erhitzte. Heutzutage wird die Sonnenstrahlung dank der technischen Entwicklungen der Neuzeit inzwischen gezielt zur Strom- und Wärmegewinnung genutzt und soll damit eine Alternative zu umweltschädlichen und risikoreichen Energiegewinnungsmethoden bieten. Den Grundstein für die heute als Solartechnik bekannte Technologie legte der französische Physiker Henry Becquerel bereits vor knapp 200 Jahren. Mit dem technischen Fortschritt entstanden die heute bekannten Silizium-Solarzellen, die zur Sonnenstromgewinnung genutzt werden und inzwischen auf zahlreichen Dachflächen zu finden sind. Auch GOLDBECK SOLAR setzt die Module für seine zahlreichen Solarprojekte auf der ganzen Welt ein. Bei der Erweiterung des Projektes im kasachischen Akadyr nutzte das EPC-Unternehmen die Gelegenheit, doppelseitige Module zu testen.

Akadyr-Solarpark mit 76 MW

Kasachstan ist aufgrund seiner vegetativen und klimatischen Gegebenheiten ein beliebtes Land für Solarprojekte. Für GOLDBECK SOLAR war Power Plant Akadyr daher auch nicht das erste Projekt in Kasachstan. Schon den Bau der ersten Anlage in Akadyr mit einer Leistung von 50 MW, welche 2019 gebaut und in Betrieb genommen wurde, führte der Solar-Experte durch. Mit dem Zuschlag für den zweiten Bauabschnitt übernahm GOLDBECK auch die Erweiterung des in der kasachischen Region Karaganda liegenden Solarkraftwerks um weitere 26 MW. Die Projekterweiterung fand im Juni 2020 ihren Abschluss, so dass die gesamte Anlage Akadyr nun über eine Leistung von insgesamt 76 MW verfügt. Dabei wurden für den zweiten Bauabschnitt die technischen Spezifikationen auf die Verwendung von Bifacial-Modulen optimiert. So möchte GOLDBECK SOLAR im Laufe des nächsten Jahres den Wirkungsgrad der bifazialen Zellen testen und daraus fundierte Informationen für die zukünftige Entwicklung der Technologie bereitstellen.

Erfahrung mit bifazialen Modulen fehlt

Bifaziale Solarzellen werden immer wieder getestet, um noch effizientere Solarmodule zu bekommen. Denn die doppelseitigen Module sollen das Licht sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite aufnehmen. Somit erhöht sich der Wirkungsgrad gleich auf mehrfache Weise. Zum einen können die bifazialen Zellen die direkte Sonneneinstrahlung vorne als auch die indirekte Strahlung auf der Rückseite vor diffus reflektierenden Hintergründen wie hellem Sand einfangen. Zum anderen kann bei stehenden Elementen die wandernde Solarstrahlung über den ganzen Tag hinweg genutzt werden. So ergibt sich eine effektivere und höhere Energieausbeute durch die Solarmodule.

Seit gut einem Jahr sind die doppelseitigen Module zwar schwer im Kommen, die Nachfrage ist aber – vor allem in Europa – noch relativ dürftig. Das liegt daran, dass vielfach noch die Erfahrung mit dieser neuen Technologie fehlt und es häufig keine konkreten Anwendungsbeispiele gibt. Darüber hinaus hat sich die Fachwelt noch immer nicht auf genormte Daten und Prüfverfahren einigen können, um hier eine einheitliche Grundlage für alle zu schaffen. Planer können sich daher fast nur auf die Prognosen von Herstellern bezüglich der Leistung stützen. Eine echte Vergleichbarkeit zwischen bereits durchgeführten Projekten ist hingegen noch nicht gegeben und auch die tatsächliche Wirtschaftlichkeit noch fraglich.

Größeres Interesse an den bifazialen Modulen besteht allerdings schon jetzt in einzelnen Regionen des Mittleren Ostens und in Asien. Das liegt vor allem daran, dass in diesen Regionen große Freiflächenanlagen in wüstenähnlichen Regionen gebaut werden. Auch das Projekt in Akadyr gehört zu diesen.

Höhere Vergleichbarkeit schaffen

Die geografischen und klimatischen Gegebenheiten in Akadyr waren für GOLDBECK SOLAR ideal, um diese Art der Module zu testen. Das Hirschberger EPC-Unternehmen verfolgt durch die Testanlage in Akadyr auch das Ziel, eine bessere Basis und eine höhere Vergleichbarkeit von bifazialen Solarzellen und Standardmodulen zu erreichen. So möchte GOLDBECK SOLAR schon jetzt die weitere Entwicklung in der Solarindustrie vorantreiben.

Im Rahmen des Akadyr-Projektes ergaben sich durch die Verwendung der bifazialen Solarzellen und dem Einbau von sechs Wechselrichtern mit 630 kVA aus elektrischer Sicht zwar keine Veränderungen bei der Konfiguration, allerdings unterschieden sich Winkel und Höhe der Unterkonstruktion durch die Ausrichtung auf die Bifacial-Module.

Die Konfiguration der Wechselrichter war dabei wie folgt:

Wechselrichter Nr. 1: 1530 Modul / 435 Wp / Standard monokristallin / 30° / 0,8m Bodenfreiheit

Wechselrichter Nr. 2: 1530 Module / 435 Wp / bifacial monokristallin / 30° / 0,8m Bodenfreiheit

Wechselrichter Nr. 3: 1530 Modul / 435 Wp / Standard monokristallin / 30° / 1,2m Bodenfreiheit

Wechselrichter Nr. 4: 1530 Module / 435 Wp / bifacial monokristallin / 30° / 1,2m Bodenfreiheit

Wechselrichter Nr. 5: 1530 Modul / 435 Wp / Standard monokristallin / 25° / 0,8m Bodenfreiheit

Wechselrichter Nr. 6: 1530 Module / 435 Wp / bifacial monokristallin / 25° / 0,8m Bodenfreiheit

Durch die unterschiedlichen Neigungswinkel und Höhen soll in erster Linie beantwortet werden können, wie sich diese auf den Wirkungsgrad der Module auswirken und wo das Optimum liegt. Langfristig lassen sich so auch bessere Aussagen über die Leistung treffen, die bisher oft nur auf den Prognosen von Herstellern beruhen.

Durchdachte Bodenstruktur

Bei der bodenmontierten Struktur fokussierten sich die Projektverantwortlichen schwerpunktmäßig auf die Schaffung eines Systemdesigns, mit dem der bifaziale Gewinn maximiert werden soll. Damit dies gelingt, sollten die Abschattungseffekte auf der Rückseite der Module vermieden werden. Das Sigma IIST Bifacial Fixed-Tilt-System von Mounting Systems war dabei genau die richtige Lösung, um diese Anforderungen zu erfüllen. Denn dieses ist extrem anpassungsfähig und ermöglicht so ein vollständig kundenspezifisches Design.

Speziell für das Akadyr-Projekt bedeutete dies, dass der Neigungswinkel und die Bodenfreiheit des Systems hoch angesetzt wurden. Damit passte man sich zum einen an die lokale Umgebung an, zum anderen sollte dadurch der bifaziale Gewinn der vertikal angeordneten Module maximiert werden. Die Modulschienen wurden dabei so entlang der halbgeschnittenen Modulanschlusskastenräume platziert, dass eine Abschattung auf der Rückseite der Module vermieden werden konnte.

Durch die verschiedenen Unterbaukonfigurationen im Testbereich, die sowohl mit Standard- als auch mit bifacialen Modulen montiert sind, war es anschließend möglich einen direkten Leistungsvergleich durchzuführen. Auf diese Weise ließ sich nämlich die genaue Verstärkung der bifazialen Zellen sowie die Auswirkung von Bodenfreiheit und Winkel auf den solarenergetischen Ertrag berechnen.

Ausgiebige Datengewinnung

Zusätzlich soll jeder Bereich über Pyranometer der sekundären Klasse verfügen, die nicht nur das direkte Licht auf der Vorderseite, sondern auch das diffuse Licht auf der Rückseite messen, um Daten über die Bestrahlung und das diffuse Licht zu erhalten. Die so gewonnenen Informationen können dann in den Kontext mit der gemessenen Energieproduktion gesetzt werden. Die Rückseiten-Pyranometer werden dabei so in der Mitte jeder Modulreihe positioniert, dass diese auch die Differenz der Lichtintensität auf der oberen und der unteren Reihe des Systems messen.

Durch die verschiedenen Messungen wird es am Ende möglich sein, alle notwendigen Daten einzuholen, um den Erfolg des Testprojekts fundiert beurteilen zu können. Mit einfachen Überwachungsinstrumenten wird es jedoch nicht möglich sein, alle Unsicherheiten vollständig zu reduzieren.

Ein Beispiel ist die Schattierung der unteren Reihe. Vergleicht man das auf der Rückseite der Module gemessene Licht mit der Leistung des vorderen Bereichs, so ist in den oberen Reihen ein höherer Gewinn zu erwarten, da mehr diffuses Licht die höheren Module erreichen könnte, während der Rest abgeschattet wird. Basierend auf den endgültigen Messdaten wird GOLDBECK SOLAR in der Lage sein, technische Verbesserungen an der Anlage vorzunehmen, so dass solche Verluste auf ein Minimum reduziert werden.

Herausforderungen gemeistert

Mit dem Testprojekt in Akadyr will GOLDBECK SOLAR eine solide Bewertungsgrundlage für den zukünftigen Einsatz bifazialer Module in verschiedenen Bedingungen schaffen. Die Solaranlage in der kasachischen Region Karaganda bietet sich dahingehend gut an, dass die sehr niedrige Vegetationen im Sommer die Albedo nicht massiv verändert. Gleichzeitig erlaubt der Winter mit fast fünf Monaten konstantem Schnee eine detaillierte Analyse der Wirkung der Albedo auf den Gewinn, den die bifazialen Module im Vergleich zu Standardmodulen bieten.

Eine große Herausforderung gibt es für das Projekt in Akadyr dennoch. Mit Temperaturschwankungen von -50°C bis +50°C ist das Klima ein wesentlicher Faktor, der bei der Planung und Installation des Systems beachtet werden musste. Um dieses Problem zu lösen, wurde eine speziell konstruierte thermische Dehnungsfuge in die Unterkonstruktion eingebaut. Auf diese Weise haben die Stahlteile und Schienen genügend Platz und Flexibilität, um jegliche Beschädigungen der Komponenten zu vermeiden und die Bifazialität zu gewährleisten.

Aktuell einmaliges Projekt

Mit Power Plant Akadyr hat GOLDBECK SOLAR eine einzigartige Möglichkeit geschaffen, um die Leistung von ein- und doppelseitigen Modulen bei unterschiedlichen Neigungswinkeln und lichten Höhen auf individueller Wechselrichterbasis zu vergleichen. Denn das Solarkraftwerk ist die einzige derzeit bekannte Anlage dieser Größenordnung, die genau dies kann. In einem Jahr wird es möglich sein, erste Vergleichsergebnisse zu erzielen, wobei dort zusätzliche Parameter bezüglich Temperatur und Umweltbedingungen im Sommer und Winter in Kasachstan mit einfließen.

GOLDBECK SOLAR möchte damit seinem Anspruch, der beste Solaranbieter in Europa zu sein, gerecht werden. Dafür investiert das Unternehmen ständig in technische Analysen der verschiedenen Komponenten, die in den eigenen Solaranlagen verwendet werden, um somit auch seinen Kunden die bestmöglichen technischen Lösungen anbieten zu können, die auf einer konstanten Analyse und Forschung über 20 Jahre hinweg beruhen. Die Anlage in Akadyr ist dabei nur eines von vielen Projekten, die der Solarexperte in den vergangenen zwei Jahrzehnten bereits durchgeführt hat. Durch die Testung der bifazialen Module am Standort Akadyr ist das Projekt aber sicherlich eines der spannendsten.