Solarmodule testen: der Qualitätscheck

Solarmodule, oft auch Solarpanels genannt, sind das Herz einer Photovoltaikanlage: Sie wandeln die Sonnenenergie in  sauberen Solarstrom um. Damit sie effizient und sicher arbeiten, werden sie verschiedenen Leistungs- und Qualitätskontrollen unterzogen.

Es gibt zwei verschiedene Arten von Testverfahren: 

• Tests zur Prüfung der Mindestvoraussetzungen für die Zulassung 
• weiterführende Tests zur Bewertung der Qualität von Solarmodulen

Die Testverfahren unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Prüf- und Messkriterien, der Länge sowie der Durchführung. Die Kriterien und Bedingungen werden durch die ausführenden Mess- und Prüfinstitutionen festgelegt.

Typischen Kriterien, die bei Solarmodulen bzw. Solarpanels erfasst werden, sind beispielsweise:

Leistung: Wird unter definierten Testbedingungen gemessen und in Watt-Peak (Wp) angegeben. Die Peakleistung ist die Leistung eines Solarmoduls unter Standardbedingungen. Sie wird im Datenblatt als Nennleistung ausgewiesen. Bestimmt wird die Leistung hauptsächlich durch den Wirkungsgrad der Solarzellen.

Isolationswiderstand: Darf bestimmte Grenzwerte nicht unterschreiten, damit es nicht zu gefährlichen Berührungsspannungen kommt.

Temperaturkoeffizient: Gibt an, wie stark sich die Leistung eines Solarmoduls verringert, wenn die Umgebungstemperatur um 1 °C erhöht wird. Je niedriger der Temperaturkoeffizient, desto weniger Verluste treten auf.

Leerlaufspannung: Ist die Spannung, wenn kein Verbraucher angeschlossen ist. Sie hängt von der Lichteinstrahlung und von der Temperatur ab. Mithilfe der Messung können Störungen an den Solarzellen festgestellt werden. Die Leerlaufspannung wird als Orientierungswert für die Standard-Test-Bedingungen auf dem Datenblatt angegeben.

Degradation: Bezeichnet die Leistungsminderung von Solarmodulen im Laufe der Zeit. Erfasst wird die Degradation mittels Belastungstests (z. B. bei hoher Feuchte/Temperatur), die die Lebensdauer simulieren. Der Grad der Degradation unterscheidet sich je nach Typ der verwendeten Solarzellen. Auch Umweltfaktoren können den Alterungsprozess vorantreiben.

Basiszertifizierungen für die Zulassung von Solarmodulen

Damit Solarmodule zugelassen werden, müssen sie bestimmte Mindestanforderungen erfüllen. Diese sollen unter anderem die Betriebssicherheit, die Eignung der Bauteile, die Funktionalität und die Beständigkeit gegen typische Belastungen über die Lebensdauer eines Moduls (leichter Hagelschlag, Luftfeuchte) garantieren. Die Einhaltung der Mindeststandards lässt aber noch kein Urteil über die Qualität der Solarmodule zu.

IEC-Zertifizierung

Die IEC-Zertifizierung hat sich als grundlegendes Test- bzw. Qualifizierungsschema für Solarmodule in Europa durchgesetzt. Sie stellt sicher, dass die Module grundlegenden Sicherheits-, Qualitäts- und Haltbarkeitsanforderungen entsprechen. Die Standards werden von der International Electrotechnical Commission (IEC) in Genf festgelegt. Zertifizierstelle in Deutschland ist der TÜV. 

Im Rahmen der Zertifizierung wird getestet, wie Solarmodule auf verschiedenen Belastungen reagieren. Dazu gehören sowohl klimatische Einflussfaktoren wie Sonnenlicht, Wärme, Kälte und Feuchtigkeit als auch mechanische Kräfte. Der Test ist bestanden, wenn es dabei zu keinen gravierenden Veränderungen im Verhalten oder zu Leistungseinbußen kommt und wenn keine Beschädigungen auftreten. 

Für Module aus mono- und polykristallinen Solarzellen gilt das Prüfzertifikat IEC 61215, für Dünnschichtmodule das Prüfzertifikat IEC 61646. Mit den erweiterten Tests der Normen werden Schnee- und Windlasten oder größere Hagel-Durchmesser erfasst und z.B. auch die längere Disposition von Feuchtigkeit untersucht.

Standard-Testbedingungen-Tests (STC-Tests)

Die Standard-Testbedingungen-Tests ‒ kurz: STC-Tests für engl. „Standard Test Conditions“ ‒ dienen dazu, verschiedene Solarmodule miteinander vergleichen und bewerten zu können. Dazu werden unter normierten Bedingungen Strom, Spannung und Leistung ermittelt. Die Leistung ist üblicherweise im Moduldatenblatt angegeben. Es gelten folgende Betriebsbedingungen:

• 1.000 W/m² Einstrahlung (entspricht einem wolkenlosen Sommertag mit direkter Ausrichtung zur Sonne)
• Temperatur von 25 °C
• Air Mass (AM) von 1,5 (entspricht der Einstrahlung einer schräg stehenden Vor- bzw. Nachmittagssonne mit einem Winkel von 48,2 Grad)

Air Mass (Luftmasse)

Die Luftmasse ist ein Maß, wie stark die Sonnenstrahlung auf ihrem Weg zur Erde durch die Atmosphäre abgeschwächt wird. In Europa kann von einer durchschnittlichen AM von 1,5 ausgegangen werden. 

Da bei der Messung die Bedingungen nicht immer eingehalten werden können, werden die Werte mathematisch bestimmt.

NOCT-Test

Die Abkürzung NOCT steht für Nominal Operating Cell Temperature, also die Temperatur der Solarzelle im Normalbetrieb. Im Gegensatz zu den STC sind die Bedingungen beim NOCT-Test realitätsnäher angelegt. Zu diesen gehören:

• eine geringe Windgeschwindigkeit (1 m/s)
• die Temperatur eines mitteleuropäischen Frühlingstags (20 °C)
• die Solareinstrahlung eines südlichen Sommertags
• eine Zusammensetzung des Spektrums der Solareinstrahlung nach Filterung durch die Atmosphäre wie bei schräg stehender Sonne
• die elektrische Spannung im Leerlauf und im offenen Stromkreis

Mithilfe der Tests können die Belastungen der Materialien eingeschätzt und die Hitzeabstrahlung an die Umwelt ermittelt werden.

Weiterführende Tests zur Beurteilung der Modulqualität

Neben den Basiszertifizierungen gibt es eine Reihe weiterführender Testverfahren, die Nutzern anhand von Qualitäts- und Prüfsiegeln eine Orientierung bei der Auswahl der richtigen Solarmodule geben sollen. 

RAL-GZ 966

Die RAL-GZ 966 ist eine Sammlung von Güte- und Prüfbestimmungen der RAL-Gütegemeinschaft e.V. für alle Solaranlagen. In die Bewertung fließen nicht nur die Komponenten der Anlage, sondern auch die Planung und Ausführung sowie der Service und Betrieb ein.

PV Module Reliability Scorecard des PVEL-Instituts

PVEL ist ein weltweit anerkanntes Labor für Zuverlässigkeits- und Leistungstests von Solarmodulen. Im Rahmen des eigenen Produktqualifizierungsprogramms (PQP) prüft und testen die Experten unabhängig die Solarmodule führender Hersteller. Die Ergebnisse werden jährlich in der PV Module Reliability Scorecard veröffentlicht. Die besten Produkte erhalten den Titel „Top Performer“.

Getestet wird beispielsweise das Verhalten der Module bei:

• Temperaturwechsel
• Feuchtwärme
• mechanischer Beanspruchung sowie 
• die spannungsinduzierte Degradation und
• die licht- und temperaturabhängige Degradation.

Mechanical Evaluation Protocol

Mit dem Mechanical Evaluation Protocol werden die Folgen von aufeinanderfolgenden Belastungen mit Druck und Temperatur auf Solarmodule getestet. Die Prüfung besteht aus vier Schritten:

• Schritt 1: Das Solarmodul wird eine Stunde lang einem physikalischen Druck von 5.400 Pascal (Pa) ausgesetzt. Ein Druck, der beispielsweise durch eine dicke Schneeschicht verursacht werden kann. 
• Schritt 2: Das Solarmodul wird 1.000 Mal hintereinander kurzzeitig 1.000 Pa ausgesetzt. Damit wird die längere Einwirkung von Windböen simuliert.
• Schritt 3: Das Solarmodul wird 50 Zyklen mit deutlichen Temperaturerhöhungen und 10 Zyklen mit Frost und Feuchtigkeit ausgesetzt. In der Realität können solche Einwirkungen durch Wetterschwankungen entstehen.
• Schritt 4: Wiederholung von Schritt 2.

Mit den verschiedenen Tests lässt sich prüfen, ob Risse entstehen und ob es zu Leistungsverlusten kommt.

Quality Controlled PV Prüfsiegel des TÜV Rheinland

Seit 2020 vergibt der TÜV Rheinland das Prüfsiegel Quality Controlled PV. Das Programm beinhaltet eine Reihe strenger Prüfverfahren, um die Produktionsqualität, die Leistungsfähigkeit und die Haltbarkeit von Solarmodulen zu testen. Dabei gehen die Prüfer selbst zu den Herstellern, um aus der laufenden Produktion Module für die Prüfung auszuwählen. Zudem werden die verwendeten Materialien und die Lieferanten kontinuierlich überwacht.

Carbon Footprint Verification (CFV)

Das relativ neue Testverfahren wird von der British Standards Institution (BSI) durchgeführt und dient zur Beurteilung und Quantifizierung der CO2-Bilanz. Auf dem Prüfstand steht der gesamte Produktlebenszyklus – von der Beschaffung der Rohstoffe bis hin zum Recycling der Solarmodule.

PHOTON-Prüfsiegel

Seit 2004 testet das Fachmagazin PHOTON Solarmodule. Das Programm besteht aus drei Testzyklen:

• Schnelltest (Bronze-Standard): Erlaubt eine schnelle Einschätzung der Modulqualität. Der Test enthüllt Produktmängel und gibt einen Ausblick auf die zu erwartende Leistungsminderung.
• Lebensdauertest (Silber-Standard): Baut auf dem Schnelltest auf. Dabei werden alle in der Praxis auftretenden Belastungen immer wieder ausgeführt, bis sich eine Leistungsminderung zeigt.
• Ertragsmessung (Gold-Standard): Wie gut Solarmodule die Solarstrahlung in Strom umwandeln, zeigt die Performance Ratio, die im Prüfsiegel angegeben wird.

Solarmodule im laufenden Betrieb testen und überwachen

Für einen ordnungsgemäßen und sicheren Betrieb sollten die Solarmodule regelmäßig überprüft werden. Entsprechende Tests werden meist im Rahmen der Wartung der Photovoltaikanlage durchgeführt. Anlagenbesitzer können ihre Solarpanels aber auch selbst testen.

Es gibt folgende Möglichkeiten, die Solarmodule zu überprüfen:

• Leistungsdaten der Photovoltaikanlage vergleichen: Ob die Solarmodule und alle weiteren Komponenten der Photovoltaikanlage einwandfrei funktionieren, lässt sich am einfachsten mit einem integrierten Datenlogger einsehen, der die Leistungs- und Ertragsdaten automatisch aufzeichnet. Alternativ können Anlagenbesitzer auch selbst Buch führen.
• Elektrische Prüfung: Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom der Solarmodule lassen sich im Prinzip in Eigenregie testen. Allerdings können Module auch trotz voller Leerlaufspannung und vollem Kurzschlussstrom Leistungseinbußen aufweisen. Gewissheit bringt ein Kennlinien-Messgerät, das zur Grundausstattung eines Fachmanns gehört.
• Thermografie: Mithilfe der Thermografie lassen sich Hotspots aufdecken. Bei Hotspots handelt es sich vereinfacht ausgedrückt um warme Stellen in einem Modul, die für Leistungseinbußen sorgen. Ursachen können Verschmutzungen auf den Zellen oder Beschädigungen des Zellkörpers sein. Es empfiehlt sich, bereits bei der Inbetriebnahme einer Photovoltaikanlage die Solarmodule mittels Thermografie zu prüfen.