Es ist ein Knackpunkt, im wahrsten Sinne des Wortes. Feine Rissnetze breiten sich von den Modulklemmen in den Deckgläsern von Solarmodulen in Freilandanlagen aus. Was auf den ersten Blick wie ein Zufallsschaden aussieht, könnte sich bei genauerer Analyse als systematisches Problem entpuppen, das Betreiber, Planer und Installateure gleichermaßen betrifft – und das in den kommenden Jahren an Brisanz gewinnen dürfte.
Auf dem diesjährigen PV-Symposium in Bad Staffelstein hat Andreas Beinert vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) eine Schadensanalyse vorgestellt, die aufhorchen lässt. Untersucht wurden vier Glas-Glas-Module aus einem großen Solarpark, die allesamt einen identischen Glasbruch aufwiesen. Die Befunde waren eindeutig – und sie wiederholten sich von Modul zu Modul mit erschreckender Regelmäßigkeit. „Der Bruchursprung war immer genau da, wo der Rahmen letztlich auf das Glas kommt“, erklärt Andreas Beinert. Transportschäden oder Unwetter konnten als Ursache ausgeschlossen werden, denn der Glasbruch trat unmittelbar während oder nach der Montage auf.
Die Klebefuge als stiller Komplize
Einer der Schwerpunkte seiner Analyse war die Qualität der neuen und großen Module mit einer Fläche von mehr als 2,5 Quadratmetern und sehr dünnen Gläsern mit nur zwei Millimetern Stärke – oder sogar noch darunter. Diese werden in Kombination mit immer dünner werdenden Rahmen statisch immer anfälliger. Einer der zentralen Punkte ist auch die Ausführung der Silikonklebefuge.
Die Schadensanalyse förderte zutage, dass die Wirkung der Klemme auf das Glas bei den neuen Modulen dramatisch verschärft wird. Beinert hat nicht nur die Bruchbilder analysiert. Er hat sich auch die Querschnitte durch die Modulrahmen genauer angeschaut. Diese förderten zutage, dass die Klebefuge zwischen Glas und Aluminiumprofil in vielen Fällen nur auf der Unterseite ordentlich ausgebildet war. Auf der Oberseite war sie sehr sparsam ausgeführt oder der Silikonkleber fehlte vollständig. Und das, obwohl der Rahmen konstruktiv eine Aussparung vorsieht, die genau dafür gedacht ist, überschüssiges Silikon aufzufangen.
Der ISE-Forscher deutete dies als Hinweis auf ein grundsätzliches Qualitätsproblem beim Rahmungsprozess des Modulherstellers, dessen Paneele im untersuchten Solarpark verbaut wurden. Dies hänge möglicherweise mit den immer größer werdenden Modulformaten zusammen.
Erdungsrille drückt zusätzlich
Problematisch im untersuchten Fall war, dass zusätzlich Klemmen mit Erdungsrille eingesetzt wurden. Was passiert, wenn eine solche Klemme auf einen Rahmen trifft, in dem das Glas ohne schützende Klebeschicht direkt am Metall anliegt, hat Beinerts Team per Finite-Elemente-Simulation durchgerechnet. Die Forscher haben dazu das Problemmodul nachgebaut und mit einem Modul mit ausreichender Silikonverklebung verglichen.
Dabei hat sich gezeigt, dass eine klassische flache Klemme die Kraft der Anzugsschraube flächig in den Rahmen einleitet. Die Last wandert im Wesentlichen durch den vertikalen Steg in die Unterkonstruktion. Eine Klemme mit Erdungsrille hingegen konzentriert die Kraft linienförmig auf einen schmalen Bereich des Rahmens. Sie erzeugt über den Hebelarm eine Deformation des Aluminiumprofils, die sich bis ins Glas fortpflanzt.
Werte, die an die Grenze gehen
Beinert hat sich angeschaut, bei welchem Drehmoment das Glas bricht. Dazu hat er sukzessive das Drehmoment erhöht. Dabei kam heraus, dass bei 14,5 Newtonmetern Anzugsdrehmoment die Klemme mit Erdungsfeature nahezu die dreifache Zugspannung auf das Glas ausübt gegenüber einer glatten Klemme. „Wenn die Rille zusätzlich vorn an der Klemme angebracht ist, wird die Kraft nicht nur linienförmig eingeleitet, sondern drückt dann auch auf die Innenseite des Rahmens. Da dies die schwächere Seite ist, wird der Rahmen deformiert“, erklärt Beinert.
Das ist bei einer ordentlich ausgeführten Klebefuge zwischen Rahmen und Modulglas weniger ein Problem. Der Vergleich der beiden Module hat ergeben, dass die Silikonfuge genau das tut, was sie machen soll: einen Dehnungspuffer zwischen dem Rahmen und dem Glas zu schaffen. Doch bei fehlender Klebefuge wird es eng.
Klemme und Rahmen vorher prüfen
Beinert hat herausgefunden, dass dann bei 18 Newtonmetern Drehmoment im Glas Zugspannungen von 26 bis 75 Megapascal auftreten können. „Einscheibensicherheitsglas hält zwar bis 120 Megapascal aus. Doch die sehr dünnen Gläser von zwei Millimetern sind in der Regel nicht voll thermisch vorgespannt, sondern nur teilvorgespannt. Dann können 75 Megapascal schon kritisch sein“, warnt er. „Und das komplett ohne Wind-, Schnee- oder thermische Lasten. Das sind rein mechanische Lasten, die auf das Modul wirken.“
Beinerts Empfehlungen für die Praxis sind pragmatisch. Klemmen mit Erdungsfunktion sollten vor dem Einsatz sorgfältig auf ihre Wechselwirkung mit dem konkreten Modulrahmen geprüft werden. Idealerweise sollte dies per Simulation geschehen. Denn experimentelle Tests mit Glas erfordern eine enorme Stichprobe, um statistisch belastbar zu sein.
Drehmoment ständig kontrollieren
Außerdem sollte das Anzugsdrehmoment während der Montage kontrolliert aufgebracht und vorher bewusst gewählt werden. Denn der Zusammenhang zwischen Drehmoment und Glasspannung ist mit der normalen Klemme nahezu linear. Bei Klemmen mit Erdungsrille steigt die Glasspannung mit zunehmendem Drehmoment sogar noch stärker an. Die Qualität der Klebefuge im Modulrahmen lässt sich durch einfache Querschnitte überprüfen – ein Verfahren, das Beinert als Teil der Wareneingangskontrolle empfiehlt.
Dass das Thema Klemmung in der Branche bislang unterschätzt wird, bestätigt Eric Herrmann, Head of EPC bei IBC Solar. Das Glasbruchproblem durch Erdungsfurchen an Klemmen kennt er aus der eigenen Projektpraxis zwar nicht. Doch die grundsätzliche Herausforderung wachsender Modulformate bei dünner werdenden Rahmen wird immer relevanter.
Eric Herrmann sieht aber noch ein anderes Problem bei der Klemmung der Module. „Die Durchbiegung unter Last nimmt zu, die Toleranzen bei der Klemmung nehmen ab“, beschreibt er das Spannungsfeld. „Wenn sich ein solches Modul dann doch mal durchbiegen sollte, kann das deutlich schneller aus einer Klemme herausrutschen, als das bei einem kleineren Modul der Vergangenheit vielleicht der Fall war.“ Der dünner werdende Rahmen erlaubt wiederum keine höheren Drehmomente, die die Schrauben der Klemmen ohnehin nicht aushalten würden.
Die Modulhersteller reagieren darauf, indem sie die Klemmbereiche enger definieren und weniger Sonderfreigaben erteilen. Herrmann rät dringend, die Klemmbereiche gemäß Installationsanleitung exakt einzuhalten, weil nur diese Bereiche vom Hersteller tatsächlich getestet wurden.
Verschiedene Erdungsmöglichkeiten
IBC Solar löst diese Herausforderung mit zwei Ansätzen. Zum einen setzt das Unternehmen Klemmen in der maximal zulässigen Länge ein, um eine möglichst große Auflagefläche auf dem Modulrahmen zu erreichen. Zum anderen kommen teilweise Einschubsysteme zum Einsatz, die das Modul an der kompletten Seite fassen. Eric Herrmann weist allerdings darauf hin, dass Einschubsysteme ihrerseits hohe Anforderungen an die Montagegenauigkeit stellen. „Wenn der Abstand der Einschubschienen nicht genau passt, kann ein Modul auch nach unten herausfallen“, warnt er.
Beim Thema Erdung zeigt sich die Komplexität der Materie besonders deutlich. Je nach Modultechnologie – aktuell dominiert die Topcon-Zelltechnologie, die wegen potenzialinduzierter Degradation eine Erdung oder einen Potenzialausgleich erfordert – kommen unterschiedliche Lösungen zum Einsatz: Erdungspins, durchgehende Riefen an der Klemmenunterseite oder spezielle Klemmen, die die Eloxalschicht gezielt ankratzen. „Es gibt Modulhersteller, die mit der ein oder anderen Lösung nicht einverstanden sind und die Nutzung dieser Klemmen ablehnen“, weiß Eric Herrmann. Deshalb sollte die Abstimmung zwischen Modulhersteller und Gestelllieferant zum Klemmentyp keine Nebensache sein, sondern eine zentrale Planungsaufgabe, rät er.
Verbindung muss zuverlässig halten
Der vielleicht wichtigste Aspekt betrifft die Montagequalität selbst. „Die Halterung ist die Komponente, die die Verbindung zwischen Modul und Untergrund herstellt – und diese Verbindung muss über 20, 25 oder sogar 30 Jahre zuverlässig funktionieren“, betont Herrmann. „Größer werdende Module erlauben weniger Toleranzen.“
IBC Solar hat deshalb die Qualitätsüberwachung während und nach dem Bau in den vergangenen Jahren deutlich intensiviert. Vor Abnahme des Gewerks finden engmaschige Stichprobenkontrollen statt, bei denen nicht nur geprüft wird, ob das minimale Drehmoment erreicht wurde, sondern auch, ob das maximale Drehmoment überschritten wurde. „Wir müssen auch nach oben hin prüfen, denn auch da kann es zu Problemen kommen, wenn man die Schrauben überdreht hat“, erklärt Eric Herrmann. Denn ein zu hohes Drehmoment kann das Gewinde in der Mutter oder auf der Schraube beschädigen und die Verbindung im schlimmsten Fall so schwächen, dass sie beim ersten Lastfall versagt.
Qualitätsprüfung als Daueraufgabe
Die Konsequenz bei mangelhafter Montagequalität ist bei IBC Solar klar definiert. „Sobald wir eine gewisse Stichprobe machen und die Stichprobe fällt durch, müssen die Monteure einmal komplett alle Verbindungen der Anlage noch einmal nachprüfen“, sagt Herrmann. Die langjährigen Montagepartner des Unternehmens kennen diese Erwartung und wissen, dass es keinen Sinn hat, mit niedriger Montagequalität Geschwindigkeit aufzubauen, wenn am Ende alles nachgearbeitet werden muss.
Natürlich hat so ein Qualitätsanspruch seinen Preis. „Das ist eine bewusste Entscheidung. Wenn wir allein auf den Preis der Anlage schauen würden, könnten wir genau diese Qualitätsstandards nicht mehr einhalten“, sagt Eric Herrmann. Das fängt schon bei der Wahl des Montagesystems an. Hier setzt IBC Solar auf langjährige Partner mit Erfahrung aus heimischer Produktion. Aufgrund des schwächelnden Dachmarktes setzten immer mehr Hersteller auf die Freifläche.
Die Klemme ernst nehmen
Doch hier sind die Realitäten anders. Abgesehen davon, dass auf der Freifläche vor allem Stahl und nicht Aluminium wie auf dem Dach verbaut wird, werden zusätzlich noch größere Module installiert. Und die Module werden absehbar nicht kleiner, auch wenn das Maximalmaß langsam erreicht sein sollte, prognostiziert Eric Herrmann. „Das bestimmende Maß ist der 40-Fuß-High-Cube-Container, in den möglichst viel Leistung passen muss“, sagt er. Genau dieses Maß ist inzwischen nahezu erreicht.
Für Planer, Installateure und Investoren bedeutet das: Die Herausforderungen, die große Modulformate an die Klemmung stellen, werden nicht verschwinden. Sie werden zum Dauerthema. Wer heute einen Solarpark plant oder baut, tut gut daran, die Klemme nicht als banales Stück Metall zu betrachten, sondern als sicherheitsrelevantes Bauteil, dessen Zusammenspiel mit Modulrahmen, Erdungskonzept und Anzugsdrehmoment sorgfältig geprüft sein will.
https://www.ise.fraunhofer.de/
Foto: Velka Botička
Foto: Velka Botička
MKG Göbel
Torsionssteife Profile für mehr Stabilität im Solarpark
Geschlossene Profile erhöhen die Sicherheit von solaren Freiflächenanlagen und reduzieren wirtschaftliche Risiken deutlich. Modulbrüche bei Glas-Glas-Modulen sind teure Schadensbilder und haben in den letzten Jahren in Solarparks massiv zugenommen. Sie verursachen Gutachten, Sanierungskosten, oftmals Streitkosten und mindern langfristig die Energieerträge. Obwohl Wind- und Schneelasten normgerecht definiert sind, treten die Schäden auf. Bei der statischen Betrachtung werden offensichtlich zulässige Durchbiegungen und Stabilitätsbetrachtungen von den Anbietern sehr unterschiedlich bewertet.
Beim Bau von Freiflächenanlagen galten offene Profile lange als gute und günstige Lösung dank geringer Materialkosten. Diese funktionierten gut, als die Module noch stabiler und die Spannweiten der Konstruktionen geringer waren. Aufgrund der größer werdenden Tische, der dünneren Glas-Glas-Module und der generellen Wirtschaftlichkeit sind diese Erfahrungswerte nicht mehr auf aktuelle Konstruktionen übertragbar.
Insbesondere bei exzentrischen Beanspruchungen und lokaler Lasteinleitung neigen offene Profile dazu, sich zu verdrehen, und lagern die Kräfte teilweise auf die Module ab, die hierfür nicht ausgelegt sind. Unplanmäßige Lastpfade, die dann zum Glasbruch und/oder zu Mikrobeanspruchungen führen können, sind die Folge.
Dadurch kommt es unter anderem zur langwierigen Suche nach der verantwortlichen Fehlerquelle, zu Auseinandersetzungen der Beteiligten und aufwendigen Sanierungen, vorzeitigem Modulaustausch und massiven Renditeverlusten, die Investitionen langfristig gefährden könnten.
MKG Göbel setzt mit GMS-Systemen auf geschlossene Stahlprofile, die eine Torsionsaussteifung der Träger über die Module verhindern. Die torsionssteifen Profile widerstehen Verdrehungen, halten die Lasten im Profil und stabilisieren die Module an der Kontaktstelle, statt diese zusätzlich zu belasten. Die Rendite bleibt stabil, finanzielle Einbußen bleiben aus und die Investition ist langfristig ohne Nachbesserungen tragfähig. Dieser Ansatz stellt einen Paradigmenwechsel dar, der den Fokus von kurzfristigen Kostenersparnissen auf langfristige Sicherheit verlagert.
VDE Verlag
Wartung – umfangreiches Fachwissen in einem Buch
Mit dem Wachstum bei Photovoltaik und Speichern steigen auch der Bedarf und die Anforderungen an einen sicheren und wirtschaftlichen Anlagenbetrieb. Deshalb wird die Wartung der Systeme immer wichtiger. Das aktuelle Handbuch „Störungsfreier Betrieb von PV-Anlagen und Speichersystemen“ bietet eine umfassende, praxisnahe Anleitung, um Solaranlagen zuverlässig zu warten.
Von oft auftretenden Fehlern an Modulen über die richtige Inspektion der Unterkonstruktion und die Nutzung von erprobten Hilfsmitteln zur Kontrolle des elektrischen Systems bis zu den dafür relevanten Normen finden Sie im Handbuch die passenden Informationen. Das Handbuch bietet die passende Anleitung für die Prüfung und Instandhaltung von Photovoltaikanlagen und die Inspektion und Wartung von Speicherbatterien sowohl im Privathaus als auch im Gewerbe.
Das beliebte Handbuch wurde für die dritte Auflage nochmals erweitert. Die Neuauflage wurde ergänzt um Hinweise und Anleitungen zur Wartung von Solaranlagen auf Gründächern, zum Recycling von Solarmodulen, zum Monitoring und zur Fernwartung, zur Fehlerortung mit dem Laser sowie zum Brandschutz von Lithium-Ionen-Speichern.
Sie finden das Handbuch „Störungsfreier Betrieb von PV-Anlagen und Speichersystemen“ im gut sortierten Buchhandel unter der ISBN 978-3-8007-6477-8. Oder Sie bestellen es beim VDE Verlag. Fachexperten und Anlagenbetreiber können die Anschaffung des Handbuchs steuermindernd geltend machen.
https://www.vde-verlag.de/buecher
Foto: VDE Verlag/Velka Botička
