Belastungstest für PV-Module (einfach erklärt!)

Was ist ein Belastungstest für PV-Module?

Ein Solarmodul liegt über Jahrzehnte im Freien. Es heizt sich in der Sommersonne auf, kühlt in Winternächten weit unter null ab, trägt Schnee, wird vom Wind gedrückt und gezogen und gelegentlich von Hagel getroffen. Ein Belastungstest stellt diese Beanspruchungen im Labor nach, verdichtet auf wenige Wochen. So zeigt sich vor dem Verkauf, ob eine Bauart Schwächen in Material, Konstruktion oder Fertigung hat.

Der Vergleich mit dem Crashtest beim Auto passt: Geprüft wird nicht jedes einzelne Modul, sondern die Bauart. Besteht sie, erhält der Modultyp ein Zertifikat. Die Norm beschreibt ihr Ziel selbst so: Die Prüffolge soll die elektrischen Eigenschaften des Moduls bestimmen und zeigen, soweit das mit vertretbarem Aufwand an Kosten und Zeit möglich ist, dass das Modul einer langen Bewitterung im Freien standhält.

Für Käufer ist das Zertifikat der Mindestnachweis. Es sagt, dass ein Modul die bekannten frühen Fehlerbilder nicht zeigt. Wie stark ein Modul über die Jahre an Leistung verliert, beschreibt dagegen die Degradation, und was der Hersteller zusagt, regelt die Produktgarantie.

Die Normen: IEC 61215 und IEC 61730

Zwei internationale Normen teilen sich die Aufgabe. IEC 61215 trägt den Titel "Terrestrische Photovoltaik-Module, Bauarteignung und Bauartzulassung". Sie gilt für alle terrestrischen Flachmodule, für kristalline Siliziummodule ebenso wie für Dünnschichtmodule, und richtet sich an Module für den langjährigen Betrieb im Freiluftklima. Der zweite Teil der Norm beschreibt die Prüfverfahren.

Die zweite Ausgabe dieses Teils hat die Prüfungen erweitert. Hinzugekommen sind die zyklische mechanische Belastung, die Prüfung auf potenzialinduzierte Degradation sowie Vorgaben für bifaziale und flexible Module. Die Norm folgt damit der Technik: Module mit Glas auf beiden Seiten und lichtempfindlicher Rückseite werden nach denselben Grundsätzen geprüft wie klassische Module mit Rückseitenfolie.

IEC 61730 regelt die Sicherheit. Der erste Teil legt die Anforderungen an die Konstruktion fest. Es geht um den Schutz vor elektrischem Schlag, vor Brandgefahren und vor Verletzungen durch mechanische und umweltbedingte Beanspruchung. Die Norm gilt für terrestrische Flachmodule aus kristallinem Silizium und in Dünnschichttechnik.

Die Prüfungen im Überblick

Die Prüfungen lassen sich in drei Gruppen ordnen: Klima, Mechanik und Elektrik. Die folgende Übersicht nennt die Werte, mit denen das akkreditierte Prüflabor des Fraunhofer ISE arbeitet. Der Wert für die Hagelgeschwindigkeit stammt vom National Renewable Energy Laboratory.

Prüfwerte nach Fraunhofer ISE, Hagelgeschwindigkeit nach NREL.

Vor und nach jeder Prüfung wird das Modul vermessen und auf sichtbare Schäden untersucht. Entscheidend ist, dass es nach der Belastung noch annähernd dieselbe Leistung liefert und elektrisch sicher bleibt. Nach Angaben des NREL bestehen die meisten Serienmodule die Prüffolge nahezu ohne Leistungsverlust.

Klimaprüfungen: Hitze, Frost und Feuchte

Die Temperaturwechselprüfung fährt das Modul 200-mal zwischen -40 und +85 °C hin und her. Glas, Zellen, Lötbänder und Rahmen dehnen sich dabei unterschiedlich stark aus. Schwache Lötstellen reißen, Zellverbinder ermüden, Schichten lösen sich. Auf dem Dach geschieht dasselbe mit jedem Wechsel von Tag und Nacht, nur langsamer.

Die Feuchte-Wärme-Prüfung hält das Modul 1.000 Stunden lang bei 85 °C und 85 % relativer Luftfeuchte. Das sind knapp 42 Tage ohne Pause. Die Prüfung zeigt, ob Feuchtigkeit in den Verbund eindringt, Kontakte korrodieren oder sich die Einbettung von Glas oder Rückseite löst. Rückseitenfolie und Randversiegelung werden hier am stärksten gefordert.

Die Feuchte-Frost-Prüfung verbindet beides: In zehn Zyklen wechselt das Modul von 85 °C bei 85 % Luftfeuchte auf -40 °C. Eingedrungenes Wasser gefriert und dehnt sich aus. Hält der Verbund das aus, ist er dicht genug. Hinzu kommt eine UV-Bestrahlung mit 60 kWh/m² bei 60 °C Modultemperatur, die Kunststoffe auf Vergilbung und Versprödung prüft.

Mechanische Prüfungen: Schnee, Wind und Hagel

Schnee drückt gleichmäßig von oben, Wind drückt und saugt im Wechsel. Die statische Lastprüfung bildet die Dauerlast ab. Das Modul wird in drei Zyklen von vorn und von hinten belastet, je nach Auslegung zum Beispiel mit ±5.400 Pa. Das entspricht rechnerisch rund 550 Kilogramm pro Quadratmeter. Welche Last ein Modultyp geprüft trägt, steht im Datenblatt, getrennt für Vorder- und Rückseite.

Die zyklische Lastprüfung bildet Windböen ab: 1.000 Wechsel mit ±1.000 Pa. Sie deckt feine Risse in den Zellen auf, die bei einer einmaligen Belastung nicht entstehen. Diese Prüfung ist mit der zweiten Ausgabe der Norm in die Bauartprüfung aufgenommen worden. Die geprüfte Last gilt nur für die Befestigung, die der Hersteller vorgibt. Werden die Klemmen an anderer Stelle gesetzt, trägt das Modul weniger. Wie sich Windlasten auf dem Flachdach auswirken, erklärt der Beitrag zur Ballastierung.

Beim Hageltest werden Eiskugeln mit 25 mm Durchmesser und 23 m/s auf das Modul geschossen. Das sind rund 83 km/h. In Regionen mit schwerem Hagel reicht das nicht immer. Das Fraunhofer ISE prüft deshalb auch mit Eiskugeln von 35 und 45 mm. Wer in einer Hagelregion wohnt, sollte im Datenblatt nach der größeren Prüfklasse suchen und die Anlage in der Photovoltaik-Versicherung gegen Hagel absichern.

Elektrische Prüfungen

In einer Anlage sind viele Module in Reihe geschaltet. Zwischen den Zellen und dem geerdeten Rahmen liegt dadurch eine hohe Spannung an. Sie kann Ladungsträger durch Glas und Einbettung wandern lassen und die Leistung schleichend senken. Dieser Effekt heißt potenzialinduzierte Degradation, kurz PID. Geprüft wird bei 85 °C und 85 % Luftfeuchte unter angelegter Spannung. Die Prüfung gehört seit der zweiten Ausgabe zur Norm.

Die Hot-Spot-Prüfung stellt eine Teilverschattung nach. Wird eine einzelne Zelle abgedeckt, während die übrigen Strom liefern, kann sie sich stark erhitzen. Die Prüfung zeigt, ob Zellen und Bypass-Dioden das aushalten. Warum schon ein kleiner Schatten viel ausmacht, erklärt der Beitrag zur Verschattung der PV-Anlage.

Die Isolationsprüfungen gehören zur Sicherheit. Sie zeigen, ob das Modul trocken und unter Nässe ausreichend gegen den Rahmen isoliert ist. Zum Programm des Fraunhofer ISE gehört außerdem eine Prüfung auf Degradation durch Licht bei erhöhter Temperatur. Vor und nach den Belastungen wird die Leistung des Moduls gemessen, die Grundlage für die Angabe in Kilowattpeak.

Was die Prüfung nicht aussagt

Ein bestandener Belastungstest ist ein Mindeststandard und kein Qualitätssiegel. Das National Renewable Energy Laboratory hat die Grenzen deutlich benannt. Die Prüfung soll Konstruktionsfehler sowie Material- und Fertigungsprobleme finden, die zu frühen Ausfällen führen. Sie ist nicht dafür gemacht, Verschleiß zu erkennen und zu beziffern, Ausfallmechanismen für alle Klimazonen abzudecken oder Produkte mit kurzer und langer Lebensdauer zu unterscheiden.

Deshalb prüfen viele Hersteller und Prüflabore über die Norm hinaus, mit mehr Zyklen, längeren Zeiten oder größeren Hagelkörnern. Für den Kauf heißt das: Das Zertifikat ist die Eintrittskarte. Den Unterschied machen Herstellergarantie, Erfahrungen aus dem Betrieb und die fachgerechte Montage, zu der auch eine ausreichende Hinterlüftung gehört.

Praxis: Geprüfte Module im Datenblatt erkennen

Die Prüfergebnisse stehen im Datenblatt, meist unter "Zertifikate" und "Mechanische Daten". Mit wenigen Blicken lässt sich klären, ob ein angebotenes Modul zum eigenen Dach passt.

• IEC 61215 und IEC 61730 sind beide genannt
• Die Prüfstelle, die das Zertifikat ausgestellt hat, ist angegeben
• Das Zertifikat gilt für genau den angebotenen Modultyp
• Die geprüfte Last in Pascal passt zur Schneelast am Standort
• In Hagelregionen: Prüfung mit Eiskugeln über 25 mm
• PID-Prüfung ist ausgewiesen
• Die Montage folgt den Klemmbereichen des Herstellers

Bei der Schneelast hilft eine Faustrechnung: 1.000 Pa entsprechen rund 100 Kilogramm pro Quadratmeter. Ein Modul, das mit 5.400 Pa geprüft ist, trägt rechnerisch etwa 550 Kilogramm pro Quadratmeter. Ob das am Standort reicht, klärt der Fachbetrieb anhand der Schneelastzone. Je flacher der Neigungswinkel, desto länger bleibt Schnee liegen.

Nach einem schweren Hagel oder Sturm lohnt eine Kontrolle, auch wenn das Glas heil aussieht. Feine Zellrisse sind mit bloßem Auge nicht zu erkennen und zeigen sich erst später im Ertrag. Was zur regelmäßigen Kontrolle gehört, beschreibt der Beitrag zur Wartung der Solaranlage. Eine Übersicht hiesiger Hersteller bietet der Beitrag zu deutschen PV-Modulen.

Häufige Fragen zum Belastungstest

Fazit

Belastungstests zeigen, ob ein Modultyp Hitze, Frost, Feuchte, Schnee, Wind und Hagel übersteht. IEC 61215 prüft die Eignung der Bauart, IEC 61730 die Sicherheit. Die Prüfwerte sind hart: 200 Temperaturwechsel, 1.000 Stunden feuchte Hitze, Lasten von mehreren Tausend Pascal und Hagel mit 83 km/h.

Das Zertifikat ist ein Mindeststandard. Es schützt vor frühen Ausfällen, sagt aber nichts über die Lebensdauer. Achten Sie im Datenblatt auf beide Normen und auf eine geprüfte Last, die zu Ihrem Standort passt. Weitere Fachbegriffe erklärt das Photovoltaik-Lexikon, die passende Anlagengröße ermitteln Sie mit dem Photovoltaik-Konfigurator.

Quellen und Methodik

Die Prüfwerte stammen von der Seite des akkreditierten Prüflabors TestLab PV Modules am Fraunhofer ISE, die Angaben zu Geltungsbereich und Ziel der Normen aus den Kurzbeschreibungen der International Electrotechnical Commission. Die Hagelgeschwindigkeit und die Grenzen der Prüfung stammen aus einer Veröffentlichung des National Renewable Energy Laboratory. Die Normtexte selbst sind kostenpflichtig und wurden nicht eingesehen. Die Umrechnungen von Pascal in Kilogramm pro Quadratmeter, von Metern pro Sekunde in Kilometer pro Stunde und von Stunden in Tage sind eigene Berechnungen. Angaben zu Wirkungsgraden, Marktanteilen und einzelnen Herstellern enthält der Beitrag bewusst nicht, weil sie sich schnell ändern.

1. Fraunhofer ISE, TestLab PV Modules: Prüf- und Messverfahren (Prüfwerte für Klima, Mechanik, Hagel, UV und PID)
2. International Electrotechnical Commission: IEC 61215-2, Terrestrische Photovoltaik-Module, Bauarteignung und Bauartzulassung, Teil 2: Prüfverfahren
3. John Wohlgemuth, National Renewable Energy Laboratory: IEC 61215, What it is and isn't
4. International Electrotechnical Commission: IEC 61730-1, Sicherheitsqualifikation von Photovoltaik-Modulen, Teil 1: Anforderungen an die Konstruktion