Der Einfluss der thermischen Ausdehnung auf Photovoltaik-Unterkonstruktionen
Bei der Planung von Photovoltaikanlagen gibt es Faktoren, die den Unterschied für ein langlebiges System ausmachen. Einer davon, der häufig unterschätzt wird, ist die thermische Ausdehnung.
Enstall legt den Fokus auf dieses Phänomen, da dessen richtiges Verständnis und Management entscheidend sind, um die Leistung und Lebensdauer von Solar-Unterkonstruktionen zu gewährleisten.
Was ist thermische Ausdehnung und warum ist sie wichtig?
Die ständige Einwirkung von Temperaturschwankungen und Sonneneinstrahlung führt dazu, dass sich Materialien wie Aluminium und Stahl bei Wärme auf natürliche Weise ausdehnen und bei Kälte zusammenziehen. Wird dieses Verhalten nicht richtig berücksichtigt, können mechanische Spannungen entstehen, die sowohl die Unterkonstruktion als auch die Photovoltaikmodule beeinträchtigen.
Aus diesem Grund definiert Enstall bestimmte technische Daten, die helfen, die von diesem Phänomen betroffenen Bereiche sowie die Möglichkeiten zu dessen Vermeidung besser zu verstehen. So lassen sich langfristige Risiken reduzieren.
Der Hauptunterschied ergibt sich aus dem Material, aus dem die Unterkonstruktion gefertigt ist. Zwischen Aluminium und Stahl unterscheidet sich der Wärmeausdehnungskoeffizient.
Vereinfacht gesagt dehnt sich Aluminium fast doppelt so stark aus wie Stahl, was die Planung der Anlage direkt beeinflusst. Darüber hinaus sind auch die Solarmodule ein wichtiger Faktor, da auch sie temperaturbedingt thermischer Ausdehnung unterliegen.
Thermische Ausdehnung bei Photovoltaikmodulen
Solarmodule sind kein einheitlicher Block, sondern bestehen aus verschiedenen Materialien mit sehr unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhalten, darunter:
- Siliziumzellen: niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient.
- Frontglas: moderate Ausdehnung.
- Aluminiumrahmen: das Element, das sich im Modul am stärksten ausdehnt.
Die thermische Ausdehnung bei Photovoltaikmodulen entsteht durch den Aluminiumrahmen und die Siliziumzellen und erzeugt mechanische Spannungen, da die Zelle externen Kräften wie Löten, Laminieren, Einrahmen und Montage ausgesetzt ist.
Gleichzeitig können Module thermischem Stress ausgesetzt sein, insbesondere wenn sie plötzlich hohen Temperaturen ausgesetzt werden. Außerdem können bei den Zyklen von Kontraktion und Ausdehnung Unterbrechungen der Zellverbinder entstehen, die auf die leitfähigen Bänder wirken und Kurzschlüsse oder offene Stromkreise verursachen können.
Wenn die tragende Unterkonstruktion keine Bewegung zulässt, wird diese Spannung schließlich auf das Laminat übertragen. Dadurch können Mikrorisse entstehen, die die Leistung reduzieren und langfristig Hotspots verursachen. Diese Faktoren gehören zu den häufigsten Ursachen für Schäden an den Solarmodulen einer Anlage.
Wie lassen sich diese Fehler vermeiden?
Um strukturelle Schäden oder Modulbrüche zu vermeiden, ist es zwingend erforderlich, durchgehende Profillinien zu unterbrechen.
Das bedeutet, dass Profile nicht in übermäßig langen, ununterbrochenen Längen installiert werden dürfen. An definierten Punkten müssen Schnitte oder Dehnungsfugen vorgesehen werden, sodass die durchgehenden Abschnitte begrenzt werden. Diese Längen werden anhand des Materials der Unterkonstruktion festgelegt, also Aluminium oder Stahl.
Daher ist es bei der Montage entscheidend, folgende Empfehlungen zu berücksichtigen:
- Einen Mindestabstand von etwa 20 mm einhalten, entsprechend den Mittelklemmen.
- Langlöcher: Bei Stahlkonstruktionen haben die Befestigungspunkte häufig ovale Formen, damit die Schraube im Laufe des Tages „gleiten“ kann.
- Schienenverbinder verwenden, die die mechanische Bewegung zwischen benachbarten Profilen nicht blockieren.
- Die maximalen Längen durchgehender Abschnitte einhalten. Bei Aluminium sollte etwa alle 20 m ein physischer Schnitt erfolgen; bei Stahl können die Abschnitte auf bis zu 40 m erweitert werden.
Enstall-Unterkonstruktionen müssen gemäß diesen Parametern installiert werden. Bei Freilandlösungen und Carports aus Stahl können dank der Verwendung von Langlöchern größere Abstände zwischen den Schnitten erreicht werden. Dieses System ermöglicht es der Schraube, als Führungsachse zu wirken, ohne die Bewegung vollständig einzuschränken, was bei langen Abschnitten erhebliche Vorteile bietet.
Ebenso erleichtert das strukturelle Design die Aufnahme von Bewegungen. Das Profil kann sich linear um einige Millimeter verschieben, wenn sich das Metall durch Wärme ausdehnt oder durch Kälte zusammenzieht. Dadurch werden Schäden an der Unterkonstruktion oder Scherbrüche an den Schrauben vermieden.
In diesem Zusammenhang ist es beim Einhalten der maximalen Längen entscheidend, den Montagespielraum zu berücksichtigen. Bei langen Abschnitten erleichtern Langlöcher die Ausrichtung der Pfetten auf den Auflagern und gleichen kleine Abweichungen aus. So wird verhindert, dass mechanische Spannungen auf die Klemmen und letztlich auf den Rahmen oder das Glas des Photovoltaikmoduls übertragen werden, wodurch das Risiko von Mikrorissen reduziert wird.
Aus diesem Grund ist es grundlegend, die in den Montageanleitungen des Herstellers angegebenen Spezifikationen einzuhalten. Dies gewährleistet nicht nur eine optimale strukturelle Leistung, sondern trägt auch zur Langlebigkeit der Anlage und zur Vermeidung möglicher langfristiger Schäden bei.
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