[HTML START]
Hotspots, die durch Teilverschattungen oder Zellbrüche entstehen, reduzieren den Ertrag von Photovoltaikanlagen massiv und können im Extremfall zu Modulbränden führen. Bisherige Lösungen beruhen auf seltenen Drohnen-Thermografie-Flügen, die Lücken im Überwachungszeitplan lassen. Das 2026 entwickelte, batterielose PV-TEG-Sensorsystem löst dieses Problem, indem es kontinuierlich thermische Anomalien erkennt, lokal die Modultemperatur senkt und die Messdaten drahtlos übermittelt – und das alles ohne externe Energiezufuhr.
Warum Hotspots ein kritisches Problem für PV-Anlagen darstellen
Ein verschatteter oder beschädigter Solarzelle kann nicht mehr den Strom seiner Nachbarzellen leiten und gerät in Sperrrichtung. Die folgendermaßen entstehende Joulesche Wärme führt zu:
- Temperaturen von über 80 °C bis >100 °C, was das Risiko von Modulbränden erhöht (Quelle S2).
- Leistungsverlusten von 36 % bis 42 % bei kritischen Teilverschattungen (Quelle S2).
- Langfristigen Schäden wie Delamination von Modulschichten.
Das autarke PV-TEG-Sensorsystem – Funktionsprinzip
Thermoelektrischer Seebeck-Effekt als Sensorsignal
Thermoelektrische Generatoren (TEG) wandeln Temperaturunterschiede zwischen Vorder- und Rückseite eines Moduls in eine Seebeck-Spannung um. Das System nutzt vier hinterseitig montierte TEG-Elemente, die als Messkanäle fungieren.
Vier-Kanal-TEG-Array und 2D-Koordinatenrekonstruktion
Ein punktueller Hotspot erzeugt unterschiedliche Spannungen in den vier Kanälen. Durch mathematische Auswertung der Spannungsverhältnisse wird die Position des Hotspots präzise in zwei Dimensionen rekonstruiert. In Freilandtests auf einem 500 mm × 500 mm-Segment betrug die mittlere Lokalisierungsabweichung 9,93 mm (Jahr 2026, Quelle S1).
Passive Kühlung über Aluminium-Kühlkörper
Der integrierte Kühlkörper leitet die vom Hotspot erzeugte Wärme nach außen, sodass die PV-Oberflächentemperatur punktuell um bis zu 7,7 °C und durchschnittlich um 5,4 °C sinkt – ohne aktive Pumpen oder Lüfter (Jahr 2026, Quelle S1).
Leistungsdaten aus Feldtests 2026
- Lokalisierungsabweichung: 9,93 mm (mm).
- Maximale lokale Temperaturabsenkung: 7,7 °C.
- Mittlere regionale Temperaturabsenkung: 5,4 °C.
- Drahtlose Übertragungen: 45 Aussendungen in 10 h (≈ alle 13 Minuten).
- Spannungsschwelle Superkondensator: Aktivierung bei 4,0 V, Abschaltung bei 2,8 V (Hysterese).
Hotspot-Lokalisierung mit 9,93 mm Genauigkeit
Die Forscher erzeugten kontrollierte Hotspots, indem sie schwarzes Klebeband an drei Positionen anbrachten – ein Verfahren, das künstliche Hotspots simuliert. Trotz dieser Vereinfachung ermöglichte das 4-Kanal-System die Rekonstruktion der tatsächlichen Koordinaten mit einer mittleren Abweichung von nur 9,93 mm.
Passive Kühlung – reale Temperaturreduktion
Simulationen zeigten eine lokale Temperaturabsenkung zwischen 8,15 K und 12,40 K. Im Freilandtest erreichte das System 5,4 °C im Mittel und bis zu 7,7 °C an der Messstelle – ein deutlicher Unterschied zum unbehandelten Referenzmodul.
Energieautarke Kommunikation – 45 Übertragungen in 10 h
“These findings suggest that even relatively small amounts of photovoltaic waste heat can be valuable when converted into sensing capabilities rather than simply additional electricity.” – Jingming Cai, 2026
Hinweis: Die 45 Funkübertragungen wurden im Feldtest von 8 Uhr bis 18 Uhr realisiert.
Der Ausblick auf künftige Tests konzentriert sich auf die Messung von elektrisch induzierten PV-Hotspots und komplexeren Betriebsbedingungen.
Vergleich zu herkömmlichen Drohnen-Thermografie-Inspektionen
Die gängige Praxis setzt ein- bis zweimal jährlich Drohnen-Flüge ein, die nur stichprobenartig thermische Anomalien erfassen. Das autarke PV-TEG-System schließt diese Lücke, indem es kontinuierlich Inline-Monitoring bietet und verhindert, dass Hotspots über Monate unentdeckt bleiben und Modullayer delaminieren oder Bypass-Dioden dauerhaft belasten.
Wirtschaftliche Bewertung und Skalierungspotenzial
Traditionelle Hybrid-PV-TEG-Ansätze scheiterten an hohen Kosten und einem thermoelektrischen Wirkungsgrad von wenigen Prozent. Durch die Umfunktionierung des TEG von einem reinen Stromgenerator zu einem stromlosen, hochpräzisen Sensor wird die Wirtschaftlichkeit deutlich verbessert – die Investition amortisiert sich über vermiedene Brandrisiken und höhere Energieerträge.
- Skalierungsaufwand und Materialkosten: Im Test wurden 4 TEG-Elemente auf einem 0,25 m²-Segment installiert. Die Ausweitung auf Standardmodule (>2 m²) erfordert proportional mehr Material, was Gewicht und Preis erhöhen kann.
- Geringe Energiedichte bei diffuser Einstrahlung: An bewölkten Tagen sinkt die Temperaturdifferenz, sodass die erzeugte Spannung möglicherweise die 4,0 V-Schwelle des Superkondensators nicht rechtzeitig erreicht.
- Künstliche vs. elektrische Hotspots: Im Labor wurden Hotspots mit schwarzem Klebeband simuliert. Reale interne Halbleiter-Durchbrüche können dynamischere und diffusere Wärmebilder erzeugen, was die Lokalisierungsgenauigkeit beeinflussen könnte.
FAQ – Häufig gestellte Fragen
Warum erzeugen Hotspots in Solarmodulen gefährliche Temperaturen?
Wird eine Solarzelle verschattet oder beschädigt, kann sie den Strom der in Reihe geschalteten Nachbarzellen nicht mehr ungehindert leiten und gerät in Sperrrichtung (Reverse Bias). Statt Strom zu erzeugen, verbraucht sie Energie und wandelt diese in intensive Joulesche Wärme um – häufig über 80 °C bis >100 °C.
Wie funktioniert die Lokalisierung mit nur vier TEG-Elementen?
Ein punktueller Hotspot erwärmt die rückseitigen TEGs je nach Abstand unterschiedlich stark. Über den Seebeck-Effekt erzeugt jedes Element eine charakteristische Spannung; das Verhältnis der vier Messkanäle wird über ein mathematisches Kennfeld in 2D-Koordinaten umgerechnet.
Welchen Vorteil bietet passive TEG-Kühlung gegenüber Lüftern oder Wasserkühlung?
Passive Systeme benötigen keine Pumpen, Schläuche oder motorisierten Lüfter, die verschleißen oder Fremdenergie benötigen. Die Wärme wird rein über Wärmeleitung und Konvektion über den Kühlkörper abgeführt.
Fazit
Das autarke PV-TEG-Sensorsystem markiert einen Paradigmenwechsel in der großflächigen Solar-Instandhaltung. Es verbindet präzise Hotspot-Lokalisierung (9,93 mm Fehler), passive Temperaturreduktion (bis zu 7,7 °C) und energieautarke, drahtlose Datenübertragung (45 Aussendungen in 10 h) – alles ohne externe Stromversorgung. Während Skalierung und Umgebungsbedingungen weitere Herausforderungen darstellen, zeigen die Ergebnisse, dass die Integration von thermoelektrischen Elementen als Sensoren ökonomisch sinnvoll ist und die Sicherheit sowie den Ertrag von PV-Anlagen nachhaltig verbessern kann.
[HTML END]
