Photovoltaik-Großkraftwerke gelten als Rückgrat der Energiewende. Tausende oder sogar Zehntausende Solarmodule liefern täglich Strom aus Sonnenenergie. Doch je größer eine Anlage wird, desto schwieriger wird ihre Überwachung. Viele Fehler entstehen direkt an einzelnen Modulen und bleiben oft lange unentdeckt. Die Folge sind sinkende Erträge, höhere Wartungskosten und schlimmstenfalls ein deutlicher Leistungsverlust der gesamten Anlage.
Photovoltaik Sensorsystem erkennt Fehler in Solarkraftwerken frühzeitig
Ein neues Photovoltaik Sensorsystem, das im Projekt ZeroDefect4PV entwickelt wird, soll dieses Problem lösen. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF arbeiten gemeinsam mit internationalen Partnern an einer Technologie, die jedes einzelne Solarmodul überwachen kann. Damit lassen sich Defekte, Verschmutzungen oder ungewöhnliche Leistungsverluste deutlich früher erkennen als bisher.
Für Betreiber großer Solarparks ist das ein wichtiger Schritt. Denn bisherige Überwachungssysteme liefern meist nur Informationen über ganze Modulreihen oder den Wechselrichter. Was an einem einzelnen Solarmodul passiert, bleibt oft verborgen.
- Fehler entstehen häufig direkt an einzelnen Solarmodulen.
- Schon ein defektes Modul kann den Ertrag eines kompletten Strings reduzieren.
- Herkömmliche Systeme erkennen viele Defekte erst spät.
- Das neue Photovoltaik Sensorsystem überwacht jedes Modul einzeln.
- Dadurch lassen sich Ausfälle und wirtschaftliche Verluste vermeiden.
Warum einzelne Solarmodule den gesamten Ertrag beeinflussen
In großen Photovoltaikanlagen werden mehrere Solarmodule hintereinander verschaltet. Diese Reihen nennt man Strings. Fällt ein einzelnes Modul in einem String teilweise oder vollständig aus, sinkt die Leistung der gesamten Reihe.
Ein Beispiel aus der Praxis: Wenn in einer Reihe von 20 Modulen ein einziges Modul deutlich weniger Strom liefert, wirkt sich das auf alle anderen Module aus. Der komplette String arbeitet dann unterhalb seiner eigentlichen Leistung. Für Betreiber eines Solarparks bedeutet das weniger erzeugten Strom und geringere Einnahmen.
Besonders problematisch sind Fehler, die zunächst unauffällig erscheinen. Dazu gehören:
- Verschmutzungen durch Staub, Blätter oder Vogelkot
- Teilweise Verschattung durch Bäume, Masten oder Gebäude
- Defekte Bypassdioden
- Kleine Zellrisse im Solarmodul
- Alterungserscheinungen der Modulfolie
- Elektrische Kontaktprobleme
Viele dieser Probleme entwickeln sich schleichend. Ein Betreiber bemerkt oft erst Monate später, dass der Ertrag sinkt.
Welche Schwächen bisherige Überwachungssysteme haben
Heute werden die meisten Photovoltaik-Großanlagen auf Stringebene oder Wechselrichterebene überwacht. Der Wechselrichter sammelt die Daten mehrerer Modulreihen und meldet die Gesamtleistung.
Das klingt zunächst sinnvoll, hat aber einen entscheidenden Nachteil: Einzelne Modulfehler verschwinden in der Gesamtbetrachtung. Solange der String insgesamt noch Strom liefert, erkennt das System oft keinen Fehler.
Warum Wechselrichterdaten oft nicht ausreichen
Der Wechselrichter misst nur den Gesamtstrom und die Gesamtspannung eines Strings. Wenn ein einzelnes Modul schwächelt, fällt das in der Summe oft kaum auf. Erst wenn mehrere Module betroffen sind oder der Fehler sehr groß wird, erscheint eine Störung.
Dadurch bleiben zahlreiche Fehler unentdeckt, zum Beispiel:
- Langsame Leistungsverluste
- Unregelmäßige Erwärmung einzelner Module
- Schleichende Materialschäden
- Frühe Alterung bestimmter Module
Grenzen von Drohnen und Thermografie
Viele Betreiber setzen inzwischen auf Drohnen mit Wärmebildkameras. Diese erkennen sogenannte Hotspots. Dabei handelt es sich um ungewöhnlich heiße Bereiche auf einem Solarmodul.
Auch stationäre Kameras oder Infrarot-Thermografie kommen zum Einsatz. Diese Methoden sind hilfreich, haben aber klare Grenzen:
- Sie liefern nur Momentaufnahmen.
- Sie funktionieren nicht bei jedem Wetter.
- Sie erkennen nur sichtbare oder thermische Schäden.
- Elektrische Fehler bleiben oft verborgen.
- Die gesamte Anlage muss regelmäßig abgeflogen werden.
Wenn beispielsweise eine Bypassdiode beschädigt ist oder ein Kontaktproblem im Kabel vorliegt, reicht eine Wärmebildkamera häufig nicht aus.
Ein Solarpark verliert über mehrere Monate etwa 8 Prozent Ertrag. Die Thermografie zeigt keine Auffälligkeiten. Erst eine genauere Untersuchung ergibt, dass mehrere Bypassdioden in unterschiedlichen Modulen defekt sind. Mit einer Modulüberwachung wären diese Fehler schon deutlich früher entdeckt worden.
Wie das neue Photovoltaik Sensorsystem funktioniert
Das neue Photovoltaik Sensorsystem setzt direkt am einzelnen Solarmodul an. Auf der Rückseite jedes Moduls wird eine kleine Datenerfassungseinheit montiert. Diese Sensoren messen wichtige Werte kontinuierlich und senden die Daten an eine zentrale Plattform.
Zu den erfassten Daten gehören:
- Gleichspannung des einzelnen Moduls
- Gleichstrom des einzelnen Moduls
- Temperatur des Moduls
- Zeitliche Veränderungen der Messwerte
- Wetterdaten wie Sonneneinstrahlung
Dadurch entsteht ein detailliertes Bild des Zustands jedes einzelnen Moduls.
Welche Daten die Sensoren erfassen
Die Temperatur eines Moduls ist ein wichtiger Hinweis auf mögliche Schäden. Wenn ein Modul plötzlich deutlich wärmer wird als die anderen, kann das auf einen Defekt oder eine erhöhte Belastung hinweisen.
Ebenso wichtig sind Strom und Spannung. Weicht ein Modul von den typischen Werten ab, erkennt das System sofort, dass etwas nicht stimmt.
Die Sonneneinstrahlung wird zusätzlich über eine Wetterstation erfasst. So kann das System unterscheiden, ob ein Leistungsabfall durch schlechtes Wetter oder durch einen technischen Fehler verursacht wird.
Kommunikation über Funknetzwerke
Die Sensoren sind miteinander vernetzt. Sie arbeiten in einer sogenannten Master-Slave-Architektur. Das bedeutet: Mehrere Sensoren sammeln Daten und senden sie an einen übergeordneten Knotenpunkt.
Für die Kommunikation nutzt das System zwei Technologien:
- ESP-NOW für die schnelle Datenübertragung innerhalb des Sensornetzes
- LoRaWAN für die energieeffiziente Funkverbindung über größere Entfernungen
LoRaWAN steht für Long Range Wide Area Network. Dabei handelt es sich um ein stromsparendes Funknetz, das speziell für Sensoren und große Entfernungen entwickelt wurde.
Die Daten gelangen schließlich über Gateways in eine zentrale Leitwarte. Dort werden sie gespeichert, ausgewertet und visualisiert.
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KI erkennt Fehler und lokalisiert die Ursache
Der entscheidende Unterschied des neuen Systems liegt in der Kombination aus Sensorik und künstlicher Intelligenz. Die KI analysiert die Messwerte aller Module und erkennt Muster, die auf bestimmte Fehler hindeuten.
Das System meldet also nicht nur, dass ein Problem vorliegt. Es kann auch angeben, welches Modul betroffen ist und welche Ursache wahrscheinlich vorliegt.
Welche Fehler die KI erkennen kann
Die Entwickler trainieren die künstliche Intelligenz gezielt mit verschiedenen Fehlerszenarien. Dazu gehören:
- Hotspots
- Zellrisse
- Delamination
- Defekte Bypassdioden
- Kabelprobleme
- Erdschlüsse
- Verschattung
- Verschmutzung
- Schnee auf Modulen
- Ungewöhnliche Alterung
- Mismatch-Effekte zwischen verschiedenen Modulen
Mismatch-Effekte entstehen, wenn einzelne Module unterschiedlich stark arbeiten. Das kann etwa passieren, wenn einige Module stärker verschmutzt oder älter sind als andere.
Warum künstliche Intelligenz hier sinnvoll ist
Ein Mensch könnte die enorme Menge an Messdaten aus einem Solarpark kaum vollständig auswerten. Bei Tausenden Modulen entstehen täglich Millionen Datenpunkte.
Die KI erkennt typische Muster automatisch. Wenn sich ein Modul ungewöhnlich verhält, erhält die Leitwarte sofort eine Warnung. Gleichzeitig liefert das System eine Handlungsempfehlung.
Beispiele für solche Empfehlungen:
- Modul reinigen
- Defektes Modul austauschen
- Bypassdiode prüfen
- Verkabelung kontrollieren
- Verschattung beseitigen
- Frühzeitige Warnung vor Defekten
- Genaue Lokalisierung des betroffenen Moduls
- Weniger ungeplante Ausfälle
- Schnellere Wartung
- Höhere Stromerträge
- Geringere Betriebskosten
Was das Projekt ZeroDefect4PV besonders macht
Das Projekt ZeroDefect4PV läuft von Februar 2024 bis April 2026. Ziel ist die Entwicklung eines Systems, das Solarkraftwerke dauerhaft effizienter und zuverlässiger macht.
Mehrere internationale Partner arbeiten gemeinsam an der Lösung:
- Fraunhofer IFF aus Deutschland entwickelt die KI-Algorithmen.
- INELSO Innovative Electrical Solutions aus der Türkei entwickelt die Sensoren.
- BEIA Consult International aus Rumänien übernimmt die Koordination und testet die Datenmodelle.
Das Projekt wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen von ERA-Net Smart Energy Systems gefördert.
Testläufe in Deutschland, Rumänien und der Türkei
Derzeit laufen erste Tests an einer Pilotanlage des Fraunhofer IFF. Dort untersuchen die Forschenden gezielt verschiedene Fehlerzustände.
Unter anderem werden Module absichtlich verschattet oder verschmutzt. Anschließend prüft die KI, ob sie die Ursache richtig erkennt.
Weitere Tests finden in der Türkei statt. Dort wird das System in einem echten Photovoltaik-Feld unter realen Bedingungen geprüft.
In Rumänien analysieren die Projektpartner Daten von SolarEdge-Wechselrichtern, um die KI weiter zu verbessern.
Warum die neue Technik wirtschaftlich interessant ist
Für Betreiber großer Solarparks zählt jede Kilowattstunde. Schon kleine Leistungsverluste können über das Jahr hinweg hohe Summen kosten.
Ein Beispiel:
Ein Solarpark mit 50 Megawatt Leistung verliert durch unentdeckte Modulfehler nur 2 Prozent seines Ertrags. Das klingt wenig, entspricht aber mehreren Hunderttausend Kilowattstunden pro Jahr.
Bei einem Strompreis von wenigen Cent pro Kilowattstunde summieren sich die Verluste schnell auf zehntausende Euro jährlich.
Mit einer frühzeitigen Fehlererkennung lassen sich diese Verluste vermeiden. Außerdem sinken die Wartungskosten, weil Techniker gezielt nur die betroffenen Module prüfen müssen.
Vorausschauende Wartung statt teurer Notfallreparaturen
Das neue Photovoltaik Sensorsystem ermöglicht eine sogenannte Predictive Maintenance. Auf Deutsch bedeutet das vorausschauende Wartung.
Statt erst auf einen Ausfall zu reagieren, erkennt das System frühzeitig, dass ein Modul in Zukunft wahrscheinlich Probleme verursachen wird.
Dadurch können Betreiber:
- Wartung besser planen
- Ersatzteile rechtzeitig beschaffen
- Stillstände reduzieren
- Kosten senken
Welche rechtlichen und technischen Grenzen es gibt
Auch wenn das neue System viele Vorteile bietet, gibt es Grenzen. Nicht jeder Fehler lässt sich eindeutig erkennen. Manche Defekte entwickeln sich sehr langsam oder verursachen zunächst kaum messbare Veränderungen.
Außerdem müssen Betreiber prüfen, ob sich die Nachrüstung wirtschaftlich lohnt. Bei älteren Anlagen kann der Einbau von Sensoren teuer sein.
Datenschutz und IT-Sicherheit
Da große Mengen an Messdaten übertragen und gespeichert werden, spielt auch die Datensicherheit eine wichtige Rolle. Die Datenplattform muss vor Manipulation und unbefugtem Zugriff geschützt werden.
Für Betreiber kritischer Energieinfrastruktur gelten in Deutschland strenge Vorgaben. Dazu gehören:
- Sichere Datenübertragung
- Verschlüsselte Speicherung
- Zugriffsschutz
- Regelmäßige Sicherheitsupdates
Besonders wichtig ist das bei sehr großen Solarparks, die Teil der öffentlichen Energieversorgung sind.
Rechtliche Einordnung für Betreiber
Eine gesetzliche Pflicht zur Modulüberwachung gibt es bislang nicht. Betreiber sind jedoch verpflichtet, ihre Anlagen sicher und wirtschaftlich zu betreiben.
Wenn bekannte Defekte ignoriert werden und dadurch Schäden entstehen, kann das rechtliche Folgen haben. Dazu zählen:
- Haftungsfragen bei Bränden
- Probleme mit Versicherungen
- Verlust von Garantieansprüchen
- Wirtschaftliche Schäden durch Mindererträge
Ein System zur frühzeitigen Fehlererkennung kann deshalb auch helfen, rechtliche Risiken zu verringern.
- Betreiber großer Solarparks
- Kommunale Energieversorger
- Unternehmen mit Freiflächenanlagen
- Versicherungen
- Wartungsfirmen
- Investoren im Bereich erneuerbare Energien
Welche Bedeutung das System für die Energiewende hat
Jede Kilowattstunde aus Photovoltaik zählt. Wenn Solaranlagen weniger Strom liefern als möglich, muss die fehlende Energie oft durch andere Kraftwerke ausgeglichen werden.
Je stärker Deutschland auf erneuerbare Energien setzt, desto wichtiger wird die Zuverlässigkeit großer Solarparks. Ein intelligentes Photovoltaik Sensorsystem kann dazu beitragen, bestehende Anlagen effizienter zu betreiben.
Das ist nicht nur wirtschaftlich sinnvoll, sondern auch klimapolitisch relevant. Denn höhere Erträge bedeuten weniger fossile Energie und weniger CO2-Ausstoß.
Zusammenfassung
Das neue Photovoltaik Sensorsystem aus dem Projekt ZeroDefect4PV überwacht Solarmodule erstmals kontinuierlich auf Modulebene. Dadurch lassen sich Fehler, Verschmutzungen und Leistungsverluste deutlich früher erkennen als mit bisherigen Methoden.
Besonders wichtig ist die Kombination aus hochauflösender Sensorik und künstlicher Intelligenz. Das System erkennt nicht nur, dass ein Problem vorliegt, sondern lokalisiert auch die Ursache und gibt konkrete Handlungsempfehlungen.
Für Betreiber großer Photovoltaik-Anlagen bedeutet das höhere Erträge, geringere Kosten und mehr Sicherheit. Gleichzeitig stärkt die Technologie die Energiewende, weil Solarkraftwerke zuverlässiger und effizienter arbeiten können.
Quelle / Infos / Pressemitteilung: https://idw-online.de/de/news868743 und https://www.fraunhofer.de/de/presse/presseinformationen/2026/april-2026/modulbasiertes-sensorsystem-erkennt-fehler-in-photovoltaik-grosskraftwerken-fruehzeitig.html
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Autor und Bild: Chad Gregor Paul Thiele
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