Wie beeinflussen Modulaufbau und -größe die Zuverlässigkeit von PV-Systemen im Winter?

In vielen Regionen Europas treten im Winter zunehmend häufige Starkschneefälle und anhaltend niedrige Temperaturen auf. Der Betrieb von PV-Systemen unter komplexen winterlichen Bedingungen ist dadurch deutlich verbreiteter geworden. Im Gegensatz zu den gut sichtbaren Risiken bei hoher Einstrahlung im Sommer bleiben winterbedingte Belastungen oft zunächst unauffällig, verändern jedoch durch Schneeauflage, niedrige Temperaturen und wiederholte Frost-Tau-Zyklen kontinuierlich die Belastungssituation im Betrieb.

Mit der zunehmenden Verbreitung leistungsstarker und großformatiger Module werden diese Effekte verstärkt, da Unterschiede in Modulaufbau und Montagesystemen unter Winterbedingungen deutlicher hervortreten und die langfristige Systemzuverlässigkeit beeinflussen.

Inhaltsverzeichnis

• Welche Herausforderungen stehen PV-Systeme unter extremen Winterbedingungen gegenüber?
• Wie beeinflusst der Modulaufbau die Schneelastbeständigkeit?
• Warum treten bei großformatigen Modulen im Winter häufiger Probleme auf?
• Wie lassen sich winterbedingte Betriebsrisiken von PV-Systemen reduzieren?

1. Welche Herausforderungen stehen PV-Systeme unter extremen Winterbedingungen gegenüber?

Unter extremen Winterbedingungen resultieren die Belastungen für Photovoltaiksysteme nicht aus einem einzelnen Faktor, sondern aus der Überlagerung mehrerer Umwelteinflüsse, die gemeinsam den Betriebszustand beeinflussen.

Im praktischen Betrieb konzentrieren sich die winterlichen Herausforderungen vor allem auf folgende Aspekte:

1.1 Anhaltende Schneelast

Die Wirkung von Schnee beschränkt sich nicht auf die Verschattung der Einstrahlung, sondern liegt vor allem in der dauerhaft wirkenden Gewichtslast. Im Gegensatz zu Windlasten oder kurzzeitigen Einwirkungen verbleibt Schneelast häufig über längere Zeit auf der Moduloberfläche und versetzt Module sowie Unterkonstruktionen in einen kontinuierlichen Belastungszustand.

Diese dauerhafte Beanspruchung reagiert besonders sensibel auf Modulgröße, Lastpfade und die Auslegung der Befestigung.

1.2 Ungleichmäßige Schneeverteilung und Lastunterschiede

In realen Anwendungen bedeckt Schnee Modulflächen nur selten gleichmäßig. Dachneigung, Windverhältnisse, Verschattungen und die Modul­anordnung führen zu unterschiedlichen Schneehöhen.

Die daraus resultierende ungleichmäßige Lastverteilung begünstigt lokale Verformungen oder Spannungs­konzentrationen und ist visuell oft nur schwer erkennbar.

1.3 Wiederholtes Schmelzen und Wiedergefrieren

Winterbedingungen sind nicht durch konstant niedrige Temperaturen gekennzeichnet. Das wiederholte Schmelzen am Tag und Gefrieren in der Nacht verändert fortlaufend die Belastungssituation auf der Moduloberfläche.

Diese zyklischen Prozesse können bestehende strukturelle Unterschiede verstärken und führen zu dauerhaft wechselnden mechanischen Spannungen im System.

1.4 Einfluss niedriger Temperaturen auf Materialien und Verbindungen

Bei niedrigen Temperaturen ändern sich die mechanischen Eigenschaften und das Verformungsverhalten unterschiedlicher Materialien. Module, Rahmen und Verbindungselemente unterliegen fortlaufenden Anpassungen durch thermische Ausdehnung und Kontraktion.

In Kombination mit Schneelasten kann dies die Gesamtstabilität des Systems zusätzlich beeinflussen.

1.5 Verzögerte Risikowahrnehmung

Diese Effekte führen in der Regel nicht unmittelbar nach einem einzelnen Extremereignis zu sichtbaren Schäden.

Vielmehr akkumulieren sie sich über mehrere Winterperioden hinweg und treten erst im Langzeitbetrieb als Zuverlässigkeitsprobleme auf Systemebene zutage.

2. Wie beeinflusst der Modulaufbau die Schneelastbeständigkeit?

2.1 Lastübertragungswege von Schneelasten im Modulaufbau

Unter Winterbedingungen verbleibt die durch Schnee erzeugte Last nicht ausschließlich auf der Moduloberfläche, sondern wird entlang definierter struktureller Lastpfade nach unten weitergeleitet. Dieser Übertragungsprozess entscheidet darüber, ob Schneelasten gleichmäßig verteilt oder lokal verstärkt werden.

Typischerweise verläuft die Lastübertragung wie folgt:

• Die Glasoberfläche des Moduls nimmt den initialen vertikalen Druck auf
• Die Last wird über den Laminataufbau an den Rahmen weitergeleitet
• Der Rahmen überträgt die Last auf Befestigungspunkte und Unterkonstruktion

Sind diese Lastpfade durchgängig und die Kraftverhältnisse klar definiert, lassen sich Schneelasten auf mehrere Strukturelemente verteilen. Bestehen hingegen strukturelle Schwachstellen oder Unterbrechungen im Lastpfad, können sich Lasten lokal konzentrieren und das Risiko von Verformungen oder langfristiger Ermüdung erhöhen.

2.2 Einfluss von Rahmen und Steifigkeitsverteilung auf die Verformungsbeständigkeit

Ob ein Modul unter anhaltender Schneelast irreversible Verformungen aufweist, hängt im Wesentlichen von der durch das Rahmensystem bereitgestellten Biegesteifigkeit und deren Verteilung über die Modulfläche ab.

Der Rahmen dient dabei nicht nur der Kapselung und dem Schutz, sondern seine Querschnittsgeometrie, Ausrichtung und das Zusammenwirken mit den Glasschichten bestimmen maßgeblich, wie effektiv die strukturelle Steifigkeit unter Schneelast wirksam wird.

Bei Belastung durch Schnee gilt:

• Gleichmäßig verteilte Steifigkeit begünstigt eine gleichmäßige Lastaufnahme
• Bereiche mit abrupten Steifigkeitsänderungen oder unzureichender lokaler Biegesteifigkeit werden leichter zu Ausgangspunkten von Verformungen

Solche strukturellen Unterschiede können lokale Verformungen fördern und die Stabilität interner Modulstrukturen sowie von Verbindungselementen beeinträchtigen.

2.3 Anordnung der Befestigungspunkte bestimmt die Lastverteilung

Unter Schneelast wird die gleichmäßig verteilte Flächenlast nicht vom Modul als Ganzes „gleichmäßig aufgenommen“, sondern über die Befestigungspunkte in diskrete Auflagerreaktionen überführt. Anzahl, Position und Abstand der Befestigungspunkte bestimmen daher unmittelbar die Lastverteilung im System.

Aus ingenieurtechnischer Sicht lässt sich die vertikale Gesamtschneelast eines Moduls näherungsweise ausdrücken als:

Schneelast ≈ Schneelastintensität × Modulfläche (F ≈ q × A)

Im realen Betrieb verstärken sich Unterschiede in der Befestigungskonfiguration häufig während der Belastung. Mit zunehmendem Abstand der Befestigungspunkte vergrößert sich die effektive Spannweite des Moduls, wodurch sich Biegemomentenspitzen bevorzugt im Modulmittelbereich konzentrieren.

Bei ungleichmäßiger Schneeverteilung werden diese Effekte weiter verstärkt: Lastunterschiede zwischen den Befestigungspunkten nehmen zu, lokale Bereiche erreichen früher hohe Spannungsniveaus. Wird die Winterbelastung in der Auslegung nicht ausreichend berücksichtigt, steigt selbst bei identischer Schneelastintensität die strukturelle Sensitivität gegenüber ungleichmäßiger Schneebelastung deutlich.

3. Warum zeigen großformatige Module im Winter häufiger Probleme?

Nachdem klar ist, wie Modulaufbau und Befestigung die Schneelastbeständigkeit beeinflussen, entscheidet vor allem die Modulgröße darüber, ob sich diese strukturellen Unterschiede tatsächlich verstärken.

Mit der Ausweitung der Modulleistungsbereiche auf 410–800 W haben sowohl Abmessungen als auch das Einzelgewicht deutlich zugenommen. Diese Entwicklung stellt inzwischen eine relevante strukturelle Einflussgröße in der Auslegung von PV-Systemen dar. Unter extremen Winterbedingungen entstehen dadurch keine neuen Problemtypen, vielmehr werden bestehende strukturelle Sensitivitäten früher und deutlicher sichtbar.

Am Beispiel heute verbreiteter bifazialer TOPCon-glas-glas-solarmodule zeigt sich dieser Effekt besonders klar. Leistungsstärkere Varianten weisen in der Praxis häufig Längen von nahe oder über 2 m, Breiten von rund 1,3 m sowie ein um etwa 25–35 % höheres Einzelgewicht gegenüber früheren 410–450 W-Modulen auf. Wirken im Winter Schneelast, Eigengewicht und Auflagerreaktionen gleichzeitig, unterscheidet sich die Beanspruchung von Rahmen, Befestigungspunkten und Unterkonstruktion grundlegend von der kleinerer Module.

Um zu verdeutlichen, ab welchem Punkt Größe zum verstärkenden Faktor wird, lassen sich gängige Module anhand von Geometrie und Gewicht in drei technische Größenklassen einteilen:

• ca. 1,7 m, 20–25 kg (z. B. 410–450 W):
  Klassische mittlere Modulgrößen mit kurzen Lastpfaden und hoher Toleranz gegenüber Montageabweichungen und struktureller Ungleichmäßigkeit. Winterrisiken wirken sich hier überwiegend auf den Ertrag aus.
• ca. 2,2 m, 30–36 kg (z. B. 550–650 W):
  Mit zunehmender Länge und Masse vergrößert sich die effektive Spannweite zwischen Befestigungspunkten. Mittendurchbiegung und lokale Lastunterschiede treten stärker hervor, die Sensitivität gegenüber Strukturabstimmung und Montagegenauigkeit steigt deutlich.
• über ca. 2,35 m, nahe 40 kg (z. B. ≥ 700 W):
  In diesem Bereich müssen Lasten über deutlich längere Pfade übertragen werden. Bei ungleichmäßiger Schneeverteilung oder lokaler Anhäufung kommt es schneller zu Lastverstärkungen im Modulzentrum und im Bereich der Befestigungen, sodass strukturelle Sensitivitäten bereits früh im Winterbetrieb sichtbar werden.

Dass großformatige Module im Winter häufiger „Probleme zeigen“, liegt daher nicht an der höheren Leistung, sondern an der kombinierten Zunahme von Größe und Gewicht. Diese reduziert die Toleranz des Systems gegenüber Strukturabweichungen, Montageungenauigkeiten und ungleichmäßiger Belastung. Werden weiterhin Annahmen verwendet, die für kleinere Module entwickelt wurden, verstärken sich diese Unterschiede im Winterbetrieb besonders früh.

3.1 Wie müssen ingenieurtechnische Annahmen angepasst werden, wenn großformatige Module zum Standard werden?

Mit dem Übergang in neue Größen- und Gewichtsklassen reichen die bisherigen, auf kleine und mittlere Module ausgelegten Annahmen zur Beschreibung des Lastverhaltens nicht mehr aus. Bleibt die Auslegungslogik unverändert, treten strukturelle Sensitivitäten im Winter früher zutage, ohne dass tatsächlich eine Überlast vorliegt.

Aus technischer Sicht führen großformatige Module keine neuen Risikokategorien ein, sondern verschärfen bestehende Anforderungen. Entscheidend sind dabei insbesondere drei Punkte: die effektive Spannweite, die kombinierte Bemessungsbasis aus Eigengewicht und Schneelast sowie die zulässige Toleranz gegenüber Montageabweichungen.

Werden diese Annahmen nicht angepasst, wirken winterliche Bedingungen als Verstärker struktureller Unterschiede und lassen Stabilitätsprobleme im Betrieb früher sichtbar werden.

4. Wie lassen sich winterbedingte Betriebsrisiken von PV-Systemen reduzieren?

Unter extremen Winterbedingungen hängt die Zuverlässigkeit von PV-Systemen nicht von einem einzelnen Parameter ab, sondern von der abgestimmten Kombination aus Modulauswahl, strukturellem Design und Montagequalität. Eine frühzeitige Bewertung der relevanten Einflussgrößen ist in der Regel wirksamer und wirtschaftlicher als nachträgliche Korrekturen im Betrieb.

4.1 Modulabmessungen in der Auswahlphase als strukturellen Parameter berücksichtigen

Bei Leistungsbereichen von 410–800 W sind Modulabmessungen nicht mehr nur ein Thema für Transport oder Montage, sondern ein wesentlicher Faktor für die statische Auslegung.

Unter winterlichen Bedingungen sollte insbesondere geprüft werden:

• Abstimmung von Modul­länge, -breite und Befestigungsabständen
• Auswirkungen der Kombination aus Eigengewicht und Schneelast auf Rahmen und Unterkonstruktion
• Vorhandensein spezifischer Auslegungshinweise oder Praxiserfahrungen für großformatige Module

Konstruktionskonzepte, die für kleinere Module entwickelt wurden, sollten nicht unverändert übernommen werden.

4.2 Spannweitensensitivität in Struktur- und Befestigungskonzepten reduzieren

Unter Schneelast treten strukturelle Risiken bevorzugt in Bereichen mit großer effektiver Spannweite auf. In der Entwurfsphase lassen sich diese Sensitivitäten reduzieren durch:

• Optimierung von Anzahl und Position der Befestigungspunkte zur Begrenzung der Spannweite
• Anpassung der Steifigkeit der Unterkonstruktion an die jeweilige Modulgröße
• Vermeidung zu starrer Strukturlayouts in Zonen mit ungleichmäßiger Schneeverteilung

Ziel ist nicht eine maximale Sicherheitsreserve, sondern eine gleichmäßige Lastverteilung und -weiterleitung.

4.3 Montagegenauigkeit konsequent kontrollieren

Bei großformatigen Modulen wirken sich bereits geringe Montageabweichungen im Winter stärker aus. Daher ist die Qualitätssicherung während der Installation entscheidend:

• Einhaltung der vorgesehenen Position, Ebenheit und Symmetrie der Befestigungspunkte
• Vermeidung zusätzlicher lokaler Spannungen durch Montagefehler
• Frühzeitige Bewertung von Schneeansammlungen und Gleitpfaden auf komplexen Dachflächen oder Randbereichen

Die Montagequalität ist ein integraler Bestandteil der winterlichen Systemzuverlässigkeit.

4.4 Den Fokus von Normerfüllung auf langfristige Stabilität verlagern

In extremen Winterumgebungen stellt die Einhaltung von Normen lediglich die Mindestanforderung dar. Für Systeme mit leistungsstarken, großformatigen Modulen sind weitergehende Kriterien entscheidend:

• Ausreichende Stabilitätsreserven über mehrere Winterzyklen hinweg
• Keine dauerhaften Pfade für Spannungs­konzentration oder Ermüdung
• Kontrollierbares strukturelles Verhalten auch bei ungleichmäßiger Belastung

Der Wechsel von einer kurzfristigen Tragfähigkeitsbetrachtung hin zur langfristigen Betriebsstabilität ist häufig der Schlüssel zur Risikoreduzierung.

Winterbedingte Betriebsrisiken entstehen aus dem Zusammenspiel von Struktur, Modulgröße und Umwelteinflüssen. Werden diese Faktoren bereits bei Modulauswahl, Konstruktion und Montage gezielt berücksichtigt, lässt sich die Zuverlässigkeit von PV-Systemen unter extremen Winterbedingungen deutlich erhöhen und langfristig absichern.

Maysun Solar bietet Solarmodule für den europäischen Markt auf Basis vonIBC Technologie, TOPCon Technologie und HJT Technologie und deckt unterschiedliche Größenklassen und Anwendungen ab. Der Schwerpunkt liegt auf struktureller Kompatibilität, Montagebedingungen und langfristiger Betriebsstabilität zur ausgewogenen Abstimmung von Leistung, Konstruktion und Systemzuverlässigkeit.

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