Photovoltaik    
     
  Was ist Photovoltaik?



Montage einer 5 kW-Anlage
auf dem Dach der Stadtwerke
 
Unter Photovoltaik versteht man die direkte Umwandlung von Sonnenenergie in elektrischen Strom durch Solarzellen. Das Wort Photovoltaik" wurde aus dem griechischen phos Licht und aus Volt zusammengesetzt. Als Abkürzung für Photovoltaik wird ,"PV" verwendet. Oft wird die Photovoltaik noch mit der Solarthermie, also der Warmeerzeugung aus Sonnenlicht über Solarkollektoren verwechselt.

  Wie und wann hat Photovoltaik angefangen?
Der photovoltaiksche Effekt, d.h. die direkte Umwandlung der Sonnenstrahlung in elektrischen Strom, wurde erstmalig von Alexander Bequerel im Jahre 1839 entdeckt. Etwa 50 Jahre später erreichte eine Selenzelle einen Wirkungsgrad von 1 bis 2 %. Der Durchbruch der Photovoltaik gelang aber erst 1955 durch eine in den USA entwickelte Silizium-Solarzelle mit 6 % Wirkungsgrad. Als erste Anwendung wurden Solarzellen zur langlebigen, zuverlässigen Energieversorgung von Satelliten eingebaut. Seit Ende der 70er Jahre wird die Photovoltaik zunehmend zur umweltfreundlichen Energieversorgung auf der Erde eingesetzt.

Wie ist eine Solarzelle aufgebaut?
Die heute in Solarmodulen eingesetzten Solarzellen bestehen aus hochreinem, kristallinem Silizium. Sie sind ca. 0,3 mm dick und haben eine Kantenlänge von 10 bis 15 cm. Für die Umwandlung von Licht in Strom sorgt ein pn-Übergang auf der Oberfläche der Solarzelle. Metallfinger auf der Vorderseite und eine metallisierte Rückseite dienen der Stromzufuhr und -ableitung. Eine 10x10 cm große Solarzelle erzeugt bei strahlendem Sonnenschein eine Leistung von ca. 1,5 W bei einer Spannung von ca. 0,5 V und einem Strom von ca. 3 A. Der Wirkungsgrad von polykristallinen und monokristallinen Solarzellen liegt bei 13 bis 17 %.

Wie ist ein Solarmodul aufgebaut?
Wegen der geringen Spannung werden einzelne Zellen zu größeren Einheiten, sogenannten Solarmodulen zusammengeschaltet. Ein Modul mit 36 in Serie geschalteten Zellen erreicht dann eine Leistung von ca. 50W (17V, 3A). Die Solarzellen sind im Modul zwischen zwei Glasplatten oder einer vorderseitigen Glasplatte und rückseitigen Folie eingebettet. Dadurch wird eine hohe Witterungsbeständigkeit erreicht. Üblicherweise werden Solarmodule mit einem Rahmen aus Aluminium versehen, an dem sie befestigt werden können.

 

Photovoltaik -
Netzeinspeisung

Netzgekoppelte Photovoltaik-Anlagen

Photovoltaikanlagen auf Gebäuden mit Netzanschluß werden üblicherweise als netzgekoppelte Anlagen ausgeführt. Der Gleichstrom der Solarmodule fließt dann über spezielle Gleichstromkabel und uber einen Gleichstromschalter zu einem Netz-Wechselrichter, der den Gleichstrom in netzüblichen Wechselstrom umformt und ins Hausnetz einspeist. Dort kann der Solarstrom sofort verbraucht werden. Der im Hausnetz nicht verbrauchte Strom wird in das öffentliche Netz eingespeist, über einen Einspeisezahler gemessen und vom Energieversorgungsunternehmen (EVU) vergütet. Wird im Haus mehr Strom benötigt, als die PV-Anlage liefern kann, so kommt der noch benötigte Strom vom EVU-Netz und wird wie bisher über den Bezugszähler abgerechnet. Der Solarstrom wird hausintern nicht zwischengespeichert - eine netzgekoppelte PV-Anlage besitzt daher keinen Batteriespeicher. Eine netzgekoppelte PV-Anlage kann ganz unabhängig vom Stromverbrauch im Gebäude dimensioniert werden, da der Solarstromüberschuß iris Netz eingespeist und zusätzlicher Strom vom EVU bezogen wird.

Wie groß sind netzgekoppelte PV-Anlagen und wieviel Strom produzieren sie?
Sinnvolle netzgekoppelte PV-Anlagen haben eine Leistung von mindestens ca. 1 kWp (1000Wp). Nach oben gibt es keine Beschränkung - die derzeit größten PV-Anlagen haben eine Leistung von ca. 1 MWp. Je nach Standort, Ausrichtung der Solarmodule, Qualität der Komponenten und Einstrahlungsbedingungen werden pro kWp installierte Leistung ca. 700 bis 1000 kWh Strom jährlich erzeugt. Eine 3kWp-Anlage von MHH z.B. lieferte in einem Jahr 2900kWh. Dies entspricht etwa dem jährlichen Stromverbrauch eines sparsamen 4-Personen-Haushalts. Netzgekoppelte PV-Anlagen auf Wohnhäusern haben meist eine Leistung zwischen 1 kWp und 5 kWp. Die Solarmodulfläche von solchen Anlage auf dem Dach betragen damit zwischen 10 und 50 m2.

Wie können die Solarmodule befestigt werden?

Die Solarmodule können auf einem Schrägdach entweder als Aufdachmontage oder als Dachintegration befestigt werden. Auf einem Flachdach oder im freien Gelände werden die Module auf einem Flachdach-Gestell angebracht, auf dem sie in einer 30° Neigung angebracht und nach Süden ausgerichtet werden (optimale Ausrichtug). An Fassaden von Büro- oder Verwaltungsgebäuden kann eine fassadenintegrierte PV-Anlage realisiert werden. Optimal der Sonne nachgeführte PV-Generatoren auf einem zweiachsig nachgeführten Gestell bringen übers Jahr ca. 30 % mehr Leistung als feststehende Generatoren.

Was tun , wenn das Dach nicht genau nach Süden ausgerichtet ist?
Bei einer Abweichung von der idealen Südausrichtung um bis zu 45° (d.h. Süd-Ost oder Süd-West) beträgt der Minderertrag bei Dächern bis ca. 45° Neigung maximal 5 %. Die nebenstehende Abbildung zeigt für jede Ausrichtung den Energieertrag in Prozent des Ertags der günstigsten Ausrichtung.
Bild: max. jährliche Einstrahlung 1055 kWh/m²

Welche Vorschriften müssen eingehalten werden?
Damit ein Wechselrichter an das Netz angeschlossen werden darf, muß er über eine vom VDEW zugelassene Uberwachungseinrichtung verfügen, welche beim Abschalten des öffenlichen Stromnetzes dafür sorgt, daß auch der Wechselrichter keinen Solarstrom ins Netz einspeist. Eine solche Einrichtung wird vom Wechselrichterhersteller durch eine Konformitätserklärung bestätigt. Als heutigen Stand der Technik bei PV-Anlagen gelten in Bezug auf den Personen- und Geräteschutz die Bestimmungen des TÜV Rheinland.

Wie groß ist die Energierücklaufzeit bei netzgekoppelten PV-Anlagen?

Die Energierücklaufzeit gibt an wie lange eine PV-Anlage braucht, um die bei ihrer Herstellung aufgewendete Energie zu produzieren. Sie beträgt bei netzgekoppelten PV-Anlagen derzeit bei ca. 4 - 7 Jahren.
Es gibt jedoch auch rahmenlose Module. So entstehen Solarmodule mit einer Lebensdauer bis zu 30 Jahren. Die Leistung eines Solarmoduis wird in Wp = Wpeak = Watt Spitzenleistung angegeben. Durch Reihen- und Paralleischalten der PV-Module können PV-Generatoren mit fast beliebiger Leistung (z.B. 1000 Wp ( 1 kWp), 3 kWp, 5 kWp, 100 kWp, etc.) aufgebaut werden. Die größte bisher in Deutschland errichtete Anlage hat eine Leistung von 1 MWp.

Wieviel Strom produziert ein Solarmodul bei verschiedenen Wetterverhältnissen?
Ein Solarmodul produziert seine in Wp angegebene Leistung, wenn es im optimalen Arbeitspunkt (MPP) betrieben wird und dabei strahlender Sonnenschein (1000 W/m2 Einstrahlung) senkrecht auf das Solarmodul trifft, die Einstrahlung ein Spektrum nach AM 1,5 besitzt (Mittagssonne im Frühsommer bei bestimmten Wetterlagen) und die Solarzellentemperatur 25°C beträgt. Auf festmontierte Solarmodule trifft das Sonnenlicht selten senkrecht auf. Meist fällt das Licht mehr oder weniger schräg auf die Solarmodule. Die Einstrahlung auf das Modul ist dann geringer als bei senkrechtem Lichteinfall und die Leistung des Solarmoduls damit geringer als die angegebene Wp-Leistung. Ein Großteil der im Modul nicht in Strom umgewandelten Sonnenenergie geht in Wärme über und erwärmt die Solarzellen. Bei starker Einstrahlung liegen die Zelltemperaturen zwischen 45 und 60°C Bei diesen Temperaturen erreicht die Spannung der Solarmodule jedoch nur 85 bis 90% der Werte bei 25°C. Somit bleibt dann auch bei voller Einstrahlung die Leistung 10-15% unter der Wp-Leistung. Bei bewölktem Wetter liefern die Solarmoduleje nach Helligkeit noch ca. 10 bis 30% ihrer Wp-Leistung.

Jahreszeitliche Schwankungen des Ertrags


Wie aus der nebenstehenden Abbildung ersichtlich, ist die durchschnittlich an einem Tag erzeugte Energiemenge eines Solarmoduls in den Sommermonaten etwa 4 bis 5 mal so hoch als in den Wintermonaten.

Abschattung bei Solarmodulen
Die Serienschaltung der Solarzellen in einem Modul führt auch bei flächenmäßig kleinen Abschattungen dazu, den Strom durch den gesamten Zellenstrang zu ,,bremsen', d.h. zu einer Leistungsminderung. Solarmodule sollten daher an unverschatteten Orten montiert werden.