Perspektive Erneuerbare Energien

Photovoltaik

Bürgersolarpark Unterneuses, Gesamtleistung 980kW. Foto: IBC SOLAR AG

Photovoltaik steht für die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität. Obwohl  der physikalische Hintergrund des photovoltaischen Effektes schon durch den Franzosen Alexandre Edmond Becquerel im Jahr 1876 festgestellt und dann zu Beginn des 19. Jahrhunderts durch Albert Einstein beschrieben worden ist, fand die Technologie erst Mitte der 1950er Jahre für die Bereitstellung von Elektrizität in Satelliten festen Fuß.

Das Umwandeln der Sonnenenergie in elektrische Energie wird durch den photovoltaischen Effekt beschrieben. Notwendig ist ein Halbleiter wie bspw. Silizium, der auf der Welt in gebundener Form mit Sauerstoff reichlich vorhanden ist.

Für die Herstellung von Solarzellen muss sehr viel Energie aufgewendet werden, denn das benötigte reine Silizium muss bei einer Temperatur von 2000°C aus dem Rohstoff Quarzsand gewonnen werden.

Die wesentlichen verwendeten Halbleiter in einer Solarzelle sind folgende: monokristallines, amorphes und  polykristallines Silizium. Neben den elementaren Halbleitern können auch organische Halbleiter verwendet werden.

Eine Solarzelle, auch Wafer bezeichnet, hat heutzutage eine Dicke von 0,2 Millimeter. Sogenannte Dünnschichtsolarzellen aus amorphem Silizium haben eine Dicke von tausendstel Millimetern.

Der Wirkungsgrad beschreibt, wie viel der eintreffenden Sonnenenergie in Elektrizität umgewandelt werden kann. Die Wirkungsgrade von Solarzellen liegen zwischen 7% und 22%.

Eine weitere Kenngröße, die Photovoltaikmodule beschreibt, ist die Strom-Spannungs-Kennlinie. Der prinzipielle Verlauf ist für alle Solarmodule ähnlich. Die maximale Leistung eines Solarmoduls kann mit dieser Kennlinie erreicht werden.

Photovoltaische Anlagen können mit dem Netz gekoppelt sein, d.h. der erzeugte Strom wird ins Netz eingespeist und vergütet, oder als Inselanlage funktionieren. In diesem Fall wird der erzeugte Strom in einer Batterie zwischengespeichert. Parkscheinautomaten werden bspw. mit einer Solaranlage versorgt und nicht am Netz angeschlossen. Gebiete, die fern von einem Netzanschluss sind, können mit photovoltaischen Inselanlagen meistens kostengünstiger versorgt werden als mit kilometerlangen Stromleitungen.

In der Regel bestehen Photovoltaikzellen, auch PV-Zellen, aus polykristallinem Silizium. Charakteristisch für Silizium ist, dass es sich um einen Halbleiter handelt, d.h. nur wenn eine Spannung anliegt, kann Silizium Strom leiten.
Die im Sonnenlicht enthaltenen Photonen dringen in die PV-Zelle ein und werden zum größten Teil absorbiert. Gleichzeitig werden Elektronen der Siliziumatome gelöst und können somit in Verbindung mit einem elektrischen Feld einen Elektronen- bzw. Stromfluss bilden. Wird über die äußeren Kontakte am positiven und negativen Pol einer PV-Zelle ein Verbraucher angeschlossen, fließt Strom.

Die Herstellung von Solarzellen ist ein aufwendiger Prozess, der viel Energie benötigt, um das reine Material zu bekommen. Anschließend werden die einzelnen PV-Zellen, die meistens ein viereckiges Format aufweisen, zu einem Photovoltaikmodul ergänzt.

Ausschlaggebend für PV-Zellen ist die elektrische Spannung, die sie aufweisen. Diese liegt in etwa zwischen 0,6 und 0,7 Volt.

Ein Photovoltaikmodul besteht aus vielen einzelnen PV-Zellen, die in Reihen-, Parallel- oder in Parallel-/Reihenschaltung miteinander verbunden sind. Dadurch lassen sich für praktische Anwendungen größere Spannungen erzielen. Für Inselanlagen werden bspw. 12V für das Aufladen von Batterien benötigt.

Weiterhin befinden sich die PV-Zellen in einem speziellen Gehäuse, welches vor Witterung schützen soll. Die Module werden häufig auf freien Dachflächen installiert und müssen einer harten Witterung standhalten. Die Ausrichtung der Module ist für die nördliche Hemisphäre der Süden. Weiterhin besitzen die Module eine Neigung und in selteneren Fällen werden Module auch der Sonne nachgeführt. Dieser Mehraufwand ist meistens sehr teuer und bietet sich für eine hohe solare Ausbeutung an.

Der Wechselrichter wandelt die von den Solarmodulen kommende Gleichspannung in eine für das Netz passende Wechselspannung um. Wechselrichter sollten einen hohen Wirkungsgrad aufweisen (ca. 95% oder mehr). Beim Netzausfall sollen Wechselrichter die solare Einspeisung abschalten.
Eine weitere grundlegende Funktion des Wechselrichters ist es, dafür zu sorgen, dass das Photovoltaikmodul bei der optimalen Spannung arbeitet und somit die maximale Leistung erbringt.

Wechselrichter in Inselanlagen sind oft mit Batterieladereglern kombiniert.

Netzgekoppelte Wechselrichter sind festen Kriterien unterworfen, d.h. sie müssen eine Mindestqualität der Amplitude und  eine feste Frequenz aufweisen. Weiterhin müssen sie das Netz kontinuierlich überwachen und ggf. die photovoltaische Anlage bei starken Änderungen vom Netz   trennen.

Die Speicherung von erzeugter Elektrizität ist meistens bei photovoltaischen Anlagen ohne Netzanschluss notwendig. Somit kann auch nachts die Elektrizität bereit gestellt werden. Es lässt sich unterscheiden zwischen Kurzzeitspeicherung (wenige Stunden oder Tage) und Langzeitspeicherung (mehrere Tage und Monate). Letzteres ist sehr aufwendig und teuer. In den meisten Fällen werden in Inselanlagen Akkumulatoren oder Batterien verwendet (Bleiakkumulatoren). Unter diesen elektrochemischen Speichern weist der Nickel-Cadmium-Speicher (NiCd) eine sehr hohe Energiedichte auf, ist jedoch sehr schwer. Die Lithium-Ionen-Akkumulatoren sind sehr leicht und haben sich vor allem bei mobilen elektrischen Geräten wie Handys oder Laptop etabliert.

Neben den konventionellen Bleiakkumulatoren, die sich in der Solartechnik durchgesetzt haben, können für die Speicherung von elektrischer Energie auch Schwungräder oder Kondensatoren verwendet werden.

Typische Randparameter
Notwendige Dachfläche zur Deckung des jährlichen Strombedarfs eines Haushalts 30 m²
Durchschnittliche Kosten einer 1-kWp-Anlage (2008) 4000 Euro
Solare Strahlungsenergie in kWh/m²/a
Berlin 1100
Paris 1500
Florida 1800
Sahara 2500
Modulwirkungsgrad 10% Leistung 50 kWp
Solare Bestrahlung 1100 kWh/m²/a jährlicher Energieertrag 5500 kWh/a
Dachfläche 50m²
Zellmaterial Modulwirkungsgrad [%] Flächenbedarf für 1kWp [m²]
monokristallines Silizium 15 6,7
polykristallines Silizium 14 7,2
amorphes Silizium 6 16,7

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