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Photovoltaik - Grundlagen
Erzeugung von elektrischem Strom aus Sonnenenergie.
In Solarzellen, meist aus Silizium, werden unter Zufuhr von Licht oder
Wärme positive und negative Ladungsträger freigesetzt (Photoeffekt) und
so Gleichstrom erzeugt, der direkt Motoren antreiben oder Akkus aufladen kann.
Soll Sonnenenergie auch zum Betrieb von Verbrauchern mit 230 Volt
Wechselspannung genutzt oder ins öffentliche Netz eingespeist ("verkauft")
werden, wird ein Wechselrichter benötigt.
Vorteile der Photovoltaik sind die saubere, "ökologische"" Stromerzeugung und die
Möglichkeit, Verbraucher unabhängig vom Stromnetz zu betreiben (Insellösung),
z.B. im Wochenendhaus, in Gärten und Parks oder zur Beleuchtung von Wartehäuschen.
Als wesentlicher Nachteil werden die - im Vergleich zur Solarthermie -
relativ hohen Kosten bewertet, das Preis-Leistungsverhältnis muß bei PV-Anlagen
stets beachtet werden.
Solarstrom und -zellen in Theorie und Praxis
Das Wort Photovoltaik ist eine Zusammensetzung aus dem griechischen Wort
für Licht und dem Namen des Physikers Alessandro Volta. Es bezeichnet die direkte Umwandlung
von Sonnenlicht in elektrische Energie mittels Solarzellen. Der Umwandlungsvorgang beruht
auf dem bereits 1839 von Alexander Bequerel entdeckten Photoeffekt. Unter dem Photoeffekt
versteht man die Freisetzung von positiven und negativen Ladungsträgern in einem Festkörper
durch Lichteinstrahlung.
Solarzellen bestehen aus verschiedenen Halbleitermaterialien. Halbleiter
sind Stoffe, die unter Zufuhr von Licht oder Wärme elektrisch leitfähig werden, während sie
bei tiefen Temperaturen isolierend wirken.
Über 95 % aller auf der Welt produzierten Solarzellen bestehen aus dem Halbleitermaterial
Silizium (Si). Silizium bietet den Vorteil, daß es als zweithäufigstes Element der Erdrinde
in ausreichenden Mengen vorhanden und die Verarbeitung des Materials umweltverträglich ist.
Zur Herstellung einer Solarzelle wird das Halbleitermaterial "dotiert". Damit ist das
definierte Einbringen von chemischen Elementen gemeint, mit denen man entweder einen positiven
Ladungsträgerüberschuß (p-leitende Halbleiterschicht) oder einen negativen Ladungsträgerüberschuß
(n-leitende Halbleiterschicht) im Halbleitermaterial erzielen kann.
Werden zwei unterschiedlich dotierte Halbleiterschichten gebildet, entsteht an der Grenzschicht
ein sogenannter p-n-Übergang.
An diesem Übergang baut sich ein inneres elektrisches Feld auf, das zu einer
Ladungstrennung der bei Lichteinfall freigesetzten Ladungsträger führt. Über Metallkontakte
kann eine elektrische Spannung abgegriffen werden. Wird der äußere Kreis geschlossen, das heißt
ein elektrischer Verbraucher angeschlossen, fließt ein Gleichstrom.
Siliziumzellen sind etwa 10 cm x 10 cm groß (seit kurzem auch 15 cm x 15 cm). Eine durchsichtige
Antireflexschicht dient zum Schutz der Zelle und zur Verminderung von Reflexionsverlusten an der
Zelloberfläche.
Die an Solarzellen abgreifbare Spannung ist abhängig vom Halbleitermaterial.
Bei Silizium beträgt sie etwa 0,5 V. Die Klemmenspannung ist nur schwach von der Lichteinstrahlung
abhängig, während die Stromstärke bei höherer Beleuchtungsstärke ansteigt. Bei einer 100 cm² großen
Siliziumzelle erreicht die maximale Stromstärke unter Bestrahlung von 1.000 W/m² etwa einen Wert von 2 A .
Die Leistung (Produkt aus Strom und Spannung) einer Solarzelle ist temperaturabhängig.
Höhere Zelltemperaturen führen zu niedrigeren Leistungen und damit zu einem schlechteren Wirkungsgrad.
Der Wirkungsgrad gibt an, wieviel der eingestrahlten Lichtmenge in nutzbare elektrische Energie umgewandelt
wird.
Je nach Kristallart unterscheidet man drei Zelltypen: monokristallin,
polykristallin und amorph.
Zur Herstellung von monokristallinen Siliziumzellen benötigt man hochreines Halbleitermaterial.
Aus einer Siliziumschmelze werden einkristalline Stäbe gezogen und anschließend in dünne Scheiben gesägt.
Dieses Herstellungsverfahren garantiert relativ hohe Wirkungsgrade.
Kostengünstiger ist die Herstellung von polykristallinen Zellen. Dabei wird flüssiges Silizium in
Blöcke gegossen, die anschließend in Scheiben gesägt werden. Bei der Erstarrung des Materials bilden
sich unterschiedlich große Kristallstrukturen aus, an deren Grenzen Defekte auftreten.
Diese Kristalldefekte haben einen geringeren Wirkungsgrad der Solarzelle zur Folge.
Wird auf Glas oder anderes Substratmaterial eine Siliziumschicht abgeschieden, spricht man von amorphen-
oder Dünnschichtzellen. Die Schichtdicken betragen weniger als 1 µm (Dicke eines menschlichen Haares:
50-100 µm), so daß die Produktionskosten allein wegen der geringeren Materialkosten niedriger sind.
Die Wirkungsgrade amorpher Zellen liegen allerdings noch weit unter denen der anderen beiden Zelltypen.
Anwendung finden sie vor allem im Kleinleistungsbereich (Uhren, Taschenrechner) oder als Fassadenelemente.
| Material |
Wirkungsgrad in % (Labor) |
Wirkungsgrad in % (Produktion) |
| Monokristallines Silizium |
etwa 24 |
14 bis 17 |
| Polykristallines Silizium |
etwa 18 |
13 bis 15 |
| Amorphes Silizium |
etwa 13 |
5 bis 7 |
Um für die unterschiedlichen Anwendungsbereiche geeignete Spannungen bzw. Leistungen
bereitstellen zu können, werden einzelne Solarzellen zu größeren Einheiten miteinander verschaltet.
Eine Serienschaltung der Zellen hat eine höhere Spannung zur Folge, eine Parallelschaltung einen höheren
Strom. Die miteinander verschalteten Solarzellen werden meist in transparentem Ethylen-Vinyl-Acetat
eingebettet, mit einem Rahmen aus Aluminium oder Edelstahl versehen und frontseitig transparent mit Glas
abgedeckt.
Die typischen Nennleistungen solcher Solarmodule liegen zwischen 10 Wpeak und 100 Wpeak.
Die Kenndaten der Solarmodule beziehen sich auf die Standardtestbedingungen von 1000 W/m²
Sonneneinstrahlung bei 25 °C Zelltemperatur. Die von den Herstellern angegebenen Garantiezeiten sind
mit in der Regel 10 Jahren recht hoch und bezeugen den hohen Qualitätsstandard und die hohe
Lebenserwartung heutiger Produkte.
Außer an der Optimierung von Produktionsprozessen arbeitet man auch an einer Erhöhung
der Wirkungsgrade, um zu einer Verbilligung der Solarzellen zu kommen. Unterschiedliche Verlustmechanismen
setzen diesem Vorhaben aber Grenzen. Grundsätzlich sind die einzelnen Halbleitermaterialien oder
-kombinationen nur für bestimmte Spektralbereiche des einfallenden Lichtes geeignet. Ein bestimmter
Anteil der Strahlungsenergie kann also nicht genutzt werden, weil die Lichtquanten (Photonen) nicht
über ausreichend Energie verfügen, um Ladungsträger "aktivieren" zu können. Auf der anderer Seite wird
ein gewisser Anteil an Photonen-Überschußenergie nicht in elektrische Energie, sondern in Wärme umgewandelt.
Hinzu kommen optische Verluste, wie die Abschattung der Zelloberfläche durch die Kontaktierung oder die
Reflexion einfallender Strahlung an der Zelloberfläche. Auch elektrische Widerstandsverluste im Halbleiter
und in den Anschlußleitungen sind als Verlustmechanismen zu nennen. Der störende Einfluß von
Materialverunreinigungen, Oberflächeneffekten und Kristalldefekten ist ebenfalls nicht unerheblich.
Einzelne Verlustmechanismen (Photonen mit zu geringer Energie werden nicht absorbiert,
Photonen-Überschußenergie wird in Wärme umgewandelt) können nicht weiter optimiert werden, weil sie
aus physikalischen Gründen durch das verwendete Material vorgegeben sind. Dies führt zu einem
theoretisch maximalen Wirkungsgrad von beispielsweise etwa 28 % bei kristallinem Silizium.
Das erreichbare Potenzial ist sehr hoch: Trotz der scheinbar ungünstigen
Bedingungen in Deutschland genügten theoretisch etwa 2 Prozent der Gesamtfläche des Landes,
um mit heute verfügbarer Technik in der Jahressumme die gleiche elektrische Energie zu ernten,
die Deutschland insgesamt pro Jahr benötigt. Der Einwand, die Fläche in Mitteleuropa würde
für einen wesentlichen Anteil von Photovoltaik zur Energieversorgung nicht ausreichen, ist
somit nicht haltbar. Die nötige Fläche könnte ohne Neuversiegelung über die Nutzung bisher
bebauter Flächen (vor allem Dächer) erreicht werden. Die Photovoltaik kann daher langfristig
auch in Deutschland einen erheblichen Beitrag zum Klimaschutz und zur Ressourcenschonung liefern.
Die genannte Zahl von 2 % ergibt sich bei einer installierten Leistung von einem kWp pro 10 m² Fläche,
einem jährlichen Energieertrag von ca. 750 kWh pro kWp, einem Strombedarf Deutschlands von ca. 550
Milliarden kWh (die Größenordnung für das Jahr 2004 und 2005) und der Gesamtfläche Deutschlands von
ca. 350.000 km².
Im Jahr 2005 wurden ca. 0,2 Prozent der deutschen Stromerzeugung aus Solarenergie gewonnen,
allerdings bei konstant starkem Wachstum, das etwa einer Verzehnfachung der Erzeugung alle
fünf Jahre entspricht. Für das Jahr 2010 gehen verschiedene Prognosen von 0,45-1,0 Prozent
aus (Quelle: Verband der Netzbetreiber/Bundesverband Erneuerbare Energien). Auch bei theoretisch
hohen Potenzialen spielt Solarstrom aktuell und in den nächsten Jahren für die deutsche
Stromerzeugung nur eine sehr kleine Rolle.
Aufgrund des schwankenden Stromangebots, das in gewissen Grenzen vorhersagbar ist,
muss die Photovoltaik - wie auch die Windenergie - bei einem Ausbau in großem Maßstab
allerdings mit anderen, gut regelbaren Kraftwerken oder Speichertechnologien kombiniert
werden. Hierfür in Frage kommen insbesondere Gaskraftwerke (GuD), Wasserkraftwerke,
Pumpspeicherwerke, sowie zukünftig auch Druckluftspeicherkraftwerke, Solarthermische
Kraftwerke mit Wärmespeicherung sowie Speicherung in Form von Wasserstoff.
Da Strom aus Photovoltaik naturgemäß tagsüber, zu Zeiten hohen Verbrauchs zur Verfügung steht,
trägt sie gerade zur Deckung der Spitzen- und Mittellast bei, im Sommerhalbjahr sogar zu einem
großen Teil. Dadurch ist er aufgrund der höheren Preise für diese Stromkategorien (d. h.
tagsüber zu liefernden Strom, der an Strombörsen auch als Peakload bezeichnet) auch wirtschaftlich
interessant. Strom aus Photovoltaik kann zwar nicht direkt als Spitzenlaststrom bezeichnet werden,
sorgt aber für eine Absenkung der gesamten täglichen Lastkurve und somit auch der (Mittags-)Spitzen,
dadurch wird der Abruf von Spitzenlaststrom eben verringert bzw. vermieden.
Bei den obigen Angaben zum Flächenbedarf ist eine eventuell notwendige Zwischenspeicherung der
Energie noch nicht berücksichtigt. Geht man davon aus, dass 25 % der Energie sofort verbraucht
und 75 % gespeichert werden, würde dies bei Umwandlungsverlusten von 50 % den Flächenbedarf
für Photovoltaik ungefähr verdoppeln und zusätzliche Investitionskosten erfordern. Bei einer
dezentralen Stomversorgung aus vielen Photovoltaikanlagen können andererseits Leitungssverluste
aufgrund der geringeren Entfernungen zwischen Stromquelle und Endverbraucher verringert werden.
Somit sollte auch der Gesamtstrombedarf sinken.
Ein kWp installierte Leistung einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage
kostet derzeit (Inbetriebnahme 2005) je nach Anlagengröße ca. 5.000 - 6.000 €. Solch
eine Anlage liefert in Süddeutschland nach dem aktuellen Stand der Technik einen
Jahresertrag von ca. 930 bis über 1.000 kWh (in Abhänigkeit von Zellentyp, Ausrichtung,
Dachneigung, Sonnenstunden und Temperatur). Bei Kapitalkosten von 4 % für die
Investitionssumme und Betriebskosten von typisch ca. 1 % ergeben sich Erzeugungskosten von
ca. 37-52ct/kWh über einen üblichen Abschreibungszeitraum von 20 Jahren. Diese Kosten
liegen gegenwärtig etwa 5-7mal höher als die Kosten für konventionelle Erzeugung (6 bis 8 ct/kWh)
oder 2-3 mal über den Strompreisen für Privatkunden (ca. 18 ct/kWh). Nach 20 Jahren ist die
Anlage abbezahlt und es fallen bis zum Ende der Lebensdauer (bis zu 30 Jahre) nur noch
die geringen Betriebskosten an.
Die Investitions- und damit die Stromkosten neu installierter Anlagen sinken stetig durch
technische Weiterentwicklung gerade im Bereich der Solarzellen und ebenso durch Optimierung
der Produktion. Bei konventioneller Stromerzeugung ist dagegen aufgrund der steigenden
Brennstoffkosten mit einem Preisanstieg zu rechnen.
Die Vergütung des Solarstroms in Deutschland ist im Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) geregelt
und liegt derzeit (Inbetriebnahme 2005) bei 43-54,5 ct/kWh, also im Bereich der o.g. Erzeugungskosten.
Text und Abbildungen siehe auch www.solarserver.de
mit freundlicher Genehmigung der
Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie e.V.
weitere Quelle: www.bv-pv.at
weitere Grundlageninformationen: http://www.bv-pv.at/content/page.asp?id=62
Photovoltaik - Anlagenformen
Bei Einspeisung der Energie in das öffentliche Stromnetz wird die von
den Solarzellen erzeugte Gleichspannung von einem Wechselrichter in Wechselspannung umgewandelt.
Quelle: Sharp
PV-Module zur Umwandlung von Licht in elektrischen Strom
Wechselrichter zur Aufbereitung des Solarstroms in Netzqualität. Der Wechselrichter wandelt
den Gleichstrom in Wechselstrom um und steuert automatisch das gesamte System.
Dies ist zum Beispiel nötig, wenn das öffentliche Netz ausfallen oder abgeschaltet werden sollte.
Wechselstromzähler / Einspeisezähler zur Erfassung des Stromertrags
Sicherheitskomponenten zur elektrischen Absicherung der PV-Anlage
Mitunter wird eine alleinige Energieversorgung mittels Photovoltaik in
Inselsystemen realisiert. Um hier kontinuierlich Energie verfügbar zu haben, muss die Energie
gespeichert werden. Bekannte, akkumulatorgepufferte Inselsysteme sind z.B. Parkuhrsysteme, die
sich häufig in größeren Städten finden. Inselanlagen werden auch oft für netzferne Wochenendhäuser,
Almhütten u.s.w. verwendet.
Quelle: Sharp
PV-Module zur Umwandlung von Licht in elektrischen Strom
Wechselrichter zur Aufbereitung des Solarstroms in Netzqualität
Laderegler zur Kontrolle der Lade- und Entladevorgänge in der Solarbatterie
Solarbatterie zur Speicherung des erzeugten Gleichstroms
Die Sonne wandert im Lauf des Tages aus östlicher Richtung kommend über Süden
nach Westen. Da die Solarmodule ihre maximale Leistung dann abgeben, wenn die Sonne möglichst
direkt auf sie trifft, erhöht eine nachgeführte Anlage die Energieausbeute über den Tag.
Auch steht im Winter die Sonne tiefer als im Sommer, was eine saisonale Nachführung überlegenswert
macht. Aus diesen beiden Gründen gibt es ein- und zweiachsig nachgeführte Photovoltaik-Anlagen.
Der Energiegewinn aus nachgeführten Anlagen ist vom Standort abhängig, und kann bei
zweiachsiger Nachführung in unseren Regionen 25 bis 30 % betragen (bis 50% bei Standort Sahara).
Die Nachführung (engl. tracking), die die Tageseinstrahlung optimieren soll, muss automatisiert
werden (z.B. mittels elektronisch gesteuerter Stellmotoren); eine saisonale Nachführung kann von
Hand aus erfolgen. Bei zu aufwendiger Ausführung der Nachführung stellt sich stets die Frage, ob
der dadurch erzielte Mehrertrag nicht ebenso durch zusätzliche Solarmodule zu erreichen ist.
Ebenso müssen bei der Investitionsentscheidung auch die höheren Betriebskosten und die geringeren
Garantiezeiten der beweglichen Teile berücksichtigt werden. Eine einfache aber effektive Nachführung
ist hydraulischer Art: Dabei wird durch eine - abhängig vom Sonnenstand - unterschiedlich
erwärmte Flüssigkeit eine Bewegung der Module erreicht.
Auch auf Solalbert gibt es nachgeführte Anlagen, eine ideale Möglichkeit zum Vergleichen:
Sonnenrad Mäder
Schmelzenbach Doren
VS Blattur Götzis
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