Zukunftstechnologie Photovoltaik

 

Unter Photovoltaik versteht man die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie.

Der Name setzt sich aus den Bestandteilen „Phos“ – das griechische Wort für Licht – und „Volt“ – die Einheit für die elektrische Spannung, benannt nach Alessandro Volta, einem Pionier der Elektrizität – zusammen.

Die Idee der Photovoltaik ist alt. Schon 1839 entdeckte Alexandre Edmont Becquerel, dass bestimmte Substanzen Elektrizität abgeben, wenn sie von Licht bestrahlt werden. 1883 wurde die erste „Solarzelle“ gebaut und 1905 erklärte Albert Einstein den „Photoeffekt“, wofür er später auch den Nobelpreis bekommen hat.

Genutzt wird Photovoltaik seit 1958 – zunächst in der Energieversorgung von Satelliten. Mittlerweile wird sie zur Stromerzeugung auf der ganzen Welt eingesetzt und findet Anwendung auf Dächern und Fassaden, Parkscheinautomaten, Schallschutzwänden, Taschenrechnern oder auf Freiflächen.

 

Geschichte

 

Die Entdeckung

Die Photovoltaik dient der direkten Wandlung von einfallendem Licht in elektrische Energie. Der zugrunde liegende fotoelektrische Effekt wurde schon 1839 entdeckt, jedoch dauerte es noch über einhundert Jahre, bis es zu einer Nutzung in der Energieversorgung kam.

Alexandre-Edmond_Becquerel

1839 stieß Alexandre Edmond Becquerel (1820–1891) bei Experimenten auf den fotoelektrischen Effekt. Bei Experimenten mit elektrolytischen Zellen, bei denen er eine Platin-Anode und -Kathode verwendete, maß er den zwischen diesen Elektroden fließenden Strom. Dabei stellte er fest, dass der Strom bei Licht geringfügig größer war als im Dunkeln. Damit entdeckte er die Grundlage der Fotovoltaik, zu einer praktischen Anwendung kam es jedoch erst Generationen später.

Grundlegende Forschung

1873 entdeckten der britische Ingenieur Willoughby Smith und sein Assistent Joseph May, dass Selen bei Belichtung seinen elektrischen Widerstand veränderte. Willoughby Smith ging mit dieser Entdeckung an die Öffentlichkeit und löste damit weitere Forschungen zu diesem Thema aus.

1876 entdeckte dann William Grylls Adams zusammen mit seinem Schüler Richard Evans Day, dass Selen Elektrizität produziert, wenn man es Licht aussetzt. Obwohl Selen nicht geeignet ist, genügend elektrische Energie zur Versorgung damals verwendeter elektrischer Bauteile zur Verfügung zu stellen, war hiermit der Beweis erbracht, dass ein Feststoff Licht direkt in elektrische Energie wandeln kann, ohne den Umweg über Wärme oder kinetische Energie. 1883 baute der New Yorker Charles Fritts ein erstes Modul (den Vorläufer des Photovoltaikmoduls) aus Selenzellen. Erst jetzt kam es zu grundlegenden Arbeiten über den fotoelektrischen Effekt, bei vielen Wissenschaftlern der damaligen Zeit aber auch zu großen Zweifeln an der Seriosität dieser Entdeckung.

1884 legte Julius Elster (1854–1920) zusammen mit Hans Friedrich Geitel (1855–1923) bedeutende Arbeiten über den lichtelektrischen Effekt (Fotoeffekt) vor. Heinrich Rudolph Hertz (1857–1894) entdeckte ebenfalls 1887 den lichtelektrischen Effekt, dessen genaue Untersuchung er seinem Schüler Wilhelm Ludwig Franz Hallwachs (1859–1922) übergab. Im gleichen Jahr und unabhängig von Hallwachs machte auch Augusto Righi (1850–1920) die Entdeckung der Elektronenemission beim Fotoeffekt. Zu Ehren der Erkenntnisse von Hallwachs wurde der lichtelektrische Effekt (auch äußerer Fotoeffekt genannt) früher auch als Hallwachs-Effekt bezeichnet. Auch Philipp Eduard Anton Lenard (1862–1947) und Joseph John Thomson trugen am Ende des 19. Jahrhunderts weiter zur Erforschung des lichtelektrischen Effekts bei.

1907 lieferte Albert Einstein eine theoretische Erklärung des lichtelektrischen Effekts, die auf seiner Lichtquantenhypothese von 1905 beruhte.

Robert Andrews Millikan (1868–1953) konnte 1912–1916 die Einstein’schen Überlegungen zum Fotoeffekt experimentell bestätigen und wurde unter anderem dafür 1923 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Ein weiterer wichtiger Schritt für die Grundlagen der Halbleitertechnik und der Photovoltaik war das 1916 von Jan Czochralski (1885–1953) entdeckte und nach ihm benannte Kristallziehverfahren. Es wurde erst in den 1940er Jahren weiterentwickelt und kam in den 1950er Jahren mit dem steigenden Bedarf nach Halbleiterbauteilen in größerem Maßstab zur praktischen Anwendung.

Photovoltaische Zellen

1940 stellte Russel S. Ohl (1898–1967) bei Versuchen unerwartet fest, dass bei Beleuchtung einer von ihm untersuchten Siliziumprobe das angeschlossene Messgerät eine Änderung anzeigte. Er bemerkte, dass durch die Beleuchtung des Siliziums Strom erzeugt werden konnte. Durch weitere Untersuchungen konnten die Ergebnisse bestätigt werden. Ohl war bei den Bell Laboratories auch an der Entdeckung beteiligt, dass Halbleiter durch gezielte Dotierung mit Fremdstoffen die elektrischen Eigenschaften ändern und so einen p-n-Übergang schaffen.

1948 kam es zu einem ersten Konzept der Halbleiter-Photovoltaik mit Schottky-Dioden durch Walter Schottky (1886–1976), und 1950 erstellte William Bradford Shockley (1910–1989) ein theoretisches Modell für den p-n-Übergang und schuf damit auch die Voraussetzung für das Verständnis der heutigen Solarzellen.

Die Bell Laboratories in New Jersey waren in diesen Jahren eines der weltweit aktivsten und erfolgreichsten Forschungslaboratorien. 1953 wurden dort von Daryl Chapin (1906–1995), Calvin Fuller (1902–1994) und Gerald Pearson (1905–1987) kristalline Silizium-Solarzellen, jeweils ca. 2 cm2 groß, mit Wirkungsgraden von über 4 Prozent produziert. Eine Zelle erreichte sogar 6 Prozent Wirkungsgrad – am 25. April 1954 wurden die Ergebnisse der Öffentlichkeit präsentiert. Die New York Times brachte das Ereignis am nächsten Tag auf der Titelseite. Die Solarzellen hatten einen definierten p-n-Übergang und gute Kontaktierungsmöglichkeiten, wodurch erstmals wichtige Voraussetzungen für die industrielle Produktion gegeben waren. 2002 wurde eine 1955 von den Bell Laboratories hergestellte, eingekapselte und damals mit 6 Prozent Wirkungsgrad vermessene Zelle erneut vermessen und wies noch 5,1 Prozent Wirkungsgrad auf. Nach weiteren Verbesserungen konnte der Wirkungsgrad von Solarzellen auf bis zu 11 Prozent gesteigert werden.

Erste Anwendungen im Weltall

Am 17. März 1958, nach dem Sputnik-Schock für die USA, und nachdem die USA bereits erfolgreich einen Satelliten in eine Erdumlaufbahn gebracht hatten, flog der zweite Satellit der USA namens Vanguard I mit einer chemischen Batterie und Photovoltaikzellen zum Betrieb eines Senders an Bord ins All. Er wog nur ca. 1,6 Kilogramm und hatte einen Durchmesser von weniger als 16 Zentimetern. Nach langem Zögern seitens der US-Armee hatte sich Hans Ziegler (1911–1999) mit seiner Idee durchsetzen können, dass eine Energieversorgung mit Solarzellen den Betrieb des Senders länger als eine Batterie würde aufrechterhalten können. Entgegen den Erwartungen der Militärs konnten die Signale des Senders für mehr als sieben Jahre empfangen werden, bevor er seine Signaltätigkeit einstellte. Aufgrund der langen Messdauer konnte anhand der Flugbahn von Vanguard I das Massenverteilungsmodell der Erde auf eine bis dahin nicht zu erreichende Genauigkeit korrigiert werden, und es wurde klar, dass die Erde nicht exakt rund ist. Vanguard I umkreist auch heute noch die Erde und ist damit der älteste menschengeschaffene Satellit im Orbit.

Der Erfolg dieses kleinen Satelliten und die daran beteiligten Wissenschaftler legten den Grundstein für die erste sinnvolle Verwendung der bis dahin noch nahezu unbekannten und vor allem sehr teueren Solarzellen. Für viele Jahre wurden in der Folge Solarzellen vorwiegend für Raumfahrtzwecke weiter entwickelt, da sie sich als ideale Stromversorgung für Satelliten in der Erdumlaufbahn bewiesen.

Nutzung auf der Erde

Nur in Ausnahmefällen, wenn zum Beispiel das nächste Energieverbundnetz sehr weit entfernt war, kam es zu einer Installation von terrestrischen Photovoltaik-Inselanlagen. Mit der Ölkrise 1973 wurde das Interesse an anderen Energien deutlich stärker, doch noch waren große, zentrale Kernkraftwerke die Lösung für eine flächendeckende Energieversorgung. Seit Mitte der 1970er Jahre wurden dann erstmals mehr Solarzellen für terrestrische Zwecke als für den Einsatz in der Raumfahrt hergestellt.

1976 entschied sich die australische Regierung, das gesamte Telekommunikationsnetz im Outback mit photovoltaisch gestützten Batteriestationen zu betreiben. Einrichtung und Betrieb waren erfolgreich und ließen das Vertrauen in die Solartechnologie deutlich ansteigen.

1977 wurde in den USA an den Sandia Laboratories (Albuquerque, New Mexico) ein Solarmodul mit dem Ziel entwickelt, eine potentiell kostengünstige Technologie für photovoltaische Energieumwandlung auf der Erde vorzuführen, die nicht mehr nur auf Sonderanfertigungen basierte.

Der katastrophale Störfall im Atomkraftwerk auf Three Mile Island bei Harrisburg in den USA Ende März 1979 und die Ölkrise im Spätherbst des selben Jahres gaben den regenerativen Energien weiteren Aufwind.

Etwa ab 1980 waren Solarmodule mit wiederaufladbaren Batterien eine Standardanwendung zum Betrieb von Signalanlagen auf kleinen unbemannten Ölbohrinseln im Golf von Mexiko. Sie ersetzten als kostengünstigere und wartungsärmere Variante die vorher verwendeten großen Batterien, die im Abstand weniger Monate personalaufwändig und kostenintensiv getauscht werden mussten.

Später in den 1980ern wurden von der US Coast Guard (Küstenwache), auf Initiative ihres Angestellten Lloyd Lomer, alle Signalanlagen und Navigationslichter auf photovoltaische Energieversorgung umgestellt. Vorher hatten die Betriebskosten dieser Anlagen die Anschaffungskosten bei weitem überschritten. Durch die Photovoltaik wurden die Betriebskosten drastisch reduziert und die Anschaffungskosten für die teureren Fotovoltaikanlagen amortisierten sich schnell.

Nun kam es auch zu ersten größeren kommerziellen Aktivitäten in den USA, wodurch die USA 1983 einen Anteil am Weltmarkt der Photovoltaik von ca. 21 Prozent erzielten. Bis zu diesem Zeitpunkt gab es im Photovoltaik-Markt vorwiegend Lösungen für Inselanlagen und Planungen für photovoltaische Großanlagen.

Der Schweizer Ingenieur Markus Real war der Überzeugung, dass es ökonomisch sinnvoller sei, jedes Haus mit einer eigenen PV-Anlage zu bestücken, also eine dezentrale Energiewandlung zu bevorzugen. Er trat mit 333 auf einzelnen Gebäuden installierten 3-kW-Dachanlagen in Zürich den Beweis an. Dies war der Anfang einer Bewegung, in deren Zuge auch das 1000-Dächer-Programm der Bundesrepublik Deutschland aufgelegt wurde. Ab 1991 wurden mit dem Stromeinspeisungsgesetz die Energieversorger dazu verpflichtet, den Strom der kleinen regenerativen Kraftwerke abzunehmen. Dem 1000-Dächer-Programm folgte das 100.000-Dächer-Programm und im Jahr 2000 auch der Nachfolger des Stromeinspeisungsgesetzes, das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG). 2003 lief das 100.000 Dächer-Programm aus und wurde durch verbesserte Bedingungen des Energie-Einspeise-Gesetzes ersetzt.

Österreich war im Vergleich zu den Industriestaaten der EU ein Spätzünder, was die Photovoltaik betrifft. Seit dem Wendejahr 2008 aber kam es jedes Jahr bis 2012 zu einer Verdoppelung des Vorjahresergebnisses. Ende 2014 lag die installierte Leistung bundesweit bei 785 MWp. Die weltweiten Zahlen 2014 belaufen sich auf 178,4 GWp. Die aktuellen Grafiken zur Photovoltaik-Entwicklung finden sie hier.

Grundlagen

 

Technische Beschreibung

Die als Licht auf die Erde auftreffende Menge an Sonnenenergie ist 10.000 Mal höher als der Primärenergieverbrauch der Menschheit. Diese Strahlungsenergie kann photovoltaisch direkt in Elektrizität umgewandelt werden, ohne dass Nebenprodukte wie Abgase (beispielsweise Kohlendioxid) entstehen. Der Wellenlängenbereich der auftreffenden und wandelbaren elektromagnetischen Strahlung reicht vom kurzwelligen, nicht sichtbaren Ultraviolett (UV) über den sichtbaren Bereich (Licht) bis weit in den langwelligeren infraroten Bereich (Wärmestrahlung) hinein. Bei der Umwandlung wird der fotoelektrische Effekt ausgenutzt.

Die Energiewandlung findet mit Hilfe von Solarzellen, die zu sogenannten Solarmodulen verbunden werden, in Photovoltaik-Anlagen statt. Die erzeugte Elektrizität kann entweder vor Ort genutzt, in Akkumulatoren gespeichert oder in Stromnetze eingespeist werden.

Bei Einspeisung der Energie in das öffentliche Stromnetz wird die von den Solarzellen erzeugte Gleichspannung von einem Wechselrichter in Wechselspannung umgewandelt.

Netzgekoppelte Anlage

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.

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

 

Inselanlage

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Die photovoltaische Energiewandlung ist wegen der Herstellungskosten der Solarmodule im Vergleich zu herkömmlichen Kraftwerken teurer, wobei allerdings große Teile der Folgekosten der konventionellen Energiewandlung nicht in die heutigen Energiepreise mit eingehen. Das stark schwankende Strahlungsangebot erschwert den Einsatz der Photovoltaik. Die Strahlungsenergie schwankt vorhersehbar tages- und jahreszeitlich bedingt, sowie täglich abhängig von der Wetterlage.

Beispielsweise kann eine fest installierte Photovoltaik-Anlage in Deutschland im Juli gegenüber dem Dezember bis zu fünfmal höheren Ertrag bringen. Sinnvoll einsetzbar ist die photovoltaische Energiewandlung als ein Baustein in einem Energiemix verschiedener Energiewandlungsprozesse. Ohne die Möglichkeit einer wirtschaftlichen Energiespeicherung im großen Maßstab werden hierbei konventionelle Elektrizitätswerke nicht völlig zu ersetzen sein. Allerdings haben das Stromeinspeisegesetz und insbesondere das Erneuerbare-Energien-Gesetz zu einem Boom bei der Errichtung von Photovoltaik-Anlagen in Deutschland geführt. So wurden in Deutschland allein im Jahr 2011 Anlagen mit einer Leistung von 7,5 GW installiert, damit wurde eine kumulierte installierte Leistung von 24,7 GW erreicht.

Leistung

Die Nennleistung in der Photovoltaik wird in Wp (Wattpeak) beziehungsweise kWp angegeben. „peak“ (engl. Höchstwert, Spitze) bezieht sich auf die Leistung bei Testbedingungen, die dem Alltagsbetrieb nicht direkt entsprechen. Es handelt sich dabei auch nicht um die Leistung der Zelle oder des Moduls bei höchster Sonneneinstrahlung. Die Testbedingungen dienen zur Normierung und zum Vergleich verschiedener Solarzellen oder -module. Die elektrischen Werte der Bauteile unter diesen Bedingungen werden in den Datenblättern angegeben. Es wird bei 25 °C Modultemperatur, 1.000 W/m² Bestrahlungsstärke und einem Air Mass (Maß für die Länge des Weges, den das Licht von Sonne zur Erde zurücklegen muss) von 1,5 gemessen. Dies sind die STC-Bedingungen (Standard-Test-Conditions), die als internationaler Standard festgelegt wurden. Können diese Bedingungen beim Testen nicht eingehalten werden, so muss aus den gegebenen Testbedingungen die Nennleistung rechnerisch ermittelt werden. Die Bestrahlungsstärke von 1.000 W/m² kommt in Mitteleuropa über ein Jahr gesehen nicht sehr häufig vor (je weiter südlich, desto häufiger). Im normalen Betrieb haben Solarmodule beziehungsweise die Solarzellen bei dieser Einstrahlung eine wesentlich höhere Betriebstemperatur als die im Test vorgesehenen 25 °C und damit auch einen deutlich niedrigeren Wirkungsgrad.
Die zu erwartende mittlere Jahresproduktion einer jeweils neu errichteten netzgekoppelten Photovoltaik-Anlage in Deutschland steigt seit Jahren mit Verbesserung der Technik kontinuierlich an und liegt bei sinnvoller Auslegung der Anlage bei Werten um 900 bis 1.000 Kilowattstunden pro kWp (Quelle: Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE, 2006).

Wirkungsgrad

Die mit Solarzellen in der Photovoltaik erzielten Wirkungsgrade reichen von wenigen Prozent (beispielsweise etwa 6 Prozent für Cadmium-Tellurid-Solarmodule) bis hin zu über 40 Prozent (Konzentrator-Mehrschicht-Laborexemplar). Die Wirkungsgrade marktüblicher Solarmodule liegen zwischen 14 und 19 Prozent. Zur Gesamtbetrachtung fließen allerdings noch die Verluste des Wechselrichters mit ein.
Obwohl die insgesamt zur Verfügung stehende Sonneneinstrahlung immens hoch erscheint, ist die Photovoltaik aufgrund des zur Zeit eher niedrigen Wirkungsgrades sehr flächenintensiv. So erzeugt eine Windkraftanlage mit 5 MW Leistung etwa genauso viel Energie wie eine 400m x 400m (16 ha) große Solarstromanlage.

Potenzial

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 2008 wurden ca. 1,6 Prozent der bayrischen Stromerzeugung aus Solarenergie gewonnen.

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 liefernder 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 Stromversorgung aus vielen Photovoltaik-Anlagen können andererseits Leitungsverluste aufgrund der geringeren Entfernungen zwischen Stromquelle und Endverbraucher verringert werden. Somit sollte auch der Gesamtstrombedarf sinken.

Kosten der PV-Anlage

Ein kWp installierte Leistung einer netzgekoppelten Photovoltaik-Anlage kostet derzeit je nach Anlagengröße und Montagekosten ca. 1.900 Euro. Solch eine Anlage liefert in Österreich nach dem aktuellen Stand der Technik einen Jahresertrag von 950 bis 1.100 kWh (in Abhängigkeit von Zelltyp, Ausrichtung, Dachneigung, Sonnenstunden und Temperatur). Bei Kapitalkosten von 4 % für die Investitionssumme und Betriebskosten von typisch ca. 1 % ergeben sich Erzeugungskosten von rund 18 ct/kWh über einen üblichen Abschreibungszeitraum von 20 Jahren. Diese Kosten liegen gegenwärtig etwa 3 Mal höher als die Kosten für konventionelle Erzeugung (6 bis 8 ct/kWh) entspricht aber dem Strompreisen für Privatkunden (ca. 18 ct/kWh). Je nach Förderung (Übersicht unter www.pvaustria.at/forderungen) ist die Anlage nach 15 Jahren 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.

Installation einer PV-Anlage

Die Errichtung von Photovoltaikanlagen umfasst folgende Schritte:

  • Herstellung von PV-Komponenten
  • Planung- Aufständern (Das Anbringen der Paneelhalterungen)
  • Befestigung der Paneelen an die Paneelhalterungen
  • Verbinden der Paneele und dem Wechselrichter
  • Anschluss des Wechselrichters an die Stromversorgungsleitung (Netzparallelschaltung)

Je nach Schritte sind verschiedene Gewerbeberechtigungen notwendig. Achten Sie darauf, dass Ihr Anlagenerrichter die entsprechende Berechtigung hat. Eine Aufstellung der notwendigen Gewerbeberechtigungen ist im Download zu finden.

Gewerbeberechtigung Errichtung PV-Anlage

Weltweit ist der PV-Markt 2013 stark gewachsen und hat eine kumulierte Leistung von 136,7 GWp erreicht. Der Zuwachst im Jahr 2013 betrug 37 GWp. In Europa wurden 10 GW installiert (kumulierte Leistung 80 GWp). Eine genau Aufstellung der installierten PV-Leistung ist unter Grafiken finden.

Anlagenüberwachung

Das Ziel eines jeden Photovoltaikanlagenbetreibers ist es, möglichst viel Strom selbst zu erzeugen, zu verbrauchen oder zu verkaufen. Ist die Photovoltaikanlage einmal montiert, kann diese 25 Jahre oder mehr problemlos Strom liefern. Sollte die Anlage allerdings nicht optimal geplant oder errichtet sein, kommt es, vom Betreiber oft unbemerkt, immer wieder zu Ertragseinbußen. Die Amortisationszeit der Anlage kann sich drastisch erhöhen, wenn der Fehler über einen längeren Zeitraum besteht. Bei einer Anlage mit einem Überwachungssystem können Fehlfunktionen rasch ausfindig gemacht werden. Die Investition in ein Monitoringsystem rentiert sich in den meisten Fällen sehr schnell.

Der Leitfaden des AIT gibt Errichtern und Endkunden hilfreiche Unterstützung, worauf bei der Anlagenerrichtung zu achten ist, und wie etwaige Fehler mit Hilfe einer Anlagenüberwachung rasch gefunden werden können.

Folder – Anlagenueberwachung

Leitfaden – Anlagenueberwachung

Quellen:
Text: EPIA, Wikipedia
Abbildungen: Sharp

PV-AUSLEGUNG

Die Grafiken auf dieser Seite stammen von Solarpraxis AG.

Hier erhalten Sie Informationen über die optimale Auslegung von PV-Anlagen sowie Daten zur Solarstrahlung in Österreich.

 

 

Strahlungsdichte im Erdnahen Raum

Solarkonstante

Strahlungsdichte im erdnahen Raum

Die Solarstrahlung, die senkrecht auf die Erdatmosphäre fällt, beträgt 1.367 W/m² (= Solarkonstante).

Von diesen 1.367 W/m² an der Erdatmosphäre erreichen 50 W/m² (starke Bewölkung) bis 1.000 W/m² (optimaler Sonnentag) die Erde.

Die Jahressumme der Globalstrahlung liegt in Österreich je nach Region zwischen 900 und 1.300 kWh/m² und Jahr. In der Sahara kann dieser Wert bis zu 2.500 kWh/m² und Jahr erreichen.

Bildquelle: Solarpraxis AG


Globalstrahung im Jahresverlauf

Globalstrahlung im Jahresverlauf

Die Globalstrahlung besteht in unseren Breiten aus ca. 40 % direkter und 60 % diffuser Strahlung


Strahlungsleistung je nach Wetterlage

Sonneneinstrahlung und Leistung einer Photovoltaik-Anlage bei unterschiedlichen Wetterbedingungen:

Strahlungsleistung je nach Wetterlage

An einem bewölkten Sommertag mit einem diffusen Anteil von 80 % kann der Wert der Einstrahlung durchaus noch 300 W/m² ausmachen.


Strahlungsdichte auf der Erde

Strahlungsdichte auf die Erde

Die nutzbare Strahlungsenergie ergibt sich aus der durchschnittlichen Strahlungsleistung multipliziert mit der Zeit zwischen Sonnenauf-und Untergang.
Die gesamt auftretende Strahlungsenergie wird auch als  Globalstrahlung  bezeichnet und gibt die Energie/m² und Tag an.
z.B.: Winter ca .0,7 kWh/(m²*Tg), Frühling, Herbst ca. 3,9 kWh/(m²*Tg), Sommer ca. 8,0 kWh/(m²*Tg)


Globalstrahlung in Österreich

Sonnenscheindauer-AT

PVGIS © European Communities, 2001-2008

Globalstrahlung in Oesterreich

Die jährliche Globalstrahlung schwankt etwa um plus/minus 5 %. Dementsprechend schwanken die Energieerträge einer Photovoltaik-Anlage im Jahresverlauf relativ wenig.


Globalstrahlung in Europa

Sonnenscheindauer-Europe

PVGIS © European Communities, 2001-2008

Europäische Länder einzeln


 

Winkelbezeichung in der Solartechnik

Test-Winkel-Sonnenstand

Für die Berechnung von Einstrahlungswerten und Erträgen ist die genaue Kenntnis des Sonnenverlaufes von Bedeutung.

Bezeichnung in der Solartechnik:

Osten = minus 90°
Süden = 0° (Azimut)
Westen = plus 90°

Achtung! In der Bauwirtschaft oder Architektur wird Norden als 0° gezeichnet.


 

Jahresgang der Globalstrahlung auf eine geneigte Fläche

Jahresgang der Globalstrahlung

Mit der Neigung der Empfangsfläche verändert sich der Einstrahlwinkel und damit die Bestrahlungsstärke und die eingestrahlte Energie.
Der Jahresgang der Globalstrahlung ist abhängig von ihrer Neigung.
Die direkte Strahlung ist am stärksten, wenn sie im rechten Winkel auftrifft.

Sonnenstand:
Sommersonnenwende: 21. Juni ca. 61°

Wintersonnenwende: 21. Dezember ca. 14°


 

Energieertrag in Abhängigkeit der Ausrichtung der PV-Anlage und der Dachneigung

Energieertrag Ausrichtung Dachneigung

Maximaler Ertrag erzielbar bei: Dachneigung 30° und Süd

Hohe Erträge: Neigung zwischen 0° und 50° (anzustreben sind 30°-50°); eine Südabweichung um +/- 45° vermindert den Energieertrag um lediglich 5-10%.


Verschattungen sind problematisch

Verschattung

Abschattung kann es durch Kamine, benachbarte Gebäude, Bäume, Antennen,etc. geben.

Sie sind in der Praxis eine wesentliche Ursache für Mindererträge von PV-Anlagen. Neben Leistungseinbußen der Anlage besteht die Gefahr der Beschädigung der Solarzellen.

Bereits bei der Planung einer PV-Anlage muss auf einen möglichst beschattungsfreien späteren Betrieb geachtet werden

Am Tag der Wintersonnenwende (21. Dezember) sollte bei einem Höhenwinkel von 15° keine Abschattung an einem südausgerichteten PV-Generator auftreten.

Verschattung Diagramm


 

Strahlungsgewinn durch Nachführung der PV-Module

Bestrahhlung-

Bei 2-achsiger Nachführung lässt sich in Mitteleuropa ein Energiegewinn von 30 % erzielen.
Bei 1-achsiger Nachführung liegt der Energiegewinn bei ca. 20 %.

Der dafür notwendige Mehraufwand (Steuerung, Statik, Kosten) macht in der Regel die dadurch gewonnenen Mehrerträge wieder zunichte.


Begriffe

STC-Bedingungen (Standard-Test-Conditions)

STC Bedingungen

Um verschiedene Zellen oder Module miteinander vergleichen zu können, wurden zur Bestimmung der elektrischen Daten einheitliche Bedingungen (STC) festgelegt, bei denen die Solarzellenkennlinie ermittelt wird:

  1. Eine Einstrahlung von 1000 W/m²
  2. Eine Zellen/Modultemperatur von 25° C
  3. Ein definiertes Lichtspektrum AirMass von 1,5 (Spektralverteilung der solaren Referenzbestrahlungsstärke)

AirMass

Airmass

Der Faktor AirMass (AM) ist ein Maß für Dicke der Luftmasse. Die Luftmasse beeinflusst die spektrale Zusammensetzung des Sonnenlichts und reduziert die Strahlungsleistung.


Sonnenstand zu Mittag im Laufe eines Jahres

AM 0 = im Weltall
AM 1 = 90° ist kürzester Weg durch Erdatmosphäre
AM1,5 = Mitteleuropa


 

Das PV-Modul

Reihenschaltung von Zellen oder Modulen

Reihenschaltung von Zellen oder Modulen

Die Spannungen addieren sich: Der Strom bleibt gleich.


Parallelschaltung von Zellen oder Modulen

Parallelschaltung von Zellen oder Modulen

Die Ströme addieren sich: Die Spannung bleibt gleich.


Temperaturverhalten montierter PV-Module

Temperaturverhalten montierter PV-Module

Temperaturerhöhung und jährliche Energieeinbuße gegenüber freier Aufständerung


Modulkennlinien bei unterschiedlicher Einstrahlung und konstanter Temperatur

Modulkennlinien


Modulkennlinien bei unterschiedlicher Modultemperatur und konstanter Einstrahlung von 1.000 W/m2

Pmpp(Wp) = Umpp(V) x Impp(A)
Leistung(Wattpeak) = Spannung(V) x Strom

Modulkennlinien_Temperatureinfluss


Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom in Abhängigkeit von der Einstrahlung

Modulkennlinie Kurzschlussverhalten

Der Kurzschlussstrom ist linear von der Einstrahlung abhängig d. h. dass sich bei einer Verdoppelung der Einstrahlung auch der Strom verdoppelt.


Mpp (Maximum Power Point)

MPP ist der Punkt der Kennlinie an dem die Zelle/Modul die grösste Leistung abgibt!
Leistung(Pmpp)[Wp] = Spannung(Umpp)[V] x Strom(Impp)[A]
Die MPP Leistung erhält die Einheit Wp (Watt peak engl.:Spitze)

Mpp

Mpp zwei


Normalbetrieb der PV-Anlage

Normalbetrieb


Verschattung der PV-Anlage

Verschattung mit Blatt

In der abgedunkelten Zelle wird der Großteil der erzeugten Energie verbraucht, und dadurch in Wärme umgesetzt!


Verschattung – Bypassdiode

Verschattung Bypassdiode

Werden mehrere Module in Reihe betrieben, so muss parallel zu jedem Modul eine Diode geschaltet werden. Der maximale Strom und die Sperrspannung der Diode entsprechen den Strom- und Spannungswerten eines Moduls. Gleichrichterdioden mit 3 Ampere / 100 Volt sind gängig. Die Freilaufdiode ist so an den Anschlussklemmen jedes Moduls geschaltet, dass sie im normalen Betriebszustand (Modul liefert Strom) in Sperrrichtung gepolt ist (Kathode = mit Ring markierte Seite der Diode an Pluspol des Moduls). Wenn das Modul durch Verschattung oder durch einen Defekt keinen Strom liefert, würde sich die Spannung an den Klemmen umpolen und das Modul beschädigen, zumindest jedoch die Leistung der in Reihe geschalteten Module einer Kette verringern. Durch die Freilaufdiode wird die Verpolung verhindert und der Strom wird aufrechterhalten.


Energieprofil einer PV-Anlage

Energieprofil

Grüne Linie: Stromproduktion durch PV-Anlage

Rote Linie: Stromverbrauch des Haushalts

Grauer Bereich: Der Stromverbrauch des Haushaltes ist größer als die Produktion der PV-Anlage. Strom muss daher vom Energieversorger zugekauft werden.

Gelb ist jener Bereich, in dem die PV-Anlage mehr Strom produziert als benötigt werden. Der dann überschüssige Strom in das Stromnetz eingespeist.