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 und Entwicklung

 

Die Entdeckung und grundlegende Forschung

 

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.

 

Zwischen 1839 und 1907 beobachteten mehrere Wissenschaftler den Photoeffekt bei verschiedenen Materialen und Experimenten. 1907 lieferte Albert Einstein (1879 – 1955) eine theoretische Erklärung des lichtelektrischen Effets.

 

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.

 

Russel S. Ohl. (1898-1967) und Walter Schottky (1886-1976) schufen währenddessen wichtige Voraussetzungen für die heutigen Solarzellen, in dem sie das p-n-Modell zum ersten Mal beschrieben und theoretische Modelle dazu entwickelten haben.

 

1953 wurden 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.

Photovoltaische Zellen

Photovoltaische Zellen lassen sich nach den eingesetzten Materialen unterscheiden.

Silizium Zellen

Die Silizium Zellen können in zwei große Gruppen eingeteilt werden, die monokristallinen Zellen und die polykristallinen Zellen.

Monokristalline Zellen

Monokristalline Zellen werden aus Wafern hergestellt, die aus einem Siliziumkristall gestehen. Deshalb haben diese Zellen auch eine sehr einfarbige Oberfläche. Die Produktion ist deshalb zwar etwas teurer als bei polykristallinen Zellen, doch weisen die Zellen typischerweise höhere Wirkungsgrade auf. Monokristalline Zellen haben unter Laborbedingungen bereits Wirkungsgrade von über 26%. Die Monokristallinen Zellen werden aufgrund von geringer werdenden Kosten und der höheren Effizienz immer häufiger installiert.

Polykristalline Zellen

Polykristalline Zellen bestehen aus einer Vielzahl von Siliziumzellen, die sich frei bei der Produktion gebildet haben. Die Module sind durch die einfachere Produktion zwar billiger als die monokristallinen Module, haben jedoch auch einen geringeren Wirkungsgrad. Mittlerweile erreichen polykristalline Module im Labor einen Wirkungsgrad von über 22%. Aufgrund der geringeren Kosten dominierte diese Zelle den Photovoltaikmarkt für viele Jahre.

Silizium Zellen können sich aber auch im Aufbau unterscheiden. Gleich wie bei der Materialentwicklung hat sich auch der Aufbau der Zelle über die Jahre verändert.

Zurzeit sieht die Standard-Silizium-Solarzelle noch so aus:

 

Dieser Zelltyp besteht von oben nach unten, aus:

  • Dem Siebdruck aus Silberpaste, ein elektrischer Kontakt
  • Der Antireflexschicht
  • Den Phosphor und Bor dotierten Wafern
  • Der Rückseitenoberfläche
  • Dem Siebdruck aus Aluminiumpaste

 

In den letzten Jahren konnte sich jedoch die PERC-Zelle („Passive Emitter and Rear Cell“) am Markt immer mehr durchsetzen. Es wird auch davon ausgegangen, dass dieser Zelltyp in Zukunft der neue Standard werden wird.

Diese Zelle ist eine Weiterentwicklung der Standardzelle und Punktet mit einem höheren Wirkungsgrad.

Bei der PERC Zelle wird der Kontakt der Basis mit dem Aluminium-Schicht minimiert. Zwischen den Kontakten werden zwei diaelektrische Schichten eingefügt die die Einstrahlung die im ersten Schritt, nicht von der Zelle aufgenommen wurde, wieder zurück reflektiert. Durch dieses zurückreflektieren kann mehr Einstrahlung in der Zelle verwertet werden und ein höherer Wirkungsgrad ist dadurch möglich.

Dünnschicht Zellen

Dünnschichtzellen gibt es in einer Vielzahl von Ausführungen. Sie unterscheiden sich je nach Substrat und aufgedampften Materialen. Die Bandbreite an Eigenschaften und Wirkungsgraden ist demensprechend groß.

Dünnschichtzellen unterscheiden sich von traditionellen Siliziumzellen vor allem durch ihre Schichtdicken. Bei Dünnschichtzellen wird das reaktive Material auf das Trägermaterial, Glas, Kunststoff, Metallblech direkt aufgedampft. Dadurch sind sie etwa 100-mal dünner als traditionelle Zellen.

Die gängigste Dünnschichtzelle ist die amorphe Silizium- (auf Glas) Zelle. Der Wirkungsgrad dieser Zellen liegt bei etwa 10%.

Andere Materialien die für die Dünnschichtzellen eingesetzt werden sind mikrokristallines Silizium, Gallium-Arsenid, Cadmiumtellurid, oder Kupfer-Indium-Schwefel-Selen-Verbindungen (CIGS-Zelle).

Dünnschichtzellen bieten Wirkungsgrade im Bereich von 10 % – 21 %. Der große Vorteil dieser Zellen ist jedoch der sehr breite Einsatzbereich, von aufrollbaren Flächen auf Rucksäcken bis hin zu Großflächenanlagen.

Organische Zellen

Organische Zellen sind Zellen die aus organischem Material, d.h. Kohlenwasserstoff-Verbindungen bestehen. Diese Zellen haben im Moment zwar kleinere Wirkungsgrade wie die traditionelle Siliziumzelle, 16 %, aber hinsichtlich günstiger und vielseitiger Herstellungsverfahren und durch ihre hohe Flexibilität technologiespezifische Vorteile.

Farbstoff Zellen („Grätzel Zellen“)

Farbstoffzellen, auch als Grätzel-Zellen bekannt, wandeln die Sonnenenergie über die Lichtabsorption eines Farbstoffes gewonnen. Dabei kommen Materialen wie zum Beispiel Titandioxid und Ruthenium zum Einsatz. Diese Zellen bieten Wirkungsgrade von über 10%, haben jedoch aufgrund der aggressiven Elektrolyte eine begrenzte Lebensdauer. Die Vorteile liegen bei den geringen Ertagseinbußen bei schwachem Licht.

Mehrfachsolarzellen

Mehrfachsolarzellen bestehen aus zwei oder mehreren verschiedenen Solarzelltypen. Diese Solarzellentypen werden übereinander angeordnet. Dieser Aufbau soll dafür sorgen, dass ein breites Spektrum des eingestrahlten Lichts energetisch genutzt werden kann. Es gibt bereits Zellen, die über 47 % Wirkungsgrad erreichen. Der Nachteil dabei ist, dass diese Zellen nur schwer wirtschaftlich herstellbar sind.

Die Entwicklung der Nutzung

Am 17.März 1958 wurde die Photovoltaik zum ersten Mal für die Stromversorgung eines System angewendet. 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. 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.

 

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.

 

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 Photovoltaikanlagen amortisierten sich schnell.

 

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).

 

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 2013 zu einer Verdoppelung des Vorjahresergebnisses. Mit 2014 ist die installierte jährliche Leistung in Österreich auf ca. 160 MW abgeflacht. In diesem Bereich blieb sie dann auch bis 2018. Ende 2018 waren somit 1438 MW oder 1,43 GW an Photovoltaikleistung in Österreich installiert. Die aktuellen Grafiken zur Photovoltaik-Entwicklung finden sie hier.

 

Grundlagen

 

Technische Beschreibung

Die, jedes Jahr, 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.

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 1.200 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 11,9 Prozent für “Grätzel Zellen”) bis hin zu über 47 Prozent (Mehrschicht-Solarzelle). Die Wirkungsgrade marktüblicher PV-Module liegen zwischen 18 und 20 Prozent. Zur Gesamtbetrachtung fließen allerdings noch die Verluste des Wechselrichters und andere technische Betriebsmittel mit ein.
Obwohl die insgesamt zur Verfügung stehende Sonneneinstrahlung sehr hoch ist, ist die Photovoltaik aufgrund der spezifischen Einstrahlung und des Wirkungsgrades im Vergleich zu anderen Energietechnologien noch flächenintensiv.

Potenzial

Der mögliche Beitrag der Photovoltaik in der Ausführung als netzgekoppelte Anlagen zur Deckung der Stromnachfrage kann folgend abgeschätzt werden (nach Kaltschmitt, Streicher 2009).

Technisches Angebotspotenzial:

Das technische Angebotspotenzial ergibt sich aus dem regionalen Strahlungsangebot und der Art des Zelltyps, sowie den zur Verfügung stehenden Flächen:

  • Gebäudedächer, Schätzwert 18 % geeignet (entspricht 114 km², jährlicher Ertrag 800 kWh/kWp)
  • Fassaden, Schätzwert 6 % geeignet (entspricht 52 km², jährlicher Ertrag 500 kWh/hWp)
  • Freifläche (Grünland), Schätzwert 14 % geeignet (entspricht 136 km², jährlicher Ertrag 900 kWh/kWp)
  • Lärmschutzwände (0,46 km²)

Somit ergibt sich für eine angenommene Gesamtfläche von 303 km² ein technisches Potenzial von ca. 43 TWh für polykristalline Zellen (Wirkungsgrad 16 %), zu installierende Leistung 49.000 MW. Bei einer Beanspruchung von 3 % des Ackerlands, das sind 228 km², würde das Angebotspotenzial auf 57 TWh steigen.

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


STC-Bedingungen (Standard-Test-Conditions)

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)

Kosten der PV-Anlage

Bei den Investitionskosten muss zwischen Großanlagen und Kleinanlagen unterschieden werden (Marktstatistik 2018).

  • kWp-Preis von 5 kWp netzgekoppelte Anlagen: zwischen 1170 und 2000 Euro
  • kWp-Preis von >= 10 kWp netzgekoppelte Anlagen: zwischen 800 und 1650 Euro

Die Investitionskosten neu installierter PV-Anlagen sinken stetig und gleichzeitig steigt durch die laufende technische Weiterentwicklung gerade im Bereich der Solarzellen sowie Module der Wirkungsgrad an und auch Optimierung der Produktion an sich finden statt. Bei konventioneller Stromerzeugung auf Basis fossiler Energieträger ist dagegen aufgrund der steigenden Brennstoffkosten mit einem Preisanstieg zu rechnen, zumal auch bereits des Längeren eine Bepreisung des CO2 Ausstoßes diskutiert wird.

Sonnenklar - Optimale Anlagengröße berechnen

Die MA 20 Energieplanung und der Bundesverband Photovoltaic Austria haben ein Tool zur optimalen Auslegung von Photovoltaikanlagen entwickelt.

Das Tool erlaubt es interessierten BürgernInnen, durch die Eingabe weniger Parameter die optimale Systemauslegung für ihre PV-Anlage zu ermitteln. Gemessen wird der Optimierungsgrad des Systems an der Eigenverbrauchsrate, sprich dem Prozentsatz an erzeugtem PV-Strom, der direkt im Haus verbraucht wird.

Hier geht es zum Sonnenklar-Rechner!

Anlagenüberwachung

Das Ziel eines jeden Photovoltaikanlagenbetreibers ist es, möglichst viel Strom selbst zu erzeugen, zu verbrauchen oder, wenn es dafür einen lukrativen Einspeisetarif gibt, zu verkaufen. Ist die Photovoltaikanlage einmal montiert, kann diese 25 Jahre oder mehr problemlos Strom liefern (einmaligen Austausch des Wechselrichters miteingeplant). 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.

Broschüre – 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 Österreich

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.

Dieses Phänomen wird mittels des “Airmass” beschrieben. Der Faktor AirMass (AM) ist ein Maß für die 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 die Erdatmosphäre

AM 1,5 = Mitteleuropa

 

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.

Globalstrahlung im Jahresverlauf

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

Bildquelle: Solarpraxis AG


Globalstrahlung Österreich

Die nutzbare Strahlungsenergie ergibt sich aus der durchschnittlichen Strahlungsleistung multipliziert mit der Zeit zwischen Sonnenauf-und Untergang.

Strahlungsdichte auf die Erde

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*Tag), Frühling, Herbst ca. 3,9 kWh/(m²*Tag), Sommer ca. 8,0 kWh/(m²*Tag)

Globalstrahlung in OesterreichPVGIS © European Communities, 2001-2008

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.

Sonnenscheindauer-AT

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


Globalstrahlung Europa

Sonnenscheindauer-Europe

PVGIS © European Communities, 2001-2008

Europäische Länder einzeln

Winkelbezeichungen 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.

Modulneigung und Energieertrag im Jahresverlauf

Jahresgang der Globalstrahlung

Mit der Neigung des Moduls 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°

 

Verschattungen

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

Verschattung

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 verschattete Stelle überbrückt werden. Die Leistung des Stranges wird durch die Zellen Z1-Z18 vorgegeben. Der Leistungsverlust ist somit geringer und die verschattete Zelle wird ebenfalls weniger stark durch eine Wärmeentwicklung belastet.

Verschattung Diagramm

Abschattung an einem südausgerichteten PV-Generator auftreten.

Können Verschattungen nicht vermieden werden, so können gut gesetzte Verschaltungen, Bypass-Dioden, Modulwechselrichter etc. den Ertragsverlust minimieren.

Um den Effekt einer Verschattung darzustellen, wird auf den folgenden Bildern eine Verschaltung von 36 Zellen untersucht:

Normalbetrieb der PV-Anlage

Normalbetrieb

Verschattung der PV-Anlage

Verschattung mit Blatt

Die Stromstärke des gesamten Stranges ist nur so hoch wie die Stromstärke des verschatteten Moduls. Die Leistung des gesamtes Stranges sinkt. Zusätzlich wird in der verschatteten Zelle ein Teil der Energie in Wärme umgesetzt. Diese Wärme kann die Zelle zusätzlich langfristig beschädigen.

Verschattung – Bypassdiode

Verschattung Bypassdiode

Wird eine Bypassdiode parallel zu den Zellen geschalten, kann im Falle einer Verschattung, die verschattete Stelle überbrückt werden. Die Leistung des Stranges wird durch die Zellen Z1-Z18 vorgegeben. Der Leitungsverlust ist somit geringer, und die verschattete Zelle wird ebenfalls weniger stark durch eine Wärmeentwicklung belastet.


Montage/Anbringung

Das Montagesystem ist die mechanische Verbindung zwischen den Modulen und dem Untergrund. Es besteht aus der Dach-/Untergrund-Befestigung, dem Schienensystem und der Modulbefestigung. Die Module müssen an, in der Herstellangaben angegebenen, Punkten befestigt werden. Auch gibt der Untergrund oft Befestigungspunkte vor, wie zum Beispiel Sparren bei der Dachbefestigung.

Das Montagesystem muss auf das Eigengewicht der Module, die Wind- und die Schneebelastung angepasst werden.

Auch muss die Statik des Daches nachweisbar die zusätzliche Last der Module aushalten müssen.

Gebäudeintegrierte PV

Die Module ersetzen das Dach oder die Fassade und übernehmen zusätzlich die Funktionen, des Feuchteschutzes. Dazu werden die Module entweder in eine wasserdichte Unterkonstruktion gegeben oder sie werden überlappend (wie Dachziegel) angeordnet. Dichtungsprofile werden dann dazu verwendet Fugen dicht zu machen.

Diese Weise der Modulintegration ist oft ästhetischer als eine Aufdachmontage hat jedoch den Nachteil, dass die Module oft schlechter Hinterlüftet sind.

Aufdachmontage

Schrägdächer

Das Montagesystem auf Schrägdächern besteht aus der Dachbefestigung (Dachhacken, Befestigungsziegel, Falzdachklemmen, Stockschrauben, etc.), dem Schienensystem (welches die Anordnung der Module, unabhängig der Dachkonstruktion macht) und der Modulbefestigung (Klemmen und formschlüssige Befestigungen)

Flachdächer

Bei Flachdächern ist die Azimutausrichtung der Module frei, sodass ein optimaler Winkel frei gewählt werden kann. Die Dachbefestigung kann bei Flachdächern aus Schwerlastaufstellungen (Die Aufständerung wird mit Kies oder Betonplatten beschwert), Verankerungen (die Dachhaut wird durchdringt) oder ballastarmen Aufstellungen (geringe Neigungswinkel; Windleitblech, Ost-West-Ausrichtung) bestehen.

Freiflächen

Die Montage auf Freiflächen besteht aus der Gründung (Betonfundamente oder Schraub- und Rammfundamente), den Gestellen (Einpfostensystem oder Zweipfostensystem) und der Modulbefestigung (Klemmen und formschlüssige Befestigungen.

 

Sonderform-Nachgeführt

Freiflächenanlagen können auch nachgeführt projektiert werden. Dabei drehen sich die Module mit der Sonne entweder um eine, oder um zwei Achsen mit.

 

 

Bestrahhlung-

 

Bei 2-achsiger Nachführung lässt sich in Mitteleuropa ein Energiegewinn von 30 % erzielen.

Bei 1-achsiger Nachführung liegt der Energiegewinn bei ca. 20 %.

 

Um die Wirtschaftlichkeit solcher Systeme zu gewährleisten, muss der Mehrertrag an gewonnener Energie (über die Lebensdauer) die zusätzlichen Kosten durch Steuerung, Statik, Fundament, etc., übertreffen


Energieprofil Haushalt mit Photovoltaik

Beispiel eines Energieprofils eines Haushalts mit einer Photovoltaikanlage. (Verbrauch Haushalt: 1000 kWh. Erzeugte Energie PV: 1000 kWh)

 

Orange Linie: Erzeugungsprofil Photovoltaik

Graue Linie: Lastprofil Haushalt

Grüne Fläche: Die von der Photovoltaik erzeugte Energie wird direkt im Haushalt verbraucht.

Gelbe Fläche: Überschussenergie. Wird entweder ins Netz eingespeist oder gespeichert.

Graue Fläche: Energie wird vom Energieversorger zur Verfügung gestellt.

 

Mit Hilfe des Sonnenklar-Rechners können Sie Ihre optimale PV-Anlage eingeständig planen: https://www.pvaustria.at/pv-tools/

 

10 Gründe für Sonnenstrom

 

1. Langfristige Investition

Eine PV-Anlage versorgt jahrzehntelang mit sauberer Sonnenenergie ohne Emissionen, Lärm- oder Geruchsbelästigung.

 

2. Sonnenstrom ist wandelbar

PV-Strom ist CO2-neutral und kann in jede Energienutzungsform umgewandelt werden.

 

3. Rasche Amortisation

Die Amortisation der Anlage haben Sie in der Hand: Je mehr Sie von Ihrem selbst erzeugten PV-Strom nutzen, desto rentabler ist Ihre Anlage und umso früher die Amortisation.

 

4. Verfügbare Förderungen

Die Anschaffung einer PV-Anlage wird finanziell unterstützt. Welche Förderungen angeboten werden, finden Sie stets aktuell unter www.pvaustria.at/forderungen .

 

5. Schmelzende Stromrechnung

Durch die Nutzung einer PV-Anlage produzieren Sie Ihren eigenen Strom zu einem stabilen Preis, während der Preis für konventionellen Strom weiter schwankt.

 

6. Versorgungssicherheit & Unabhängigkeit

Mit einem Stromspeicher können der Eigenverbrauch und die Versorgungssicherheit erhöht werden, sodass auch in der Nacht oder bei Stromausfall Strom zur Verfügung steht.

 

7. Günstige Anlagenpreise

Die Anschaffungskosten liegen durchschnittlich bei 1.800 Euro pro kWp bei 5-kWp-Anlagen und bei 1.400 Euro bei 10-kWp-Anlagen (inkl. MwSt. und fertig installiert). Noch ohne Berücksichtigung von Förderungen.

 

8. Wartungsfrei

Die PV-Anlage ist äußerst wartungsarm. Zu Beginn der sonnigen Zeit im Frühling wird ein regelmäßiger technischer Check der Anlage empfohlen. Je nach Lage und Umgebung der PV-Anlage sind die Module zu reinigen.  Auch nach Ablauf der Garantiezeit von 25 Jahren kann noch mit 80 % Leistung gerechnet werden. Ein einmaliger Wechselrichteraustausch sollte in einer 25 jährigen Lebensdauer miteinkalkuliert werden.

 

9. Ökologisch

Mit dem Betrieb einer PV-Anlage leisten Sie einen direkten Beitrag zum Kampf gegen den Klimawandel.

 

10. Wertsteigerung

PV-Anlagen erhöhen den Wert des Gebäudes.

 


Haben Sie nun Lust bekommen Ihre eigene PV-Anlage zu planen?

Dann nutzen Sie die PV-Profi-Suche und finden Sie den passenden Errichter für Ihre PV-Anlage!

 

Einsatzmöglichkeiten PV-Strom

 

Der durch eine Photovoltaikanlage sauber produzierte Strom bietet eine Vielzahl an Einsatzmöglichkeiten direkt am Erzeugungsort. So kann dieser Strom zum einen direkt im Haus als auch zum “Mitnehmen” in Form einer “Tankfüllung” dienenn

 Der PV-Strom kann für den Betrieb jeglicher E-Geräte wie Kühlschrank, Beleuchtung oder Poolpumpe genutzt werden.

 Die Wärmebereitstellung mittels Heizstab, Infrarot oder Wärmepumpe kann auch ohne Probleme durch PV-Strom abgedeckt werden. Auch Kühlgeräte sind besonders im Sommer, wo es tendenziell besonders viel PV-Strom gibt, eine gute Einsatzmöglichkeit.

 PV-Strom kann über die klassische Stromnutzung hinaus auch für viele Mobilitätsvarianten genutzt werden. So stellen E-Tankstellen direkt am Erzeugungsort eine gute Möglichkeit zur PV-Stromnutzung dar.

 Zusätzlich zur Stromnutzung während der Produktionszeiten, kann der PV-Strom auch in einen Stromspeicher fließen, um noch mehr Unabhängigkeit zu gewährleiste. Sie können somit Strom dann nutzen, wenn Sie es wollen.