Bürgerstiftung Energiewende Oberland
Am Alten Kraftwerk 4
82377 Penzberg
Tel.: 08856 / 80 53 6-0
Fax. 08856 / 80 53 6-29
E-Mail: info@energiewende-oberland.de
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„Photovoltaik“ wurde gebildet aus den Begriffen „Photo“ - griechisches Wort für Licht - und „Voltaik“. Alessandro Volta war ein Pioneer der Elektrotechnik. „Volt“ ist die Maßeinheit für die elektrische Spannung. Die Sonnenstrahlen erzeugen in Photovoltaikanlagen elektrische Spannung und elektrischen Strom.
Solarzellen - die zu größeren Solarmodulen verbunden sind - produzieren die elektrische Energie. Durch Ausnutzung des photovoltaischen Effekts wandeln sie die Strahlungsenergie der Sonne direkt in elektrischen Gleichstrom um.
Solarzellen sind Scheiben aus vorwiegend monokristallinem oder polykristallinem Silizium. Eine Zelle ist wie eine großflächige Photodiode aufgebaut. Durch gezieltes Einbringen von Fremdatomen in den Silizium-Halbleiterkristall wird ein sogenannter p-n-Übergang geschaffen. Die oberen Schichten der Zelle sind n-dotiert, d. h. es werden Fremdatome implantiert, die 5 äußere Elektronen haben (z. B Phosphor). Da Silizium 4 äußere Elektronen hat, steht 1 Phosphor-Elektron dem Siliziumkristallgitter frei beweglich zur Verfügung. Die untere Schicht ist p-dotiert, z. B. mit Bor, das 3 äußere Elektronen hat. Bor erzeugt 1 frei bewegliches „Elektronenloch“ (1 Elektron fehlt) im Siliziumkristallgitter. Im Übergang der Schichten (p-n-Übergang) gleichen sich die frei beweglichen Ladungen aus, sodass die unbeweglichen Atomrümpfe eine positive Ladung in der oberen n-dotierten Schicht haben bzw. eine negative Ladung in der unteren p-dotierten Schicht. So erzeugen sie ein elektrisches Feld im p-n-Übergang.
Einfallendes Sonnenlicht erzeugt im Siliziumkristall der Solarzelle frei bewegliche Elektronen und Elektronenlöcher, die das elektrische Feld im sogenannten p-n-Übergangs trennt (siehe auch: Wie ist eine Solarzelle aufgebaut?).
Die Elektronen wandern zur Vorderseite der Zelle (Kathode), wo sich die unbeweglichen positiven Atomrümpfe befinden, die Elektronenlöcher zur Rückseite (Anode), wo die unbeweglichen negativen Atomrümpfe angeordnet sind.
Fingerförmige Kontakte auf der Vorderseite und eine geschlossene Metallfläche auf der Rückseite sorgen für den elektrischen Kontakt nach außen. Wenn ein Verbraucher angeschlossen ist, fließt ein elektrischer Strom (Solarstrom).
Weltweit arbeiten Forscher daran, Sonnenenergie noch wirtschaftlicher nutzen zu können, die Produktionskosten für Solarzellen weiter zu senken und die Wirkungsgrade für die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie zu erhöhen.
Eine interessante Presseveröffentlichung finden Sie beim Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE.
Solarmodule bestehen aus Solarzellen, die in Reihe geschaltet sind. Eine Zelle hat eine Spannung von 0,5 Volt und einen elektrischen Strom von 3 bis 8 Ampere, sodass sich in einem Solarmodul aus 36 Zellen die Spannung zu 18 Volt addiert.
Eine PV-Anlage, die in ein öffentliches Netz einspeist, besteht aus Solarmodulen, die zu einem Solargenerator zusammengeschaltet sind, einem Wechselrichter, der den erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt, und einem Einspeise-Stromzähler.
Hinzu kommt die Verkabelung vom Generator zum Wechselrichter und von dort zum Einspeisezähler. Die Module werden mit Hilfe eines speziellen Befestigungssystems z. B. auf einem Dach oder einer Fassade montiert. Solarmodule, die zu einem Strang verschaltet werden, sollten sich in ihrer Leistung nicht zu stark unterscheiden, um einen möglichst hohen Ertrag zu haben. Deshalb erfolgt ein Vorsortieren der Module (Matching).
Vor der Einspeisung in das öffentliche Stromnetz wandelt der Wechselrichter den erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um. Er ermittelt ständig den Punkt der maximalen Leistung (MPP, maximum power point), indem die zur Verfügung stehende Solareinstrahung viele Male in der Sekunde gemessen wird um den optimalen Arbeitspunkt einzustellen. Im normalen Arbeitsbereich haben gute Wechselrichter einen Wirkungsgrad von 95 bis 98%. Wechselrichter arbeiten automatisch und sind wartungsfrei. Störungen werden angezeigt. Die Garantiezeit beträgt 5 Jahre. Im Austausch kostet ein Wechselrichter etwa 300 €.
Geeignet sind grundsätzlich alle Dächer, die nach Süden gerichtet und unverschattet sind und unverschattete Freiflächen. Die Ausrichtung der Solarmodule zur Sonne (Azimutwinkel) und der Neigungswinkel der Module bestimmen den Energieeintrag.
Optimal sind die Südrichtung und der Neigungswinkel von ca. 35°. Der Energieeintrag wird aber nur um höchstens 7% vermindert, wenn die Module nach Süd-Ost bis Süd-West gerichtet sind und einen Neigungswinkel von 15 bis 50° haben.
Mit immer weiter sinkenden Anlagenkosten und Einspeisevergütungen, ist die möglichst direkte Verwendung direkt im Hause immer wirtschaftlicher. Ost-West-Anlagen (Anlagen die teilweise nach Osten und teilweise nach Westen ausgerichtet sind) erzeugen gleichmäßiger und länger Strom wie reine Südanlagen. Auch wenn der Gesamtertrag dann nicht so hoch wie bei optimal ausgerichteten Anlagen ist, kann die Wirtschaftlichkeit durch den erhöhten Eigenverbrauch trotzdem gegeben sein.
Somit eignen sich mittlerweile auch Dächer die bisher nicht wirtschaftlich waren.
Die Kabellänge vom Generator zum Wechselrichter sollte möglichst kurz sein, um Verluste zu minimieren. Da der Wechselrichter Verlustwärme abgibt, stellt man ihn an einem kühlen / luftigen Ort auf.
Nennleistung oder Spitzenleistung der Module (Peak-Leistung) ist die Leistung, die sie bei standardisierten Testbedingungen abgeben ((STC = Standard Test Conditions).
Die STC sind bei einer Einstrahlung von 1000 W/m², einer Temperatur von 25 °C und einer Luftdichte von 1,5 kg/m³ gegeben.
Die Maßeinheit des ermittelten Leistungswertes ist Wp bzw. kWp (p = peak, Spitze).
Wp = Watt-Peak, kWp = Kilowatt-Peak.
Mit diesen Maßeinheiten wird die Nennleistung bzw. Spitzenleistung (Peak-Leistung) der Module angegeben (siehe: Was bedeutet Nennleistung?).
Die in Deutschland aufgestellten PV-Anlagen erzeugen eine elektrische Energie im Bereich von 800 bis 1050 kWh pro 1 kWp der installierten Nennleistung und Jahr.
Eine PV-Anlage sollte so ausgelegt sein, dass – über die gesamte Tages- und Jahres-Einspeiseperiode betrachtet – eine hohe Energieernte erzielt wird.
Jeder Wechselrichter hat eine Wirkungsgrad-Kennlinie, die mit der Eingangsleistung bis zu einem Maximalwert ansteigt und dann wieder abfällt. Da ein großer Teil der Energieernte bei mittleren und kleineren Strahlungsleistungen anfällt, kann man den Gesamtertrag optimieren, wenn die Nennleistung des Wechselrichters etwa 5 bis 10% unter der Nennleistung des Generators liegt.
Für eine Generatorleistung von 1 kWp benötigt man eine Dachfläche von 6 bis 10 m² mit handelsüblichen Modulen.
Handelsübliche Module haben einen Wirkungsgrad von 11 bis 18%. Der Wirkungsgrad kann wie folgt ermittelt werden.
Beispiel: Modulleistung 230 Wp; Modulfläche 1,7 m².
Standard-Testbedingung: 1000 W/m².
Berechnung: 230 Wp / 1,7 m² / (1000 W/m²) * 100% = 13,5%.
Inzwischen gibt es viele Firmen, die Komplettanlagen projektieren, montieren und in Betrieb nehmen. Die Anbieterfirma übernimmt auch die Antragstellung beim Netzbetreiber, sodass der Interessent nur einen Lageplan und eine Zeichnung vom Haus beschaffen muss. Die Statik des Daches muss überprüft werden, ob die Tragfähigkeit ausreicht. Die Eigenmasse (Gewicht) der PV-Anlage beträgt etwa 20 kg/m². Eine Baugenehmigung für die PV-Anlage ist nicht erforderlich, wenn die Module parallel zur Dachfläche montiert werden.
Ja! Wird eine PV-Anlage mit Eigenkapital finanziert, liegt die Eigenkapitalverzinsung nach 20 Jahren bei ca. 5%.
Im Vergleich zu anderen Investitionen erscheint dieser Wert niedrig, jedoch ist zu berücksichtigen, dass mit dem Betrieb einer PV-Anlage ein geringes Risiko verbunden ist.
Es gibt eine Leistungsgarantie für Solarmodule. Der zugesicherte Prozentsatz bezieht sich auf 10, 20 oder mehr Betriebsjahre. Eine Ertragsminderung von z. B. 5% in 20 Jahren ist ein guter Wert. Die normale Garantiezeit des Wechselrichters beträgt 5 Jahre. Gegen Aufpreis kann sie auf 10 Jahre verlängert werden.
Es sollte in jedem Fall eine Photovoltaik-Versicherung als Sachversicherung abgeschlossen werden. Im Privatbereich reicht es meist aus, die eigene Anlage an die Wohngebäudeversicherung zu melden. Ob eine Betreiber-Haftpflichtversicherung angezeigt ist, muss auf Grund der Risikolage entschieden werden.
Erfahrungsgemäß liegen die durchschnittlichen Reparaturkosten in der Zeitspanne von 20 Jahren bei 0,5% p. a. Nach 5 oder 10 Jahren könnte ein Austausch-Wechselrichter fällig werden (ca. 300 €). Da sich in der PV-Anlage keine beweglichen Teile befinden, ist die Reparaturanfälligkeit sehr gering.
Die Überwachung ist denkbar einfach, da die Anlage automatisch arbeitet. Etwaige Störungen werden mit Blinkzeichen angezeigt. Es empfiehlt sich, die Einspeisewerte zumindest wöchentlich zu protokollieren und diese mit den Prognosewerten für die Jahreszeit zu vergleichen. Mit einem Service des Solarfördervereins kann man z.B. die eigenen Monatserträge mit denen ähnlicher Anlagen vergleichen,siehe www.sfv.de Solarstromerträge.
Auch sollte von Zeit zu Zeit der Wechselrichter-Wirkungsgrad durch Ablesen der Eingangs- und Ausgangsleistung überprüft werden. Wer möchte, kann eine automatische Fernüberwachung einbauen lassen und einen Überwachungs-Service in Anspruch nehmen.
PV-Anlagen können acuh über 30 Jahre problemlos funktionieren. Die Solarzellen arbeiten unbegrenzt, nur der Wirkungsgrad nimmt pro Jahr um ca. 0,2%-0,5% ab. Die Leistungsgarantie läuft meist 25 Jahre lang.
Für Wechselrichter wird allgemein eine Lebensdauer von ca 10 Jahren angenommen, jedoch sind diese im Austausch günstiger als bei Neuerwerb.
Wenn ich mich als Investor an einer Bürgersolaranlage beteilige, habe ich weniger Aufwand für Planung, Betreiben und Überwachen der Anlage. Das ist ein Vorteil, dem der Nachteil einer etwas geringeren Kapitalverzinsung gegenüberstehen kann, da bei Bürgersolaranlagen zusätzliche Kosten für Geschäftsführung, Verwaltung und Überwachung anfallen.
Die Energie zur Herstellung und späteren Entsorgung,der Komponenten und dem Aufbau ist in unseren Breitengraden nach 2 bis 4 Jahren (bei modernen Anlagen ca. 2 Jahre) erwirtschaftet.
Eine 3,5-kWp-PV-Anlage mit ca. 27 m² Modulfläche spart in einem Jahr die große Menge von 2 Tonnen CO2 ein.
Ja, alle Studien zeigen, dass die Photovoltaik langfristig einen unverzichtbaren Baustein unserer Stromversorgung darstellt. Durch den kontinuierlichen Aufbau der Solarindustrie und die Weiterentwicklung der Technologie mit entsprechender Kostensenkung wurde in 2012 bereits mehr als 5% des gesamten deutschen Strombedarfs mit Solarstrom gedeckt werden. Langfristig werden 20% bis 30% des Strombedarfs solar erzeugt werden.
Solarstrom wird langfristig die wichtigste Primärenergiequelle im weltweiten Energiemix sein, so die Prognose des Wissenschaftlichen Beirats der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen (WBGU). Im Jahr 2050 wird nach dieser Prognose Solarstrom bereits 24 Prozent, bis zum Jahr 2100 63 Prozent zur weltweiten Energieerzeugung beitragen. Die konventionellen Energieträger verlieren dagegen stark an Bedeutung.
