Funktionsprinzip und
Grundlagen der Photovoltaik
- Funktionsprinzip:
Bei Lichteinfall ("Photonen - Aufprall") auf die Silizium-Solarzelle werden Elektronen freigesetzt, die aufgrund der gezielten Verunreinigung der Vor- und Rückseite mit unterschiedlichen Fremdatomen, wie Bor und Phosphor, zu einer Seite der Solarzelle wandern; zur anderen Seite orientieren sich die positiven Ladungsträger. Es entsteht ein Plus- und Minuspol, sodaß bei Anschluß eines Verbrauchers Strom fließen kann.
Die aus vielen miteinander verbundenen Solarzellen bestehenden Module sind laminiert, verglast und werden mit einem steifen Aluminiumrahmen versehen. Lieferbar sind auch Module ohne Rahmen.
Die Alternative zu Silizium-Modulen ist die Gruppe der Dünnschicht-Module mit z.B. den Materialien amorphes Silizium, Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) und Cadmium-Tellurid.
Diese Module benötigen für die gleiche Nennleistung wie von Silizium-Modulen erheblich mehr Montagefläche; jedoch haben sie ein besseres Hitze-Verhalten (Temperaturkoeffizient), einen bis zu 18% höheren Stromertrag und vertragen auch teilweise Verschattung. Dünnschicht-Module bieten ein großes Entwicklungspotential.
Alle Module können auf Satteldächern, Flachdächern, einer freien Fläche oder an Fassaden
montiert werden. Dazu gibt es unterschiedliche Gestelle und Befestigungen.
Der in den Modulen hergestellte Gleichstrom wird durch Wechselrichter
in Wechselstrom umgewandelt und dann ins öffentliche Stromnetz
eingespeist.
In Regionen mit schlechter Infrastruktur werden Photovoltaik-Anlagen
als sogenannte "Inselanlagen", also vom Netz unabhängige Anlagen,
eingesetzt. Der dabei produzierte Strom fließt entweder sofort
in einen Verbraucher (Wasserpumpen, Klimaanlagen, Parkscheinautomaten, Kühlschränke
etc.) oder wird in Batterien für eine spätere Nutzung eingespeist.
Die von der PV-Anlage produzierte Strommenge wird von einem separaten Stromzähler erfasst und mit dem gesetzlich festgelegten Preis pro kWh vom Energieversorger bezahlt.
Der (bereits vorhandene) Verbrauchsstromzähler misst danach den selbst verbrauchten Strom, der mit dem ortsüblichen Preis vom Kunden bezahlt werden muß.
Die erhebliche Preisdifferenz zwischen "verkauftem" und "gekauftem" Strom dient der Finanzierung der Anschaffungskosten der Photovoltaik-Anlage, und sie stellt deren wirtschaftlichen Gewinn sicher.
- Grundlagen:
Einstrahlung
Die Sonne liefert uns das 15.000 fache des Energieverbrauches der gesamten Menschheit pro Tag. Die
Leistung der Sonneneinstrahlung beträgt im All unglaubliche 175 Milliarden
Megawatt! Die Erdoberfläche erreichen abzüglich Streuverluste in der
Atmosphäre durchschnittlich 1000 W pro m² (Deutschland). Das entspricht dem Energiegehalt von jährlich 100 Litern öl.
Dieser Wert der maximal
möglichen Einstrahlungsleistung (Voraussetzung ist ein wolkenloser Tag)
dient als Richtwert für sämtliche Berechnungen.
Solarmodule können, abhängig von dem jeweiligen Typ, zwischen
6 % und 20 % der maximalen Einstrahlungsleistung in elektrische
Energie umsetzen. Eine PV-Anlage mit 1kW kann je nach Standort in
Deutschland etwa 800-1.200 kWh Strom im Jahr produzieren.
Die mögliche regionale Energiemenge lässt sich mit Unterstützung des "Deutschen
Wetterdienstes in Hamburg" recht genau ermitteln.
Photovoltaik funktioniert bei Licht und nicht nur bei Sonnenstrahlung.
Ausrichtung der Module
Am wirtschaftlichsten ist die Ausrichtung der Module im rechten Winkel zum Süden bei einem Anstellwinkel der Module von 30°. Es ist aber auch eine Abweichung vom Süden um bis zu 40° in Richtung West oder Ost bei einem flacheren Anstellwinkel akzeptabel. Reine West- oder Ostausrichtungen haben mindestens 10% weniger Stromertrag zur Folge.
Lediglich die Nord-Ausrichtung bringt keine wirtschaftlichen Erträge.
Eine Beschattung durch Bäume, Häuser etc. reduziert den Energieertrag.
Unterschiedliche PV-Anlagen-Konzepte
Es gibt folgende Arten von Photovoltaikanlagen:
- Direktversorgung:
Dabei wird einem angeschlossenen Elektrogerät direkt über die PV-Anlage Energie zugeführt.
Anwendbar bei kleineren Verbrauchern, zum Beispiel Taschenrechnern, oder Verbrauchern, die nur tagsüber laufen.
- Inselbetrieb:
Hierbei werden ein oder mehrere Geräte über die PV-Anlage mit Energie versorgt. Mit der Energie, die dafür aktuell nicht benötigt wird, werden Akkumulatoren aufgeladen. Diese in den Akkus gespeicherte Energie kann dann verwendet werden, wenn die PV-Module nicht aktiv sind (zum Beispiel nachts); Gleichspannung 12 Volt.
Sinnvoll anwendbar in Gebieten ohne Elektroverteilernetz, oder beispielsweise in der Meß- und Fernmeldetechnik.
- Netzeinspeisebetrieb:
Prinzipiell funktioniert eine solche Anlage wie ein normales Kraftwerk: Energie wird am Tage ins öffentliche Netz eingespeist.
Abends und nachts wird der elektrische Strom wieder über das öffentliche Netz herbeigeführt. Betreiber einer PV-Anlage dieses Typs bekommen für die ins Netz eingespeiste Energie eine hohe Einspeisevergütung vom Energieversorgungsunternehmen (EVU).
Anwendbar bei Wohngebäuden jeder Art, Schulen, Bürohäusern etc...
- Möglich sind ferner Anlagen, die ins öffentliche Netz und in Akkus oder Verbraucher einspeisen können.
Planung und Dimensionierung einer PV-Anlage
Vor der Aufstellung einer Photovoltaik-Anlage müssen einige Vorraussetzungen überprüft werden, zum
Beispiel:
- Der Standort der Anlage (abhängig von dem Breitengrad)
- die Himmelsrichtung
- Mögliche Verschattungen
- Die Sonneneinstrahlung, der Einstrahlungswinkel
- Die durchschnittliche Umgebungstemperatur
- Die zur Verfügung stehende Aufstellfläche
- Flächenbedarf der Module auf einem Satteldach: ca 8-9m2 pro 1kW
- Mögliches Finanzierungsmodell (Fremd- / Eigenkapital) und erwartete Rendite
- Wirtschaftlichkeitsberechnung
- Modultyp (Silizium- oder Dünnschichtmodul)
- Produktqualitäten
- Indach- oder Aufdachmontage
- Flach- oder Satteldach
- Der Standort des Wechselrichters
- Kabellängen
- Allgefahren-Solarversicherung, Verlängerung von Wechselrichter-Garantien
- Montagefirma
Auf jeden Fall müssen die Berechnungen von einem Fachmann erstellt werden.
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