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Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage?

Eine netzgekoppelte Photovoltaikanlage funktioniert im Prinzip ganz einfach.

Licht fällt auf die Solarzellen, die daraus Gleichstrom machen.

Die Solarzellen sind zu Solarmodulen verschaltet, die Solarmodule zum Solargenerator.

Der Gleichstrom wird im Wechselrichter zu Wechselstrom umgewandelt und direkt ins Stromnetz eingespeist.



Die Solarzelle

95 % aller Solarzellen werden aus Silizium hergestellt. Silizium ist nichts anderes als Quarzsand, eines der häufigsten Elemente der Erde,

ähnlich unerschöpflich wie die Sonne. Damit aus Sand eine Siliziumscheibe wird und aus dieser Strom fließen kann,

muss das Silizium hoch gereinigt und kristallisiert werden.

Dann wird es in Scheiben gesägt, gezielt verunreinigt und mit Leiterbahnen zum Stromtransport versehen.

Fällt Licht auf eine Siliziumscheibe, werden Elektronen freigesetzt.

Damit diese genutzt werden können, wird die Zelle auf der Vorder- und der Rückseite mit unterschiedlichen Fremdatomen,

z. B. Bor und Phosphor, gezielt verunreinigt. Dadurch wandern die Elektronen alle auf eine Seite und die positiven Ladungsträger auf die andere.

Es entsteht ein Plus- und ein Minuspol wie in einer Batterie. Wird ein Verbrauchsgerät angeschlossen, fließt Strom.

Selbst geringe Lichtstärken, wie sie bei bewölktem Himmel auftreten, werden in der Solarzelle in Strom umgesetzt.

Die Stromstärke ist allerdings proportional zur Lichtstärke – je mehr Sonnenschein, desto mehr Solarstrom.

Die Spannung der Solarzelle bleibt dagegen fast unverändert. Eine Siliziumzelle erzeugt eine Spannung von etwa 0,6 Volt.

Die Stromstärke hängt von der Größe der Zelle ab. Die typischen Solarzellen mit einer Größe von 15 x 15 cm erzeugen etwa 5,5 Ampere Strom.

Eine einzelne Zelle hat bei voller Bestrahlung eine Leistung von etwa 3,4 Watt. In einer 1 kWp-Anlage sind somit etwa 300 Solarzellen verschaltet.



Die verschiedenen Solarzellentechniken

Je nach Kristallart unterscheidet man drei Zelltypen:

monokristallin, polykristallin und amorph

Monokristalline Solarzellen:

Zur Herstellung von monokristallinen Siliziumzellen benötigt man hochreines Halbleitermaterial.

Aus einer Siliziumschmelze werden einkristalline Stäbe gezogen und anschließend in dünne 0,25 mm dicke Scheiben gesägt.

Dieses Herstellungsverfahren garantiert relativ hohe Wirkungsgrade.

Ihr Wirkungsgrad zur Umwandlung von Sonnenenergie in Strom erreicht 14 - 16 %.

Polykristalline Solarzellen:

Kostengünstiger ist die Herstellung von polykristallinen Zellen.

Wird das flüssige Silizium in Blöcke gegossen, ergibt sich bei der Erstarrung die typische Eisblumenstruktur aus einer Vielzahl von einzelnen Kristallen.

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.

Ihr Wirkungsgrad beträgt 13 - 15 %.

amorphen- oder Dünnschichtsolarzellen:

Hierbei werden die photoaktiven Halbleiter als dünne Schichten auf Glasscheiben aufgebracht,

dort direkt zu Modulen verschaltet und mit einer zweiten Glasplatte hermetisch versiegelt.

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.

In den letzten Jahren werden verstärkt Dünnschichtsolarmodule entwickelt, die eine kostengünstige Option zur Nutzung der Sonnenenergie darstellen,

da sie extrem wenig Halbleitermaterial benötigen und in Zukunft in hochautomatisierten Produktionsanlagen in großen Mengen hergestellt werden können.

Ihr Wirkungsgrad liegt bei 6 - 8 %. Mit neuen Materialien, wie beispielsweise CdT (Cadmium-Tellurid) und CIS (Kupfer-Indium-Diselenid),

wurden Dünnschichtsolarmodule mit höherem Wirkungsgrad (8 - 10 %) entwickelt.



Das Solarmodul

Die einzelnen Solarzellen werden verschaltet und in Solarmodulen wetterfest eingepackt.

Nach vorne werden sie üblicherweise von einer Glasscheibe abgedeckt, hinten schützt eine Folie.

Für den Einsatz in Fassaden gibt es Module, bei denen die Zellen zwischen zwei Glasscheiben liegen.

Zwischen den Zellen kann man hindurchschauen. Die Module werden in Größen von einigen Watt bis zu 300 Watt Leistung angeboten.

Gängig sind Module mit einer Leistung zwischen 130 und 250 Watt.

Alle Module der führenden Hersteller werden nach internationalen Standards gefertigt und ständig kontrolliert, damit höchste Qualität garantiert ist.

Solarmodule sind mit etwa 10 - 15 kg/m2 echte Leichtgewichte. Es gibt sie in Größen bis zu 3 m2. Auch Solardachziegel sind auf dem Markt erhältlich.

Sie werden anstelle normaler Dachziegel montiert.



Wie funktionieren Module ?

Photovoltaik-Module wandeln das Licht der Sonne direkt in elektrische Energie um.

Das Sonnenlicht verursacht dabei in der Solarzelle eine elektrische Spannung, die an der Oberfläche abgenommen wird.

In einem Photovoltaik-Modul werden mehrere Solarzellen elektrisch verschaltet.

Hierbei addiert sich in der Reihenschaltung die elektrische Spannung der einzelnen Zellen, die jeweils bei etwa 0,6 Volt liegt.

Ein typisches Modul mit 60 Zellen kommt so zum Beispiel auf eine Modulspannung von etwa 36 Volt.

Am häufigsten kommen Photovoltaik-Module mit Zellen aus kristallinem Silizium zum Einsatz.

Hierzu wird hochreines Silizium verwendet, das aus Quarzsand gewonnen und entsprechend weiterverarbeitet wird.

Es wird unterschieden zwischen poly- oder multikristallinem und monokristallinem Silizium.

Zellen aus polykristallinem Silizium bestehen aus mehreren Kristallen, deren Struktur zumeist an der Oberfläche erkennbar ist.

Im Unterschied dazu besteht eine monokristalline Photovoltaik-Zelle aus einem einzigen Siliziumkristall.

Technisch werden beide Zelltypen gleichwertig eingesetzt.

Der Modulwirkungsgrad, also das Verhältnis von elektrischer zu solarer Energie,

ist in beiden Fällen etwa gleich und kann je nach Modul zwischen 11 und 16 Prozent liegen.

Module aus kristallinem Silizium kommen zum Beispiel bei Dachanlagen standardmäßig zum Einsatz,

weil es hier neben hoher Qualität und guter Verarbeitung vor allem auf eine hohe Energieausbeute ankommt.

Die Leistung der Module wird in Watt [W] oder häufig auch in Watt peak [Wp] angegeben.

Die Einheit Wp trägt der Tatsache Rechnung, dass die angegebene Leistung ein maximaler Wert ist,

der in der Praxis nur bei direkter Sonneneinstrahlung und gleichzeitig geringer Temperatur erreicht wird.

Bei Dünnschichtsolarzellen können unterschiedliche Materialien wie amorphes Silizium oder Cadmium-Tellurid zum Einsatz kommen.

Im Unterschied zur kristallinen Technik wird hier das Halbleitermaterial in dünnen Schichten direkt auf einen Träger aufgebracht.

Dieser besteht, wie bei den kristallinen Modulen auch, zumeist aus einer Glasscheibe. Es sind aber auch flexible Träger möglich.

Der Modulwirkungsgrad ist deutlich niedriger und liegt zwischen 6 und 9 Prozent.

Aufgrund ihrer niedrigeren Kosten sind Dünnschichtmodule vor allem für Großanlagen geeignet, bei denen der Flächenverbrauch nachrangig ist.

Die Systemtechnik

Photovoltaikanlagen sind zu unterscheiden in netzgekoppelte Anlagen und Inselsysteme.

Bei netzgekoppelten Anlagen erzeugt der Solargenerator mit Hilfe des Sonnenlichts Gleichstrom.

Wechselrichter wandeln diesen um in Wechselstrom, der in das lokale Nieder- oder Mittelspannungsnetz eingespeist wird.

Dieses bildet quasi den Energiespeicher, da Einspeisung und Verbrauch im eigenen Haus meistens nicht synchron sind.

In Gegenden ohne Netzanbindung werden Inselsysteme mit einem Energiespeicher in Form einer Batterie eingesetzt




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