Photovoltaik Solarzelle Photovoltaikanlage Solarmodul
Das Wort Photovoltaik setzt sich aus dem griechischen Wort Photo (= Licht) sowie der Maßeinheit der elektrischen Spannung (=Volt), benannt nach dem italienischen Erfinder der elektrischen Batterie, Alessandro Volta, zusammen. Es bedeutet also aus Lichtenergie, meistens das kostenlose Sonnenlicht, wird elektrische Energie gewonnen. Bereits 1839 wurde dieser Umwandlungseffekt von dem Wissenschaftler Alexander Becquerel entdeckt.
Der kleinste Baustein einer Photovoltaikanlage ist die Solarzelle. Eine große Anzahl von Solarzellen werden zu einem Solarmodul zusammengeschaltet. Eine Photovoltaikanlage setzt sich wiederum aus mehreren Solarmodulen zusammen. Das sind diese meist blauen Flächen, die man immer mehr auf unseren Dächern sieht.
Die Solarzelle besteht zu 95% aus Silizium, ein Element welches schon lange als Grundstoff in der Halbleiterelektronik verwendet wird. Aus hochreinem Silizium wird durch gezielte Verunreinigung, auch Dotierung genannt, ein p- und ein n-leitendes Halbleitermaterial gewonnen. Die dem Licht zugewandte Seite werden bei der Dotierung Phosphoratome im Silizium eingebracht, man spricht von einer N-Dotierung.Die dem Licht zugewandte Seite werden bei der Dotierung Phosphoratome im Silizium eingebracht, man spricht von einer N-Dotierung. Die abgeschattete Seite, die P-Dotierung, wird mit Boratomen erreicht. An der Grenze der P- und N-Schicht, der so genannte PN-übergang, entsteht in der Solarzelle eine Potenzialdifferenz, die Diffusionsspannung, die von außen nicht gemessen werden kann. Wird die Solarzelle beleuchtet, so werden zusätzliche Elektronen beweglich.
Durch den Einfluss der Diffusionsspannung sammeln sich die Elektronen in der n-leitenden Zone und die Defektelektronen oder Löcher in der p-leitenden Zone. Es entsteht eine zusätzliche und von außen messbare Potenzialdifferenz, auch Photospannung genannt, die allerdings unter einem Volt ziemlich gering ausfällt. Deshalb werden in der Photovoltaik alle Solarzellen in Reihe geschaltet, damit sich die Einzelspannungen zu einer technisch verwertbaren Gesamtspannung addieren. Die Solarzelle hat ihren Pluspol im N-Material und der Minuspol befindet sich am P-Material. Verbindet man diese beiden Pole, entsteht elektrischer Strom, der vom Minuspol (Elektronenüberschuss) zum Pluspol (Elektronenmangel) der Solarzelle fließt. Je höher die Lichtstrahlung ist, desto mehr Strom und somit elektrischer Leistung kann man der Solarzelle entnehmen.
In der Technik der Photovoltaik werden die einzelnen Solarmodule so
montiert, dass sie gleichmäßig von der Sonne beschienen werden. Werden
einzelne Module aus Solarzellen abgeschattet, so verhalten sich diese
wie ein Widerstand im Stromkreis und mindern die Leistung der
Photovoltaikanlage.
Man kann das auch mit einem abgeknickten Wasserschlauch vergleichen. Da
dieses nicht immer verhindert werden kann, sind den Modulen
Bypass-Dioden parallel geschaltet. Diese Dioden übernehmen den
Stromfluss bei Abschattung einzelner Module. Bei starker
Sonneneinstrahlung erwärmt sich die Solarzelle und dadurch nimmt ihre
Leistung wieder etwas ab. Deshalb sollte eine Photovoltaikanlage gut
belüftet werden. Da bei der Stromerzeugung kein mechanischer Verschleiß
besteht, ist die Lebensdauer der Solarzelle theoretisch unbegrenzt. In
der Praxis verändern sich die PN-Übergänge durch Umwelteinflüsse, und
die Solarzelle verliert langsam ihre Leistung. Eine gutes Solarmodul
sollte jedoch schon zwanzig Jahre seine Leistung bringen.
Eine Solarzelle aus der Serienfertigung liefert für jeweils 1 cm2
lichtempfindliche Fläche bei direkter Sonneneinstrahlung ca. 10mW/cm2.
Durch die politische Förderung der Photovoltaik werden diese ständig
verbessert, und auch das früher ungünstige Verhältnis, der zur ihrer
Herstellung benötigten Energie zu der während ihrer Lebensdauer
abgegebenen Energie, ist etwas weniger problematisch. Heute liefert eine
Photovoltaikanlage zehnmal mehr Strom, als zu ihrer Herstellung
notwendig sind.
Durch die s.g. Konzentratortechnologie hat sich in der letzten Zeit die
Umwandlungseffizienz von Solarzellen stark verbessert. Angepeilt werden
Wirkungsgrade von 35% (Laborwerte) und mehr. Erreicht werden diese
Rekordwerte mit sogenannten Konzentratorzellen, die das Sonnenlicht
gebündelt aufnehmen und damit weit höhere Energie-Umwandlungswerte
erzielen als herkömmliche Silizium-Zellen. In sonnenreichen Gegenden
wird die Solare Stromerzeugung immer interessanter. In der
Serienproduktion von Solarzellen liegt erreicht man heutzutage einen
Wirkungsgrad von ca. 20-25%.
Um eine hohe Energieausbeute zu erreichen müssen die einzelnen Solarmodule einer Photovoltaikanlage in der richtigen Richtung zum Stand der Sonne stehen. In unseren Breiten sind das ca. 30 bis 35 Grad Neigung in der Horizontalen in Richtung Süden . Da diese Werte bedingt durch Baulichkeiten wie Dachschrägen, Abschattungen nicht immer eingehalten werden können, sind Abweichungen in der horizontalen von 25 - 40° zulässig, und ergeben immer noch gute Erträge. Flache Anstellwinkel von 20° und darunter sollten wegen der Verschmutzungsgefahr der Solarmodule jedoch vermieden werden. Abweichungen von der Südrichtung bis zu 45° in Richtung Südwest oder analog dazu 45° in Richtung Südost sind ebenfalls zulässig. Im Winter, wenn die Sonne tief über den Horizont steht, wäre ein steilerer Aufstellwinkel idealer, man darf jedoch nicht vergessen, dass die Photovoltaikanlage im Sommerhalbjahr 65% der Gesamtstrommenge produziert.
Um mit einer photovoltaikanlage gute Erträge zu erwirtschaften braucht man mindestens 15m2 Solarmodulfläche. Ebenso benötigt man daher mindestens eine gleich große Aufstell- oder Dachfläche. Manchmal lässt es sich nicht vermeiden die Solarmodule auf verschiedenen Dachflächen aufzuteilen. Solarmodule mit gleicher Ausrichtung und Neigung bilden einen s.g. Solargenerator. Wenn die verwendeten Dachflächen unterschiedliche Ausrichtungen haben, muss jeder Solargenerator einen eigenen Wechselrichter verwenden.
Die Solargeneratoren sind so zu montieren, dass schattenwerfende Nachbargebäude und Bäume die Photovoltaikanlage nicht beeinträchtigen. Ebenfalls sollte man Standorte wählen, die zukünftige Bebauungen und Anpflanzungen mit berücksichtigen.
Da ein Solargeneratoren Gleichstrom produziert, muss mit einem
Wechselrichter dieser Gleichstrom in einem netzkonformen Wechselstrom
umgewandelt werden. Diese Umwandlung ist mit der heutigen modernen
Elektronik nicht mehr so schwierig, es hat sich jedoch herausgestellt,
dass mancher Wechselrichter auf Grund seiner Bauart den Funkempfang von
z.B. Radio- und Fernsehgeräten im Umkreis der Photovoltaikanlage stark
beeinflussen kann. Einige Wechselrichter erzeugen sogar hörbare
mechanische Geräusche, die auf die Dauer nervig sind. Hier sollte man
auf die elektromagnetische Verträglichkeit des Gerätes achten, und
darüber hinaus darf ein Wechselrichter die festgelegten
Oberwellenstromanteile nicht überschreiten.
Grundlage für die Grenzwerte hierfür ist die Norm EN 61000
(Vorgängernorm EN60555). Leider werden immer noch Geräte auf dem Markt
angeboten, die diese Norm nicht erfüllen, weil die negativen
Nebenwirkungen nicht sofort für den Betreiber zu erkennen sind. Außer
der Umwandlungsfunktion regelt der Wechselrichter den optimalen
Betriebszustand des Solargenerators aus. Der Betriebszustand ändert sich
je nach Witterung und Sonneneinstrahlung.
ENS= Einrichtung zur Netzüberwachung mit zugeordneten Schaltorganen.
Diese weitere wichtige Funktion des Wechselrichters ist die automatische
Trennung der Photovoltaikanlage vom öffentlichen Stromversorgungsnetz
bei Stromausfall oder Abschaltung wegen Wartungsarbeiten. Dadurch werden
ungewollte Inselnetze verhindert, bzw. abgetrennt Bei einer
Nichtabschaltung wäre bei Wartungsarbeiten das Personal sowie technische
Betriebsmittel gefährdet. Die strenge Einhaltung der
Abschaltbedingungen werden durch die entsprechende VDEW-Richtlinie und
der ENS Vorschrift überprüft.
Heutzutage werden in Deutschland auf Grund der Einspeisevergütung durch
das Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) der Solarstrom fast ausschließlich
in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Zur Zeit bekommt man pro
Kilowattstunde mehr Geld, als man selber beim öffentlichen
Versorgungsnetzbetreiber (VNB) bezahlen muss. Grund ist die weitere
Verbreitung der umweltfreundlichen solaren Stromproduktion. Man spricht
von netzgekoppelten Anlagen. In der Regel ist der Zähler der den
eingespeisten solaren Strom erfasst, Eigentum des VNB und dieser
berechnet eine Zählermiete. Den Anschluss einer Photovoltaikanlage darf
nur ein vom VNB konzessionierter Elektroinstallateur vornehmen.
Normalerweise braucht man zum Aufbau einer Photovoltaikanlage keine besondere Genehmigung, es sollten jedoch die Bauordnungen der Länder und kommunale Vorgaben beachtet werden. Soll der erzeugte Strom ins öffentliche Netz eingespeist werden, muss in jedem Fall ein Antrag beim zuständigen Versorgungsnetzbetreiber (VNB) gestellt werden. In der Regel erledigt diese Arbeit der zugelassene Elektroinstallateur.
Photovoltaikanlagen werden meistens auf Dächern montiert, und daher Wind und Wetter schutzlos ausgeliefert. Der Regen wäscht die Oberflächen der Solarmodule sauber, so dass eine regelmäßige Reinigung im Normalfall nicht notwendig ist. Starke Verschmutzung von Vogelkot und evt. Russablagerungen müssen beseitigt werden. Deshalb sollte über den Solarflächen keine großen Antennen stehen. Im Frühjahr setzen sich die Vögel auf den Antennenelementen und können die Module mit ihren Kot verschmutzen. In besonders schneereichen Gegenden ist der Aufstellwinkel der Solarmodule zu erhöhen. Zeitweiliger Schneebelag senkt den Ertrag der Photovoltaikanlage nur wenig, weil im Winter die Sonneneinstrahlung ohnehin nicht sehr hoch ist.
Vor Errichtung der Photovoltaikanlage ist die Errichtung einer Anlage für den Blitzschutz und andere Maßnahmen zum Schutz vor überspannung zu prüfen. Es wird zwischen äußeren und inneren Blitzschutz unterschieden. Der äußere Blitzschutz ist der direkte Einschlag in die Photovoltaikanlage.
In besonders exponierten Lagen sollten die Solarmodule geerdet werden, um sich vor direkten Blitzeinschlägen zu schützen. Ist das Gebäude mit einer Blitzschutzanlage versehen, ist eine zusätzliche Erdung der Photovoltaikanlage nicht nötig. Die Solarmodule sollten im äußeren Schutzbereich der Blitzschutzanlage montiert werden. In diesen Fall sollte die Photovoltaikanlage mindestens einen Trennungsabstand von 50cm zum Blitzableiter, Dachfenster, Antennenanlage und zur Dachrinne haben. Bei privaten und nicht öffentlichen Gebäuden ist meistens aus Kostengründen eine Blitzschutzanlage nicht vorhanden.
Nach aktuellen Erkenntnissen fördert eine Photovoltaikanlage auf dem
Dach nicht das Risiko eines Blitzeinschlages. Ragt die
Photovoltaikanlage jedoch deutlich über die Dachfläche hinaus, sollte
man sich durch einen Fachmann für Blitzschutz beraten lassen. Evt.
sollte man seine Versicherung noch zusätzlich befragen. Für öffentliche
Gebäude wie Krankenhäuser, Schulen usw. verlangen die Bauordnungen der
Bundesländer eine wirksame Blitzschutzanlage.
Der innere Blitzschutz schützt die elektronischen Bauteile, wie den
Wechselrichter und andere Module, und darf auf keinen Fall
vernachlässigt werden. Hier sollten an geeigneter Stelle
Überspannungsableiter so nah wie möglich an den Modulen montiert werden.
Die elektrische Verbindung von den Solarmodulen und dem Wechselrichter
ist möglichst kurz zu halten. Hier sind spezielle geschirmte Leitungen
besonders hilfreich. Auch die Wechselspannungsseite vom Wechselrichter
muss mit überspannungsschutzgeräten ausgerüstet werden. Durch
Blitzentladungen bei Gewitter entstehen in den Verbindungsleitungen
zwischen den Modulen gefährliche induktive und kapazitive Spannungen.
Auch Schalthandlungen seitens des Versorgungsnetzbetreibers können
schädliche überspannungen verursachen, und zur Beschädigung einzelner
elektronischer Module führen. Ebenfalls sind die Vorschriften zum
Potenzialausgleich zu erfüllen.
Wenn die Photovoltaikanlage vorschriftsmäßig gebaut wurde, ist eine
besondere Wartung nicht notwendig. Der Betreiber sollte jedoch den
ordnungsgemäßen Betrieb überwachen, und einmal monatlich die
Zählerstände zu notieren. Dabei werden auch evt. Ausfälle der solaren
Stromproduktion früh erkannt, was bares Geld bedeutet. Zu empfehlen ist
auch eine entsprechende Versicherung, besonders dann, wenn die Anlage
fremdfinanziert wurde.
Für die Deckung von Haftpflichtschäden sollte man die eigene private
Haftpflichtversicherung mit einbeziehen. Darüber hinaus gibt es noch
spezielle Vollkaskoversicherungen gegen Schäden aller Art und
Schadensersatz bei Anlagenstillstand. Die Laufzeit einer
Photovoltaikanlage kann mit 20 Jahren angenommen werden.
Photovoltaikanlagen gehören zu den umweltfreundlichen erneuerbaren
Energien und werden von der Kreditanstalt für Wiederaufbau ( www.kfw.de )
zinsgünstig finanziert. Zur Zeit sinken die Vergütungssätze für die
Stromeinspeisung für Neuanlagen um 5% jährlich. Stand Januar 2005. Man
sollte sich den Bau einer Photovoltaikanlage nicht zu lange überlegen.
Energie war immer und ist ein knappes und kostbares Gut. Durch die Entdeckung der fossilen Brennstoffe vor ca. 150 Jahren wurden gleichzeitig Maschinen, Eisenbahnen, Autos, Flugzeuge und Geräte der Elektrotechnik entwickelt. Kohle, Erdöl, Erdgas und Uran haben einen großen Teil der Menschheit einen nie da gewesenen Lebensstandart ermöglicht. Gleichzeitig steigt die Weltbevölkerung rasant an. Der Verbrauch dieser endlichen Rohstoffe steigt täglich an, der Energiehunger der Menschheit wird immer größer. Gleichzeitig wurde durch die Verbrennung der fossilen Rohstoffe die Umwelt in Mitleidenschaft gezogen und durch den CO2 Ausstoß das Klima verändert.
Obwohl das alles schon seit Jahren bekannt ist, werden die letzten Lagerstätten auch in schlecht erreichbaren Gebieten unserer Erde permanent ausgebeutet. Erde, Luft und Wasser werden dabei vergiftet, siehe 2010 das Öldesaster im Golf von Mexiko der weite Landstriche der US-Küste verseuchte. Jedoch der immer größere Energiehunger der Menschheit lässt das alles schnell vergessen.
Wenn die fossilen Brennstoffe den Energiehunger nicht mehr decken können, muss dann die Menschheit wieder zurück in das 18. Jahrhundert?
Nach dem heutigen Stand der Technik gibt es in Zukunft nur noch eine Energieform, der elektrische Strom und Wasserstoff der wiederum mit Hilfe von Elektrizität hergestellt wird.
Der benötigte elektrische Strom wird immer mehr aus erneuerbaren (regenerativen) Energien hergestellt. Der Energielieferant ist unsere Sonne. Gleichzeitig ist der Umstieg auf erneuerbare Energien ein wirkungsvoller Schutz für unsere Umwelt und das Weltklima.
Anlagen die mit direkter Sonnenenergie betrieben werden, benötigen keinen Brennstoff mehr.
Die Anlagen die diese erneuerbaren Energien produzieren stehen am Ort
des Verbrauchers, das bedeutet dass der Verbraucher nach Möglichkeit
einen großen Teil seiner benötigten Energie selbst erzeugt. Durch eine
Photovoltaikanlage ist dieses möglich geworden. Durch einen geringen
Aufschlag auf den Strompreis werden diese Anlagen mit finanziert. Das
erneuerbare Energien Gesetz (EEG) verpflichtet den Netzbetreiber,
elektrischen Strom aus erneuerbaren Energien zu einem gesetzlich
festgelegten Preis abzunehmen. Seit 2009 ist es möglich den solar
erzeugten Strom selbst im Haushalt zu verbrauchen und zusätzlich einen
Bonus zu erhalten.
Seit 2009 machen immer mehr Hausbesitzer von dieser Möglichkeit Gebrauch
und die Zahlen der Photovoltaikanlagen steigt von Jahr zu Jahr.
Solange der Staat diese Anlagen fördert, es feste Einspeisevergütungen
für solar erzeugten Strom gibt und die Banken sogar spezielle Kredite
für Photovoltaikanlagen bereithalten, sollte jeder der die Möglichkeit
hat solch eine Anlage erwerben und die finanziellen Geschenke vom Staat
mitnehmen.
Wenn der Preis für die konventionellen Energieträger in einigen Jahren
immer teurer oder für viele Menschen fast unbezahlbar wird, muss sich
jeder so eine Solaranlage aufbauen, und sei es nur, um in Zukunft das
Elektroauto aufzuladen.
Allerdings wird man dann in leere Fördertöpfe blicken.
Anlagendaten:
Leistung der PV-Anlage:5,50 kWp macht 25 Module a 220Wp
Inbetriebnahme der Anlage: 01.01.2012
Gesamt-Degradation:20,00 %
Stromeinspeisung / Einspeisekonzept: Volleinspeisung
Für die ersten 20 Jahre: 0,2874 €/kWh; Danach: 0,2874 €/kWh
Allgemeine Wirtschaftlichkeitsparameter Betrachtungszeitraum 20 Jahre
Kapitalzins 0,00 %
Alle Angaben ohne Umsatzsteuer
Ergebnisse nach der Kapitalwertmethode:
Kapitalwert 10.723,74 €
Amortisationszeit 12,1 Jahre
Rendite 5,2 % (staatlich garantierte Geldanlage)
Stromgestehungskosten 0,16 €/kWh
Investitionen:
Position Nutzungsdauer [a] Betrag[€]
Investitionskosten 16.486,50 EUR bei einer Nutzungsdauer von 21 Jahren
Einspeisevergütung 1.439,70 EUR im Jahr
Nach der Laufzeit von 21 Jahren liefert die Anlage weiterhin Strom.
Die
Rendite kann erhöht werden, wenn ein Eigenverbrauch stattfindet. Bis
30% Eigennutzung durch die PV-Anlage werden 12,36 Cent ausgezahlt.
Wenn Sie mehr als 30% Eigenverbrauch mit ihrer PV-Anlage erzielen, erhalten Sie sogar 16,74 Cent pro kWh.
Den selbsterzeugten Strom den Sie selbst verbrauchen, brauchen Sie nicht mehr aus dem Netz einkaufen.
Fazit: Die Waschmaschine tagsüber bei Sonnenschein laufen lassen.
Noch Fragen: Rufen Sie an unter (030) 45 48 22 81
Aufbau von Solarmodulen auf dem Hausdach eines Einfamilienhaus
Photovoltaikanlage in Eberswalde 5,4 kWp
Einfamilienhaus in Werneuchen 5,4 kWp
Zählerschrank mit PV-Zähler in einem Einfamilienhaus für Eigenverbrauch und Netzeinspeisung
Photovoltaikanlage zur Versorgung einer Umwälzpumpe für eine thermische Solaranlage