Photovoltaikanlagen zur Erzeugung von Solarstrom

Funktionsweise der Photovoltaik Technik

Die Photovoltaik bzw. Fotovoltaik ist ein Teil der Solartechnik, bei der Sonnenlicht durch Solarzellen in elektrische Energie umgewandelt wird.
Die meisten Solarzellen werden aus dem Halbleiter Silizium hergestellt, der durch Licht und Wärme elektrisch leitfähig wird.
Solarzellen bestehen aus zwei Siliziumschichten. Durch das Einbringen chemischer Elemente entsteht in der einen Schicht ein positiver Ladungsträgerüberschuss (p-dotiertes Silizium), in der anderen ein negativer Ladungsträgerüberschuss (n-dotiertes Silizium).
Dazwischen befindet sich der p-n-Übergang, wo sich ein elektrisches Feld bildet. Durch Lichteinstrahlung werden die Ladungsträger freigesetzt. Die physikalischen Vorgänge bewirken, dass elektrischer Strom fließt.

In der Photovoltaik werden zur Erzeugung von Solarenergie hauptsächlich monokristallines Silizium, polykristallines Silizium und amorphes Silizium eingesetzt. Die drei Zelltypen unterscheiden sich in Herstellungsart, Kosten und Wirkungsgrad. Die Produktion von monokristallinem Silizium ist relativ teuer. Dafür erreicht es mit durchschnittlich 17 Prozent (24 Prozent im Labor) einen hohen Wirkungsgrad. Aus dem günstigen amorphen Silizium werden so genannte Dünnschichtzellen hergestellt, die einen Wirkungsgrad von etwa 7 Prozent (CIS-Dünnfilmmodule bis zu 12 Prozent) erreichen. Diese werden im Kleinleistungsbereich (Taschenrechner, Solarlampen) eingesetzt oder für Fassadenelemente verwendet. Auf Dächern findet polykristallines Silizium die häufigste Anwendung. Neue Zelltechnologien mit höherem Wirkungsgrad werden derzeitig in Laboren getestet.

Die einzelnen Solarzellen werden zu Modulen verschaltet, um angemessene Leistungen zu erhalten. Die Leistung wird in Watt peak (Wp) bzw. Kilowatt peak (kWp) angegeben. Die Gesamtleistung einer Photovoltaikanlage wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst, unter anderem von der Modulfläche, der geographischen Lage, der Ausrichtung sowie dem Neigungswinkel der Module. Optimal ist eine Südausrichtung mit einem Neigungswinkel von etwa dreißig Grad. Leistungsmindernde Verschattungen sollten vermieden werden.

Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen

Eine netzgekoppelte Photovoltaikanlage ist mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden. Die erzeugte Photovoltaik Energie wird in das Stromnetz eingespeist, der Strom für den Eigenbedarf aus dem Netz gezogen. Eine Speicherung der Solarenergie ist nicht notwendig.

Nach den Regelungen des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) müssen die Netzbetreiber Photovoltaik Energie ins Stromnetz aufnehmen. Die Mindesthöhe der Einspeisevergütung ist festgeschrieben und wird für zwanzig Jahre garantiert.

Zu den Hauptbestandteilen einer netzgekoppelten Anlage gehören die Solar-Module, Wechselrichter, eine Schutzeinrichtung sowie ein Stromzähler, der die eingespeiste Strommenge registriert. Der netzgeführte Wechselrichter wandelt den von der Photovoltaikanlage produzierten Gleichstrom in netzsynchronen Wechselstrom um.
Finanziell amortisiert sich die Solaranlage nach etwa 10 bis 15 Jahren, wobei ihre Lebensdauer etwa 30 bis 40 Jahre beträgt.

Netzunabhängige Photovoltaikanlagen

Netzunabhängige Photovoltaikanlagen (Inselanlagen) sind dort eine sinnvolle Alternative, wo ein Stromanschluss an das öffentliche Netz schwierig ist. Abgelegene Ferienhäuser oder Berghütten werden auf diese Weise ebenso mit Strom versorgt wie Notrufsäulen oder Parkscheinautomaten.

Bei einer Inselanlage sind Akkumulatoren für die Energiespeicherung notwendig, damit auch nachts oder bei wenig Sonnenstrahlung Strom zur Verfügung steht. Für die ganzjährige Versorgung kann es sinnvoll sein, die Solaranlage durch einen zusätzlichen Stromgenerator (z. B. Biogasgenerator) zu ergänzen. Für den Betrieb von Wechselstrom-Geräten ist ein Wechselrichter notwendig.