Leistung und Funktionsweise einer Photovoltaikanlage

Wie funktionieren Solarzellen eigentlich? Und Welche Arten von Photovoltaik-Anlagen gibt es? Hier finden Sie Informationen und Tipps rund um die Technik und die unterschiedlichen Bauformen von Solaranlagen.

Einmal installiert, produziert eine Solarstromanlage, bei geringem Wartungsaufwand,während mindestens 30 Jahren zuverlässig Strom. Die Technologie ist unter dem Begriff Photovoltaik (PV) bekannt. In der Schweiz liefern Solarstromanlagen mit einer Fläche von über 240.000 Quadratmetern bereits heute Strom für rund 7.000 Haushalte. Das Potenzial ist jedoch bei weitem noch nicht ausgeschöpft.

Enormes Potenzial

Die Sonne liefert täglich rund 10.000-mal mehr Energie, als in der gleichen Zeit weltweit verbraucht wird. Dies bedeutet: In einer knappen Stunde wird der Energiebedarf für die gesamte Weltbevölkerung für ein Jahr gedeckt. Um die Weltenergieversorgung sicher zu stellen, müssten zwischen 3% bis 4% der Wüstenflächen photovoltaisch genutzt werden. Würden in der Schweiz auf den am besten besonnten Dach- und Fassadenflächen Solarmodule installiert, könnten diese gemäss einer Studie der internationalen Energieagentur (IEA, PVPS, 2002) 34.6% des jährlichen Strombedarfs decken. Aufgrund des tages- und jahreszeitlich schwankenden Angebots wird die Solarenergie den Energiebedarf indes nicht allein decken können, sondern nur in Kombination mit anderen (erneuerbaren) Energiequellen. Dazu ist eine gezielte Bewirtschaftung der Strombezüge und der dezentralen Stromerzeugung notwendig.

Solarzellen bringen Energie und Wärme ins Haus. Foto: © monkeybusinessimages / iStock / Thinkstock

Solarzellen bestehen aus Halbleitern, wie sie bei der Herstellung von Computer-Chips verwendet werden. Diese erzeugen unter Licht Elektrizität. Der produzierte Gleichstrom wird mittels eines Wechselrichters in Wechselstrom umgewandelt und direkt ins öffentliche Netz eingespeist. Die Halbleiter bestehen in der Regel aus Silizium, dem zweithäufigsten Element der Erdkruste.

Solarzellen

Man unterscheidet grundsätzlich zwischen kristallinen (mono- und polykristallin) sowie amorphen oder Dünnschichtzellen. Sie unterscheiden sich in Farbe und Erscheinungsbild. Monokristalline Zellen erreichen den höchsten Wirkungsgrad, amorphe Zellen kosten am wenigsten.

Wirkungsgrad

Dieser Wert gibt an, welcher Anteil des eintreffenden Sonnenlichts vom Modul in elektrische Energie umgewandelt wird. Solarmodule mit monokristallinen Zellen liegen bei ca. 18%, mit polykristallinen Zellen bei ca. 15%. Im Labor werden Werte bis knapp 30% erreicht.

Die Photovoltaik ist eine Form der aktiven Nutzung der Sonnenenergie. Solarzellen wandeln Sonnenlicht in elektrische Energie um. Im Unterschied dazu wandeln die Sonnen-Kollektoren in thermischen Anlagen das Sonnenlicht in Wärme um.

Strom aus Licht

Solarstromanlagen beruhen auf einem faszinierenden physikalischen Effekt: Die Lichtquanten (Photonen) der Sonneneinstrahlung erzeugen im Halbleitermaterial der Solarzelle einen elektrischen Gleichstrom (siehe Grafik unten). Dieser wird über Kontakte an den Oberflächen der Zellen gesammelt. Mehrere zusammengeschlossene Solarzellen ergeben ein Solarmodul. Der photovoltaische Effekt wurde bereits 1839 vom französischen Physiker A. E. Becquerel entdeckt. Zu dessen ersten technischen Anwendung kam es jedoch erst 1958 für die Energieversorgung von Satelliten. Die starke industrielle Nutzung setzte erst vor kurzer Zeit richtig ein. In den letzten fünf Jahren lag das Wachstum der Photovoltaikbranche weltweit bei über 35% jährlich!

Solarzellen lassen sich problemlos auf dem Dach montieren. Foto: © aodaodaod / iStock / Thinkstock

Die Entwicklung brachte eine grosse Vielfalt an Solarzellen-Technologien hervor. Sie werden meist nach kristallinen Solarzellen und Dünnschichtzellen unterschieden. Kristalline Solarzellen: Bei der Herstellung kristalliner Solarzellen wird der Halbleiter aus einem Silizium-Block in dünne «Wafer» gesägt. Solarzellen aus mono- und polykristallinem Silizium sind mit einem Marktanteil von rund 80% die bedeutendste Photovoltaik-Technologie. Monokristalline Zellen sind an ihrem homogenen Erscheinungsbild zu erkennen, ausgehend von einem tiefen Blau bis hin zu dunklem Anthrazit. Sie verfügen über die höchsten Wirkungsgrade, sind in der Herstellung jedoch etwas teurer. Die polykristallinen Zellen weisen ein heterogenes Bild auf, das durch etwa fingernagelgrosse Kristalle geprägt wird.

Dünnschichtzellen: Der Vorteil von Dünnschichttechnologien liegt darin, das die Solarzellen kostengünstig hergestellt werden können. Sie sind dünner und es ist möglich sie auf flexiblen Unterlagen anzubringen. Ihr Wirkungsgrad dagegen ist geringer als bei kristallinen Solarzellen. Verschiedene Halbleitermaterialien finden bei dieser Technologie Anwendung: amorphes und mikromorphes Silizium, Cd-Te (Cadmium-Tellurid), CIS (Kupfer-Indium-Diselenid) und selten CIGS (Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid). Erst im Forschungsstadium befinden sich bis anhin Nanotechnologien (Farbstoff-Zellen)

Die Solarstromanlage

PV-Anlagen werden in den unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt. Neben der Energieproduktion werden Solarstromanlagen immer häufiger als gestalterische oder funktionale Komponente eines Gebäudes verwendet. Sie dienen als spezielle Glasfassade oder als Beschattungselement und liefern nebenbei noch Strom. Grundsätzlich wird zwischen zwei Typen von Photovoltaikanlagen unterschieden: Ist eine Anlage mit dem öffentlichen Elektrizitätsnetz verbunden, spricht man von einer Netzverbundanlage. Sie speist zumindest einen Teil des produzierten Stroms ins Netz ein. In autonomen Anlagen, wie sie auf SAC-Hütten, Ferienhäusern oder Parkscheinautomaten vorkommen, wird der Strom lediglich für den jeweiligen Eigenbedarf erzeugt. Sie werden als Inselanlagen bezeichnet und verfügen über einen eigenen Elektrizitätsspeicher.

Inselanlage

Die Stromversorgung von netzfernen Objekten wie Berghütten, Ferienhäusern oder Notrufsäulen erfolgt durch autonome Solaranlagen mit Elektrizitätsspeichern (Batterien). Inselanlagen bieten eine kostengünstige Alternative zur Erschliessung abgelegener Verbraucher. Es müssen jedoch meist spezielle Geräte und Leuchten verwendet werden.

Eigenheiten der Inselanlagen

In der einfachsten Ausführung besteht eine Inselanlage lediglich aus einem Solarmodul und einem Verbraucher. Dieser Aufbau liefert jedoch nur bei Sonneneinstrahlung Energie. Deshalb werden die Anlagen üblicherweise mit einem Energiespeicher in Form eines Akkumulators (Batterie) ergänzt. Um diesen vor schädlichen Betriebszuständen zu schützen, wird ein Laderegler mit Tiefentladeschutz vorgeschaltet. Dieser sorgt weiter dafür, dass ein Maximum an Energie aus dem Modul in den Speicher gelangt. Der Betrieb basiert auf Gleichstrom mit einer Spannung von 12 oder 24 Volt.

Netzverbund

Bei Bauten, die an die öffentliche Stromversorgung angeschlossen sind, werden Solarstromanlagen in der Regel im Netzverbund betrieben. Dieser garantiert eine konstante elektrische Versorgung. Der Einsatz von speziellen Haushaltgeräten und Leuchten ist nicht nötig.

Eigenschaften der Netzverbundanlagen

Netzverbundanlagen sind in der Regel um einiges grösser als autonome Anlagen. Für die elektrische Verschaltung der Module bedarf es eines zusätzlichen Elementes, dem Feldverteilkasten. Nach der Hintereinanderschaltung von mehreren Modulen zu einem Strang, übernimmt der Feldverteilkasten die Zusammenschaltung mehrerer dieser Stränge. Im Allgemeinen enthält er ebenfalls Schutzvorrichtungen gegen die Einwirkung von Blitzen und gegen Überlastung der Stränge. Anstatt eines Speichers speist die Netzverbundanlage überschüssigen Strom ins Netz ein. Dazu muss der im Solarmodul entstandene Gleichstrom in netzkonformen Wechselstrom umgewandelt werden. Diese Aufgabe erfüllt der Wechselrichter, der weiter verschiedenen Sicherheitsfunktionen nachkommt.

Quelle: Swissolar