Was sagt nun die Theorie zu diesem Problem?


Aktuelle Energie-Situation und Geschichte der Photovoltaik

Das Zeitalter der fossilen Energieträger wie Kohle, Öl oder Gas geht in diesem Jahrhundert unwiderruflich zuende. Alle Studien über die zukünftige Energieversorgung sagen eine Verknappung dieser Ressourcen spätestens in zwanzig Jahren voraus. Energie ist ein kostbares Gut. Daher werden die begrenzten Vorräte zu unkalkulierbaren Preisentwicklungen auf dem Weltmarkt führen.
Nicht die Verknappung dieser Energieträger auch die Unmengen des Treibhausgases Kohlendioxid, welches bei deren Verbrennung in die Atmosphäre abgegeben wird, läßt alle Überlegungen über alternative Energien sinnvoll erscheinen.
Eine davon ist die "Photovoltaik" (PV), also die direkte Umwandlung von Licht in elektrische Energie. Dies ist eine besonders umweltfreundliche Art der Energieumwandlung, da Sonnenlicht als Energiequelle unbegrenzt zur Verfügung steht und im Betrieb der PV-Anlage weder Lärm- noch Schadstoffemissionen auftreten.
Schon 1839 entdeckte Alexander Bequerel den photovoltaischen Effekt. Er tauchte zwei metallische Platten in eine leitfähige Flüssigkeit und bemerkte, dass bei Sonnenbestrahlung die Spannung zwischen den Platten anstieg. Es dauerte dann allerdings noch über 100 Jahre, bis 1954 in den Bell Laboratorien (USA) die erste Siliziumsolarzelle hergestellt und damit das Tor zu dieser faszinierenden Technik endgültig aufgestoßen wurde. 1998 wurden bereits weltweit Solarzellen mit etwa 140 MW Leistung ausgeliefert.
Die Menge der Solarenergie reicht aus, um den Weltenergieverbrauch hundertfach zu decken. (Bisher leben ca. 2 Milliarden Menschen völlig ohne elektrische Energie.) Also lohnt sich doch der Gedanke, sich diese in irgendeiner Form nutzbar zu machen. Die zur Zeit wohl kostengünstigste Form ist die Nutzung über die Solarthermie, also die Brauchwassererwärmung für den Haushalt.
Aber auch die Photovoltaik hat spätestens mit dem 100 000 - Dächerprogramm in Deutschland auf sich aufmerksam gemacht.

Einflußgrößen auf den Ertrag einer Photovoltaik-Anlage

PunktEinfluß der Atmosphäre auf die Strahlung
Auf dem Weg durch die Atmosphäre wird die spektrale Verteilung der Sonnenstrahlung durch Absorption und Streuung verändert. Vor allem durch Wasserdampf, Sauerstoff und Kohlendioxid wird die meist selektive Absorption verursacht, woraus sich Bandlücken ergeben. Lediglich Ozon absorbiert in einem breiteren Spektrum von 200 bis 700nm. Diese Effekte führen zu einer Veränderung des Sonnenspektrums und einer Unterteilung in direkte und diffuse Anteile.
Bei der eintreffenden Sonnenstrahlung unterscheidet man zwischen direkter und indirekter Strahlung. Direkte Strahlung erreicht die Erdoberfläche bei klarem Himmel (erkennbar an der Schattenbildung), indirekte Strahlung ist ungerichtet und entsteht durch Reflexion bzw. Streuung (keine Schattenbildung zum Beispiel an trüben Tagen).
Durch die Drehung der Erde um die Sonne ändert sich der Einfallswinkel der Strahlung und damit auch die Länge des Weges durch die Atmosphäre. Um diese Änderung zu charakterisieren, führt man den Begriff der "Air Mass" (AM) ein.
Die extraterrestrische Strahlung wird mit AM0 bezeichnet. AM1 kennzeichnet den senkrechten Einfall des Sonnenlichtes auf die Erde.

Sonnenwinkel
Höchste Sonnenstände und AM-Werte für verschiedene Tage in Berlin (Quelle: Volker Quaschning; "Regenerative Energiesysteme"; Carl Hanser Verlag München 1998)

Für Berlin schwankt der AM Wert zwischen AM1,15 zum Sommeranfang und AM4,12 zum Winteranfang. Als internationale Norm zur Vermessung von Solarzellen hat sich AM1,5 durchgesetzt. Die verschiedenen Luftmassen entsprechen in etwa folgenden maximalen Bestrahlungsstärken:
AM0: 1350 W/m²
AM1: 925 W/m²
AM1,5: 844 W/m²
AM2: 691 W/m²

Die SonnenscheindauerDie Sonnenscheindauer
Sonnenscheindauer
Legende Sonnenscheindauer

Die Sonne schickt uns jährlich 1000 kWh/m² bei 1600 bis 2000 Sonnenstunden in Deutschland. Wie die Sonnenscheindauer regional variiert zeigt nebenstehende Abbildung. (Quelle: SOLAR-SOFT S. HACKER; Hansjakobweg 3; 78112 St. Georgen)
Theoretisch müßte man also mit einem einen Quadratmeter großen Solarmodul eine Jahresstrommenge von 1000 kWh erzielen können. - Aber weit gefehlt.
Eine Faustregel sagt, daß man mit einem monokristallinem Solarmodul soviel Strom im Jahr "erzeugen" würde, wie der Zahlenwert seiner Leistung. D.h. mit einem 75 W - Modul erhält man 75 kWh im Jahr. Ein solches Modul ist ca. 0,6 m² groß.
Man kommt also bei einem Quadratmeter auf 125 kWh. Das sind demzufolge gerade einmal 12,5% der eingestrahlten Sonnenenergie.

Wahl der ModuleWahl der Module
Die konventionellen Solarstrommodule haben als aktive Schicht Silizium in verschiedenen Kristallisationsformen. So unterscheidet man monokristalline, polykristalline und amorphe Module. Der Preis dieser sinkt in der genannten Reihenfolge, leider jedoch auch ihre Lebensdauer und ihr Wirkungsgrad. Siehe untenstehende Tabelle.

ModulmaterialWirkungsgradAmortisationszeitErntefaktor
monokristallines Silizium14,5...15,5%48..75 Monate4,8...7,4 fach
polykristallines Silizium12...14%25..57 Monate6,2...14 fach
amorphes Silizium5...10%17..41 Monate8,6...21 fach

Quelle: http://emsolar.ee.TU-Berlin.DE/allgemein/enamort.html


Eine wahrscheinlich zukunftsträchtige Entwicklung geht hin zu Dünnschichtsolarmodulen, bei welchen die Photovoltaik-Schicht nur wenige Mikrometer stark ist und nicht aus dem herkömmlichen Silizium sondern aus Cadmiumtellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-Diselenid (CuInSe2) hergestellt wird. Vorteile liegen in dem geringen Rohstoffverbrauch und in der einfachen Herstellung.
Die obige Tabelle beweist auch, daß das seit vielen Jahren kursierende Gerücht, daß Photovoltaikanlagen während ihrer Lebensdauer nicht die Energie wieder hereinspielen, die für ihre Herstellung benötigt wird, falsch ist. Es gibt zwei Kenngrößen, die das Gegenteil beweisen. Das sind die energetische Amortisationszeit (oder Energierücklaufzeit) und der Erntefaktor. Die Energierücklaufzeit ist die Zeitspanne, in der eine Energieanlage soviel Energie erzeugt hat, wie zu ihrer Herstellung benötigt wurde. Der Erntefaktor gibt an, wie oft das System die zu seiner Herstellung benötige Energie während seiner Lebensdauer wieder hereinspielt. Es wird dabei von einer Lebensdauer von 30 Jahren ausgegangen.
Im Gegensatz zu Photovoltaik-Anlagen amortisieren sich konventionelle Kraftwerke dagegen energetisch nie, da sie für die Bereitstellung einer bestimmten Menge nutzbarer Energie immer eine größere Menge an Primärenergie (Kohle, Erdgas, Erdöl, Uran) einsetzen müssen.

Aufstellung von SolarmodulenAufstellung von Solarmodulen
Das Solarmodul soll im Betrieb ein Maximum an elektrischer Energie erzeugen. Um das zu erreichen, muß möglichst viel Strahlungsleistung von den Solarzellen "eingefangen" werden.
Der direkte Strahlungsanteil auf der Moduloberfläche wird maximal, wenn die Sonnenstrahlung im rechten Winkel einfällt. Ist dies nicht der Fall, so verringert sich die Leistung mit dem Cosinus des Fehlwinkels Beta. (siehe Abbildung)

E = E0 * cos(beta)

Aufstellwinkel Bei fest installierten Modulen ist der Einfallswinkel der Strahlung nicht konstant, sondern von der Bewegung der Erde um die Sonne abhängig.
Der Einfallswinkel wird durch folgend Umstände bestimmt:
- der geographischen Breite des Aufstellungsortes
- der Deklination der Sonne (Jahresgang)
- dem Stundenwinkel (Tagesgang)

Für festinstallierte Module muß der Neigungswinkel der Module entsprechend gewählt werden. Um über das gesamte Jahr in unseren Breiten ein Maximum an Energie umzuwandeln, muß das Modul in südlicher Richtung mit 30 bis 45° angestellt werden. Soll die Solaranlage auf das Winterhalbjahr optimiert werden, sind Neigungswinkel von 60 bis 70° günstiger.

Himmelsrichtung/Neigungswinkel

30°

45°

60°

90°

Süd (180°)

87%

98%

97%

94%

74%

Südost-Südwest (135°-225°)

87%

95%

94%

85%

70%

Ost-West (90°-270°)

87%

84%

78%

73%

56%

Nord (0°)

87%

65%

52%

42%

33%

Unter http://www.ecostream.de fand ich die Abhängigkeit der Erträge einerseits von der Himmelsrichtung und andererseits von dem Neigungswinkel der Module. Demzufolge ist die Ausrichtung der Module nach Süd und einem Neigungswinkel von 30 ° mit einer Ausbeute von 98 % optimal. Aber auch Südost oder Südwest ist noch recht beachtlich. (die angegebenen Prozentwerte beziehen sich auf statische Anlagen ohne Nachführung)

Bei der Aufstellung der Module ist auch darauf zu achten, daß sie nicht von Bäumen, Häusern oder ähnlichem abgeschattet werden. Insbesondere ist der tiefste Sonnenstand in südlicher Richtung im Winter zu beachten.
Werden mehrere Module hintereinander aufgestellt, so ist der Abstand b genügend groß zu wählen, um die gegenseitige Abschattung zu vermeiden. (siehe Abbildung)

ModulabstandMan geht hier zweckmäßigerweise vom niedrigsten Sonnenstand ( gamma ca. 20°) und damit steilsten Anstellwinkel ( alpha ca. 70°) der Module aus. Unter der Annahme, daß die Sonne dann im höchsten Punkt senkrecht auf das Modul (mit der Höhe h) scheint, ist der Abstand zwischen den Modulreihen mindestens
b = h / cos (alpha)



Einfluß der Temperatur auf den ErtragEinfluß der Temperatur auf den Ertrag
TemperatureinflußDa die Solarzellen im Normalbetrieb nicht unter konstanten Umweltbedingungen genutzt werden, ist es von Interesse, das Verhalten der Zelle bei verschiedenen Temperaturen zu kennen.
Bei Solarzellen aus Silizium sinkt der Wirkungsgrad bei einer Temperaturerhöhung von 25°C um etwa 10%.
Der mit steigender Temperatur abnehmende Bandabstand ermöglicht dem Halbleitermaterial zusätzliche Photonen mit größerer Wellelänge bzw. geringerer Energie zu absorbiern. Zusätzlich werden noch tief im Material generierte Ladungsträger auf Grund der vergrößerten Diffusionslänge besser genutzt. Diese Effekte führen zu einer Photostromerhöhung. Bei einer Erwärmung um 50 Kelvin steigt der Photostrom um etwa 2 %.
Die Summe dieser beiden entgegengesetzt wirkenden Effekte bewirkt ein Absinken des Wirkungsgrades um bis zu 20 % gegenüber dem unter Laborbedingungen gemessenen.
Der Temperaturkoeffizient der Module ist eine Kennziffer dafür. Siehe dazu nachfolgende Tabelle, die ich unter http://wohnen.pege.org/2005-photovoltaik/temperaturkoeffizient.htm fand.

PV Technik% Voc / °C% Asc / °C% Wmpp / °C
kristallines Silizium-0,330,05-0,46
amorphes Silizium-0,310,075 -0,23
CIS- (Kupfer-Indium-Diselenid)-0,35 0,05 -0,45
CdTe (Cadmium Telorit)-0,250,08-0,18

Die Spitzenleistung (Wmpp) wird dabei bei einer Einstrahlung von 1000 Watt pro Quadratmeter und einer Zellentemperatur von 25 °C gemessen. Damit ist z.B. der Ertrag einer aus kristallinem Silizium bestehenden Anlage bei einer Zellentemperatur von 65 °C um (65-25)* -0,46 = 18,4 % gemindert.


Einfluß von Verschmutzungen auf den ErtragEinfluß von Verschmutzungen auf den Ertrag
Auch die Verschmutzung der Module durch Staub und Vogelkot hat einen negativen Einfluß auf den Ertrag der Photovoltaik-Anlage. Hierbei sind die Modulhersteller ihrerseits auch in einer Zwickmühle. Versiegeln sie die Module mit einer extrem glatten und damit schmutzabweisenden Schicht (meist hochfestes Glas), so ist die Reflexion ziemlich groß. Beschichten sie die Glasschicht mit einer antireflektierenden Kunststoffschicht, so ist die schmutzabweisende Eigenschaft geringer.
Durch einen etwas steileren Anstellwinkel der Module kann man der Verschmutzung etwas entgegenwirken. Es hat sich gezeigt, daß die Selbstreinigung durch Niederschlag unter 10° Neigung gegen Null geht.
Aus eigener Erfahrung habe ich festgestellt, daß der Ertrag nach einer Reinigung der Module um ca. 10 % größer wurde. Der Einfluß von Verschmutzungen ist also nicht unerheblich.


Überlegungen zur Dimensionierung einer Photovoltaik-Anlage

Insel- oder NetzbetriebInsel- oder Netzbetrieb
Hat man sich für den Bau einer Solarstromanlage entschieden, muß zunächst die Frage nach der Art der Anlage beantwortet werden. Man unterscheidet hierbei den sogenannten Insel- und den Netzbetrieb.
Beim Inselbetrieb wird der gewonnene Solarstrom über Laderegler in Akkus eingespeist und entweder durch Gleichstromverbraucher (meist 12 oder 24 V, je nach Anlagenspannung) oder nach Wechselrichtung durch 230 V Wechselstromverbraucher genutzt. Die Zwischenspeicherung in Akkus ist recht verlustreich und kostspielig, aber für Gegenden ohne Netzanschluß (z.B. Gartenhäuschen) unabdingbar. Auf den Laderegler sollte hierbei zum Schutz der Akkus vor Überladung und Tiefentladung nicht verzichtet werden.
Beim Netzbetrieb wird der gewonnene Solarstrom über einen Wechselrichter in Wechselspannung umgewandelt und über enthaltene Regeltechnik direkt in das Hausnetz eingespeist. (Achtung! Der Wechselrichter der Inselanlage ist nicht identisch mit dem Netzwechselrichter und darf auf keinen Fall an das Hausnetz angeschlossen werden!)

DimensionierungDimensionierung
Bei der Inselanlage ist zu beachten, daß in sonnenarmer Zeit und nachts der Strombedarf weitgehend oder vollständig aus den Akkus gedeckt werden muß. Andererseits müssen genügend Solarmodule vorhanden sein, um diese Akkus möglichst immer wieder vollständig aufzuladen. Auf Berechungen möchte ich an dieser Stelle verzichten.
Für die netzgekoppelte Solarstromanlage gilt grundsätzlich, je größer diese seitens der Anzahl der Solarstrommodule dimensioniert ist, um so geringer fallen die Kosten für die Netzeinspeisung ins Gewicht, um so billiger wird die eingespeiste Kilowattstunde (kWh).
Wirkungsgrad der SolarmoduleHat man sich ein bestimmtes Ziel für die über Photovoltaik zu gewinnende Energiemenge gesetzt, so sollte man sich bei der Berechnung der zu installierenden Leistung nochmals nebenstehende Daten bezüglich der von der Sonne gelieferten und der von dem Solarmodul nutzbaren Energiemenge vor Augen führen.
Will man eine netzgekoppelte Solarstromanlage bauen, kann man davon ausgehen, daß man von der Faustregel (installierte Modulleistung in Wp entspricht entsprechende Energiemenge in kWh im Jahr) nochmals 10-15% abziehen muß. D.h. will man eine Anlage mit einer max. Leistung von 1 kWp errichten, so wird diese etwa 850 kWh pro Jahr Elektroenergie liefern. Diese nochmalige Differenz ist auf Verluste beim Transport des Gleichstromes zum Netzeinspeiser, des Wechselstromes zum Einspeisezähler und auf die Wechselrichtverluste zurückzuführen. (Im Sommer sind die Kühlbleche des Netzeinspeisers regelrecht heiß)
Für eine Inselanlage ist es durchaus denkbar das Defizit der Sonnenstunden im Herbst durch die Nutzung der Energie des Windes auszugleichen. - Problematisch wird dies jedoch für Privatpersonen, die auf Ihrem Grundstück einen Windgenerator aufstellen wollen. Man sollte auf jeden Fall das Einverständnis der Nachbarn und der Gemeinde einholen.


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