Photovoltaik ist mittlerweile wohl fast jedem ein Begriff. Aber wie funktioniert eine Solarzelle und wie lässt sich auf diese Weise Strom erzeugen? Falls du dir diese und weitere Fragen rund um das Thema schon immer gestellt hast, können folgende Informationen Licht in die Dunkelheit bringen.
In diesem Solaranlage Test werde ich dich über sämtliche Aspekte der Solartechnologie aufklären und dir in der Vergleichstabelle eine Auswahl an guten Solaranlagen bzw. Solarpanels anbieten.
Inhaltsverzeichnis
Die Anfänger der Photovoltaik-Anlagen
Das Wort Photovoltaik leitet sich aus zwei Teilen ab. Es setzt sich zusammen aus dem griechischen Wort für Licht (phos, im Genitiv: photos) und aus der physikalischen Einheit für elektrische Spannung “Volt”.
Bereits im Jahre 1839 wurde der photoelektrische Effekt vom Physiker Alexandre Edmond Becquerel entdeckt. Unter diesem Effekt kann grundsätzlich die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie mithilfe von Solarzellen verstanden werden. Hierbei werden positive und negative Ladungsträger in einem Festkörper durch Lichteinstrahlung freigesetzt.
Eigenschaften einer Solarzelle
An Solarzellen ist Spannung abgreifbar. Diese wiederum ist abhängig vom Halbleitermaterial. Ist dieses Material Silizium, beträgt die Spannung ungefähr 0,5 Volt. Die Stromstärke steigt grundsätzlich bei höherer Beleuchtungsstärke an, während die Klemmspannung nur sehr gering von der Lichteinstrahlung abhängt.
Die Leistung, die eine Solarzelle erbringt, ist ein Produkt aus Spannung und Strom und ist temperaturabhängig. Sind die Zelltemperaturen hoch, führt dies somit zu niedrigen Leistungen und zu einem darauf folgenden schlechten Wirkungsgrad. Wie viel der Lichtmenge in nutzbare, elektrische Energie umgewandelt wird, gibt der Wirkungsgrad an.
Wie funktioniert Photovoltaik?
Nun zur genaueren Funktionsweise von Photovoltaik. Wie bereits erwähnt, wird in einem Solarkraftwerk Sonnenlicht in elektrischen Strom umgewandelt. Ein solches Kraftwerk besteht aus Zellen in Modulen, entsprechenden Verkabelungen, sowie Wechselrichtern.
Damit Photovoltaik funktionieren kann, wird zunächst Sonnenlicht benötigt. Dieses fällt auf eine Siliziumscheibe. Dadurch entsteht zwischen der Unterseite und der Oberseite elektrische Spannung. Mithilfe von Kontakten kann diese Spannung entsprechend genutzt werden.
Die Zellen einer Photovoltaik-Anlage werden zum Schutz hinter eine harte Glasscheibe montiert und im Normalfall in Reihe oder parallel verschaltet und sind entweder durch eine zweite Glasscheibe abgedeckt oder in Kunststoff gegossen. Dieses fertige Ergebnis wird Modul oder Solargenerator genannt und wird häufig abschließend mit einem Aluminiumrahmen versehen.
Wichtig ist nun, dass bei jedem Modul je ein Plus- und ein Minuskabel mit Stecker aus einer Anschlussdose nach außen geführt wird. Je nach Verschaltung und nach der Anzahl der Solarzellen in einem Modul ergibt sich dann eine bestimmte Stromstärke und Spannung. Diese beiden Komponenten ergeben multipliziert die Modulspitzenleistung, die in Watt peak (Wp) ausgedrückt wird.
Logischerweise gilt: Je kleiner das Modul, desto kleiner die Leistung. Die Module werden parallel oder in Reihe geschaltet, damit sie einen Strang bilden und die Spannung somit erhöht wird. Nun kommt der Wechselrichter zum Einsatz. Dieser formt den Gleichstrom der Module in Wechselstrom um und führt ihn in das Stromnetz des Netzbetreibers ein. Die Informationen, die dafür benötigt werden, erhält er aus dem Stromnetz.
Der Vorgang der Umwandlung kann allerdings nur funktionieren, wenn Netzstrom vorhanden ist. Selbstverständlich ist auch eine große Photovoltaik-Anlage mit mehreren Wechselrichtern und Strängen möglich. Ob sich auch dein Dach für eine Photovoltaik-Anlage eignet, solltest du nach Möglichkeit von entsprechenden Fachleuten begutachten lassen.
Bestandteile einer PV-Anlage
Eine Photovoltaikanlage besteht aus unterschiedlichen Komponenten, die gut aufeinander abgestimmt sein sollten. Die Komponenten sollten zueinander kompatibel sein und sich unterstützen.
Module
Es gibt unterschiedliche Arten von Photovoltaikmodulen, die auf deinem Dach oder deiner Fassade angebracht werden können. Neben den geläufigen monokristallinen und polykristallinen Solarmodulen gibt es auch noch Dünnschicht-Module, die einen deutlich geringeren Wirkungsgrad haben und sich daher eher für große Flächen eignen.
Ein Solarmodul ist ungefähr 1,7 m x 1 m groß, wobei es auch noch kleinere Größen gibt. Neben blauen Modulen mit Aluminium Rahmen gibt es auch schwarze Module, die einen besonders exklusiven optischen Eindruck machen.
Unterkonstruktion
Als Unterkonstruktion wird das Montagesystem bezeichnet, das die Solarmodule auf dem Dach befestigt. Meistens werden die Module auf Klemmen an Aluminumprofilen befestigt, welche mit Dachhaken mit dem Dach verbunden wird.
Auf Flachdächern wird ein Montagesystem auf das Dach gelegt und mit Gewichten beschwert. Manchmal wird die Photovoltaikanlage auch auf Flachdächern mit dem Dach fest verbunden.
Wechselrichter
Ein Wechselrichter wandelt den von der PV-Anlage erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um. Dies ist notwendig, da die die handelsüblichen Elektrogeräte in den deutschen Haushalten und das deutsche Stromnetz nur Wechselstrom verträgt.
Bei Photovoltaikanlagen werden sogenannte Stringwechselrichter eingesetzt, die über ein Kabel mit mehreren in Reihe geschalteten Solarmodulen verbunden sind. Die Dimensionierung des Wechselrichters muss immer sorgfältig auf die anderen Komponenten, die Leistung der Anlage, die Ausrichtung der Anlage und die Abrechnungsmethode ausgelegt sein. Lass dich hier gut beraten.
Arten von Solarmodulen
Auf dem Markt existieren vier Formen von Solarmodulen, die in ihrer Herstellung, den Eigenschaften und im Preis unterschiedlich sind.
- Monokristalline Solarmodule
- Polykristalline Solarmodule
- Dünnschicht
- CIGS-Module
Mit näheren Erläuterungen zu den genannten Modularten werde ich dir nun noch etwas mehr Informationen zu den einzelnen Solarmodul Arten geben.
Monokristalline Solarmodule
Sie bestehen aus einem reinen Silizium-Kristall. Bei der Herstellung werden von dem einzelnen Kristall dünne Scheibchen abgesägt, die dann zu einem Modul zusammengesetzt werden. Monokristalline Solarzellen sind schwer und sehr dunkel. Ihre Herstellung ist zeitaufwendig, was dazu führt, dass diese Module im Preisvergleich relativ teuer sind.
Ihr Vorteil liegt in einem besonders hohen Wirkungsgrad, der den Anschaffungspreis wieder rechtfertigt. Bekannte Hersteller der monokristallinen Module sind Suntech, Schott Solar und Aleo Solar.
Polykristalline Solarmodule
Die Herstellung dieser Module erfolgt aus Silizium, das geschmolzen und anschließend zu einem Block gegossen wird. Ist der Block erkaltet, erfolgt ein Zersägen in Scheiben.
Die polykristallinen Solarzellen weisen eine bläuliche Färbung auf und weisen eine leicht erkennbare kristalline Struktur auf. Ihre Wirkungsweise ist geringer, dafür sind sie im Preis deutlich günstiger. Die Solarmodule werden von Herstellern wie Suntech, Schüco und ET Solar produziert.
Dünnschicht-Module
Um Dünnschicht Module zu produzieren, bringen die Hersteller eine äußerst dünne Schicht Silizium auf Glasscheiben auf. Das Herstellungsverfahren ist einfach, Module aus Dünnschicht sind leicht und preiswert. Aufgrund der hohen Flexibilität sind Dünnschicht-Module in vielen Bereichen einsetzbar.
Um eine effektive Leistung zu erzielen, sind die Module mit dem geringen Wirkungsgrad auf großen Flächen zu verbauen. Bekannte Hersteller dieser Module sind beziehungsweise waren First Solar und Conergy.
CIGS-Module
Die CIGS-Module gehören zu den Dünnschichtern. Ihr Aufbau ist jedoch röhrenförmig, sodass diese Module die Sonnenstrahlen aus allen Winkeln aufnehmen können.
Unter dem Modul lässt sich eine weiße Reflektorfolie ausbreiten, die einen zusätzlichen Energieertrag ermöglicht. Diese Art Module sind relativ neu und im Vergleich deutlich teurer, bei einem nicht so hohen Wirkungsgrad.
Solarthermie
In der Frage der Heizquelle für die Warmwasseraufbereitung wird die Sonne als primäre Energiequelle immer interessanter, denn sie stellt bekanntlich keine Rechnung für ihre Dienste aus. Diese ist auch der Grund, warum sich immer mehr Bauherren mit der Solarthermie auseinandersetzen, denn diese Form der Energiegewinnung ist derzeitig – im Vergleich zu den anderen Arten – noch am weitesten entwickelt.
Die richtige Dimension der Anlage ist hierbei entscheidend und wenn alles richtig geplant und durchgeführt wurde lassen sich nicht selten 50 bis 70 % der Heizkosten, die für das Warmwasser entstehen würden, pro Jahr einsparen.
Allein in Deutschland beträgt in den warmen Monaten Mai bis September der Deckungsanteil der Solaranlage 100 %, was natürlich den Sommermonaten zu verdanken ist. In dieser Zeit sind die Sonnenkollektoren auf dem Dach am effektivsten und die Speicher im Haus können mit Hochdruck arbeiten.
Effektiver Wirkungsgrad
Die Zahlen des Wirkungsgrades einer Solaranlage sprechen eine eindeutige Sprache für sich: Je nachdem, welcher Sonnenkollektor eingesetzt wird, werden durchschnittlich 50 % der auf die Kollektoren einwirkenden Sonnenstrahlen für die Wärmeleistung genutzt.
Der Hauptgrund, warum Solarthermie in der heutigen Zeit immer interessanter wird ist darin gelegen, dass diese Form der Energiegewinnung wirklich von jedem Hausbesitzer genutzt werden kann, da sich auf wirklich jedem Dach Platz für die Kollektoren findet. Welche Größenordnung die Solarkollektoren zur effektiven Nutzung der Solarthermie letztlich haben müssen richtet sich danach, welche Funktion sie letztlich erfüllen sollen.
Ein schöner Effekt der Solarthermie ist, dass sie nicht nur zur Warmwasseraufbereitung genutzt werden kann, sondern vielmehr auch die Heizung unterstützen und zur Stromgewinnung eingesetzt werden kann. Doch wie genau funktioniert die Solarthermie eigentlich?
Der funktionelle Ablauf der Solarthermie
Im Grunde genommen ist die Funktionsweise der Solarthermie sehr einfach erklärt: Auf dem Dach befinden sich Solarkollektoren, in denen sich eine Trägerflüssigkeit oder alternativ Luft als Medium befindet. Dieses Medium wird durch die direkte Sonneneinstrahlung erwärmt und mittels einer Umwälzpumpe, die für die Solarthermie unerlässlich ist, in den Empfänger gespeist.
Weiterhin wird für die Solarthermie ein Wärmetauscher benötigt, welcher das Medium in erwärmter Form an den Warmwasserspeicher abgibt. Dieser führt das Medium abschließend als letzten Schritt der Solarthermie abgekühlt zurück zu den Solarkollektoren. Solarthermie kann daher als Kreislauf im Haus verstanden werden. Ein besonderes Plus der Solarthermie ist, dass sie mit jedem Heizungsgerät genutzt werden kann und besonders naturschonend arbeitet.
Die Wahl der richtigen Solarkollektoren
Für die Effektivität einer solchen Anlage ist auch der richtige Speicher und sein Einsatzort ein wichtiges Kriterium. Der Solarspeicher sollte in der Nähe der Kollektoren aufgestellt werden, damit Leitungsverluste minimiert werden. Auch die Wahl der richtigen Kollektoren sollte sich der Bauherr nicht zu einfach machen, denn es gibt verschiedene Arten der Kollektoren.
Vakuumröhrenkollektoren sind derzeitig am effektivsten, da sie einen sehr niedrigen Wärmeverlust durch ihre Absorberfläche aufweisen. Diese befindet sich in einem luftleeren Glasrohr. Als erste Alternative zu diesen Kollektoren ist sicherlich der Sydney-Kollektor zu nennen, da dieser durch seine Kreisform eine optimale Ausrichtung zum Sonnenstand ermöglicht.
Weiterhin können noch der Speicherkollektor und der Flachkollektor zum Einsatz kommen. Beim Speicherkollektor ist der Kollektor und der Warmwasserspeicher eine Einheit, sodass keine Solarpumpe sowie Wärmetauscher und Solarkreisleitungen mehr erforderlich sind. Diese Kollektoren werden jedoch in Deutschland selten eingesetzt, da sie nur effektiv arbeiten können wenn eine sehr starke direkte Sonneneinstrahlung gewährleistet ist.
Flachkollektoren sind die preiswertesten und daher auch sehr weit verbreitet. Der Absorber befindet sich in einer wärmegedämmten Metall-/Kunststoffwanne und minimiert somit äußeren Wärmeverlust. Diese Kollektoren haben eine Vakuumpumpe zwischen der Außenhülle und dem Absorger integriert, die jedoch jedes Jahr erneuert werden muss.
Kollektoren auf dem Dach sind eine gute und sinnvolle Investition in die Zukunft und ersparen dem Hausherren jährlich durchaus gutes Geld. Auch wenn sie in der Anschaffung durchaus Geld kosten, so rentiert sich diese Anschaffung auf lange Sicht gesehen in jedem Fall!
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