Photovoltaik

Photovoltaik
Das Prinzip der Photovoltaik
Die Photovoltaik ist eine Technik zur direkten Umsetzung von Lichtenergie in elektrische Energie. Bekannt
seit 1839 ist, begann die Nutzung von Strom aus
Sonnenlicht mithilfe von Solarzellen erst im Raumfahrtzeitalter. Die Photovoltaik nutzt den inneren
Photoeffekt: Eingestrahltes Licht löst Elektronen aus
ihrem Bindungszustand heraus. Bei Halbleiterkristallen verlassen die Elektronen den Festkörper nicht,
werden aber im Kristall frei beweglich, wodurch sich
die elektrische Leitfähigkeit erhöht. Unter Halbleitern
versteht man Stoffe, deren elektrische Leitfähigkeit bei Zimmertemperagenua07
tur zwischen der von Metallen und der von Isolatoren
liegt, die jedoch mit zunehmender Temperatur ansteigt. Je nachdem, ob sie zur Leitung Elektronen abgeben oder aufnehmen, unterscheidet man n-leitende
und p-leitende Halbleiter.
Schematische Zeichnung einer kristallinen Zelle
Lichtquanten schlagen Elektronen aus dem Halbleiter
heraus, die von den Leiterbahnen aufgefangen werden.
Siliziumschicht
Lichtteilchen(Photonen)
Wie funktioniert eine Solarzelle?
Solarzellen bestehen aus Halbleitern, wie sie bei der
Herstellung von Computer-Chips verwendet werden.
Diese Halbleiter erzeugen unter Licht Elektrizität.
Der Strom wird durch metallische Kontakte gesammelt. Der erzeugte Gleichstrom kann mit Hilfe eines
Wechselrichters in Wechselstrom umgewandelt und
so direkt ins öffentliche Elektrizitätsnetz eingespeist
werden. Als Halbleiter wird in den meisten Fällen
Silizium verwendet, das nach Sauerstoff zweithäufigste Element der Erdkruste.
Gleichstrom
Unterschiedliche Zelltypen
Unterschieden wird nach kristallinen Solarzellen und
Dünnschicht-Solarzellen. Zur Herstellung von monokristallinen Siliziumzellen benötigt man hochreines
Halbleitermaterial. Aus einer Siliziumschmelze werden einkristalline Stäbe gezogen und anschliessend
in dünne Scheiben gesägt. Dieses Herstellungsverfahren garantiert relativ hohe Wirkungsgrade. Kostengünstiger ist die Herstellung von polykristallinen Zellen. Dabei wird flüssiges Silizium in Blöcke gegossen,
die anschliessend in Scheiben gesägt werden. Bei der
Erstarrung des Materials bilden sich unterschiedlich
grosse Kristallstrukturen aus, an deren Grenzen
Defekte auftreten. Diese Kristalldefekte haben einen etwas geringeren Wirkungsgrad der Solarzelle
zur Folge.
Solarmodule
Die Leistung der Module beträgt unter STC (StandardTest-Condition):
• Einstrahlung: 1000 W/m
• Modultemperatur: 25°C
• Airmass: 1,5
Diese Werte sind nur im Labor realisierbar. Daher
wird der gemessene Leistungswert der Module in Wp
(Watt peak) angegeben.
Eine optimal positionierte Photovoltaik-Anlage im
Schweizer Mittelland liefert jährlich rund 1000 Kilowattstunden (kWh) pro 1000 Wp. Die Stromproduktion liegt bei den gleichen äusseren Bedingungen für
1 Quadratmeter Photovoltaik-Module bei jährlich 140
bis 170 kWh (kristalline Module) respektive 70-90 kWh
(Dünnschichtmodule).
Zertifizierte Module
Photovoltaik-Module werden nach international anerkannten Normen geprüft. Am häufigsten werden folgende Normen verwendet:
• Kristalline Module: IEC 61215
• Dünnfilmmodule: IEC 61646
• PV Module safety qualification: IEC 61730
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Photovoltaik
Solarstromanlagen
Solarstromanlagen werden entweder mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden (Netzverbund-Anlagen),
oder sie ersetzen das öffentliche Netz (Insel-Anlagen).
Netzverbund
Bei Bauten, die an die öffentliche Stromversorgung
angeschlossen sind, werden Solarstromanlagen in
der Regel im Netzverbund betrieben.
• Es ist nur ein Stromnetz im Gebäude nötig. Es
können die normalen Wechselstrom-Geräte eingesetzt werden.
• Überschüsse von Solarstrom können ins Netz
eingespeist und dadurch andernorts genutzt werden. Der Elektrizitätsversorger muss den Strom
abnehmen.
• Die Stromversorgung ist jederzeit sichergestellt.
Material
Modulwirkungsgrad bei Standard-Testbedingungen (kommerziell erhältliche
Module).
Quelle: Häberlin 2010
Monokristallines Silizium
11 bis 19.5 %
Polykristallines Silizium
10 bis 16 %
Amorphes Silizium
3 bis 7.5 %
Kupfer-Indium-Diselenid
(CIS)
7.5 bis 11.5 %
Inselanlage
Die Stromversorgung von netzfernen Objekten wie
Berghütten, Ferienhäusern, Notrufsäulen und Parkscheinautomaten erfolgt durch autonome Solaranlagen mit Elektrizitätsspeichern (Batterien).
• Kostengünstige Alternative zur Erschliessung abgelegener Verbraucher mit Netzstrom.
• Der Betrieb basiert in der Regel auf Gleichstrom mit
Spannung von 12 oder 24 Volt.
• Es müssen meist spezielle Geräte und Leuchten
verwendet werden, sofern kein Wechselrichter eingesetzt wird.
Planungs- und Realisierungsablauf
• Standort der Anlage abklären, möglichst eine Exposition nach Süden wählen, Beschattung vermeiden.
• Grösse der Anlage nach Wunsch (und finanziellen
Möglichkeiten) auswählen, evtl. einen Energieberater beiziehen.
• Unterlagen für eine allfällige Baubewilligung zusammenstellen. Anschlussgesuch beim Netzbetreiber, Planvorlagen beim ESTI einreichen.
• Finanzielle Unterstützung (Förderbeiträge, Steuerabzugsfähigkeit) durch Kanton und Gemeinde abklären.
• Anmeldung bei Swissgrid (für kostendeckende Einspeisevergütung) oder Offerte an eine Solarstrombörse.
• Offerte für die Realisierung bei ihrem Grosshändler
einholen.
• Die Koordination der Arbeiten sicherstellen, Garantien verlangen, evtl. eine „schlüsselfertige“ Anlage
verlangen.
• Anlage realisieren.
• Korrekte Abnahme der Anlage durchführen lassen,
die offerierten Leistungen kontrollieren (ab 3.3 kWp
pro Phase, ab 10 kWp bei dreiphasiger Einspeisung muss die Anlage durch das Starkstrominspektorat ESTI abgenommen werden).
Zweifamilien-Plusenergiehaus in Riehen, Solarpreis 2008.
© Setz Architektur, Claudia Meyer
Schaltungskonzept einer Photovoltaikanlage im Netzparallelbetrieb
PV-Generator
PV-Abzweig
Trennstelle vor Wechselrichter
Wechselrichter
Hausnetz
Einspeisung
EVU-Zähler
Bezug
Quelle: SWISSOLAR
Bilder: 3 Ronald Sastrawan (Fraunhofer ISE), 4 Thomas Springer,
5 Ralf Marquardt, 7 Sebastian Haut
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