Solarzelle Wirkungsgrad der Module Anlagenkonzepte

Ausbildung
Fachbericht (Beschreibung/Skizze) Nr.:9
Woche: 36
Thema: Photovoltaik
Als Photovoltaik wird die direkte Umwandlung von Strahlungsenergie/Licht in elektrische Energie bezeichnet. Zu diesem
Zweck werden Solarzellen verwendet. Diese sind auf freien Flächen oder auf Dächern von Gebäuden aufgebaut. Kleinere
Einheiten werden zur selbstständigen Energieversorgung direkt auf Verbraucher wie z. B. Parkscheinautomaten angebracht.
Photovoltaiksysteme gelten als Teilbereich der umfassenderen Solartechnik, die auch andere technische Nutzungen der
Sonnenenergie wie thermische Solaranlagen einschließt. Zwischenzeitlich ist eine Vielzahl von Anlagen zur Stromgewinnung
auch auf privaten Gebäuden montiert. Ihre Zahl steigt zurzeit jährlich im mehrstelligen Prozentbereich.
Die Strahlungsenergie der Sonne (direktes oder diffuses Licht) kann
aufgefangen und in Elektrizität umgewandelt werden. Hierbei entstehen keine Nebenprodukte wie Luftschadstoffe oder Treibhausgase. Die
Solartechnik trägt damit zur Entlastung der Umwelt bei.
Der Wellenlängenbereich der wandelbaren Strahlung beginnt beim
kurzwelligen, nicht sichtbaren Ultraviolett (UV) über den sichtbaren
Bereich bis weit in den langwelligeren infraroten Bereich (Wärmestrahlung) hinweg. Bei der Umwandlung wird der photoelektrische Effekt von
Solarzellen – Energieübertragung jeweils eines Photons auf ein Elektron
– ausgenutzt. Die Strahlungsenergie ist von der Wetterlage abhängig
und verändert sich tages- und jahreszeitlich bedingt. So kann die Ausbeute der Energie standort- und aufbautechnisch stark schwanken.
Solarzelle
Solarzellen bestehen aus dem Halbleitermaterial Silizium, das in zwei
unterschiedlichen Schichten als n-leitendes und p-leitendes Silizium
über bzw. unter einem elektrischen Feld angebracht ist. Dieses setzt bei
Lichtstrahlung positive und negative Ladungsträger (photoelektrischer
Effekt) frei.
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2
3
4
5
1 Kontaktstreifen
2 n leitendes Silizium
3 elektrisches Feld
4 p-leitendes Silizium
5 Rückseitenkontakt
Je nach Anzahl und Verbindung mehrerer Solarzellen werden Ströme
(Gleichstrom) von 0 bis 2 A mit einer Spannung von 0 bis 500 mV
erzeugt. Zur Verstärkung des Lichteinfalls ist die Solarzelle mit einer
antireflektierenden Oberfläche beschichtet. Die einzelnen Solarzellen
von ca. 10 x 10 cm werden in Paneelen zu größeren Einheiten miteinander verdrahtet und zu Solarmodulen verbunden. Für eine Solarzellenfläche von 1 m² werden 100 einzelne Zellen á 10 cm² benötigt. Diese sind
in Rahmen unter speziell gehärtetem Glas eingefasst. Mehrere Paneele
bilden den Solargenerator, der der in Abhängigkeit der angestrebten
Leistung von einigen Quadratmetern bis zu Hunderten von Quadratmetern groß sein kann.
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Wirkungsgrad der Module
Die elektrische Leistung einer Solarzelle ist das Produkt aus Stromstärke und Spannung. Jede Solarzelle liefert eine elektrische Spannung von
etwa 0,5 V und einen max. Strom von etwa 2 - 3 A.
In unseren Breiten erreicht die Sonne an einem wolkenfreien Sommertag eine max. Strahlungsleistung von ca. 1000 W/m². Solarzellen
können bei optimaler Ausrichtung daraus eine elektrische Leistung von
100 W bis max. 150 W erzeugen. Damit erreicht der Wirkungsgrad
bei der Energieumwandlung nur ca. 10 - 15 %.
Die insgesamt zur Verfügung stehende Sonneneinstrahlung erscheint
sehr hoch. Aufgrund des niedrigen Wirkungsgrades ist die Photovoltaik
jedoch sehr flächenintensiv. Im Vergleich zu einer Windkraftanlage mit
5 MW (Megawatt) Leistung würde eine Photovoltaikanlage bei gleicher
Leistung eine Fläche von ca. 500 m × 500 m benötigen. Photovoltaikpaneele können allerdings direkt neben- und hintereinander angeordnet
werden. Da zwischen den einzelnen Windkraftanlagen ein Abstand von
mehr als 500 m einzuhalten ist und eventuelle Geräuschbelästigungen
sowie die Gefährdung von Fluggeräten und Tierwelt möglich sind, haben
Solarparks gewisse Vorteile.
Anlagenkonzepte
Die Anwendungen sind vielfältig. Der erzeugte Strom kann Einzelgeräte
direkt versorgen (Inselanlage). Durch entsprechende elektronische
Geräte können Akkumulatoren geladen oder die Spannung umgewandelt
werden. Das Einspeisen in das allgemeine Stromnetz von 230 V ist
ebenfalls möglich.
Anwendungsübersicht:
•direkt versorgtes Gerät,
•Gleichstrombetrieb mit Akkumulator,
•Wechselstrombetrieb mit Einsatz eines zweiten Generators,
•Wechselstrombetrieb parallel zum Netz.
Anwendungsbereiche:
•Taschenrechner, Uhren,
•Messgeräte, Hausnummernbeleuchtung,
•Inselbetrieb: Wasserpumpen, Sendeanlagen,
•Hochseebojen (Warnlicht/Sirenen),
•Netzparallelbetrieb,
ikz-praxis · Heft 9/2007
Ausbildung
Fachbericht (Beschreibung/Skizze) Nr.: 9
•Inselbetrieb,
•u. v. m.
Funktion im Netzparallelbetrieb
Ein Solar-Generator wandelt die Sonnenenergie in elektrische Energie
um. Dieser Generator besteht aus einzelnen Solarmodulen, die auf dem
Dach des Wohngebäudes angebracht werden. Der dabei erzeugte Gleichstrom wird in einem Wechselrichter in haushaltsüblichen Wechselstrom
umgewandelt. Dieser wird von einem Zähler gemessen und über den
Stromkreisverteiler den Haushaltsgeräten zugeführt.
Der Stromkreisverteiler ist gleichzeitig über zwei Zähler (Liefer- und
Bezugszähler) an das öffentliche Versorgungsnetz angeschlossen. Der
überschüssige Strom wird so in das öffentliche Stromnetz eingespeist.
Notwendige Komponenten:
•Solargenerator (bestehend aus einzelnen Solarmodulen),
•Wechselrichter,
•Netzankopplung mit Schutzeinrichtungen,
•Messeinrichtungen.
Montage der Solarmodule
Zunächst sind die Tragfähigkeit und Statik des Daches zu überprüfen.
Die Module werden möglichst nach Süden ausgerichtet. Entsprechend
des Bedachungswerkstoffes und des Dachaufbaues erfolgt die Befestigung. Die Tragekonstruktion muss die auftretenden Lasten allein aufnehmen können und die Dachhaut nicht als Stützlager verwendet werden.
Bei unsachgemäßer Ausführung kann es zu Undichtheiten der Dachdeckung (Ziegelbruch) oder dem Ausreißen einzelner Befestigungspunkte
kommen. Bei der Befestigung werden oft die Windlast (Zug oder Druck)
und die durch Temperaturschwankungen entstehenden Dehnungsunterschiede von Werkstoffen und Modulen vernachlässigt. Ebenso ist die
durch Wind auftretende Vibration der Paneele zu berücksichtigen.
Prinzipiell sind alle Haltepunkte zu schrauben. Schrauben sollten
selbstsichernd sein oder sind gegen Selbstlösen zu sichern. Zur
Befestigung sind die von Herstellern vorgegebenen Schienenkonstruktionen zu verwenden. Im Dach sind Haltepunkte an oder im Holz
durchzuschrauben oder mittels Bügel, der den Holzbalken umschließt,
anzubringen.
Steildach
Auf-Dach-Montage
Der Solargenerator befindet sich über der Dachhaut. Befestigung der
Module mit Metallschienen und Bügeln. Der Wind kann unter die
­Module greifen und es kann zu einem „Flügeleffekt“ kommen.
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Dachintegration
Die Module werden in das Dach integriert und ersetzen die Dachhaut
(Ziegel). Sorgfältige Abdichtung ist notwendig, ebenso ist für ausreichende Dehnungs- bzw. Bewegungsmöglichkeiten und für Kühlung zu
sorgen. In der Regel wirkt der Wind druckseitig auf die Paneele.
Flachdach
Aufständerung
Die Module werden auf ein Tragegestell montiert. Hierbei kann die Neigung optimal eingestellt werden. Bei mehreren Reihen darf gegenseitig
keine Abschattung erfolgen.
Achtung: Hierbei sind relativ hohe Windlasten zu berücksichtigen.
Mithilfe von Windabweisern oder versetztem Aufbau kann die Windlast
verringert werden.
Größe der Anlagen
1 kWp (Kilowatt peak = Spitzenleistung) entspricht einer Modulfläche
von 8 m². Je nach Südausrichtung und Modulneigung erzeugt 1 kWp
zwischen 800 und 1050 kWh jährlich.
Der durchschnittliche Jahresverbrauch an Strom eines 4-köpfigen
Haushaltes liegt bei ca. 4000 kWh, was einer Anlage von 5,6 kWp
entspricht. Der Platzbedarf wäre so ca. 45 m².
Lebensdauer
Kristalline Module werden mit einer Lebensdauer von ca. 30 Jahren
angegeben. Die Leistungsgarantie der Hersteller erstreckt sich meist auf
einen Leistungsverlust von maximal 20 % innerhalb 25 Jahren.
Der Aufbau und die Befestigungen sind regelmäßigen Inspektionen
zu unterziehen, die die Funktion und Sicherheit gewährleisten sollen.
Durch Ablesen der Messeinrichtungen kann die Effizienz beurteilt
werden.
Einspeisevergütung
Die Vergütung des Solarstroms in Deutschland ist im ErneuerbareEnergien-Gesetz (EEG) geregelt. Sie ist von der Art und Größe der
Anlage abhängig und liegt derzeit bei ca. 40 bis 50 Cent pro kWh. Die
Einspeisevergütung bleibt für 20 Jahre konstant.
Die Stromerzeugung und deren Einspeisung in das öffentliche Netz
ist eine erwerbsmäßige Tätigkeit, deren Gewinne zu versteuern sind.
Interessenten sollten zur Planung das zuständige Energieversorgungsunternehmen beratend hinzuzuziehen.
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