Technik
Grundsätzlich kann man Photovoltaikanlagen nach ihrem Einsatzzweck in Inselsysteme und netzeinspeisende Anlagen unterteilen.
Inselsystem
Der Aufbau eines typischen Inselsystems sieht schematisch folgendermaßen aus:
und besteht aus folgenden Komponenten:
- Solarmodule
- Laderegler
- Solarakkus
- Verbraucher 12 V
- Verbraucher 220 V
Konfigurator für Inselsysteme (experimental!). --> Konfigurator für Inselsysteme
Netzeinspeisende Anlagen
Der Aufbau einer Anlage, die ins Stromnetz einspeist, sieht schematisch folgendermaßen aus:
und besteht aus folgenden Komponenten:
- ein oder mehrere Strings an Solarmodulen
- ein oder mehrere Wechselrichter
- Sicherung
- Stromzähler
Zelltypen
Am Markt finden sich zurzeit folgende Zelltypen:
- monokristalline Wafer
- quadratische polykristalline Wafer
- stranggezogene polykristalline Wafer
- Dünnschichtzellen
- elektrochemische Farbstoff-Solarzelle
Technische Merkmale
Die Kenngrößen einer Solarzelle bzw. eines PV Moduls werden für normierte Bedingungen (STC - Standard Test Conditions) angegeben:
- Einstrahlungstärke von 1000 W/m2 in Modulebene
- Temperatur der Solarzelle 25 °C konstant
- Strahlungspektrum AM 1,5 global
- DIN EN 61215, IEC 1215, DIN EN 60904, IEC 904
Hierbei steht AM für den Begriff Air Mass,
der Wert 1,5 dafür, dass die Sonnenstrahlen hierbei das 1,5-fache der Atmosphärenhöhe durchlaufen, weil sie schräg
auftreffen. Dies entspricht sehr gut den sommerlichen Gegebenheiten in Mitteleuropa von Norditalien bis
Mittelschweden. Im Winter steht die Sonne in unseren Breiten erheblich tiefer, und ein Wert von AM 4 bis AM 6
ist hier realistischer.
Durch die Absorption in der Atmosphäre verschiebt sich auch das Spektrum des auf das Modul treffenden Lichtes. "Global" steht für Globalstrahlung, die sich aus dem Diffus- und dem Direktstrahlungsanteil der Sonne zusammensetzt.
Hierbei ist zu beachten, dass in der Realität insbesondere die Zelltemperatur bei einer solchen Einstrahlung, die in Deutschland im Sommer zur Mittagszeit erreicht wird, bei normalem Betrieb wesentlich höher liegt (je nach Anbringung, Windanströmung etc. kann sie etwa zwischen 30 und 60 °C liegen). Eine erhöhte Zelltemperatur bedeutet aber gleichzeitig einen herabgesetzten Wirkungsgrad der Solarzelle. Aus diesem Grund wurde eine weitere Bezugsgröße geschaffen, PNOCT, die Leistung bei normaler Betriebstemperatur (normal operating cell temperature).
Gebräuchliche Abkürzungen sind:
- SC: Short Circuit - Kurzschluss
- OC: Open Circuit - Leerlauf
- MPP: Maximum Power Point - Betriebspunkt maximaler Leistung
Die Kennwerte einer Solarzelle bzw. eines PV Moduls sind
- Leerlaufspannung UOC (auch VOC)
- Kurzschlussstrom ISC
- Spannung im bestmöglichen Betriebspunkt UMPP (auch VMPP)
- Strom im Betriebspunkt mit maximaler Leistung IMPP
- Maximal erzielbare Leistung PMPP
- Füllfaktor FF
- Koeffizient für die Leistungsänderung mit der Zelltemperatur
- Zellwirkungsgrad η
Der Wirkungsgrad einer Solarzelle ist das Verhältnis von erzeugter elektrischer Leistung zur Leistung der Globalstrahlung. Halbleiter mit fester Bandlücke nutzen nur einen Teil des Sonnenlichtes. Ihr maximaler theoretischer Wirkungsgrad liegt bei ungefähr 30 %. Bei Mehrschichtsystemen bzw. Multibandsystemen, die für verschiedene Farben des Sonnenlichts sensibilisiert sind, liegt die theoretische Grenze bei über 50%.
| Materialsystem | typischer Wirkungsgrad | |
|---|---|---|
| amorphes Silizium | 5-10 % | |
| polykristallines Silizium | 10-15 % | |
| monokristallines Silizium | 12-15 % | |
| Galliumarsenid (Einschicht) | 15-20 % | |
| Galliumarsenid (Mehrschicht) | 20-25 % |
Wirkungsgrade kommerziell erhältlicher Zellen gehen bis knapp über 20 Prozent (siehe Tabelle). Damit hergestellte Solarmodule erreichen bis etwa 17 Prozent Wirkungsgrad. Der Rekord für im Labor hergestellte Solarzellen liegt bei 24,7 Prozent (University of New South Wales, Australien), mit denen Module mit über 22 Prozent Wirkungsgrad hergestellt wurden.
Die Degradation des Wirkungsgrades (Alterungsverhalten) liegt bei ca. 10 Prozent in 25 Jahren. Hersteller geben beispielsweise Garantien auf mindestens 80 Prozent der Peak-Leistung nach 20 Jahren.
Im Weltraum ist einerseits die Solarkonstante größer als die Globalstrahlung auf der Erde, andererseits altern die Solarzellen schneller. Solarpanels für Satelliten erreichen zur Zeit (2005) einen Wirkungsgrad von fast 25% bei einer Betriebszeit von 15 Jahren.
Erträge
In Deutschland kann der Stromertrag im Süden mit ungefähr 900 kWh / Jahr und pro installierten kWp, und für den Norden mit 800 kWh angenommen werden.
Mit Hilfe einer Nachführung kann dieser Wert gesteigert werden. Realistisch sind 20% Mehrertrag bei einer 1-achsigen Nachführung und 30% Mehrertrag bei einer 2-achsigen Nachführung.
Energetische Amortisation und Erntefaktoren
Die energetische Amortisation ist der Zeitpunkt, zu dem die Energie die für die Herstellung einer Photovoltaikzelle aufgewendet und durch selbige wieder erzeugt wurde. Der Erntefaktor gibt an, wieviel mehr Energie in der Lebenszeit der Zelle erzeugt wird als für die Herstellung aufgewendet wurde. Das Gerücht, dass eine Photovoltaikzelle in der Herstellung mehr Energie verbraucht als sie in der Lebenszeit wieder einspielt, ist nicht zu halten. Dies belegen mehrere Studien.
