Allgemeines zu Photovoltaik

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Allgemeines zu Photovoltaik - Foto: TeroVesalainen / pixabay.com

Photovoltaikanlagen nutzen die Sonnenenergie und wandeln sie in elektrische Energie um, wobei mit dieser einzigen Energiequelle gleichzeitig mehrere Haushalte mit Strom versorgt werden können. Wer sich eine Photovoltaikanlage anschaffen möchte, sollte jedoch zunächst ganz genau wissen, wie eine solche Anlage funktioniert und welche Vor-und Nachteile sie hat.

Was ist Photovoltaik?

Photovoltaik ist die direkte Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie mittels Solarzellen. Bei der Umwandlung des Lichts in Strom wird der photoelektrische Effekt ausgenutzt.

Die Energiewandlung findet mithilfe von Solarzellen in den Photovoltaikanlagen statt, die zu Solarmodulen verbunden werden. Die gewonnene Elektrizität kann vor Ort genutzt, in Akkumulatoren gespeichert oder in Stromnetze eingespeist werden. Für die Einspeisung der Energie in das öffentliche Stromnetz wird, aufgrund der von den Solarzellen erzeugten Gleichspannung, ein Wechseltrichter zur Umwandlung benötigt. Mithilfe der Wechselrichter wird die übliche Netzwechselspannung mit 230V und 50Hz erzeugt.

Das Stromeinspeisungsgesetz und insbesondere das Erneuerbare-Energien-Gesetz haben bei der Errichtung von Photovoltaikanlagen zum Boom in Deutschland geführt.

So funktioniert eine Photovoltaikanlage

Die Solarzellen der Photovoltaikanlagen bestehen aus verschiedenen Halbleitermaterialien. Das Halbleitermaterial Silizium wird weltweit zu über 95% für die Herstellung von Solarzellen verwendet. Es besteht aus chemischen Elementen, mit denen entweder ein positiver Ladungsüberschuss (p -leitende Halbleiterschicht) oder ein negativer Ladungsüberschuss (n- leitende Halbleiterschicht) im Halbleitermaterial erzielt werden kann.

Wenn dann zwei unterschiedlich dotierte Halbleiterschichten gebildet werden, entsteht an der Grenzschicht ein sogenannter p-n-Übergang. An diesem Übergang wird dann ein inneres elektrisches Feld aufgebaut, das zu einer Ladungstrennung, des bei Lichteinfall freigesetzten Ladungsträgers führt. Die elektrische Spannung kann dann über Metallkontakte abgegriffen werden. Wenn der äußere Kreis geschlossen bzw. ein elektrischer Verbraucher angeschlossen wird, fließt der Gleichstrom.

Des Weiteren werden einzelne Solarzellen zu größeren Einheiten miteinander verschaltet, um für die unterschiedlichen Anwendungsbereiche geeignete Spannungen bzw. Leistungen bereitstellen zu können. Höhere Spannungen werden durch eine Serienschaltung der Zellen verursacht, höherer Strom durch eine Parallelschaltung. Die Solarzellen, die miteinander verschaltet wurden, werden meist in transparentem Ethylen-Vinyl-Acetat eingebettet und mit einem Rahmen aus Aluminium oder Edelstahl versehen. Anschließend werden sie mit einem transparenten Glas abgedeckt.

Komponenten einer Photovoltaik-Anlage

Typischerweise besteht eine Photovoltaik-Anlage aus folgenden Komponenten:

  • Solarmodule aus verschalteten Solarzellen – Mehrere Module bilden den Solargenerator
  • Leitungen befördern den Strom zwischen Zellen bzw. Modulen, Wechselrichtern und Zählern
  • Wechselrichter wandelt die von den Solarzellen gelieferten Gleichstrom in Wechselstrom um
  • Bei netzgekoppelten Solaranlagen wird hier der Strom über einen Zähler in das öffentliche Netz eingespeist

Bestandteile der Photovoltaik-Module

Photovoltaik Module bestehen aus mono- oder polykristalline Solarzellen, die durch Lötbändchen elektrisch miteinander verschaltet sind. In der Regel sind jedoch polykristalline Solarzellen kostengünstiger herzustellen als Solarzellen aus monokristallinem Silicium. Jedoch weisen polykristalline Solarzellen einen geringeren Wirkungsgrad auf. Der Wirkungsgrad für die monokristallinen PV-Module liegt bei 16 – 18%.

Die polykristallinen Module haben einen Wirkungsgrad von ca. 14%. Zwischen 30 Wp und 200 Wp (Watt peak, Spitzenleistung) liegen die typischen Nennleistungen der Solarmodule. Nach den Kenndaten der Solarmodule werden bei einer Sonneneinstrahlung von 25°C Zelltemperatur 1000W/m² erzeugt. Diese Normalstrahlung wird in Deutschland jedoch selten erreicht, aufgrund dessen liegt die Leistungsabgabe der Module in der Praxis unter der angegebenen Nennleistung.

Inselanlage oder netzgekoppelt?

Anders als bei speziellen Sonnenkraftwerken sind hier keine Zwischenschritte nötig, um Sonnenstrahlen in elektrische Energie umzuwandeln. Doch auch zwischen den einzelnen Photovoltaikanlagen gibt es Unterschiede: So wird zwischen der Photovoltaikanlage-Insellage und der netzgekoppelten Photovoltaikanlage differenziert.

Insellage – Unabhängig vom öffentlichen Netz

In Gebieten, wo eine Versorgung mit elektrischer Energie nur knapp oder gar nicht möglich ist, bietet sich eine Photovoltaikanlage in Insellage an. Sie ist nicht an das öffentliche Stromnetz angeschlossen und wird somit unabhängig davon betrieben. Besonders häufig findet man die Insellage-Photovoltaikanlage auf Wohnmobilen, einsamen Berghütten oder abgelegenen Ferienhäusern. Um bei fehlendem Sonnenlicht auch eine Versorgung mit Strom zu gewährleisten, muss ein Zwischenspeicher überschüssige Energie auffangen. Diese Akkumulatoren sind jedoch nicht nur teuer, sondern auch höchst empfindlich gegenüber Überladungen, sodass die Installation eines Ladereglers unabdingbar ist. Nur so kann eine lange Lebensdauer der Akkumulatoren garantiert werden.

Besonders geeignet sind photovoltaische Anlagen für Gegenden, in denen die Anschaffung einer solchen Anlage günstiger ist, als der Anschluss an das öffentliche Stromnetz. Südliche Gegenden, die noch häufig nicht mit dem öffentlichen Netz verbunden sind und sich durch eine lange Sonneneinstrahlung auszeichnen, sind dafür praktisch prädestiniert. Um zusätzlich Energie zu gewinnen, kann die Photovoltaikanlage als Insellösung mit einem Windkraftwerk kombiniert werden.

Netzgekoppelt – Einspeisung der produzierten Energie in das Stromnetz

Neben der autonomen photovoltaischen Komplettanlage existieren auch netzgekoppelte Photovoltaikanlagen. Diese sind direkt an das öffentliche Stromnetz angeschlossen. Durch einen Wechselrichter wird der produzierte Strom in das Netz eingespeist, so beziehen die Hausbesitzer den Strom genau betrachtet nicht direkt von ihrer photovoltaischen Anlage, sondern nach wie vor aus dem öffentlichen Netz. Erst seit 2009 ist es möglich, auch einen Teil der Energie der Anlage direkt im eigenen Haushalt zu verbrauchen. Eine netzgekoppelte photovoltaische Anlage ermöglicht also eine optimale Versorgung mit Strom, auch bei schlechtem Wetter.

Die Anlage rentiert sich jedoch nicht nur durch die konstante Gewährleistung der Energieversorgung, sondern auch durch die Vergütung durch den Netzbetreiber. Jede eingespeiste Kilowattstunde wird nach den allgemein gültigen Richtlinien mit barem Geld vergütet. Dabei können photovoltaische Anlagen in nahezu allen Regionen Deutschlands installiert werden, da die Versorgung mit Sonneneinstrahlung landesweit ausreichend ist.

Welche Art ist effektiver?

Die Photovoltaikanlage in Insellage rentiert sich nur selten auch auf lange Sicht, da die Speicherung des überschüssigen Stroms sehr aufwändig ist. Des Weiteren besteht bei längeren Phasen ohne Sonnenlicht die Gefahr, dass der Strom, der auch bei tristem Wetter dringend benötigt wird, nicht geliefert werden kann. Nur für Gegenden und Häuser, die nicht an das öffentliche Stromnetz angeschlossen sind, bietet diese Art der Anlage eine Lösung zur Stromversorgung. Die meisten Anlagen werden jedoch als netzgekoppelte Photovoltaikanlage realisiert.

Durch die Einspeisung der erzeugten Energie in das öffentliche Netz wird die Zwischenspeicherung umgangen. Der Anschluss an das Stromnetz ermöglicht gleichzeitig die Versorgung mit Strom bei fehlendem Sonnenlicht und gewährleistet damit eine konstante Energieversorgung. Mit einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage sind die Hausbesitzer damit immer auf der sicheren Seite und optimal mit Strom versorgt.

Die Vor-und Nachteile einer Photovoltaikanlage

Viele der heutigen Betreiber einer Photovoltaikanlage haben sich aus den unterschiedlichsten Gründen für diese Art der Stromerzeugung entschieden. Nicht nur weil die Anlagen sauberen Strom erzeugen, sondern auch, weil sie erheblich zur CO2 Emissionsminderung beitragen. Um die Vor-und Nachteile von Photovoltaik etwas näher zu erläutern, haben wir einige wichtige Punkte zusammengefasst.

Vor – & Nachteile

Vorteile

Nachteile

Unerschöpfliche Energiequelle Sehr hoher Kostenaufwand
Freier, kostenloser Zugang Hohe Investitionssumme wird erst nach 10J. amortisiert
Produziert sauberen Strom Nicht ästhetisch → werden meist Außen oder auf ein Großteil des Daches befestigt
Macht kein Lärm
Unterstützung durch Förderprogramme
Einspeisevergütung ins öffentliche Stromnetz → kommt anderen Haushalten zugute
Produziert selbst bei geringer Sonneneinstrahlung
Gewährleistung von bis zu 25J.
Trägt zur CO2 Emissionsminderung bei
Man spart Strom

Lohnt sich eine Photovoltaikanlage?

Zwar stellt die Anschaffung einer PV-Anlage eine erhebliche finanzielle Belastung dar, die erst einmal bewältigt werden muss, dennoch ist die Investition einer PV-Anlage eine Investition in die Zukunft und in unsere Umwelt. Ein weiterer Vorteil ist, dass mit einer Photovoltaikanlage keine weiteren Stromkosten mehr anfallen. Durch die Installation kommt es nach 10 bis 15 Jahren zu vielversprechenden Gewinnen. Dann fallen zwischen 400 und 500 Euro Gewinn im Jahr an, die durch die sogenannte Einspeisevergütung entstehen. In der Gesamtsumme rechnet sich das mit mindestens 4.000 Euro. Es entstehen sogar finanzielle Vorteile wie die steuerliche Absetzbarkeit der Anlage über eine Abschreibung.


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