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| Inhalt: Das Photovoltaikmodul (PV_Modul) |
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 Photovoltaik: Solarstrom, Solarmodule und Solarzellen in Theorie und Praxis |
| Das Solarmodul | | | Weil einzelne Solarzellen nur eine geringe Leistung (ca. 1,5 Watt) abgeben, werden sie zu einem Solarmodul zusammen geschaltet. Dieses enthält eine Glasabdeckung und in den meisten Fällen einen Aluminiumrahmen, der der Stabilität und der Befestigung dient. Die Abdeckung an der Oberseite lässt das Licht durch und schützt die Solarzellen gleichzeitig vor Wind und Wetter. In dieser Form wird es auf dem Dach oder der Fassade befestigt. Eine einzelne Solarzelle ist ca. 12,5 x 12,5 cm groß, Module gibt es in unterschiedlichen Größen. Ein Modul kann je nach Anzahl der Zellen eine Leistung zwischen 50 und 300 Watt haben. |
 Es gibt Solarmodule auf Siliziumbasis, polykristalline mit einer glitzernden Kristallstruktur und monokristalline mit einer einheitlichen Zelloberfläche. Dünnschichtmodule wie von Würth Solar, sind nicht aus Zellen aufgebaut, sondern entstehen dadurch, dass photoaktives Halbleitermaterial auf eine Trägerschicht (z.B. Glas oder Kupferbahnen) aufgedampft wird. Der geringe Material- und Energieverbrauch bei der Herstellung sowie der mögliche hohe Automatisierungsgrad bieten beträchtliche Einsparpotenziale gegenüber der kristallinen Siliziumtechnologie. Das Trägermaterial für Dünnschichtzellen kann theoretisch beliebig zugeschnitten werden. So können Maßanfertigungen in der Größe noch freier variiert werden. Insgesamt haben Dünnschichtmodule jedoch einen geringeren Wirkungsgrad und benötigen für die gleiche Leistung mehr Platz. Die maximalen Zellwirkungsgrade von monokristallinen Zellen betragen 18%, die maximalen Zellwirkungsgrade von polykristallinen Zellen 15%. Dünnschichtzellen erreichen Zellwirkungsgrade bis zu 14%.
Modul monokristallin | Modul multikristallin | CIS Modul |  |  |  |
Die Solarmodule werden mit unterschiedlichen Befestigungssytemen auf dem Dach oder an der Fassade befestigt. | | | Solarzelle |  | Die kleinsten Bauteile einer Photovoltaikanlage, die Solarzellen werden aus Halbleitermaterialien, meist Silizium, gefertigt, die teilweise aus Abfällen der Halbleiterelektroindustrie bezogen werden. Sie gibt es in achteckiger oder quadratischer Form. Für Dünnschichtsolarzellen werden Halbleitermaterialien wie Gallium- Arsenid, Cadmium- Tellurid (CdTe) und Kupfer- Indium- Selenid (CIS) verwendet. Mehrere Solarzellen bilden das Solarmodul, in dem die Solarzellen so miteinander verschaltet sind, dass elektrischer (Gleich-) Strom fließen kann. Dieser physikalische Prozess verbraucht kein Material, so dass Solarzellen annähernd verschleissfrei Strom produzieren. |
Solarzelle
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| | | Dünnschichtzelle | Zu den Dünnschichtzellen gehören amorphe Siliziumzellen ebenso wie Zellen aus CIS und CdTe. Der Unterschied zu den mono- und polykristallinen Siliziumzellen besteht in der Herstellung. Bei der Herstellung von Dünnschichtzellen werden photoaktive Halbleiter als dünne Schichten auf ein Trägermaterial aufgebracht. Die Schichtdicken betragen hierbei nur etwa 0,001 mm. Die Dünnschicht-Zellen werden intern so miteinander verbunden, dass man mit dem bloßen Auge die Verbindungen kaum erkennt. Die Zellen sehen daher sehr homogen aus. Die Farben von Dünnschichtzellen sind rötlichbraun über schwarz bis dunkelgrün. Vorteile von Dünnschichtzellen sind die geringeren Herstellungskosten, die geringere Anfälligkeit bei Verschattungen und die höhere Formflexibilität. Ein Nachteil ist der geringere Wirkungsgrad gegenüber Siliziumzellen. Amorphe SiliziumzellenDer photoaktive Halbleiter ist in diesem Fall amorphes (gestaltloses) Silizium, das als dünne Schicht auf das Trägermaterial, in den meisten Fällen Glas, aufgebracht wird. Der geringere Material-u. Energieverbrauch und die Möglichkeit des hohen Automatisierungsgrades der Fertigung bieten beträchtliche Einsparpotenziale gegenüber der kristallinen Siliziumtechnologie. Nachteil der amorphen Zellen ist der geringe Wirkungsgrad von 5% bis 8% (stabilisierter Zustand). Flexible Solarmodule auf Metall- oder Kunststofffolien sind möglich. Die Struktur ist homogen, die Farbe ist rötlichbraun bis schwarz. CIS-Dünnschicht-SolarzellenDas aktive Halbleitermaterial bei CIS-Solarzellen ist Kupfer-Indium-Diselenid, ihre Farbe ist schwarz. Der Wirkungsgrad beträgt 7,5% bis 9,5%. CdTe-Dünnschicht-Solarzellen
Das photoaktive Material bei diesen Solarzellen besteht aus Cadmium-Tellurid. CdTe ist als Verbindung ungiftig und sehr stabil. Die Farbe der Zellen dunkelgrün spiegelnd bis schwarz. Der Wirkungsgrad der CdTe-Module beträgt 6% bis 9% |
| | | Wechselrichter | Der von den Solarmodulen erzeugte Gleichstrom wird vom Wechselrichter (auch Netzeinspeisegerät oder NEG genannt) in Wechselstrom umgeformt. Der Wechselrichter ist das Bindeglied zwischen den Solarmodulen, die Gleichstrom produzieren und dem Stromnetz. Außerdem speichert dieses Gerät Betriebsdaten und überwacht den Netzanschluss der Photovoltaikanlage. Wechselrichter gibt es in verschiedenen Größen, jeweils angepasst an die Leistung einer Photovoltaikanlage. Sie werden weiterhin nach der Art des Einbaus unterschieden. Modulwechselrichter werden direkt am Photovoltaikmodul befestigt und wandeln dort direkt den Gleichstrom in Wechselstrom um. So kann dem einzelnen Modul die maximale Leistung entnommen werden. Werden mehrere Photovoltaikmodule zusammengeschaltet (parallel oder in Reihe), bestimmt das schwächste Modul die Gesamtleistung der Anlage. Der Einsatz von Modulwechselrichtern ist vorteilhaft, wenn einzelne Module im Tagesverlauf verschattet werden oder Gleichstromleitungen eingespart werden sollen. Werden mehrere Photovoltaikmodule zu einem Strang zusammengefasst und über einen Wechselrichter geführt, dann heißen diese Strangwechselrichter. Wird der Gleichstrom mehrerer Stränge über einen Wechselrichter geführt, dann heißen diese zentrale Wechselrichter. Nachteil dieser Bauweise sind aber die langen Gleichstrom-Leitungen vom Modul zum Wechselrichter. Gleichstromleitungen sind wegen ihres großen Querschnitts starr und daher schwer zu verlegen und im Verhältnis zu Wechselstromleitungen teurer. |
Wechselrichter Delta Si 5000
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| | | Wirkungsgrad | Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis der nutzbaren zu der vorhandenen Energie. Zum Beispiel wandeln herkömmliche Glühbirnen nur ca. 5-10% der eingesetzten Energie in Licht um, der Rest geht als Wärme verloren.
Photovoltaik
Monokristalline Solarzellen aus Silizium erreichen in der Praxis Wirkungsgrade von 14 bis 17%, polykristalline etwa 13 bis 15%. Amorphe Solarzellen aus amorphem Silizium erreichen 5 bis 7%. Dünnschichtzellen aus CIS (Kupfer-Indium-Diselenid) erreichen 7,5% bis 9,5%, die aus CdTe (Cadmium-Tellurid) 6% bis 9%. Die Wirkungsgrade der Solarmodule liegen jeweils um einige Prozentpunkte darunter. SolarthermieAuch hier beschreibt der Wirkungsgrad das Verhältnis zwischen eingestrahlter zu nutzbarer Sonnenenergie. Der Absorber nimmt einen Großteil der eingestrahlten Energie auf und gibt diese in Form von Wärme an die Wärmeträgerflüssigkeit ab. Wirkungsgradminderungen treten an der Glasabdeckung des Kollektors durch Reflexion auf. Wärmeverluste vermindern den solaren Ertrag, wenn der Kollektor schlecht gedämmt ist. Interessant ist auch der Anlagenwirkungsgrad, der angibt, wieviel der einfallenden Energie als Nutzenergie im Endeffekt zur Verfügung steht. Hier werden auch Verluste in den Rohrleitungen und im Speicher berücksichtigt. Anlagenwirkungsgrade liegen zwischen 25 und 50%. |
| | | Zellwirkungsgrad | Der Wirkungsgrad einer einzelnen Solarzelle gibt an, wieviel der auf die Zelle eingestrahlten Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Kristalline Silizium- Solarmodule wandeln 13 bis 18 Prozent der eingestrahlten Sonnenenergie in elektrische Energie um. Dünnschichtsolarmodule haben noch einen geringeren Wirkungsgrad von etwa 5-8 Prozent. Diese preisgünstigeren Zellen werden eingesetzt, wenn der Flächenverbrauch keine Rolle spielt. |
| | | Silizium | Silizium (Si) ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element der Erde. Es wird durch chemische Behandlung aus Quarzsand gewonnen, gereinigt und in der Elektronik-Industrie sowie zur Herstellung von Solarzellen verwendet.
In der Solartechnik wird ein Großteil der Solarzellen auf Basis von mono- oder polykristallinem Silizium hergestellt. Noch verwendet die Solarindustrie dafür Abfälle aus der Produktion der Elektronikindustrie. Das dort eingesetzte Material ist hoch gereinigt, für die Herstellung von Solarzellen dagegen genügt Silizium mit geringerer Qualität. Um sich von eventuellen Materialknappheiten und den damit verbundenen Preiserhöhungen unabhängig zu machen, arbeitet die Solarindustrie derzeit am Aufbau einer eigenen Siliziumproduktion. |
| | | Verschattung | Es gibt verschiedene Arten von Verschattung auf Solaranlagen. Zeitweise Verschattungen durch Laub, Schnee, Vogelexkremente, Staub und ähnliches werden in der Regel durch die Selbstreinigung der Module oder Kollektoren (durch abfließendes Regenwasser) beseitigt. Je stärker die Anlage geneigt ist, desto besser funktioniert die Selbstreinigung. Verschattungen spielen besonders für Solarstromanlagen eine große Rolle, da die schwächste Solarzelle (die verunreinigte oder verschattete) die Gesamtleistung eines Moduls bestimmt. Bei thermischen Solaranlagen ist die Auswirkung einer Teilverschattung des Kollektors weniger gravierend, mindert jedoch auch hier die Erträge. Problematischer als Teilverschattungen durch Verunreinigungen sind standortbedingte Verschattungen, insbesondere Schatten, die auf Dächern durch Schornsteine, benachbarte Gebäude, Bäume oder Antennen verursacht werden. In aller Regel muss deshalb genau darauf geachtet werden, dass kein direkter Schatten auf die Solarstromanlage fällt. Selbst kleinste Schatten können zu erheblichen Leistungseinbußen führen, da die schwächste Solarzelle die Stromstärke vorgibt. Ist diese beschattet, sinkt folglich die Gesamtleistung der Anlage drastisch ab. So kann bereits ein Antennenschatten die Leistungsfähigkeit einer Fotovoltaikanlage um 10 bis 50 Prozent senken. Durch eine optimale Anordnung der Module und entsprechende Verschaltung können Ertragseinbußen vermindert werden. Günstig ist es, im Vorfeld der Installation eine Untersuchung der Verschattungen durchführen zu lassen. Bei aufgeständerten Anlagen ist darauf zu achten, dass die Module einen genügend großen Abstand zueinander haben, damit sie sich nicht gegenseitig verschatten. |
| | | Zähler | Bei Installation einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage wird neben dem Bezugszähler für den vom EVU eingekauften Strom ein Einspeisezähler (oder ein Kombigerät) eingebaut, der die produzierte und in das öffentliche Stromnetz eingespeiste Menge Solarstrom erfasst. Der Nachweis ist für die Abrechnung mit dem Energieversorgungsunternehmen laut Erneuerbare- Energien- Gesetz (EEG) sowie zur Überprüfung der Anlagenfunktion notwendig. Ein geeichter Zähler wird entweder vom Netzbetreiber gegen eine geringe Gebühr zur Verfügung gestellt oder kann als Eigentum des Solaranlagenbetreibers betrieben werden, der den Zähler von einem Elektriker einbauen lässt. Die Ablese- und Abrechnungsmodalitäten des eingespeisten Solarstroms müssen mit dem Netzbetreiber vereinbart werden. Bis zu einer Leistung der Photovoltaikanlage von 5 kWp werden einphasige Wechselstromzähler eingebaut, bei größeren Anlagen dreiphasige Drehstromzähler. |
Zählerkasten
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Geschrieben am Sunday, 10.May. @ 11:57:01 CEST von GBiegel |
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