Leistungen - Photovoltaik - Technische Grundlagen

 

Die als Licht auf die Erde auftreffende Menge an Sonnenenergie ist 10.000 mal höher als der Primärenergieverbrauch der Menschheit.

Klicken Sie im unteren Bild auf das Wort "start" um die Funktionsweise einer Photovoltaikanlage (als Volleinspeisung konfiguriert) genau erläutert zu bekommen! 

Technische Grundlagen

Diese Strahlungsenergie kann photovoltaisch direkt in Elektrizität umgewandelt werden, ohne dass Nebenprodukte wie Abgase (beispielsweise Kohlendioxid) entstehen.

Der Wellenlängenbereich der auftreffenden und wandelbaren elektromagnetischen Strahlung reicht vom kurzwelligen, nicht sichtbaren Ultraviolett (UV) über den sichtbaren Bereich (Licht) bis weit in den langwelligeren infraroten Bereich (Wärmestrahlung) hinein.

Bei der Umwandlung wird der fotoelektrische Effekt ausgenutzt.

Die Energiewandlung findet mit Hilfe von Solarzellen, die zu so genannten Solarmodulen verbunden werden, in Photovoltaikanlagen statt.

Die erzeugte Elektrizität kann entweder vor Ort genutzt, in Akkumulatoren gespeichert oder in Stromnetze eingespeist werden.

Bei Einspeisung der Energie in das öffentliche Stromnetz wird die von den Solarzellen erzeugte Gleichspannung von einem Wechselrichter in Wechselspannung umgewandelt.

 

Leistung

Die Nennleistung in der Photovoltaik wird in Wp (Wattpeak) beziehungsweise kWp angegeben.

"peak" (engl. Höchstwert, Spitze) bezieht sich auf die Leistung bei Testbedingungen, die dem Alltagsbetrieb nicht direkt entsprechen.

Es handelt sich dabei auch nicht um die Leistung der Zelle oder des Moduls bei höchster Sonneneinstrahlung.

Die Testbedingungen dienen zur Normierung und zum Vergleich verschiedener Solarzellen oder -module.

Die elektrischen Werte der Bauteile unter diesen Bedingungen werden in den Datenblättern angegeben. Es wird bei 25 °C Modultemperatur, 1.000 W/m² Bestrahlungsstärke und einem Air Mass von 1,5 gemessen.

Dies sind die STC-Bedingungen (Standard-Test-Conditions), die als internationaler Standard festgelegt wurden.

Können diese Bedingungen beim Testen nicht eingehalten werden, so muss aus den gegebenen Testbedingungen die Nennleistung rechnerisch ermittelt werden.

Die Bestrahlungsstärke von 1.000 W/m² kommt in Mitteleuropa über ein Jahr gesehen nicht sehr häufig vor (je weiter südlich, desto häufiger).

Im normalen Betrieb haben Solarmodule beziehungsweise die Solarzellen bei dieser Einstrahlung eine wesentlich höhere Betriebstemperatur als die im Test vorgesehenen 25 °C und damit auch einen deutlich niedrigeren Wirkungsgrad.

Die zu erwartende mittlere Jahresproduktion einer jeweils neu errichteten netzgekoppelten Photovoltaik-Anlage in Österreich steigt seit Jahren mit Verbesserung der Technik kontinuierlich an und liegt derzeit bei sinnvoller Auslegung der Anlage bei Werten um 850 bis 1.100 Kilowattstunden pro kWp.

 

Wirkungsgrad

Die mit Solarzellen in der Photovoltaik erzielten Wirkungsgrade reichen von wenigen Prozent (beispielsweise etwa 6 Prozent für Cadmium-Tellurid-Solarmodule) bis hin zu über 40 Prozent (Konzentrator-Mehrschicht-Laborexemplar).

Die Wirkungsgrade marktüblicher Solarmodule liegen zwischen 14 und 19 Prozent. Zur Gesamtbetrachtung fließen allerdings noch die Verluste des Wechselrichters mit ein. Aufgrund des schwankenden Stromangebots, das in gewissen Grenzen vorhersagbar ist, muss die Photovoltaik – wie auch die Windenergie – bei einem Ausbau in großem Maßstab allerdings mit anderen, gut regelbaren Kraftwerken oder Speichertechnologien kombiniert werden.

Hierfür in Frage kommen insbesondere Gaskraftwerke (GuD), Wasserkraftwerke, Pumpspeicherwerke, sowie zukünftig auch Druckluftspeicherkraftwerke, Solarthermische Kraftwerke mit Wärmespeicherung sowie Speicherung in Form von Wasserstoff.

Da Strom aus Photovoltaik naturgemäß tagsüber, zu Zeiten hohen Verbrauchs zur Verfügung steht, trägt sie gerade zur Deckung der Spitzen- und Mittellast bei, im Sommerhalbjahr sogar zu einem großen Teil.

Dadurch ist er aufgrund der höheren Preise für diese Stromkategorien (d. h. tagsüber zu liefernden Strom, der an Strombörsen auch als Peakload bezeichnet wird) auch wirtschaftlich interessant.

Strom aus Photovoltaik kann zwar nicht direkt als Spitzenlaststrom bezeichnet werden, sorgt aber für eine Absenkung der gesamten täglichen Lastkurve und somit auch der (Mittags-)Spitzen, dadurch wird der Abruf von Spitzenlaststrom eben verringert bzw. vermieden.

 

Funktionsweise

Photovoltaikanlagen werden in Österreich überwiegend zur Überschuss - Netzeinspeisung konzipiert.

Der von den Solarmodulen aus Sonnenlicht erzeugte Gleichstrom wird über einen Wechselrichter geführt, und in Wechselstrom umgewandelt.

Dieser wird bedarfsabhängig selbst verbraucht, der nicht verbrauchte Anteil wird in das elektrische Netz eingespeist.

Ein Einspeisezähler erfasst die elektrische Solarenergie zur Abrechnung mit dem Netzbetreiber.

Die Vergütung erfolgt zu den mit dem gewählten Stromanbieter vereinbarten Konditionen.

 

Anlagenleistung und Flächenbedarf

Die Leistung von Photovoltaikanlagen wird üblicherweise in der Einheit „kWp” angegeben.

Gemeint ist hierbei die Nennleistung der Solarmodule unter besten Sonnenscheinbedingungen.

Für eine Leistung von 1kWp wird eine Solargeneratorfläche von 5-10 m² benötigt, abhängig vom gewählten Modultyp.

 

Jahresertrag

Der Jahresertrag ist abhängig vom Standort, der Qualität, sowie der Beschaffenheit (Technologie) der eingesetzten Solarmodule und Wechselrichter. Speziell bei nicht hundertprozentig optimal nach Süden ausgerichteten Anlagen ist der Jahresertrag zwischen den unterschiedlichen Modultechnologien stark differierend. So haben zB. CIS (Kupfer-Indium-Diselenid) Module ein besonders gutes "Schwachlichtverhalten", und unterscheiden sich von den zB herkömmlichen Siliziummodulen daher in diesem Bereich gravierend.

In Nord- und Mitteldeutschland werden jährlich von guten Anlagen 800 - 900 kWh je kWp installierter Leistung erbracht, in Süddeutschland sind es 900 - 1.000kWh.

In Österreich ist in verschattungsfreier Lage, südlicher Ausrichtung in 30° Neigung mit einem Jahresertrag zwischen 900 - 1.100 kWh, wieder abhängig vom jeweiligen Modultyp, zu rechnen.  

 

Welche Dachflächen eignen sich?

Zur Gewinnung von Solarstrom eignen sich alle Dachflächen mit Ausrichtungen von Südost bis Südwest.

Reine Ost- oder Westausrichtungen sind ebenfalls möglich, der Ertrag liegt jedoch etwas niedriger. Bersonders in solchen Lagen bzw solchen Ausrichtungen, ist auf die zu wählende Modultechnologie und deren Ertragsverhalten besondere Rücksicht zu nehmen!

Der Neigungswinkel sollte zwischen 25 und 50 Grad liegen. Auf Flachdächern können Modulausrichtung und Neigung optimiert werden. Bei manchen Modultypen (-technologien) bewähren sich mittlerweile durchaus "dachparallele" Modulanordnungen unter einem Neigungswinkel von 4-8 °, jedoch ist es hierbei essentiell die Module rahmenlos anzuordnen, um den Selbstreinigungseffekt nicht zu behindern. 

Der höchste Jahresertrag ergibt sich bei Südausrichtung mit einem Neigungswinkel von 30 Grad.

 

Dachorientierung Ertrag

• Schrägdach Süd 100%
• Schrägdach Südost/Südwest 95%
• Schrägdach Ost/West 80%
• Flachdach 100%

 

Leistungsfähigkeit und Modulwirkungsgrad

Bei voller Sonneneinstrahlung (ca. 1000W pro qm) fallen auf eine Solarzelle von 10cm x 10cm 10 Watt.

Eine Solarzelle kann dann je nach ihrer Güte eine elektrische Leistung von etwa 1 – 1,5 Watt abgeben.

Das entspricht einem Wirkungsgrad von 10-15%.

Scheint die Sonne nur mit halber „Kraft“, so halbiert sich auch die abgegebene Leistung einer Solarzelle.

Um größere Leistungen bereitzustellen, werden die Zellen zu Modulen zusammen geschaltet.

Damit lassen sich Photovoltaikanlagen für die verschiedensten Anwendungen aufbauen.

Die Kenndaten eines Moduls sind dessen Ausgangsspannung und die Leistung bei 1000W/qm Sonneneinstrahlung und 25° Zellentemperatur (Nennleistung).

Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis der Strahlungsenergie der Sonne zur erzeugten Energie eines Solarmoduls.

Über 50% der Energie gehen schon durch Reflexion verloren, dazu kommen Leiterbahnen, Wärmeverluste etc...

 

 

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