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PHOTOVOLTAIK

Geschichte

Photovoltaik (abgekürzt PV oder Solarstrom genannt) ist die direkte Umwandlung von Licht in elektrische Energie. Dies geschieht in einer Solarzelle aufgrund des physikalischen Photoeffekts völlig bewegungs-, geräusch- und emissionsfrei. Der physikalische Effekt, der der Photovoltaik zugrunde liegt, wurde bereits 1839 vom Physiker Becquerel entdeckt. Albert Einstein lieferte 1904 in seiner berühmten Arbeit zur Quantenphysik des Lichts die Erklärung dazu. Bis zur Erfindung des Transistors 1949 schenkte man den beobachteten Effekten jedoch keine weitere Beachtung. Erst im Zeitalter der Halbleitertechnik Anfang der 1950er Jahre wurde die Idee von Becquerel wieder aufgegriffen und im Jahre 1954 die erste Solarzelle in den USA entwickelt.

Zelltypen

Die Solarzellentechnologien lassen sich in drei Gruppen unterteilen:
- kristalline Silizium-Zellen
- Dünnschicht-Zellen
- nanostrukturierte Zellen

Zellart Marktanteil Wirkungsgrad
Labor   
Produktion
Kristalline Silizium-Zellen
 - monokristallin
 - polykristallin
90%
(55%)
(35%)

24%     16 .. 20%
18%     14 .. 17%
Dünnschichtzellen
 - amorph Si
 - CIS, CdTe
10%

15%      6 .. 13%
Nanostrukturierte Zellen
 - Farbstoff- / Polymerzellen
Markteinführung
10%                  
Quelle: Photon 2010/02
 

Temperatur- und Einstrahlungsverhalten

Die Leistung von Photovoltaikmodulen ist primär abhängig von zwei Einflussfaktoren. Diese sind zum einen die Einstrahlungsintensität und zum anderen die Modultemperatur.

Die elektrische Spannung einer Solarzelle hat nur eine sehr geringe Abhängigkeit von der Einstrahlung. Das bedeutet, dass schon bei geringer Einstrahlung an einem Modul annähernd die volle  elektrische Spannung anliegt. Der Modulstrom wird durch eine Änderung der Einstrahlung am stärksten beeinflusst. Die Abhängigkeit ist in etwa linear. Bei halber Einstrahlung liefert das PV-Modul also nur noch den halben Strom, und somit auch nur noch die halbe Leistung.
Dies ist aus folgendem Diagramm ersichtlich:

Einstrahlung.png

Der Temperaturkoeffizient beschreibt das Verhalten des Moduls bei sich ändernder Temperatur.
Während der Modulstrom einen kleinen positiven Temperaturkoeffizienten besitzt, ist der Koeffizient der  Spannung deutlich negativ. Das ergibt in Summe einen negativen Koeffizienten für die Modulleistung.
Die Temperaturabhängigkeit von kristallinen PV-Modulen beträgt rund -0.4%/°C. Das bedeutet, dass die Leistung bei 10°C höherer Modultemperatur rund 4% sinkt. Im Sommer kann so die Modulleistung gegen 30% sinken.
Dies ist aus folgendem Diagramm ersichtlich:

LeistungTemperatur.png

Degradation

Degradation bezeichnet die Leistungsminderung von Photovoltaikmodulen im Laufe der Zeit durch Alterung. Es wird ein Zeitraum von 20 bis 25 Jahren betrachtet. Bisher übliche Annahmen zur Degradation liegen bei rund 0.5% Leistungsverlust pro Jahr. Diese widerspiegeln sich in den Leistungsgarantien der meisten Modulherstellern. So werden z.B. 10 Jahre 90% der Leistung garantiert, und in den nächsten 10 Jahren noch 80% Leistung. Neuere wissenschaftliche Untersuchungen gehen allerdings nur noch von rund 0.1% Leistungsminderung pro Jahr aus (Fraunhofer ISE). Dies zeigen auch Langzeitmessungen der Fachhochschule Burgdorf. Wie es scheint, wird die Degradation mehr oder weniger durch die steigende Einstrahlung kompensiert. (mehr)
 

Umweltbelastung

Die Nutzung der Photovoltaik zur Erzeugung von Solarstrom ist nicht nur nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten effektiv: auch die Umwelt profitiert von dieser Technologie. Die Umweltbilanz der Photovoltaik ist aus mehreren Gründen positiv, denn die Anlagen sparen nicht nur fossile Brennstoffe ein und reduzieren so die Kohlendioxidemissionen - über ihre Lebensdauer erzeugen Photovoltaik Anlagen insgesamt viel mehr Energie, als zu ihrer Herstellung benötigt worden ist (siehe Energierücklaufzeit).

OekobilanzBild.jpg

Weitere Infos:  Studie

Energierücklaufzeit

Anlagen für die Gewinnung erneuerbarer Energie nutzen im Betrieb nur kostenlose und unschädliche Umweltenergie, beispielsweise Sonnenenergie. Jedoch entsteht bei ihrer Herstellung ein gewisser Aufwand an Energie, die auch als graue Energie bezeichnet wird. Ein Netto-Gewinn an Energie entsteht erst nach einer gewissen Betriebszeit, der energetischen Amortisationszeit (Energierückzahlungszeit, Energy payback time), innerhalb derer die für die Herstellung aufgewendete Energie von der Anlage erzeugt (quasi zurückgezahlt) wird. Diese Zeit ist normalerweise deutlich kürzer als die finanzielle Amortisationszeit. Bei kristallinen Modulen beträgt die Energierücklaufzeit zwischen 1 und 2 Jahren - Tendenz weiter sinkend.

EnergyPaybackTime1.jpg

Weitere Infos:  Studie deutsch  /  Studie englisch

Netzverbund- oder Inselanlage

Photovoltaikanlagen können in Netzverbund- und Inselanlagen eingeteilt werden.
Bei Inselanlagen wird der solare Energieertrag mit dem Energiebedarf abgestimmt. Da der solare Energieertrag oft zeitlich nicht mit dem Energiebedarf der angeschlossenen Verbraucher übereinstrimmt, werden Akkumulatoren als Energiespeicher eingesetzt.
Bei netzgekoppelten Anlagen wirkt das öffentliche Stromnetz als Energiespeicher, die Akkumulatoren fallen weg. In den meisten Fällen gilt also die Regel: Ist ein öffentliches Stromnetz vorhanden, wird eine netzgekoppelte Anlage realisiert - fehlt eine öffentilche Stromversorgung, muss auf ein Inselsystem zurückgegriffen werden.

Netzverbundanlage
(Bild klicken um Legende anzuzeigen)
    Inselanlage
   (Bild klicken um Legende anzuzeigen)
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