Photovoltaik

Ein kosmisches Kraftwerk: Die Sonne

Leben auf der Erde ist ohne Sonne undenkbar: Sie gibt uns Licht und Wärme, steuert Wetter und Klima und liefert die Energie für das Pflanzenwachstum. Und obwohl ein Milliardstel der abgestrahlten Sonnenenergie bei uns auf der Erdoberfläche ankommt, schenkt sie uns in 30 Minuten mehr Energie, als alle Menschen auf der Welt zusammen in einem Jahr verbrauchen könnten! Kein Wunder, dass man von der Sonne auch als “das Öl der Zukunft” redet. Schon heute können Solarkraftwerke ganze Städte mit Elektrizität versorgen. Abgesehen davon ist Solarenergie emissionsfrei und schont die Umwelt vor klimafeindlichem Kohlendioxid. Schon eine Kilowattstunde (KWh) Solarstrom spart etwa ein Kilogramm Kohlendioxid (CO2).

Funktion

Wie aus Licht elektrische Energie wird

Bereits der französische Physiker Alexandre Edmon Bequerel entdeckte im Jahr 1839 die Möglischkeit, aus Licht elektrische Energie zu gewinnen. Erklären konnte er das Phänomen aber nicht. Das gelang erst Albert Einstein, der dafür 1921 den Nobelpreis für Physik bekam. Den Vorgang nennt man Photovoltaik, abgeleitet von dem griechischen Wort für Licht “Phos” und dem Nachnamen von Alessandro Volta, einem Pionier der Elektrizitätsforschung aus dem 18. Jahrhundert.

Die eigentliche Geburtsstunde der Siliziumzelle schlug 1954, als die erste Silizium-Solarzelle hergestellt werden konnte. Seitdem hat sich an der grundlegenden Funktionsweise nichts geändert. Das klassische Einsatzfeld der Photovoltaik blieb lange Zeit die Stromversorgung von Satelliten. Erst das steigende Umweltbewusstsein und die daraus resultierende Förderung der Solar-Technologie in der Schweiz trieben die Entwicklung von Photovoltaik-Anlagen voran und sorgten für einen regelrechten Nachfrage-Boom.

Aufbau Solarzelle

So kommt der Strom vom Dach ins Netz

Hauptakteure bei der Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie sind die Solarzellen. Das Licht der Sonne verursacht in der Solarzelle eine elektrische Spannung, die an der Oberfläche abgenommen werden kann. So wird Strahlungsenergie photovoltaisch direkt in Elektrizität umgewandelt, ohne dass Nebenprodukte wie Abgase (beispielsweise Kohlendioxid) entstehen. Der solar erzeugte Strom kann entweder vor Ort genutzt oder in öffentliche Stromnetze eingespeist werden. Viele Solarzellen werden in Solarmodulen zusammengeschaltet, die gemeinsam den Solargenerator bilden.

Solarzellen

Neben der Sonne ist die Technologie das Mass aller Dinge

Der Erfolg einer Photovoltaik-Anlage basiert auf zwei Komponenten: auf der Sonneneinstrahlung, die wir nicht beeinflussen können, und der Technologie, die wir in der Hand haben. Photovoltaik-Anlagen können 30 Jahre und länger laufen. Ihr Kern sind die Solarzellen, von denen zwei Arten unterschiedet werden:

1. Mono- bzw. polykristalline Solarzellen

Diese Solarzellen sind die Klassiker, mit ihnen wurden die ersten Solarmodule für die Raumfahrt hergestellt. Mit bis zu 21% haben sie den höchsten Wirkungsgrad in der Umwandlung von Solarstrahlung zu Strom, bezogen auf die verfügbare Fläche. Deshalb werden sie vorallem dort eingesetzt, wo höchste Effizienz gefragt ist. Gefertigt werden sie aus Silizium, dem chemischen Element, das am zweithäufigsten in der Erdkruste vorkommt.

2. Dünnschicht-Solarzellen

Sie wurden später als die kristallinen Solarzellen entwickelt. Ihr Vorteil: Während zur Produktion von Solarzellen aus Silizium die Kristallblöcke zersägt werden müssen, wird bei Dünnschicht-Solarzellen das Halbleitermaterial in dünnen Schichten direkt auf das Substrat aufgebracht. Das spart sowohl Material als auch Energie. Trägt man Dünnschicht-Solarzellen auf biegsamen Substraten auf, sind sie extrem flexibel. Diese Zellen eignen sich aufgrund der niedrigeren Kosten für Grossanlagen. Ihre Modulwirkungsgrade liegen zwar nur zwischen 6% und 10%, sie können diffuses Licht aber viel besser Nutzen.

Mono und poly

Monokristalline Zelle (links)
und polykristalline Zelle (rechts)

Funktion

Funktionsweise einer netzverbundenen Photovoltaikanlage

Sie beziehen den Strom für den Hof und Haushalt wie gewohnt vom öffentlichen Netz. Die Solarmodule auf dem Dach (1) produzieren Gleichstrom (DC), der im Wechselrichter (6) zu 230V-Wechselstrom (AC) umgewandelt und in das öffentliche Netz eingespeist wird. Die Stromzähler (8) und Zähler (9) zählen nun die produzierte, bezogene und gelieferte Solarenergie. 

Der Vorteil einer netzgekoppelten Anlage liegt darin, dass sie unabhängig vom Wetter und der Tageszeit, den benötigten Strom immer zur Verfügung haben. Optimal ist eine Südausrichtung. Mit einer Dachausrichtung gegen Südosten oder Südwesten werden durchschnittlich 95% der Erträge erzielt. Selbst eine Dachfirstausrichtung Nord-Süd bietet sowohl auf dem Ost- als auch Westdach (je 75%) eine optimale Alternative, die sehr interessant ist zur klassischen Südausrichtung. 

Eine Solaranlage macht also in jedem Fall Sinn.

Grafik Funktion
  1. Photovoltaik Generator
  2. Wechselrichter(DC/AC)
  3. Gleichstrom (DC) Freischaltung
  4. Gleichstromhauptleitung (DC)
  5. Generatorenanschlusskasten
  6. Modulverkabelung
  7. Netzleitung Wechselstrom
  8. Solarproduktionszähler
  9. Hauptzähler Haus
  10. Potenzialausgleich
  11. Öffentliches Stromnetz