Photovoltaik

Photovoltaik

Die gegenwärtige globale Energieversorgung besteht aus beinahe 90% nicht – erneuerbarerer Energiequellen. Um nachhaltige Entwicklungen im Energiesektor zu gewährleisten wird die Nutzung erneuerbarer Energien zunehmend gefördert werden müssen. Die Möglichkeit aus Sonnenlicht Strom zu erzeugen, bietet sich als Alternative für die zukünftige Stromversorgung an.

Die Photovoltaik (PV) ist eine Form der aktiven Nutzung der Sonnenenergie. Die Solarzellen wandeln Sonnenlicht in elektrische Energie um. Im Unterschied dazu wandeln die Sonnenkollektoren in solarthermischen Anlagen das Sonnenlicht in Wärme um

Strom aus der Sonne

Solarstromanlagen beruhen auf einem faszinierenden physikalischen Effekt. Die Lichtquanten (Photonen) der Sonneneinstrahlung erzeugen im Halbleitermaterial der Solarzelle direkt einen elektrischen Gleichstrom (Grafik). Dieser Strom wird über Kontakte an den Oberflächen der Solarzellen gesammelt. Mehrere Solarzellen werden zu einem Solarmodul zusammengeschlossen.

Unterschiedliche Technologien

Es entwickelte sich eine grosse Vielfalt an Solarzellen-Technologien, welche nach kristallinen Solarzellen und Dünnschichtzellen unterschieden werden.

-Monokristalline Zellen (Bild links), aus einem (runden) Siliziumkristall geschnitten, dunkelblau. Teuer, aber mit den höchsten Wirkungsgraden um 16%. Es werden Leistungsgarantien für 10-20 Jahren gegeben. (ca. 30 Jahre Gebrauchsgarantie)

-Polykristalline Zellen (Bild mitte) mit sichtbaren Kristall-Abschnitten, meist heller blau, rechteckig. Kostengünstiger, aber gegenüber monokristallinen Zellen etwa 10% tieferer Wirkungsrad.

-Amorphe Zellen (Bild rechts) ohne Kristallstruktur, auch als Dünnschicht-Zellen bezeichnet, viele Farben möglich, auch annähernd transparent. Das Material ist auf Träger wie Glas oder flexiblen Folien aufgedampft, deshalb viel kleinerer Materialaufwand, kostengünstig. Wirkungsgrad 5% – 10%, neue Entwicklungen auch höher, in den ersten Monaten deutlich abnehmend. Durch Mehrschichtzellen werden Verbesserungen erwartet. Amorphe Zellen mit anderen Materialien als Silizium, z.B. Kupfer-Indium-Diselenid (CIS), aber auch Farbstoffzellen mit Titanoxid sind in Entwicklung und lassen tiefere Kosten und Wirkungsgrad-Verbesserungen erwarten.

Die Solarstromanlage

Grunddätzlich unterscheidet man zwischen zwei Typen von Solarstromanlagen.

Inselanlage (Bild links):

Die Energie wird in einer Pufferbatterie zwischengelagert. Kleine Inselanlagen werden für die elektrische Versorgung von nicht ans Netz gekoppelten Einrichtungen  wie z.B. von Parkuhren, Navigationshilfen, Telekommunikationseinrichtungen oder zur Beleuchtung von abgelegenen Gebäuden eingesetzt. Bei grösseren autonomen Stromerzeugungsanlagen, z.B. für eine umfangreichere elektrische Versorgung von netzfernen Gebäuden (SAC-Hütten), wird oft über einen Wechseltrichter ein kleines Wechselstromnetz mit 230V betrieben. Dabei werden die PV-Anlagen häufig mit zusätzlichen Stromerzeugern wie Diesel- oder Windgeneratoren zu hybriden Energieerzeugungssystemen kombiniert.

 

Netzverbundanlage (Bild rechts):

Der Gleichstrom wird unmittelbar in Wechselstrom umgewandelt und ins Netz eingespeist. Dazu ist ein netzsynchronisierter Wechseltrichter (Inverter) mit den nötigen Steuer- und Sicherheitsvorrichtungen erforderlich. Selbst kleine Wechseltrichter (3 kW) erreichen Jahres-Nutzungsgrade bis über 90%.

Elektrizitätsertrag:

Es zeigt sich, dass im Mittelland zwischen 800 und 1000 Volllastunden zu erwarten sind. Dies bedeutet für eine 3-kW-Anlage 2400 – 3000 kWh/Jahr. Der maximale Jahresertrag wird bei einer Südorientierung und 30° Neigung erreicht. Eine Südlich orientierte Fassadenlage (90°) erreicht noch 70% des Maximums. Zu beachten ist, dass bei einer Neigung bis 45° der Ertrag im Sommerhalbjahr hoch wird. Bei einer grösseren Neigung vermindert sich der Gesamtbetrag pro Jahr, liefert jedoch höhere Werte im Winter. (Flache Einstrahlung) Für eine Netzverbundanlage kann dies aus Hinsicht der Wirtschaftlichkeit und Funktionalität von Bedeutung sein.

Wirtschaftlichkeit:

Die Wirtschaftlichkeit der Photovoltaik-Anlage wird von den Strahlungsverhältnissen mitbestimmt. Für eine Grossanlage kostet 1 kWh Solarstrom ca. 70 Rp. Bei einer Kleinanlage beträgt dieser 2 Franken. Zusätzliche Batteriekosten entstehen bei einer Inselanlage.

Planung:

Ideal sind südlich orientierte, geneigte Flächen, welche grösser als 50m2 sind. Die Solarmodule sollten möglichst wenig beschattet werden. Die Module können Dach oder Fassadenbündig montiert werden. Wichtig ist, dass die Module gut zugänglich sind. Ästhetische Ansprüche wie z.B. Denkmalpflege oder Ortsbildschutz müssen berücksichtigt werden. Der Wechseltrichter muss aufgrund der Geräusche zweckmässig positioniert werden.

„Form, Farbe, Glanz und nicht sichtbar“

Ästhetische Kriterien zur Photovoltaikanlage

Die heutige Art und Weise der Bauwerke lässt sich optimal mit der Solartechnologie verbinden. Wo vorher die monokristalline oder polykristalline Anlagen auf einem Dach der Ästhetik ein Dorn im Auge war, wird Dank der Dünnschicht-Zellen kaum ein Unterschied zwischen einer „normalen eingefärbten Fassadenglasplatte“ oder der Photovoltaikplatte erkennbar sein. (Bild Fassade)

 

Technischer Aspekt (Bild: Mögliche Lösung für PV-Platten)

Als noch zu klärende Details sind folgende Punkte:

-Eine wartungsfreundliche Befestigung der PV-Platten, die auch eine schnelle Demontage beschädigter Module erlaubt

-Die Kabelführung innerhalb der Fassade

-Die Steckverbindung der Elemente

-Die Lage der Anschlussdose

Quellenangabe:

Heizung, Lüftung, Elektrizität, Leitfaden für Planung und Praxis

Broschüre: Swissolar "Strom aus der Sonne", BBL-Bestellnummer 805.352d 05.2007 10 000

Broschüre: Forschungsinitiative Zukunft Bau, F2711, Frauenhofer IRB Verlag

Name: Andri Pfister