Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage?


Mit Solarzellen wird die Sonneneinstrahlung direkt in elektrische Energie umgewandelt. Diese Technik nennt man Photovoltaik und die Umwandlung geschieht absolut geräusch- und bewegungslos sowie emissionsfrei.

Solarzellen bestehen aus mehreren dünnen Schichten von Halbleitermaterialien, welche unter Lichteinstrahlung Elektrizität erzeugen. Als Halbleitermaterial dient vorwiegend Silizium. Dieses bildet heute zu 98% das Basismaterial für die Solarzellenherstellung und ist als zweithäufi gstes Element in der Erdkruste in ausreichender Menge vorhanden.

Der in der Solarzelle erzeugte Gleichstrom wird durch metallische Kontakte gesammelt und mit Hilfe eines Wechselrichters in Wechselstrom umgewandelt. Der Wechselstrom wird über den Solarstromzähler ins öffentliche Elektrizitätsnetz eingespeist.


Bildquelle: "Agentur für Erneuerbare Energien"


Welche Typen von Solarzellen gibt es?


Photovoltaik Zellen
Photovoltaik Zellen (PV abgekürzt) wandeln Sonnenenergie in Elektrizität um. Für die Energieumwandlung wird der photoelektrische Effekt verwendet. Mittels dieser Methode kann die Solarenergie in Strom umgewandelt werden. Der Wirkungsgrad ist tief im Vergleich zur thermischen Energiegewinnung. Die Werte in Solargis® basieren auf der Annahme eines Wirkungsgrades von 18%. Die Effizienz wird jedoch kontinuierlich gesteigert. Die PV Zellen haben zwei grundlegende Vorteile gegenüber der thermischen Zelle:
- Der produzierte Strom kann ins Elektrizitätsnetz eingespiesen werden und daher verkauft werden
- Der produzierte Strom kann in weitere Energiearten umgewandelt werden

Thermische Zellen
Wie der Name bereits verrät, wandelt die Thermische Zelle Solarenergie in Wärme um. Sie eignet sich daher nur für den Eigengebrauch. Die Enegie wird ausschlisslich dazu verwendet, Wasser zu wärmen und dieses als Duschwasser oder zu Heizzwecken zu nutzen. Der Wirkungsgrad dieser Zellen liegt zur Zeit bträchlich höher als bei den PV-Zellen (Solargis® berücksichtigt einen Wirkungsgrad von 45%). Eine vergleichsweise kleine Anlage genügt deshalb um ein ganzes Gebäude zu beheizen. Zudem ist der Unterhalt verhältnismässig günstig.

Thermische Photovoltaik Zellen
Diese Zellen sind relativ neu auf dem Markt und deshalb teuer. In Solargis® wird dieser Zellentyp nicht berücksichtigt. Diese Zellen generieren Strom von Wärme (langwelliger Strahlung) und sind deshalb nicht von direkter Einstrahlung abhängig. Das heisst, Solarzellen können auch auf der Schattenseite angebracht werden und können auch während der Nacht Strom generieren. Diese Zellen haben zur Zeit einen sehr niedrigen Wirkungsgrad. Sie befinden sich noch in der Versuchsphase und sind daher noch nicht in grosser Zahl auf dem Markt erhältlich.



Geeignete Dachfläche?


Als geeignete Dachfläche für Photovoltaik wird jener Teil berücksichtigt, der ein Sonnenpotential von mehr als 1100 kWh/Jahr/m2 aufweist. Da der Wirkungsgrad von Photovoltaik Solarzellen konstant verbessert wird, kann dieser Wert in der Zukunft gesenkt werden. In Solargis® wird für Solarzellen von einem Wirkungsgrad von 18% ausgegangen. Als geeignete Dachfläche für thermische Solarzellen wird jener Teil berücksichtigt, der ein Sonnenpotential von mehr als 800 kWh/Jahr aufweist.




Reale Stromerzeugung


Dies ist der zu erwartende Stromertrag durch die PV-Zellen nach Berücksichtigung des Wirkungsgrades für die gesamte geeignete Dachfläche pro Jahr. Eine Mindestfläche von 8m2 muss zur Verfügung stehen damit die Investition rentiert. Der reale Stromertrag wird in kWh/Jahr angegeben. Eine kWh entspricht der Energie, die eine 100 W-Glühbirne in 10 Stunden verbraucht.



Was bedeutet Kilowatt-Peak (kWp)?


Die Angabe Kilowatt-Peak stellt weder die Nennleistung noch eine maximale Leistung der Solarmodule dar, sondern die abgegebene elektrische Leistung unter Standard-Testbedingungen (STC) mit folgenden Parametern:
- Zellentemperatur = 25 °C
- Bestrahlungsstärke = 1000 W/m²
- Sonnenlichtspektrum gemäss AM = 1,5
Diese Bedingungen sind normiert und ermöglichen dadurch einen direkten Vergleich der Leistung verschiedener Solarmodule. Die festgelegte Strahlungsstärke von 1000 Watt je Quadratmeter entspricht ungefähr jener der Sonne an einem sonnigen Sommer-Mittag in mittleren Breiten, bei optimaler Ausrichtung des Moduls in Richtung Sonne.
(Quelle: Wikipedia)



STC (Standard Test Condition)


Um verschiedene Solarmodul-Typen miteinander vergleichen zu können, werden einheitliche (genormte) Testbedingungen verwendet. Einstrahlung 1000W/m2 (bei senkrechtem Lichteinfall); 25° Celsius Luft Temperatur; Air Mass ~1.5.



Wirkungsgrad


Der Wirkungsgrad ist allgemein das Verhältnis von abgegebener Leistung (Nutzleistung) zur zugeführter Leistung. Die dabei entstehende Differenz von zugeführter und abgegebener Leistung bezeichnet man als Verluste oder Verlustleistung.



CO2 Einsparung


Im Vergleich zu Stromerzeugung mittels nicht-erneuerbarer Energiequellen (fossiler und atomarer Energie) wird 0.61 Tonnen CO2-Ausstoss pro kWp und Jahr gespart. Dies senkt den Carbon-Footprint beträchtlich. Die Angaben in diesem Bericht beziehen sich auf die Einsparung des gesamten Dachs.



Investitionskosten


Hier werden die durchschnittlichen Kosten für die Installation einer Photovoltaik-Anlage respektive einer thermischen Solaranlage für die gesamte geeignete Fläche berechnet. Es handelt sich dabei um einen Durchschnittswert. Es ist zu beachten, dass in verschiedenen Kantonen verschiedene Bestimmungen für den Bau von Solarzellen-Anlagen gelten (vgl. Bewilligungspflicht). Jedoch wird das Installieren erneuerbarer Energieanlagen vom Bund und den Kantonen gefördert (Solarstrom 2012). Ausserdem kann vielerorts mit Steuervergünstigungen gerechnet werden.



Amortisationszeit


In Jahren wird angegeben, wann die Installationskosten (inkl. Zins a 2.5%) erwirtschaftet sind. Diese Berechnung wurde erstellt bevor Steuervergünstigungen und Förderprojekte der Kantone und des Bundes berücksichtigt sind, da diese in verschiedenen Kantonen sehr verschieden sind. Daher wird die eigentliche Amortisationszeit generell tiefer liegen.



Energetische Amortisationszeit


Das Produzieren von Solarzellen braucht Energie. Die energetische Amortisationszeit ist jene Zeit, welche die Anlage braucht, um so viel Energie zu produzieren wie für deren Herstellung aufgewendet wurde. Nach Ablauf der energetischen Amortisationszeit gilt die Anlage als CO2-neutral.



Einheiten


Potential:  [kWh/Haus/Jahr]
PVLeistung:  real Stromerzeugung Photovoltaik in geeigneter Fläche [kWh/PVgeeignet/Jahr]
TLeistung:  real Stromerzeugung Thermik in geeigneter Fläche [kWh/Tgeeignet/Jahr]
PVgeeignet:  geeignete Dachfläche für Photovoltaikzellen: [m2]
Tgeeignet:  geeignete Dachfläche für Thermik: [m2]
PEAK:  höchste zu erwartende Leistung pro geeignete Fläche: [kWp]