Photovoltaikanlagen

Solare Stromerzeugung mit Photovoltaik

Sonnenstrahlung kann nicht nur zur Wassererwärmung, sondern ebenso zur Erzeugung von elektrischem Strom genutzt werden. Dabei wird das Sonnenlicht, ob direkt oder diffus, aber auch künstliches Licht mit Hilfe von Solarzellen photoelektrisch in elektrischen Gleichstrom umgewandelt.

Solarzellen fertigt man aus Halbleitermaterialien an, in denen durch das Auftreffen von Licht ursprünglich gebundene Elektronen in frei bewegliche Leitungselektronen umgesetzt werden.

Durch ihre Bewegung innerhalb des elektrischen Feldes entsteht elektrische Spannung. Diese ist je nach augenblicklicher Lichtintensität größer oder kleiner. Am häufigsten wird hochreines, kristallines Silizium für die Herstellung von Solarzellen eingesetzt, da es gegenüber anderen Halbleitermaterialien wesentlich kostengünstiger ist. Ausgangsstoff für die Siliziumproduktion ist Quarzsand. Dieser wird in aufwendigen Verfahren mehrfach gereinigt und geschmolzen. Hergestellt werden amorphe und kristalline Siliziumzellen, wobei die kristallinen Strukturen, ob monokristallin oder polykristallin, höhere Wirkungsgrade erzielen als die amorphen.

Wie bei thermischen Solaranlagen besteht auch bei Photovoltaikanlagen die Diskrepanz zwischen Angebot und Nachfrage. Daher wird der erzeugte Strom meistens in so genannten Akkumulatoren z.B. Solarbatterien gespeichert. Bei den netzgekoppelten Anlagen ist die Abgabe an öffentliche Stromnetze möglich, was häufig sogar auch finanziell von den Elektrizitätsunternehmen abgegolten wird.

Die Einsatzmöglichkeiten von Photovoltaik sind groß. Einzelne Solarzellen genügen zum Antrieb von kleinen Gegenständen wie Solar-Taschenrechnern oder Solar-Uhren. Für höheren Strombedarf werden mehrere Einzelzellen zu Modulen zusammengefasst. So lassen sich unzählige Anwendungsmöglichkeiten für Solarstrom finden: angefangen bei einzelnen Leuchten und Bewegungsmeldern, Parkscheinautomaten und Verkehrsleitsystemen bis hin zu größeren Anlagen zur Stromversorgung von Garten- oder Wochenendhäusern, von Wohnwagen oder Wohnmobilen wie auch zur Unterstützung der Stromversorgung eines Wohnhauses. Für die sinnvolle Nutzung von Photovoltaikanlagen ist der bewusste Umgang mit Strom sehr wichtig. Daher sollte man, wo immer es geht, energiesparende Verbraucher einsetzen.

Dazu gehört beispielsweise die Vielzahl an angebotenen Energiesparlampen. Die meisten größeren Elektrogeräte verbrauchen heute bei gleicher Leistung nur noch wesentlich weniger Strom als Altgeräte. Beim Kauf sollte man zudem auf einen möglichst niedrigen Stromverbrauch achten.

In den meisten Fällen wird Photovoltaik dort eingesetzt, wo keine Stromversorgung vorhanden ist oder wo das Verlegen von konventionellen Stromanschlüssen einen zu großen Aufwand erfordern würde. Die alleinige ganzjährige Stromversorgung von Wohnhäusern mit Solarstrom ist in Deutschland aufgrund der Sonnenscheinverteilung nicht realistisch. Dazu wären hohe finanzielle Investitionen und Einschränkungen beim Stromverbrauch, vor allem im Winter, notwendig.

In vielen Bundesländern werden größere Photovoltaikanlagen finanziell gefördert.

Gerade Photovoltaikanlagen werden häufig auch zusätzlich regional gefördert. Daher sollte man sich vor Antragstellung und Bestellung einer Anlage bei den heimischen Umweltämtern, Stadt- oder Elektrizitätswerken über Förderprogramme informieren. Einige Programme schließen sich gegenseitig aus, andere können zusätzlich in Anspruch genommen werden. Anträge sollten am Anfang eines Jahres gestellt werden, um Berücksichtigung bei der Mittelvergabe zu finden.

Solarmodule für Photovoltaikanlagen

Da einzelne Solarzellen nur selten zur Stromversorgung eines Verbrauchers genügen, schaltet man mehrere Solarzellen zu Solarmodulen zusammen. Zum Schutz vor äußeren Einflüssen umgibt man sie mit einem durchsichtigen Gehäuse.

Aus Silizium werden heute drei Typen von Solarzellen mit amorpher, monokristalliner und polykristalliner Struktur gefertigt. Die ersten gebauten Solarzellen waren die monokristallinen Solarzellen. Diese werden durch das Zersägen eines Einkristallstabs gewonnen. Sie weisen zumeist eine halbrunde Form mit homogener Kristallstruktur auf.

Polykristalline Solarzellen stellt man direkt aus der Schmelze durch Gießen in quadratische Blöcke her. Daher ist die Produktion kostengünstiger als bei monokristallinen Solarzellen. Die Blöcke werden mit einem Trennschleifer in kleinere rechteckige Scheiben geschnitten, die sich Platz sparend zu Modulen zusammenschließen lassen. Die polykristalline Struktur ist daran zu erkennen, dass ihre Oberfläche aus einem Gemenge an größeren und kleineren kristallinen Strukturen besteht.

Bei der Herstellung amorpher Solarzellen wird das Silizium als dünne Schicht auf ein Trägermaterial, beispielsweise Glas, aufgedampft. Diese Solarzellen zeigen keine Kristallstruktur. Sie werden zumeist bei kleineren Verbrauchern, z.B. Uhren oder Taschenrechnern, eingesetzt. Die Vorteile der amorphen Solarzellen liegen in ihrer hohen Lichtabsorption und dem geringen Energie- und Materialaufwand bei der Herstellung. Ihre Nachteile bestehen häufig in mangelnder Langlebigkeit und im deutlich niedrigeren Wirkungsgrad.

Da die Produktion amorpher Solarzellen Potenzial für eine kostengünstige Massenfertigung bietet, wird sicherlich weltweit an ihrer Verbesserung gearbeitet.

Solarzelle Wirkungsgrad

Monokristallin
13-16%

Polykristallin
9-13%

Amorph
6-8%