Photovoltaik

Das Wort Photovoltaik stammt aus dem Griechischen und bezeichnet die Erzeugung von Strom aus Sonnenlicht. Es leitet sich von der Bezeichnung für Licht „Phos“ und der Bezeichnung für elektrische Spannung „Volt“ ab. Der französische Physiker Antoine Becquerel entdeckte bereits im 19. Jahrhundert das Prinzip des Solarstroms. In der Photovoltaik wird heute eine Zukunftstechnologie mit großem Entwicklungspotential in Herstellung und Anwendung gesehen.

Es werden zwei Hauptgruppen von Zelltypen unterschieden: Die kristalline Zelle und die Dünnschichtzelle. Bei beiden Zelltypen existieren weitere Untergruppen.

Bis jetzt ist die kristalline Technologie weiter verbreitet, da sie höhere Stromerträge erzielt. Die Dünnschichttechnologie bedarf zwar noch weiterer Forschung, sie ist jedoch bereits heute wesentlich kostengünstiger bei der Herstellung der Zellen.

Basismaterial für alle marktgängigen Solarzellen ist der Halbleiterwerkstoff Silizium. Er ist mit einem Anteil von 27,5 % nach dem Sauerstoff das zweithäufigste Element der Erdkruste. Da Silizium aber nicht in Reinform vorkommt, muss es durch aufwendige Verfahren aus Sand oder Quarz gewonnen werden.

Durch die sogenannte Dotierung mit Bor bzw. Phosphor (p- bzw. n-Schicht) wird das Silizium in zwei Schichten mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften unterteilt. Es wird so zur Diode.

Nach der Reduktion und Reinigung des Quarzsandes werden aus dem hochreinen Silizium dünne Scheiben mit 0,2-0,3 mm Dicke und einer Fläche von 10 cm² hergestellt.

Da der glattpolierte Halbleiter ähnlich spiegelt wie Metall, wird auf die Frontseite eine dünne Schicht (etwa 0,2 µm) aus verschiedenen Elementen aufgedampft, welche die Reflexion vermindert. Diese Oberflächenbehandlung ist verantwortlich für die schillernde blaue Farbe der Solarzellen.

Bei voller Sonneneinstrahlung wird in einer Zelle eine elektrische Leistung von ca. 1,5 W Gleichstrom erzeugt.

Die Wirkungsweise einer Solarzelle ist in der Abbildung vereinfacht dargestellt.

Eine Solarzelle bildet den Kern einer Photovoltaik-Anlage. Aus der Zusammenschaltung mehrerer Solarzellen wird das Solarmodul gebildet. Es wird mittels einer Laminierung aus Glas und Kunststoff witterungsbeständig gemacht.

Innerhalb von ca. 3 Jahren hat sich die bei der Herstellung von Solarmodulen benötigte Energie amortisiert.

Es können durch Reihen- und Parallelschaltung mehrerer Module Photovoltaik-Generatoren mit nahezu beliebig großer Leistung gebaut werden. Die erzeugte Energie wird durch Umwandlung in Wechselstrom, wie er im öffentlichen Stromnetz verwendet wird, einsetzbar gemacht. Diese Funktion erfüllen Wechselrichter. Sie sind damit eine weitere Hauptkomponente einer Photovoltaik-Anlage. Die Photovoltaik-Anlagen werden an das allgemeine Stromnetz gekoppelt und der erzeugte Solarstrom bildet eine wichtige Komponente des aktuellen Strommix.

Ende der 50er Jahre wurde Photovoltaik erstmals zur Stromerzeugung eingesetzt. Damals diente sie der langlebigen und zuverlässigen Energieversorgung von Satelliten im All.

Erst in den 70er Jahren, vor allem ausgelöst durch die Ölkrise, fand die Photovoltaik wieder Aufmerksamkeit und wurde weiter erforscht.

Heute ist jeder mit Solarzellen vertraut, da sie zur Versorgung von Armbanduhren und Taschenrechnern genutzt werden. Sie begegnen uns mittlerweile auch in Parkscheinautomaten oder in der Campingausrüstung.

Die Photovoltaik wird auch in ländlichen Regionen wenig entwickelter Länder zur Stromversorgung von Hütten oder ganzen Dörfern eingesetzt.

Zum besseren Verständnis ein paar Zahlen. Eine handelsübliche Glühbirne hat 40, 60, 80 oder auch mehr Watt (W). 1.000 W ergeben 1 Kilowatt (kW). 1.000.000 W sind 1 Megawatt (MW).

Um etwa 1 Kilowatt Spitzenleistung zu erreichen, benötigt die Photovoltaik-Anlage eine Fläche von 8 bis 10 m².

Bei optimaler Ausrichtung der Module nach Süden und 30° Neigung erzeugen solche Generatoren in Süddeutschland durchschnittlich ca. 900-1.000 Kilowattstunden (kWh) im Jahr.

Die Werte in Europa reichen von weniger als 700 kWh Jahresertrag in Nordeuropa bis fast 1.700 kWh Jahresertrag in Südspanien.

Sonnenmodul

In einem Solarmodul sind mehrere Solarzellen elektrisch und mechanisch miteinander verbunden. Dieses Modul bildet das Herzstück jeder Sonnenstromanlage.

Für den Bau unserer Solarstromkraftwerke wurden ausschließlich Hochleistungsmodule der weltweit namhaftesten Hersteller verwendet. Es kommen je nach den örtlichen Gegebenheiten kristalline Module oder die Dünnschichttechnologie zum Einsatz. Eine überdurchschnittliche Langlebigkeit und hohe Zuverlässigkeit werden in jedem Fall erreicht.

Für die kristallinen Module besteht eine Leistungsgarantie von 25 Jahren. Die Dünnschichttechnologie hat eine Leistungsgarantie von 20 Jahren. Die Module werden einzeln vom Hersteller geprüft. Sie verfügen über die Schutzklasse II. Die kristalline Technik erfüllt den internationalen Standard gemäß IEC 61215 und die Dünnschichttechnologie erfüllt den internationalen Standard nach IEC 61646. Zum Beispiel werden bei der Zertifizierung nach dem internationalen Standard IEC 61215 die PV-Module mit 25 mm dicken Hagelkörnern bei einer Geschwindigkeit von 23 m/sec beschossen.

Neben der Prüfung der Sicherheit bei Hagelschlag sehen die Tests der Module unter anderem eine umfangreiche Prüfung der Produkthaltbarkeit vor.

Die Wartung der Kraftwerke beschränkt sich auf eine einfache und schnelle Funktionskontrolle.

Da sich in der netzgekoppelten PV-Anlage keine beweglichen Teile befinden, arbeitet sie ohne Verschleißerscheinungen und hat aufgrund der lange haltbaren Anlagenkomponenten eine Nutzungsdauer von mindestens 30 Jahren.

Wechselrichtersystem

Der von den Solarmodulen erzeugte Strom ist Gleichstrom und muss, um in das öffentliche Netz eingespeist werden zu können, in Wechselstrom umgewandelt werden. Für diese Umwandlung wurden Wechselrichter entwickelt. Diese Wechselrichter übernehmen die netzkonforme Stromumwandlung des Photovoltaikstroms.

Bei allen geplanten Projekten kommen ausschließlich Geräte zur Anwendung, die sich durch höchste Wirkungsgrade und absolute Zuverlässigkeit auszeichnen. Marktführer bei der Herstellung der Wechselrichter sind SMA, Fronius und Siemens.

High-Tech-Ferndiagnosesystem

Die Anlage wird online durch ein Ferndiagnosesystem überwacht und gesteuert, um höchstmögliche Erträge und einen störungsfreien Betrieb zu gewährleisten. Dieses System zeichnet den Verlauf der Stromerzeugung auf und löst im Fall einer Störung Alarm aus. Durch den Wartungsbetrieb können umgehend Maßnahmen zur Beseitigung der Störung ergriffen werden.

Durch dieses System können darüber hinaus die Anleger jederzeit via Internet Informationen über den Ertrag des Kraftwerkes abrufen. Weiterhin werden die Jahres- und Monatserträge sowie die eingesparten CO₂-Mengen in Graphiken bildhaft dargestellt. Dies gewährleistet für den Anleger ein Höchstmaß an Transparenz.

Modultragegestell

Da Aluminium, Edelstahl und feuerverzinkter Stahl witterungsbeständige und nichtrostende Materialien sind, eignen sie sich hervorragend für die Herstellung der Tragegestelle.

In der Praxis hat sich diese statisch geprüfte Technologie durch langjährigen Einsatz bewährt.

Haltbarkeit der Komponenten

Eine netzgekoppelte PV-Anlage hat eine Nutzungsdauer von mehr als 25 Jahren.

Einige Hersteller von PV-Modulen geben bis zu 25 Jahre Garantie auf die Funktionsfähigkeit und die Minimalleistung von 80 % der Nennleistung.

Bei den Wechselrichtern sind Herstellergarantien von 2 bis 5 Jahren üblich. Die Ummantelung der Kabel besteht aus UV-beständigem Kunststoff.