Photovoltaik (PV) – Einführung in die PV-Technologie

Von den Anfängen in der Raumfahrt über solarbetriebene Taschenrechner bis hin zur heutigen innovativen Energieerzeugung – Photovoltaik ist das Um und Auf der modernen Solarenergieerzeugung und aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Nicht nur das, Photovoltaik (PV) als unerschöpfliche Energiequelle, erlebt weltweit einen rasanten Zuwachs. Zum Glück.

Unser Bedarf an Energie scheint in den Himmel zu wachsen, von daher ist der Weg zur Sonne, im übertragenen Sinne, nicht weit. Photovoltaik könnte unser Leben revolutionieren. Aufgrund der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten, vom Kleinbedarf bis zur großdimensionierten Stromerzeugung, die Grenzen verschieben sich weiter nach oben. Satelliten, Solarfahrzeuge, Solardachanlagen, Solarparkscheinautomaten, ja sogar solarbetriebene Weidezäune – was es nicht alles gibt. Und das ist erst der Anfang.

Was ist Photovoltaik (PV)?

Das Wort „Photovoltaik“ setzt sich aus zwei Begriffen zusammen: aus „Photos“ (griechisch für Licht) und „Voltaik“ (abgeleitet von Volt = Einheit für elektrische Spannung, deren Namensgebung auf den italienischen Physiker Alessandro Volt zurückgeht).

Kurz gesagt:  Photovoltaik ist eine Form der Solarenergieproduktion, bei der Sonnenlicht mithilfe von Solarzellen in Strom umgewandelt wird. Wie das genau von vonstatten geht, erklären wir später.

Die Technologie der Photovoltaik in seiner ursprünglichsten Form geht jedenfalls auf den französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel zurück. 1839 konnte er den sogenannte „photoelektrischen Effekt“ nachweisen, der als Grundlage für die Umwandlung von Licht in Strom dient. Viele weitere Forscher, darunter auch Einstein, beschäftigten sich mit Photovoltaik. 1954 wurden bei Bell Labs (USA) die ersten Solarzellen entwickelt. Danach trat die Photovoltaik ihren noch immer anhaltenden Siegeszug um die Welt an – von der Weltraumforschung bis zur Waschmaschine. Die Anwendungsmöglichkeiten kennen keine Grenzen.

Photovoltaik ist heute die am meisten verbreitet Art der Solarenergieerzeugung – das umfasst kleine Photovoltaikanlagen sowie die riesigen Solarsysteme kommerzieller Energieversorgungsunternehmen.

Wie funktioniert Photovoltaik (PV)?

Photovoltaik funktioniert über sogenannte Photovoltaikzellen oder Solarzellen – kleine, elektrische Bauelemente, die mit Halbleitermaterialien ausgestattet sind. Im Grunde sind diese den in Computer verwendeten Siliziumchips sehr ähnlich. Im Laufe der Zeit wurden immer effizientere, lichtempfindlichere Materialien entdeckt und entwickelt, die es möglich machen, extrem dünne und leichte Solarzellen herzustellen und für den vielseitigsten Gebrauch einzusetzen.

Es gibt mittlerweile wegweisende Entwicklungen in Richtung Dünnschichtsolarzellen. Solche Dünnschichtsolarzellen werden zum Beispiel in Gebäudefassaden (Solaraktive Fassaden) und Dachziegeln integriert und finden in vielen anderen spannenden Bereichen Verwendung.

Wie genau entsteht nun der Strom in einer Photovoltaikzelle? Die Photovoltaikzelle besteht aus zwei Halbleiterschichten. Halbleiter leiten Strom unter bestimmten Bedingungen, zum Beispiel bei Lichteinstrahlung oder Wärmezufuhr. An der Grenzschicht zwischen den Halbleiterschichten entsteht ein sogenannter p-n-Übergang – ein elektrisches Feld, das durch Sonneneinstrahlung zu einer Ladungstrennung führt.  Es entsteht elektrische Spannung und in weiterer Folge Strom.

Üblicherweise sind die einzelnen Solarzellen in etwa 15 x 15 cm (6 Zoll) oder 10 x 10 cm (4 Zoll) groß und erzeugen eine Spannung von 0,6 bzw. 0,5 Volt. Diese Menge ist relativ gering und genau deshalb werden Solarzellen zu Modulen bzw. Solarpaneelen zusammengefasst. Durch das reihenweise Verschalten steigert sich die Effizienz und es werden brauchbare Spannungen erzeugt. Der gewonnene Gleichstrom (DC) muss allerdings in Wechselstrom (AC) umgewandelt werden. Dazu wird ein Wechselstromrichter benötigt – nach der Umwandlung kann der Strom sofort genutzt oder in das lokale Stromnetz eingespeist werden.

Es gibt natürlich Unterschiede in der Effizienz der Solarmodule, wobei die meisten Paneele einen Wirkungsgrad zwischen 5 und 25 % aufweisen. In der Weltraumforschung werden allerdings Solarzellen mit noch höheren Wirkungsgraden eingesetzt. Aufgrund der kostenintensiven Herstellung sowie der teuren Materialien, sind diese Solarzellen noch nicht serientauglich.

Photovoltaik (PV) – Vorteile und Grenzen

Grundsätzlich überzeugt die Technik der Photovoltaik mit all ihren Vorteilen, aber natürlich gibt es auch Grenzen bzw. Nachteile, wie das naturgemäß bei all diesen sonnenlichtabhängigen Energiesystemen der Fall ist.

PV Vorteile

• Erneuerbare Quelle für saubere, natürliche Energie, bei der keine externen Kraftstoffe benötigt werden.
• Der Betrieb einer Photovoltaikanlage ist schadstofffrei und somit umweltfreundlich. Ausgenommen sind die Emissionen, die bei der Herstellung und dem Transport der Komponenten entstehen.
• Geringe Wartungs- und Betriebskosten
• Zunehmend wettbewerbsfähig mit anderen Energiequellen
• Auch für große Energieanbieter einsetzbar

PV Nachteile

• Abhängig von direktem Sonnenlicht (wie alle Solarsysteme)
• Hohe Erstinstallationskosten
• Intermittierende Sonneneinstrahlung

Arten von Photovoltaik (PV) Solarenergieanlagen

Grundsätzlich gibt es zwei Hauptinstallationsarten für Photovoltaikanlagen, die Ihnen bestimmt nicht völlig unbekannt sind:

• Aufdachmontage
• Bodenmontage (Freiflächenmontage)

Wir werden nachfolgend jede einzeln besprechen. Beide Installationsformen eignen sich als „on-grid“ (verbunden mit dem lokalen Stromnetz) oder als „off-grid“-Variante.

Wieviel Strom von so einer Anlage erzeugt werden kann, hängt natürlich von einigen wichtigen Faktoren ab:

• von der Menge der direkten und indirekten Sonneneinstrahlung
• von der vorhandenen Fläche, die für die PV-Paneele genützt werden kann
• von Verunreinigungen wie Schnee oder Schmutz, die sich auf den PV-Platten ansammeln können

Zusätzlich zu diesen gängigen Installationsarten gibt es noch unzählige Standalone-Anwendungen, die sich ständig weiterentwickeln.

Aufdachmontierte Anlagen

Aufdach-Photovoltaikanlagen sind eine wunderbare Möglichkeit für Eigenheime, Unternehmen und öffentliche Gebäude ihren eigenen Strom zu erzeugen. Inzwischen sind PV-Anlagen nicht nur weit verbreitet, sondern auch zu einer Art Symbol für grüne Energie, zukunftsorientiertes Denken und Energiebewusstsein geworden. Nicht zuletzt steigert eine Photovoltaikanlage auf dem Hausdach auch den Wert eines Gebäudes.

Vorteile einer Aufdachmontierten Photovoltaikanlage:

• Das vorhandene Dach kann optimal genutzt werden.
• Das Dach wird vor eventuellen Umwelteinwirkungen zusätzlich geschützt.
• Aufdachmontierte Anlagen sind in der Regel schneller und einfacher zu installieren als bodenmontierte Systeme.
• Sehr geringer Wartungsaufwand

Nachteile:

• Erstinstallationskosten
• Kann in einigen Fällen Dachmodifikationen erfordern, bevor die Installation überhaupt durchgeführt werden kann.
• Platzbeschränkungen, abhängig von der Größe und Beschaffenheit des Daches
• Der unveränderbare Winkel und die Ausrichtung der Dachebenen

Bodenmontierte Anlagen

Bodenmontierte Photovoltaikanlage sind inzwischen ebenfalls weit verbreitet, werden aber vorwiegend von großen Unternehmen bzw. Energieanbietern genutzt. Diese Anlagen arbeiten oftmals mit Solartracker-Systemen, d.h. die Solarpaneele folgen dem Lauf der Sonne und können somit jeden Tag und auch jahreszeitenangepasst mehr Sonnenlicht erfassen, als herkömmliche, fix installierte Photovoltaikanlagen.

Vorteile:

• Aufgrund der Größe ist auch eine größer dimensionierte Stromerzeugung möglich.
• Bodenmontierte Anlagen haben die Möglichkeit die festen Winkelbeschränkungen – wie sie bei der Aufdachmontage gegeben sind – zu umgehen (mithilfe von Solartrackern).
• Einfache Wartung aufgrund des leichteren Zuganges

Nachteile:

• Bodenmontierte Anlagen nehmen sehr viel Fläche ein, die möglicherweise umgewidmet werden muss.
• Riesige Freiflächenanlagen fallen optisch natürlich auf, was möglicherweise nicht wünschenswert ist.

Freistehende-Installationen – Inselanlagen

Photovoltaik-Solarenergie wird auch zunehmend über Standalone-Installationen bzw. sogenannte „Inselanlagen“ generiert.

Beispiele dafür:

• Standalone „Plug & Play“ Photovoltaik-Paneele für die Eigenstromerzeugung zuhause oder im Büro.
• E-bike Ladegeräte und Handy-Ladegeräte als lokale Annehmlichkeiten in Bars und Restaurants sowie in anderen öffentlichen Räumen.
• Freistehende landwirtschaftliche Ladeeinheiten, die Energie für Bewässerungssysteme liefern und nebenbei auch noch Schatten spenden.

Es ist offensichtlich, dass der Trend immer mehr in Richtung Standalone-Systeme bzw. „Inselanlagen“ geht. Umweltbewusstsein gepaart mit der Möglichkeit ständig verbunden und online zu sein – das sind verlockende Aspekte und absolut erfolgsversprechende Faktoren für die Standalone-Technologien.

Photovoltaik (PV) – ein Blick in die Zukunft

Eines vorab – die Aussichten für Photovoltaik sind mehr als sonnig. Nicht nur für uns, sondern auch für unseren Planeten. In den USA zeigen sich auch wirtschaftlich deutlich positive Entwicklungen. Mit Photovoltaik wurde im vergangenen Jahr Strom für mehr als 2 Millionen Haushalte produziert. Und weiter: Der Solarsektor ist in den letzten 12 Monaten erstaunliche 17-mal schneller gewachsen als die Gesamtwirtschaft der USA. Damit wurden 260.000 neue Arbeitsplätze im Solarbereich geschaffen.

Aber nicht nur in den USA, weltweit steigt der Hype um die Sonnenkraft. Immer mehr Regierungen initiieren und unterstützen verschiedenste Programme für erneuerbare Energien, an erster Stelle die Solarenergie und deren Leistbarkeit. In absehbarer Zeit wird es für immer mehr Menschen möglich sein, Zugang zu kostengünstiger Solarenergie zu bekommen. Man stelle sich vor, was das bedeutet: Eine unglaubliche Steigerung der Lebensqualität in vielen Bereichen – angefangen von Mobilität über Medizin und Gesundheitswesen, Landwirtschaft und vielem mehr… im Großen wie im Kleinen. In den nächsten Jahren und Jahrzehnten kann es Wirklichkeit werden: Saubere Energie für alle.

Quellenangaben:

• Solar Photovoltaic Technology Basics – NREL (National Renewable Energy Laboratory)
• Solar Energy Pros and Cons – energyinformative.org 12 May 2014
• U.S. Department of Energy – Solar Energy portal