Wie funktioniert eine Solarstromanlage?

Die Elektrik der Solarstromanlage ist vom Hausnetz komplett getrennt. Der Strom vom Solargenerator (auf dem Dach) wird vom Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt. Über eine eigene Leitung wird der Strom in den Keller geführt und dort über einen eigenen Zähler in das öffentliche Stromnetz geleitet.

Was ist Photovoltaik?

Photovoltaik ist Photonenenergie der Sonne (Photon) und Spannung die erzeugt wird (Voltaik). Es ist also Spannung (oder auch Leistung) von der Sonne (Photonenenergie). Mit anderen Worten ist es also nur Sonnenenergie die in elektrische Spannung umgewandelt wird. Silizium ist der Hauptbestandteil einer Solarzelle und wird aus Sand geschmolzen, der unbegrenzt verfügbar ist. Es leitet nur bei Energieeinstrahlung. Eine Solarzelle wird an der Oberseite mit Phosphor besprüht und an der Unterseite mit Bor. Die Oberseite hat 5 Elektronen und die Unterseite 3 Elektronen. Die Elektronen versuchen ein Gleichgewicht zu erzielen (je 4 Elektronen). Da Silizium 4 Elektronen hat, dient es quasi nur als Transportmedium. Sobald die Solarzelle der Sonne ausgesetzt wird, leitet das Silizium und die unterschiedlichen Elektronenladungen können nun fließen. Es entsteht ein Elektronenstrom der in den Wechselrichter fließt und in das Stromnetz eingespeist wird. Dieser Vorgang ist dauerhaft, dass heißt die Elektronen fließen in einem nie endenden Kreislauf. Eine Solarzelle verliert also nicht an Substanz bzw. an Leistung.

Wie funktioniert ein Solarmodul?

In einem Solarmodul werden die Solarzellen (typisch 36 St.) in Reihe zusammengeschaltet. Eine Solarzelle hat eine Spannung von 0,5 Volt und einen Strom von 3-7 Ampere (je nach Größe). Schaltet man die Zellen hintereinander, ergeben sich eine Modulspannung von 18 Volt und ein Strom von 3-7 Ampere.

Was ist der Wirkungsgrad?

Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis der Strahlungsenergie der Sonne zur erzeugten Energie eines Solarmoduls. Die Sonne strahlt bei optimalen Verhältnissen: 1000 Watt Strahlungsenergie auf einen qm. Ein qm Modulfläche setzt hiervon ca. 130 Watt in elektrische Energie um. Über 50% gehen schon durch Reflektion verloren, dazu kommen die Leiterbahnen, die Wärmeverluste etc..

Berechnung des Wirkungsgrades eines Photovoltaikmoduls:

Leistung des Solarmoduls pro m² / 1000 Watt Strahlungsenergie der Sonne pro m²

Beispiel:
Fläche KC-120-1(120 Watt) = 1,425m * 0,652m = 0,929m²
die Leistung des Moduls entspricht: 129,17 Watt/m²
Geteilt durch 1000 Watt pro m² ist der Wirkungsgrad: 12,9 %

Bitte beachten Sie: Der Zellenwirkungsgrad ist immer höher als der Modulwirkungsgrad!

In einem Solarmodul liegen die Zellen auf Abstand, je nach Zellentyp und Abstand der Zellen ist der Modulwirkungsgrad unterschiedlich. Entscheidend ist immer der Modulwirkungsgrad, Sie wollen ja keine Solarzelle kaufen.

Wie ist der Stand der Technik?

Man unterscheidet heute noch zwischen monokristallinen, polykristallinen und Dünnschichtmodulen. Bei den kristallinen Modulen ist der Stand der Technik ausgereizt und unwesentlich zu verbessern. Die Wirkungsgrade der Solarzellen liegen bei ca. 15% und können nur mit hohem Aufwand verbessert werden, was wiederum die ohnehin hohen Kosten nochweiter in die Höhe treibt. Inzwischen sind zwischen mono- und polykristallinen Modulen keine Unterschiede in Ertrag. Monokristalline Zellen werden in einer Zellstruktur gezogen, polykristalline Module werden in einem Block gegossen. Bei polykristallinen Modulen stören Zellränder den Elektronenfluss, was aber heute durch spezielle Techniken (Diffundierung mit Wasserstoffatomen) kaum noch eine Rolle spielt. Von Dünnschichtmodulen verspricht man sich zukünftig den Durchbruch bei den Kosten. Bei diesem Modultyp wird das Silizium quasi: " nur noch auf ein Trägermaterial gesprüht". Die Vorteile liegen auf der Hand: automatische Produktion im Druckverfahren. Aktuell haben Dünnschichtmodule einen geringeren Wirkungsgrad von ca.8% zudem altern die Module d.h. der Wirkungsgrad wird auf die Jahre geringer. Hier ist noch einige Entwicklungsarbeit notwendig.

Wohin geht die Entwicklung?

Der Trend geht aktuell zur Herstellung von polykristallinen Modulen in hohen Stückzahlen. Absehbar ist eine Marktdominanz japanischer Hersteller in "Massenfertigung". Der große Sprung zu "billigen Solarmodulen" liegt aber immer noch in "weiter Ferne". Die Herstellung einer Solarzelle macht immer noch 70% der Kosten aus.

Warum Photovoltaik ?

Photovoltaik ist unumstritten die Technik des 21. Jahrhunderts zur weltweiten Stromgewinnung. Nur kommt die Technik nicht so richtig in Gang, Ein 100 Watt Photovoltaikmodul kostet heute noch ca. 300 €. Es könnte ebenso 100 € kosten, wenn die Technik weiter vorangeschritten wäre. Der Schmelzprozess ist sehr aufwendig und es wir immer noch teures Silizium aus der Chip-Produktion verwendet. Aktuell werden unzählige Modulfabriken gebaut, jedoch wird das Solar-Silizium immer noch zu aufwendig und in zu kleinen Mengen produziert. Hier sind große Investitionen notwendig, die von allen Herstellern aufgrund der unklaren langfristigen politischen Marktförderung gescheut wird.

Photovoltaik muss jetzt schnell marktreif werden, die Technik ist ausgereift. Der Markt (insbesondere in den Schwellenländern) verlangt nach dezentralen Energieeinheiten. Heute ist immer noch über die Hälfte der Weltbevölkerung ohne Stromanschluss. Photovoltaik ist die einzige Lösung für eine "gerechte, umweltfreundliche und friedliche Energiegewinnung".

Auch bei uns kann eine 2000 Watt Photovoltaikanlage die Hälfte des Stromverbrauches eines 4- Personen Haushaltes decken.

Wie lange hält eine Photovoltaikanlage?

• Die Lebenserwartung einer Photovoltaikanlage ist ca. 25 bis 30 Jahre.
• Die Solarzellen arbeiten unbegrenzt. Jedoch nimmt der Wirkungsgrad mit den Jahren ab.
• Pauschal kann man pro Jahr mit einem Minderertrag von 0,5% rechnen.
• Die Solarmodule können altern und undicht werden.
• Die Zellen sind in Kunstharz zwischen Sicherheitsglas und absolut resistenter Folie versiegelt.
• Die Modulhersteller geben eine Leistungsgarantie auf die Module von 25 Jahren. Die Leistungsgarantie bürgt für eine Mindestleistung von zumindest 80 % der Mindestleistung im Datenblatt (Achtung nicht alle Hersteller von Modulen geben diese Garantien. Beim Kauf auf jeden Fall darauf achten)

Soll ich noch abwarten?

Nein, die Technik ist ausgereift und unwesentlich zu verbessern. Die Preise für Photovoltaikmodule sind auf einem historischen Tiefpunkt. Die Einspeisevergütung ist mit 57,4 Cent/kWh sehr hoch und sinkt in 2005 um 5% (für Neuanlagen), Photovoltaik ist damit eine rentable Kapitalanlage. Dies entspricht einer Verzinsung von ca. 4,5% über 20 Jahre.

Ist mein Dach geeignet?

Die Ausrichtung sollte von Süd-Ost bis Süd-West sein. Die Neigung zwischen 10 und 60 Grad. Das Dach darf nicht verschattet werden! Folgende Grafik zeigt grob den Energieertrag einer Photovoltaikanlage in Abhängigkeit von Ausrichtung und Neigungswinkel.

Beobachten Sie bitte, ob im Frühjahr oder Herbst einen Schatten auf dem Dach liegt. Im Winter ist der Schatten unwesentlich, da hier nur ein Bruchteil des Jahresertrages produziert wird. Im restlichen Teil des Jahres sollte kein Schatten auf der geplanten Anlage liegen. Bei einem Flachdach spielt nur die Verschattung eine Rolle. Hier werden die Module auf einzelnen Alu-Blechkonsolen auf das Flachdach gestellt. Ausrichtung immer Süd und 30 Grad. Bei einer Fassade (senkrechte Montage) liegt der Ertrag ca. 25% niedriger.

Wird mein Dach undicht?

Nein, bei einem Pfannendach werden die Pfannen nicht beschädigt. Die Dachhaken werden auf den Dachsparren aufgeschraubt und ragen unter den Dachpfannen hervor. Die Anlage kann wieder abgeschraubt werden und das Dach ist wie vorher. Bei einem Flachdach werden die Gestelle auf einer Gummimatte berührungslos auf das Dach gestellt. Die Gestelle werden mit Ballast (Betonplatten = 50-100 kg) gegen Windlasten geschützt.

Kann ich die Photovoltaikanlage anstatt Dachpfannen einsetzen?
Im Prinzip ja, aber der Aufwand und die Kosten sind derzeit noch höher als die Einsparung. Die Einbindung in das Dach ist aufwendig. Die Übergänge zwischen den Modulen und zur Pfanne müssen dauerhaft sein. Die Module werden mit Alu-Leisten von oben abgedichtet, diese Leisten bilden einen Schmutzrand! Zudem sollten die Module hinterlüftet sein, weil bei zunehmender Temperatur der Wirkungsgrad sinkt.

Silizium-Solarmodule haben ein temperaturabhängiges Spannungsverhalten.(physikalisches Gesetz). Bei zunehmender Temperatur sinkt die Spannung, da Elektronen durch Wärmeenergie wandern können und für die Leistung der Solarzelle verloren gehen. Darum erreichen Photovoltaikanlagen im Sommer auch nur 80% der Nennleistung. Auch Dachpfannen mit eingebauter Solarzelle sind viel teurer (ca. 70%) und werden nicht hinterlüftet - was die Leistung mindert.

Wie arbeitet ein Wechselrichter?

Wechselrichter arbeiten automatisch und speisen immer die maximale Leistung in das Netz ein. Hier wird automatisch der Punkt der maximalen Leistung ermittelt (MPP). Die Sinuswelle (~) = Wechselspannung (230 Volt) unseres Stromnetzes wird vom Wechselrichter mehrere tausend Mal pro Sekunde gemessen und die Gleichspannung entsprechend in das Stromnetz eingespeist. Wechselrichter müssen nicht gewartet werden und arbeiten auf Transistorbasis (IGBT). Die Lebenserwartung ist wie bei jedem elektronischen Gerät (z.B.: Fernseher). SMA Wechselrichter müssen nicht gewartet oder überprüft werden. Garantie 2 Jahre defekte Geräte werden nach der Garantie im Austausch gewechselt (Preis: 300 €).

Wie wird eine Photovoltaikanlage angeschlossen?

Die Photovoltaikmodule werden alle in Serie an den Wechselrichter angeschlossen. Hier wird das Pluskabel und das Minuskabel in den Wechselrichter gesteckt. Der Wechselrichter ist damit betriebsbereit - mehr ist nicht notwendig. Es muss jetzt noch das Kabel zum Stromnetz gelegt werden. Hier genügt ein Wechselstromkabel (NYM 3*1,5qmm). Das Wechselstromkabel wird zur Verteilung gelegt und dort angeschlossen. Ein Lasttrenner und ein Fehlerstromschutzschalter werden in die Verteilung eingebaut.

Damit ist die Photovoltaikanlage fertig installiert! Ihr Energieversorger baut Ihnen einen zweiten Zähler ein, der nur die erzeugte Arbeit (kWh) der Photovoltaikanlage zählt. Jetzt kann der Solarstrom fließen!

Kann ich mich selbst versorgen, wenn das "Stromnetz" ausfällt?

Nein - die Wechselrichter schalten ab. Hier müssten Sie einen teuren "Netzschalter" installieren, der sofort das Stromnetz abschaltet. Dann wären Sie vom Stromnetz getrennt. Hier müssten Sie dann einen teuren Wechselrichter kaufen, der auf "Inselbetrieb" umschaltet. Dazu benötigen Sie jede Menge Autobatterien um einige Stunden "unabhängig" zu sein. Das ist auch nicht Sinn der Sache. Photovoltaik ist hierfür erst in 20 - 50 Jahren geeignet. Es geht in erster Linie darum Photovoltaik zu verbreiten und wirtschaftlich zu machen.

Welche Größe sollte eine Photovoltaikanlage haben?

Eine Photovoltaikanlage muss mindestens 1000 Watt installierte Modulleistung aufweisen, um gefördert zu werden. Nach oben sind keine Grenzen gesetzt. Wir raten zu einer Mindestgröße von ca. 2000 Watt. Das Preis/Leistungsverhältnis ist ab dieser Leistungsgröße gut. Eine optimale 1000 Watt Photovoltaikanlage erzeugt im Jahr zwischen 850-1000 kWh im Jahr. Ein 4 Personen Haushalt verbraucht im Jahr ca. 4000 kWh. Eine 5000 Watt Photovoltaikanlage erzeugt den Jahresverbrauch eines 4 Personen Haushaltes.

Kann ich selber installieren?

Die Installation einer Photovoltaikanlage ist relativ einfach. Die einzige "Hürde" ist die Arbeit auf dem Dach. Hier sollte man sich sicher fühlen! Das Gestell und die Module sind an 2 Tagen montiert. Die elektrische Verbindung ist mit Steckverbindern kinderleicht und sicher. Nur noch den Wechselrichter an die Wand schrauben und fertig. Der Elektriker muss noch den Anschluss zum Hausnetz herstellen. Ihr Energieversorger baut einen Einspeisezähler ein. Die Photovoltaikanlage ist betriebsbereit. Sie können auch Ihren Elektriker ansprechen ob er nicht die komplette Anlage montiert!

Was kostet die Montage?

• Die schlüsselfertige Montage kostet bei einer 2000 Watt Anlage ca. 10.000 €
• Die schlüsselfertige Montage kostet bei einer 5000 Watt Anlage ca. 17.500 €

Benötige ich eine Baugenehmigung?

Nein, Photovoltaikanlagen benötigen keine Baugenehmigung, solange sie am Gebäude montiert sind. Das gilt auch für Flachdächer!

Wie hoch ist der jährliche Gewinn?

in 2004 werden 20 Jahre 57,4 Cent/kWh. vergütet. Vergütet wird die gesamte erzeugte Energie der Photovoltaikanlage plus Installationsjahr. Eine 1000 Watt erzeugt 850 kWh/a in Norddeutschland und 950 kWh/a in Süddeutschland. Bei 57,4 Cent/kWh wird somit 488€ - 545€ von Ihrem Energieversorger vergütet.

Wie hoch sind die jährlichen Kosten?

Die Kosten einer Photovoltaikanlage bestehen aus:

• der Zählermiete: Ihr Energieversorger kann evtl. eine Zählermiete berechnen (30 €/a)
• der Versicherung: eine Allgefahrenversicherung kostet ca.10-20 €/kW pro Jahr
• der Wartung: eine generelle Wartung ist nicht notwendig. 25 €/a sollen zurückgelegt werden.
• Insgesamt sollte eine Rücklage von 0,5% der Investitionskosten pro Jahr sollte berücksichtigt werden.