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Was ist eigentlich Fotovoltaik?

Unter Fotovoltaik versteht man die direkte Umwandlung der Energie des Sonnenlichtes in elektrische Energie mittels Solarzellen bzw. Solarmodulen. Dieser Effekt wurde im Jahr 1839 von Alexander Becquerel entdeckt.

Eine Solarzelle ist eine dünne Scheibe, die meist aus Silizium hergestellt wird. Leiterbahnen auf der Solarzelle führen die vom Sonnenlicht "erzeugte*" Energie ab. Mehrere Solarzellen miteinander verbunden ergeben ein Fotovoltaik Modul, mehrere Fotovoltaik Module miteinander verbunden ergeben einen Generator mit dem sich elektrische Energie "produzieren*" lässt.

Die Leistung eines Moduls bzw. eines Generators wird in Wp (Watt Peak, Watt Spitze) angegeben und gilt für eine Globalstrahlung von 1000 W/qm und waagerechter Montage.

* Es wird genau genommen keine elektrische Energie produziert oder erzeugt. Es wird lediglich eine Energieform (Licht) in eine andere (elektrische Energie) umgewandelt. Das gilt übrigens auch für alle anderen Energieträger wie Kohle und Öl usw.

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Grundlagen Fotovoltaik

Aufbau einer Fotovoltaikanlage

Schema Fotovoltaikanlage

Der Generator wird (hoffentlich) von der Sonne beschienen und wandelt dabei das einfallende Licht in elektrische Gleichspannung um. Diese Gleichspannung wird dann von einem Wechselrichter in die ortsübliche Wechselspannung (in Deutschland 230 Volt, 50 Hertz) umgewandelt. Diese Wechselspannung wird mit dem Netz des Stromversorgers synchronisiert, in das Netz eingespeist und steht damit jedem Haushalt zur Verfügung.

 

Was leistet eine Fotovoltaikanlage?

Der Jahresertrag der Anlage ist abhängig von der Leistung (Wp), vom Neigungswinkel und der Ausrichtung (Azimutwinkel) des Generators und der einfallenden Globalstrahlung.

Der Azimutwinkel wird bei Fotovoltaikanlagen üblicherweise als Abweichung von Süd angegeben (in Grad).

Winkel -180° -135° -90° -45° 0° 45° 90° 135° 180°
Name Nord NW West SW Süd SO Ost NO Nord

Die Daten der örtlichen Globalstrahlung erfährt man z.B. aus dem Solaratlas für Nordrhein-Westfalen oder auch von einem Fotovoltaikanlagen-Installateur. Im Solaratlas ist die tatsächliche Globalstrahlung der letzten 20 Jahre zusammengefasst worden; Also keine theoretischen Werte!

Das folgende Beispiel gilt für den Kreis Unna, einer Modulneigung von 38° und einer Ausrichtung von 34° (also in der Nähe von Süd-Ost).

Monat T [kWh/qmd] m [d] Gh [kWh/qm] f Gg [kWh/qm]
Januar 0,60 31 18,60 1,26 23,44
Februar 1,20 28 33,60 1,22 40,99
März 2,25 31 69,75 1,10 76,73
April 3,65 30 109,50 1,03 112,79
Mai 4,70 31 145,70 0,97 141,33
Juni 5,00 30 150,00 0,93 139,50
Juli 4,50 31 139,50 0,95 132,53
August 4,05 31 125,55 1,01 126,81
September 2,95 30 88,50 1,09 96,47
Oktober 1,75 31 54,25 1,20 65,10
November 0,75 30 22,50 1,27 28,58
Dezember 0,50 31 15,50 1,28 19,84
Jahr   365 972,95   1004,08

Legende:
T = monatliche mittlere Tagessumme der Globalstrahlung
m = Anzahl der Tage
Gh = Monatssumme der Globalstrahlung auf eine horizontale Fläche
f = Flächenfaktor (abhängig von Modulneigung- und Ausrichtung)
Gg = Monatssumme der Globalstrahlung auf eine geneigte Fläche

Die Tabelle sagt nun folgendes aus:

  • Im Kreis Unna betrug die jährliche Globalstrahlung der letzten 30 Jahren durchschnittlich 973 kWh/qm pro Jahr
  • Durch die Neigung des Generator kann der Jahresertrag auf 1004 kWh/qm pro Jahr gesteigert werden

Die Modulorientierung ist in Deutschland nicht übermäßig wichtig. Bei einer Ausrichtung zwischen Süd-Ost und Süd-West und einer Neigung zwischen 15° und 50° ist der Verlust gegenüber dem maximalen Jahresertrag kleiner als 7%.

 

Beispielrechnung für einen Generator mit 2 kWp:

(1004 kWh/qma) * (2000 Wp/1000 W/qm) = 2008 kWh/a

Nun müssen noch Verluste berücksichtigt werden. Diese bestehen im einzelnen aus:

  • Temperaturverluste: Die Leistung einer Solarzelle sinkt mit steigender Temperatur
  • Verschmutzung der Module
  • Abweichungen in der Modulleistung gegenüber den Herstellerangaben
  • Verschattung: Bäume, Häuser,...
  • Reflexionsverluste: Schräg einfallendes Licht wird stärker reflektiert als senkrecht einfallendes Licht
  • Leitungsverluste: Elektrischer Widerstand der Leitungen, Sicherungen...
  • Wechselrichterverluste: Der Wirkungsgrad sinkt mit fallender Leistung

Dieser Faktor ist also von vielen Parametern abhängig und liegt in der Regel zwischen 0,75 und 0,85.

(2008 kWh/a) * 0,8 = 1606 kWh/a

Es werden also pro Jahr ca. 1606 kWh elektrische Energie erzeugt!
Dies bedeutet nicht, dass in jedem Jahr die gleiche Menge an elektrischer Energie erzeugt wird. Mittelfristig wird man aber auf einen Mittelwert an Jahreserträgen kommen, der dem Ergebnis der den ursprünglichen Erwartungen sehr nahe kommt.

Energiebilanz (Energierücklaufzeiten)

Eine Fotovoltaikanlage braucht ca. 2.900 kWh für ihre Herstellung, Montage und Entsorgung pro 1000 Wp Generatorleistung. Das bedeutet bei einer Anlage mit einer Größe von 2 kWp eine Energierücklaufzeit von ca. 3,5 Jahren.

Bei einer Lebensdauer von ca. 30 Jahren erzeugt die Anlage mehr als 25 Jahre lang emmisionsfreie Energie.

Andere Stromerzeuger (Brennstoff-Kraftwerke aller Art) schaffen das nie, da sie zur Erzeugung von Energie immer auch Brennstoffe (Gas. Öl, Kohle, Uran...) benötigen.

 

 

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Letzte Aktualisierung: Januar 2012