Liebfrauenschule Sigmaringen Gymnasium & Realschule
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Funktionsweise

Technische Beschreibung

Bei einer Photovoltaikanlage wird die Strahlung der Sonne in elektrische Energie umgewandelt. Diese wird dann entweder sofort genutzt, in Akkumulatoren gespeichert oder ins öffentliche Stromnetz eingespeist. Für letzteres muss der Strom wechselgerichtet werden. Eine Photovoltaikanlage ( oder auch ein Solargenerator) besteht aus vielen Solarzellen, die aufgrund ihrer niedrigen Spannung von 0,5 Volt zu Modulen zusammengeschlossen werden.

Solarzelle

Solarzellen sind Halbleiter und werden zur Energiegewinnung mit Leiterbahnen an Vorder- und Rückseite in Reihe geschaltet. Um einen Komplettausfall des Moduls bei teilweiser Beschattung zu verhindern, werden zusätzlich Schutz-Dioden eingebaut, die die betroffenen Zellen überbrücken. Da bei der Solarzelle nur ein Teil des Sonnenspektrums genutzt werden kann, sinkt der Wirkungsgrad von 85%, bei voller Ausnutzung des Spektrums, auf einen Wirkungsgrad je nach Wellenlänge von 5- 35 %.

Funktionsprinzip

Bei der Stromerzeugung in der Solarzelle wird der photovoltaische Effekt ausgenutzt. Dazu wird ein Halbleiter, meistens Silizium(4 Elektronen auf der Aussenschale), auf der Oberseite mit Phosphor(5) und auf der Unterseite mit Bor(3) dotiert (=verunreinigt). Es entsteht ein p-n-Übergang, oben gibt es zu viele Elektronen, unten zu wenige. Nun wandern die negativen Elektronen und die positiven Löcher zum PN-Übergang, es bildet sich eine Grenzschicht, die Raumladungszone. Einige Löcher wandern auf die n-Seite, einige Elektronen auf die p-Seite. In der Ladungszone entsteht ein dynamisches Gleichgewicht zusammen mit der Diffusionsspannung. Auf der n-Seite entsteht ein positiver Pol, auf der p-Seite ein negativer. Trifft nun ein Photon auf die Solarzelle, wird ein Elektron von dem Valenzband auf das Leitungsband gehoben, es ist energiereicher. Nun ist die Zelle erst Leitungsfähig. Zusätzlich entsteht nun an der Stelle, wo das Elektron abgespaltet wurde, ein positives Loch. Das Elektron wandert nun auf die positive n-Seite, das positive Loch auf die p-Seite. Dadurch entsteht eine Photospannung, auf der n-Seite ist der Minuspol, auf der p-Seite der Pluspol. Das energiereiche Elektron gibt seine überschüssige Energie nun am Verbraucher ab, fällt wieder auf das Valenzband zurück

 

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Degradation

Bezeichnung für den Rückgang des Wirkungsgrades im Laufe der Zeit. Ursache dafür sind: Verschmutzung der Module, Veralgung („Verpilzen") Teilabschattung der Zellen, Vergilbung des Polymeren Einbettungsmaterials. Der Verlust an Leistung nach 20 Jahren Beträgt ungefähr 10%.

Silizium: Vorkommen

Silizium ist ein Halbmetall und ein Halbleiter. Es weist wie das Wasser eine Dichtenanomalie auf: Seine Dichte ist in flüssiger Form höher als in fester. Die Erde besteht zu ca. 15 Gewichtsprozent aus Silizium und somit ist es das zweit häufigste chemische Element nach Sauerstoff. Silizium ist der Hauptbestandteil von Sand. Es kommt dort als Dioxid vor. Somit steht Silizium nahezu unbegrenzt zur Verfügung.

Leistung [KWp]

Die Nennleistung wird bei der Photovoltaikanlage in kWp(kiloWattpeak ) angegeben. Diese bezieht sich auf die Leistung der Anlage unter Testbedingungen, die in der Natur so nicht auftreten. Steigende Sonneneinstrahlung sorgt für größeren Energieeintrag, höhere Temperaturen des Moduls lassen den Wirkungsgrad sinken. Deswegen werden momentan Kombigeräte entwickelt, die Photovoltaik mit Solarthermie verbinden und so für eine Kühlung der Zellen sorgen. Für einen kWp wird eine Modulfläche von 8 - 10 m² benötigt und damit wird in unseren Breiten ein Energieertrag von ca. 900 kWh pro Jahr , was einer Ausnutzung der Arbeitsfähigkeit der Solarzelle von 10-11% entspricht.

Wirkungsgrad

Der derzeit mögliche Wirkungsgrad von Solarzellen reicht derzeit von 6% bis zu 35%. Im Handel erhältlich sind derzeit aber nur Module mit Wirkungsgraden von 6% bis 18 %, mit steigender Tendenz. Dieser Wirkungsgrad bezieht sich nur auf die Ausnützung der Sonnenenergie. Dieser Ergibt sich dadurch, dass nur ein Teil des Sonnenspektrums ausgenützt werden kann und dass Teile der Energie als langwellige Wärmestrahlung wieder zurück gespiegelt wird. Zusätzlich gibt es noch einen Systemswirkungsgrad, der den Verlust durch den Wechselrichter, teilweise Beschattung und hohe Temperaturen beachtet. Dieser beträgt 70-80%.

Verwendung: Netzgekopellte Anlage

Bei der Einspeisung wird der aus der Solaranlage gewonnenen Gleichstrom mit einem netzgekoppelten Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt und synchronisiert. Da Solaranlagen mit einer Gesamtleistung eines konventionellen Großkraftwerkes unabhängig von einander sind, können nie alle gleichzeitig ausfallen, es muss somit auch kein Ersatz bereitgestellt sein, wie das bei einem Großkraftwerk der Fall ist. Dadurch wird einiges an Kosten eingespart.

Kosten

Installation

Die Installation für eine 4 kWp große Dachanlage liegen bei ca. 4200€/kWp. Zum Vergleich: Bei einem Steinkohlekraftwerk werden 1200€/kWp fällig.

Stromgestehung

Die Stromgestehungskosten betragen im ersten Betriebsjahr ca. 40 ct/kWh und sind somit wegen der hohen Investitionskosten und der niedrigeren Volllaststundenzahl um ca. 34ct teurer als bei Steinkohle. Einziger Vorteil gegenüber der Steinkohle sind die fehlenden Brennstoffkosten. Und genau diese sind es, die den Steinkohlestrom im laufe der Zeit aufgrund steigender Rohstoffkosten teurer macht. Dazu kommt, dass die Zinskosten vom Darlehen zur Installation der Solaranlage im Laufe der Zeit sinken. Somit beträgt der Unterschied des Preises nach 10 Betriebsjahren nur noch 22ct. Nach 20 Jahren sind dann die Schulden und Zinsen abgezahlt und der Preis für Solarstrom beträgt dann nur noch 3ct/kWh. Der Preis für Steinkohlestrom liegt dann bei 16ct/kWh. (Bei dieser Berechnugn wurden folgende Faktoren nicht berücksichtigt: höhere externe Kosten, Kosten für CO2 - Zertifikate, staatliche Steinkohlesubventionen bei der fossilen Stromerzeugung sowie keine steuerliche Abschreibung für Betriebsmittel bei Solarstrom)

 

2013-03-25 15:05:28
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