Sonnenstrahlung

Die Strahlung der Sonne ist fast unerschöpflich. Daher zählt die Sonnenenergie zu den erneuerbaren Energiequellen.
Licht besteht aus Photonen. Jedes Photon entspricht einer kleinen Energieportion. Licht ist also Strahlungsenergie.

Elektrische Leistung ist das Produkt aus Spannung und Stromstärke. Die Leistung wird in Watt (W) angegeben. Energie ist das Produkt aus Leistung und Zeit. Energie wird in Wattsekunden (Ws) oder in Wattstunden (Wh) angegeben.

Durch die Erdatmosphäre werden manche Sonnenstrahlen reflektiert, gestreut oder absorbiert. Die gesamte Sonnenstrahlung, die auf die Erdoberfläche trifft, bezeichnet man als Globalstrahlung. Die Globalstrahlung setzt sich zusammen aus direkter Strahlung und diffuser Strahlung. Viele Solarzellen können auch den diffusen Anteil nutzbar machen.
Der Momentanwert der Globalstrahlung sagt aus, wie hoch die Leistung der Sonnenstrahlung zu einem bestimmten Zeitpunkt ist. Im Sommer, bei klarem Himmel, hat die Sonnenstrahlung in Deutschland eine Leistung von bis zu 1.000 W/m² (Watt pro Quadratmeter Erdoberfläche). Die Jahressumme der Globalstrahlung sagt aus, wie viel Sonnenenergie im Laufe eines ganzen Jahres an einem bestimmten Ort ankommt. In Deutschland liegt diese jährliche Energiemenge zwischen 900 kWh/m² und 1.200 kWh/m² (Kilowattstunden pro Quadratmeter Erdoberfläche). Ungefähr 10 % der Energie der Sonne (bzw. Leistung) kann durch Solarzellen in elektrische Energie (bzw. Leistung) umgewandelt werden.

 

Solarzellen

Solarzellen können Licht in elektrischen Strom umwandeln. Weil dunkle Gegenstände mehr Licht absorbieren (aufnehmen) können als helle Gegenstände, sind Solarzellen dunkel.

Solarzellen wandeln Sonnenstrahlen (Photonen) in elektrische Energie um. Wenn Photonen auf eine Solarzelle treffen, werden sie absorbiert und übergeben dabei ihre Energie. Dadurch lösen sich Elektronen aus ihren Bindungen. Die Solarzelle ist so gebaut, dass die Elektronen nach oben gezogen werden und von dort aus nicht einfach wieder zurück auf ihre Plätze können. Sie sind gezwungen durch die Leitungen außen herum zufließen.

Solarzellen bestehen aus Halbleitern. Die Leitfähigkeit von Halbleitern ist bei tiefen Temperaturen oder Dunkelheit schlecht. Bei höheren Temperaturen oder Beleuchtung verbessert sich ihre Leitfähigkeit. Mehr Elektronen verfügen nun über die nötige Energie, sich aus ihren Bindungen zu lösen.

Solarzellen werden meist aus Silicium hergestellt, einem Halbleiter. Das Silicium wird so bearbeitet, dass zwei verschiedene Schichten entstehen. Ziel ist es, zwischen den Schichten ein elektrisches Feld zu erzeugen.

Eine Solarzelle wandelt die Energie von Sonnenstrahlen (Photonen) in elektrische Energie um. Die Energie der Photonen wird auf die negativ geladenen Elektronen in der Solarzelle übertragen. Ein elektrisches Feld zwingt die Elektronen den Weg durch die äußeren Leitungen zu nehmen. Es fließt elektrischer Strom.

Die gängigsten Arten von Solarzellen sind monokristalline Solarzellen, polykristalline Solarzellen und amorphe Solarzellen (eine Dünnschichtsolarzelle).

Kristalline Solarzellen sind die am häufigsten genutzten Solarzellen. Monokristalline Solarzellen sind eher teuer, haben aber einen relativ guten Wirkungsgrad (etwa 14-18 %). Polykristalline Solarzellen sind günstiger. Sie haben jedoch einen schlechteren Wirkungsgrad (etwa 12-15 %).

Dünnschichtsolarzellen sind 100 fach dünner als ein Menschenhaar. Sie sind günstiger als kristalline Solarzellen, haben aber auch einen geringeren Wirkungsgrad (etwa 5-10 %).

Konzentratorsolarzellen lenken das Sonnenlicht einer großen Fläche auf eine kleine Solarzelle. Sie sind sehr teuer in der Herstellung, haben jedoch einen relativ hohen Wirkungsgrad (etwa 40 %)

Organische Solarzellen bestehen aus Kohlenwasserstoffverbindungen (Kunststoffen). Sie sind günstig in der Herstellung, haben allerdings bis jetzt einen geringen Wirkungsgrad (etwa 3 %).

 

Schaltungen

Genauso wie eine Batterie, besitzt eine Solarzelle immer einen Pluspol und einen Minuspol. Solarmodule bestehen aus mehreren zusammengeschalteten Solarzellen. Eine Photovoltaikanlage auf einem Dach besteht aus mehreren zusammengeschalteten Solarmodulen.

Eine Silicium-Solarzelle liefert eine Spannung von etwa 0,5 Volt. Je stärker die Lichteinstrahlung und je größer die Solarzellen-Fläche, desto stärker ist der erzeugte elektrische Strom. Eine 15 cm x 15 cm große Solarzelle kann eine Stromstärke von bis zu 9 A (Ampere) erzeugen.

Die Leistung von Solarzellen oder Solarmodulen wird oft in Wattpeak (Wp) angegeben. Diese Nennleistung wird im Labor unter Standardbedingungen gemessen. Aus verschiedenen Gründen, wie z.B. dem aktuellen Wetter oder der Ausrichtung der Solarzelle in Richtung Sonne, entspricht die tatsächliche Leistung der Solarzelle meist nicht der theoretischen Nennleistung. Eine Photovoltaikanlage mit einer Nennleistung von 1 kWp kann in einem Jahr durchschnittlich 1.000 kWh Energie erzeugen.

Damit der Ertrag einer Solarzelle möglichst hoch ist, sollten Solarzellen immer nach Süden ausgerichtet sein und 30° zum Himmel geneigt sein. Wird eine Solarzelle verschattet, sinken ihre Erträge.

Solarzellen erzeugen Gleichstrom (so wie Batterien). Das heißt, der elektrische Strom fließt in einem geschlossenen Stromkreis gleichbleibend nur in eine Richtung. Im Haushalt wird jedoch Wechselstrom benötigt. Das bedeutet, dass der elektrische Strom ständig seine Fließrichtung ändert.

Eine Reihenschaltung mehrerer Solarzellen führt zu einer höheren Gesamtspannung. Eine Parallelschaltung mehrerer Solarzellen erhöht die Gesamtstromstärke.

 

Photovoltaikanlagen

Photovoltaikanlagen können riesige Kraftwerde sein oder auch kleine private Anlagen. Der größte und wichtigste Teil einer Photovoltaikanlage sind die Solarmodule, die aus einzelnen Solarzellen bestehen.

Die einzelnen Solarmodule werden in einem Anschlusskasten zusammengeschaltet und ergeben so den Photovoltaikgenerator. Der Wechselrichter wandelt den erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um. So kann der elektrische Strom mit üblichen Haushaltsgeräten genutzt werden oder dem öffentlichen Stromnetz zugeführt werden.

Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen speisen den produzierten Solarstrom vollständig oder teilweise in das öffentliche Stromnetz ein. Ein Einspeisezähler erfasst die genaue Menge in Kilowattstunden (kWh).

Inselanlagen sind PV-Anlagen, die keine Verbindung zum öffentlichen Stromnetz haben. Die elektrische Energie wird direkt genutzt. Nicht benötigte Energie wird in Akkus gespeichert. Somit steht immer elektrischer Strom zur Verfügung, wenn er gerade benötigt wird.

 

Wirtschaftlichkeit

Die Leistung einer Photovoltaikanlage wird üblicherweise in Kilowattpeak (kWp) angegeben. Eine 1 kWp Photovoltaikanlage kostet etwa 1.800 € (im Jahr 2014) und erzeugt pro Jahr durchschnittlich 1.000 kWh elektrische Energie.

In dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) ist genau festgelegt, wie viel Geld der Besitzer einer Photovoltaikanlage für eine kWh Solarstrom erhält. Die Höhe der Vergütung hängt vom Baujahr der Anlage ab und davon, wie groß die Leistung der Anlage ist.

Die Amortisierungszeit sagt aus, wie viele Jahre vergehen müssen, bis eine Photovoltaikanlage die eingesetzten Anschaffungskosten wieder eingenommen hat. Die Anzahl der Jahre berechnet sich aus den Anschaffungskosten der Anlage, geteilt durch die Differenz zwischen den jährlichen Einnahmen und den jährlichen Kosten. Nach der Amortisierungszeit entspricht diese Differenz dem jährlichen Gewinn.

Zur Herstellung von Solarzellen wird erst einmal sehr viel Energie benötigt. Nach etwa 2 bis 6 Jahren haben Solarzellen diese eingesetzte Energie jedoch wieder erzeugt. Insgesamt haben Solarzellen eine positive Energiebilanz und sind sinnvoll für die Umwelt.

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