Rosenheimer Solarförderverein

Die Technik

Das Verfahren zur direkten Erzeugung von elektrischem Strom aus Tageslicht mit Solarzellen wird als Fotovoltaik bezeichnet. Da keinerlei bewegte Teile im Spiel sind, handelt es sich hierbei um ein äußerst elegantes, lautloses Verfahren zur dezentralen Stromerzeugung.

Das Prinzip

Der Fotoelektrische Effekt wurde bereits 1839 von Alexander Becquerel entdeckt:

Das auf die Solarzelle auftreffende Licht bewirkt in dem Halbleitermaterial, meist Silizium, eine Ladungsverschiebung. Wird an den beiden Kontakten ein äußerer Stromkreis angeschlossen, so fließt elektrischer Strom. Je stärker die Sonne scheint, umso höher ist der Strom. Die Leistung ist temperaturabhängig und nimmt - bei gleicher Strahlung - mit sinkender Temperatur zu. Eine Hinterlüftung der Module ist deshalb besonders wichtig.

Solarzellen werden in der Regel aus Silizium hergestellt, dem zweithäufigsten Element der Erdrinde. Es ist buchstäblich wie Sand am Meer vorhanden (Sand ist Siliziumdioxid) und kann umweltverträglich verarbeitet werden. Der Grund für den bislang noch hohen Preis liegt vor allem in der technisch anspruchsvollen Verarbeitung und der fehlenden Massenproduktion.

Die Solarzelle

Für monokristalline Zellen wird hochreines Material benötigt. Im gleichen Verfahren wie bei anderen Halbleitern (Transistoren, "Mikrochips" usw.) werden aus einer Siliziumschmelze einkristalline Stäbe gezogen und in dünne Scheiben gesägt. Die so hergestellten Zellen haben den höchsten Wirkungsgrad (ca. 14-18%), sind aber auch am teuersten und energieaufwendiger als andere.

Bei der kostengünstigeren Herstellung von polykristallinen Zellen wird flüssiges Silizium in Blöcke gegossen und dann ebenso zersägt, oder man zieht aus einer Schmelze einen dünnwandigen z.B. 8-eckigen Hohlkörper, aus dem dann Platten geschnitten werden. Hierbei werden ohne Abfälle quadratische Scheiben gewonnen. Der Wirkungsgrad ist nur wenig niedriger.

Amorphe Zellen oder Dünnschichtzellen: Hier wird auf Glas oder einem anderen Trägermaterial nur eine extrem dünne Halbleiterschicht im Mikrometerbereich abgeschieden. Es wird also nur wenig hochreines Material benötigt. Das Verfahren ist kostengünstiger, hat aber bislang noch einen deutlich niedrigeren Wirkungsgrad (etwa Faktor 1,5 - 2) und braucht daher größere Flächen. Amorphe Zellen werden neben dem Einsatz in Kleingeräten wie Uhren, Taschenrechnern usw. hauptsächlich als Fassadenelemente verwendet. Amorphe Zellen lassen sich wesentlich großflächiger herstellen.

Das Solarmodul

Eine einzelne Solarzelle erzeugt eine Spannung von etwa 0,5 Volt. Um auf technisch nutzbare Werte zu kommen, wird eine entsprechende Anzahl von Zellen in Serie zu einem Modul verschaltet. Die Leistung heute üblicher Module liegt meist zwischen 50 und 300 Watt bei einer Spannung von ca. 15 bis 50 Volt.

Um einen dauerhaft stabilen und wetterfesten Aufbau zu erhalten, werden die Zellen üblicherweise hinter einer hagelfesten Sicherheitsglasscheibe in Kunststoff eingebettet, oder zwischen zwei Glasscheiben vergossen. Oft werden die Module noch zum besseren Schutz mit einem Metallrahmen versehen.

Die Anordnung mehrerer Module wird als Solargenerator bezeichnet. Im Gegensatz dazu spricht man üblicherweise nur bei der Gewinnung von Wärme aus der Sonne vom Sonnen-Kollektor.

Die Montage

Da genügend geeignete Gebäudedächer zur Verfügung stehen, bietet sich hier eine sinnvolle Möglichkeit, ohne zusätzlichen Flächenverbrauch sauberen Strom zu gewinnen. Eine geschickte Anordnung der Solarmodule bietet auch neue Möglichkeiten zu einer reizvollen architektonischen Gestaltung. Auch die Fassadenintegration spielt, besonders bei öffentlichen oder kommerziell genutzten Gebäuden, eine immer größere Rolle. Die Preise für Solarmodule liegen auch schon heute z.T. unter denen vieler anderer repräsentativer Fassadenverblendungen.

Das Einmaleins der Montagemöglichkeiten

Aufdach: auf einem mit den Dachsparren verbundenen Metallgestell werden die Module oberhalb der bestehenden Dach-Eindeckung befestigt.

Indach: Ähnlich wie thermische Kollektoren, werden die Module in einem Schienensystem fixiert. Die Montage ist dabei meist aufwändiger, da für eine gute Hinterlüftung gesorgt werden sollte und eine Einblechung den Abschluss zu den Ziegeln bilden muss.

Solardachziegel: Spezielle Systeme in der Größe eines oder meist mehrerer Dachziegel, mit denen ein Dach ganz oder teilweise gedeckt werden kann. Teurer als Standardmodule, fügt sich aber gut in die Dachflächen ein.

Flachdach: Die Halterungen werden meist nur auf das Dach gestellt und mit Platten oder einer Kiesschüttung entsprechend beschwert. Vorteil: Die Orientierung des Gebäudes spielt praktisch keine Rolle.

Freiaufstellung: z.B. an Balkonbrüstungen o.Ä., wenn kein Süddach zur Verfügung steht. Auf der "grünen Wiese" meist nicht sinnvoll.

Nachführeinrichtungen: Können den Ertrag erhöhen, aber der finanzielle Aufwand dafür ist oft höher als für eine entsprechend größere Generatorfläche.

Netzgekoppelt oder Inselanlage?

Im Hausbereich sind unter ökologischen wie wirtschaftlichen Gesichtspunkten nur netzgekoppelte Anlagen sinnvoll. Dabei wird der erzeugte Strom ins Netz eingespeist und gleichzeitig an anderer Stelle verbraucht. In einer dezentralen Struktur mit unterschiedlichen Erzeugern wie Wind, Wasser, Biogasanlagen oder Blockheizkraftwerken die sich sinnvoll ergänzen, kann so immer ein bedarfsgerechter Ausgleich erfolgen. Eine aufwändige Speicherung in Batterien oder z.B. mit Wasserstofftechnologie ist dabei nicht nötig.

Bei netzfernen Anlagen, oder wenn eine Notstromversorgung gebraucht wird, sowie bei netzunabhängigen Kleinverbrauchern gekoppelt mit einer Speichermöglichkeit (Leuchten, Pumpen, Parkscheinautomaten etc.), spricht man von Inselbetrieb. Diese Anlagen werden hier jedoch nicht näher behandelt.

Aufbau der Anlage

Die Leitungen des Solargenerators werden je nach Verschaltung entweder über einen Anschlusskasten mit Freischalter oder direkt zum Wechselrichter geführt. Der Wechselrichter wandelt den Gleichstrom in einen netzkonformen Wechselstrom um. Ein guter Wechselrichter zeichnet sich aus durch hohe Zuverlässigkeit, einen guten Wirkungsgrad auch im Teillastbereich, niedrigen Eigenverbrauch und geringe Geräuschentwicklung. Er sollte den Generator immer genau im Punkt der maximalen Leistung führen ("MPP-Tracking"). Zur zuverlässigen Trennung vom Netz bei Störungen oder Stromausfall sorgt eine VDEW-konforme selbsttätige Überwachungseinrichtung oder eine ENS (Impedanzüberwachung). Eine zusätzliche, von außen frei zugängliche Freischaltstelle ist bei den so ausgestatteten Anlagen nicht erforderlich.

Trafolose Wechselrichter haben meist einen etwas höheren Wirkungsgrad als Trafogeräte. Hier wird jeweils eine größere Anzahl von Modulen zu Strängen ("Strings") in Reihe geschaltet, so dass eine hohe Gleichspannung bis zu 600 Volt und darüber entsteht. Man spricht deshalb auch von Stringwechselrichtern.

Bei größeren Anlagen werden entweder mehrere Stränge auf einen zentralen Wechselrichter geführt, oder man arbeitet mit Strangwechselrichtern für je ein oder zwei Stränge, die unabhängig voneinander ins Netz einspeisen. Dies ist vor allem dann notwendig, wenn eine unterschiedliche Ausrichtung der Modulgruppen vorhanden ist, oder bei Teilabschattungen.

Der Wechselrichter wird vorzugsweise an einem kühleren Ort (z.B. Keller) montiert, da sich hohe Temperaturen im Dachboden ungünstig auf seine Lebensdauer auswirken können. Über einen Einspeisezähler wird der erzeugte Strom ins öffentliche Netz gespeist.

Wichtig ist, dass Sie den Strom direkt ins öffentliche Netz einspeisen und nicht zuerst ins Hausnetz. Nur so erhalten Sie für den gesamten erzeugten Strom die Einspeisevergütung von 46,7 Cent/kWh.

Dimensionierung und Flächenbedarf

Die üblichen Module mit kristallinen Zellen benötigen eine Fläche von etwa 10 m² je kWp installierter Leistung. Bei optimalen Bedingungen können damit im Jahr etwa 900 bis 1000 kWh elektrische Energie geerntet werden.
Zum Vergleich: ein deutscher Durchschnittshaushalt mit vier Personen benötigt im Jahr ca. 3500 bis 4000 kWh, ein bewusster Haushalt mit effizienten Geräten kann auch schon mit rund 2000 kWh auskommen.

Die Größe einer netzgekoppelten Anlage ist im Prinzip unabhängig vom eigenen Verbrauch. Eine Rolle spielt vor allem der zur Verfügung stehende Platz sowie die Höhe der gewünschten Investition. Dort wo gute Möglichkeiten vorhanden sind, ist es auch sinnvoll mehr Strom zu erzeugen als im eigenen Haus verbraucht wird.

Ausrichtung und Neigung

Der optimale Ertrag wird in unseren Breiten mit einer guten Südausrichtung und einer Neigung von 30° erzielt. Doch auch im Bereich von SO bis SW und Neigungen von 10° bis 50° ist - mit nur geringfügigen Einbußen - ein sinnvoller Betrieb möglich.

Quelle: Broschüre des Landes Baden-Württemberg

Unter 25° Neigung der Module kann allerdings der Selbstreinigungseffekt durch Regen etwas eingeschränkt sein. Auch der Schnee im Winter sollte nicht übersehen werden, fällt aber (außer bei Inselanlagen) weniger stark ins Gewicht, da er ohnehin nur in der ertragsärmeren Zeit anfällt.

Auf Verschattung sollte allerdings ein besonderes Augenmerk gerichtet werden. Ein über den Solargenerator wandernder Schatten von Kamin, Fernsehantenne oder Freileitung kann zu deutlichen Ertragsminderungen führen. Anders als bei thermischen Solaranlagen fällt hier ein Schatten überproportional ins Gewicht: In einer Reihe von Solarzellen bzw. Modulen bestimmt immer, vergleichbar mit einer Kette, das schwächste Glied (die abgeschattete Zelle) den Strom. Allerdings kann auch hier durch die Art der elektrischen Verschaltung des Generators meist eine befriedigende Lösung gefunden werden.