Solarstromanlagen- Grundlagen

Solarzellen, Solarmodule  und Strings

Eine Solarzelle von der Größe z. B. 12,5 x 12,5 cm liefert etwa einen Strom von 5 Ampere und eine Spannung von ca. 0,6 Volt.

(Leistung = 0,6 V x 5 A = 3 Watt)

Um eine in der Praxis nutzbare Leistung zur Verfügung zu haben, verschaltet man mehrere Zellen und die wieder zu einem Solarmodul in Reihe hintereinander.

Typische Kenndaten eines Moduls:

z. B. 5 A Gleichstrom und Netzspannung 24 V.

Das Moduls schützt die Zelle auch gegen Witterung.

(Zelle wird Trägermaterial zwischen Glas und einer Rückseitenfolie eingebettet).

Mehrere Module werden zu einem String verschaltet.

Einstrahlungswerte in Deutschland

Grobe Übersicht über mögliche Einstrahlwerte verschiedener Regionen

(nach Berechnungsprogramm PV-Profit

- Norddeutscher Bereich (List bis etwa Braunschweig):

ca. 700 bis 825 kWh/kWp, Mittelwert über 10 Jahre 800 kWh/kWp

- Mittlerer Bereich (Braunschweig bis etwa Coburg):

ca. 800 bis 880 kWh/kWp, Mittelwert über 10 Jahre 830 kWh/kWp

- Süddeutscher Bereich (südlich von Coburg):

ca. 840 bis 1.030 kWh/kWp, Mittel über 10 Jahre 900 kWh/kWp

Sonnescheindauer

ca. 650 bis 900 h pro Jahr) > Karte

Leistung und Ertrag

Leistung:

ca. 0,17 bis 0,2 kW/m²

Kollektorfläche:

ca. 5 bis 6 m² Kollektorfläche/kW_P

Ertrag pro Jahr:

spezifischer Solarertrag ca. 650-900 kWh/kWp

(eine genaue Berechnung ist erforderlich)

(Index p= Pik bedeutet Spitzenleistung bei einer Lichtstärke von 1000W/m² und einer Temperatur von 25°C)

Umwelt

Jährliche Einsparung von ca. 900 kg CO2 pro installiertem kW.

Lebensdauer

ca. 30 Jahre

Finanzierungshilfen und günstige Kredite

Infos unter www.kfw-foerderbank.de, www.solarfoerderung.de

Mehr Infos über Solarstrom-Anlagen auch unter www.pvprofit.de oder www.solid.de)

Arten von Solarzellen

Wirkungsgrade und Einsatz für Solarzellen

Dünn- und Dickschichtzellen

Nach der Schichtdicke des solar aktiven Materials unterscheidet man Dünn- und Dickschichtzellen.

Die Schichtdicke bei Dünnschichtzellen ist ca. 100 mal dünner. Der Marktanteil liegt z. Z. gegenüber der ausgereiften Dickschichtzellen bei ca. 20%.

Der Preisvorteil wird allerdings geringer ausfallen, als erwartet.

Interessante architektonische Lösungen lassen sich mit speziellen transparenten Dünnschichtmodulen oder halbtransparenten Glas-Glasmodulen für Dach und Fassade erreichen.

HIT-Zellen (Sanyo)

Kombination von von kristallinen und amorphen Silizium mit besonders breitem Strahlungsspektrum und demzufolge je nach Einsatz mit meistens auffallend hohen Erträgen.

(HIT=Heterojunction with Intrinsic Thin Layer)

Kommerziell verfügbare Dickschichtzellen

Zellen aus monokristalline Silizium ca. 14-18%

Zellen aus polykristallinen Silizium ca. 13-16%.

Kristalline Silizium-Zellen können bereits den nahen Infrarotanteil im Sonnenlicht gut verarbeiten und sind somit bei klaren Wetter mit viel direkter Einstrahlung gut geeignet (z. B. Süden Deutschlands).

Kommerziell verfügbare Dünnschichtzellen

Zellen aus amorphen Silizium ca. 7-11%

Zellen aus Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) ca. 10-13%

Zellen aus Cadmium-Telluid ca. 9-12%

Viele Dünnschichtzellen sind empfänglicher für den blauen Teil des Lichtspektrums und haben somit bei diesigem Wetter einen Vorteil (z. B. Flussniederungen etc.).

Solarzellen unterliegen einem Alterungsprozess, in dessen Verlauf die Leistung der Zellen geringer wird.

Leistung ist nicht gleich Ertrag

Leistung (kW)

= Fähigkeit einer Anlage, Energie zu liefern.

Energie (kWh)

= konkreter Ertrag der Module, also Leistung während einer bestimmten Zeitspanne.

Auf diesen Wert kommt es am Ende an.

Der Ertrag errechnet sich als Produkt aus der Leistung und der > Sonnenscheindauer.

Daher liefern die Module im Sommer deutlich mehr Strom als im Winter (zwischen April und September wird 3/4 des Jahresertrages produziert).

Temperaturkoeffizient

= Wert, um den sich die Leistung einer Solarzelle mit jedem Grad zunehmender Temperatur vermindert.

Solarmodule haben einen negativen Leistungskoeffizient (=Temperaturkoeffizient), z. B. -0,4 bis -0,5%/K bei kristallinem Silizium, d. h. mit steigender Temperatur nimmt die Leistung ab.

Je höher der Zahlenwert, desto schlechter.

Typische Werte für Temperaturkoeffizienten:

- monokristallines Silizium -0,40%/K

- polykristallines Silizium   -0,45%/K

- Cadmium-Telluid           -0,20%/K

- amorphes Silizium         -0,40%/K

Je nach Fabrikat sind z. T. erhebliche Abweichungen möglich.

Beispiel:

Nennleistung eines Moduls unter Standartbedingungen STC (bei 1000 W/m² mit dem Lichtspektrum Air Mass (AM) 1,5 und einer Zellentemperatur von 25°C) beträgt 165 W Spitzenleistung im Sommer.

Wenn sich das Modul auf 65°C (40 K mehr) erwärmt, dann liefert es 20% weniger Leistung, also 132 W.

(an heißen Sommertagen sind Modultemperaturen von 70°C sehr häufig).

Umgekehrt ist im Winter bei +5°C (20 K weniger als STC) eine Mehrleistung von 16,5 W möglich.

In der Summe sind das 165 W + 16,5 W = 181,5 W.

*) Datenbasis jeweils 6 durchgehend sonnige Tage zwischen Dez. 05 und Jan. 06 sowie 7 jeweils durchgehend sonnige Tage aus Juni und Juli 06. Aufzeichnung der Werte durch das Programm "Safer Sun" von Metrocontrol, berechnet von Solid.

Baugruppen einer netzgekoppelten PV-Anlage

Eine PV-Anlage besteht aus

- mehreren Solarmodulen  (Strings) mit Montagesystem

- Gleichstromverkabelung

der Module untereinander

- Wechselrichter

wandelt die vom Solargenerator abgegebene Gleichspannung in netzkonforme Wechselspannung um.

- Anschlusskasten mit Stromzähler

zur Einleitung in das Stromnetz und Abrechnung des eingespeisten Stroms. Zu bevorzugen sind Drehstromzähler)

- Ertragsüberwachung

nicht unbedingt erforderlich, aber sehr zu empfehlen

Netzautarke PV-Anlage (Inselanlage)

Bei netzautarken (unabhängig vom Stromnetz) Anlagen werden zusätzlich Batterien und ein Laderegler benötigt.

Sie werden vorwiegend in Gebieten ohne Stromanschluss eingesetzt.

Um bei Sonnenschein pro Tag ca. 5 kW elektrische Leistung zu erzeugen, ist eine nach Süden ausgerichtete Kollektorfläche von ca. 25-30 m² erforderlich.

Der Stromverbrauch eines typischen EFH mit 3 Personen liegt bei ca. 3.800 kWh/a.

Eine PV-Anlage mit einer Spitzenleistung von ca. 4,3 kWp erzeugt etwa diese 3.800 kWh/a mit einer Kollektorfläche von ca. 40 m² (Standort Bonn).

Kosten

Eine komplette PV-Anlage zwischen 2 bis 5 kWp (Aufdach) kostete im Schnitt

- 2007 ca. 4.500 bis 5.500 €/kWp inkl. Installation

- 2011 nur noch ca. 2.500 €/kWp

Beispiel 3 kW-Anlage (Stand 2006)

Eine 15-18 m² große Anlage kostet ca. 18.732 Euro einschließlich Montage und ohne MwSt (6.244 €/kWp) und erzeugt jährlich 900 kWh/kWp.

Im Norden von Deutschland liegen die Erträge eher zwischen 800 und 850 kWh (vergleiche Karte).

Funktion einer Solarstromanlage

Solarzellen wandeln auf sie auftreffendes Licht direkt in Gleichstrom um.

Für den kommerziellen Einsatz sind in einem Solarmodul mehrere Solarzellen miteinander verlötet und wetterfest eingerahmt.

Damit man den von den Solarmodulen gelieferten Gleichstrom im Haushalt nutzen kann, muss ihn ein  Wechselrichter in netzkonformen Wechselstrom wandeln.

Die netzgekoppelten Solarstromanlagen liefern ihren Strom komplett an das öffentliche Stromnetz.

Der Anlagenbetreiber bekommt nach dem Erneuerbaren-Energien-Gesetz dafür vom Netzbetreiber eine Einspeisevergütung erstattet.

Wechselrichter

Funktion

Mit einem Wechselrichter kann man den von Photovoltaikanlagen gelieferten Solarstrom in das öffentliche Netz einspeisen:

Er wandelt die vom Solargenerator abgegebene Gleichspannung in netzkonforme Wechselspannung um.

Anforderungen

Eine PV-Anlage ist nur so gut, wie der dazugehörige Wechselrichter!

Die Eingangsleistung des Wechselrichters sollte möglichst gut an die Ausgangsleistung des Solargenerators angepasst sein.

Ein geeigneter Wechselrichter zeichnet sich durch

- guten Wirkungsgrad auch unter Teillastbedingungen,

- geringen Bereitschafts- und Eigenstrombedarf,

- schnelle und sichere Installation ohne komplizierte Verkabelung,

- und eine geringe Geräuschentwicklung aus.

Der Wechselrichter sollte den Solargenerator immer im Punkt seiner maximalen Leistung betreiben (Maximum Power Point- oder MPP-Tracking) und über eine selbsttätige Ein- und Ausschaltfunktion verfügen.

Aufgaben moderner Solarwechselrichter

- Stromwandlung (Gleichstrom in Wechselstrom) und MPP-Regelung

- erfassen, speichern und übermitteln von Betriebsdaten

- sorgen für einen sicheren Betrieb der Solarstromanlage

Wechselrichter mit Transformator

verfügen durch dieses Bauteil über eine so genannte galvanische Trennung.

(=Sicherheitsbarriere zwischen dem Solarstromkreis und dem Netzanschluss)

Sie bietet zwei Vorteile:

Zum einen können die Solarspannungen, egal wie hoch sie auch sein mögen, nicht auf die Netzseite hindurchdringen und dort Schaden anrichten.

(zumindest bei Niederfrequenz-Trafos)

Zum anderen bleibt die Gleichstromseite von Einflüssen des Netzwechselstroms verschont.

Wechselrichter ohne Transformator

Bei trafolosen Wechselrichter, die mit höheren Wirkungsgraden aufwarten können, trennt eine Isolations- und Fehlerstrom-Überwachung beim Auftreten eines Fehlerstroms die Solarstromanlage vom Netz.

Auslegung der Wechselrichter

Da sich Solarzellen in der Sonne schnell erwärmen (kristalline Zellen ca. 0,4%/ °C) ist es sinnvoll, die Leistung der Wechselrichter etwas geringer zu halten.

Faustregel:

Die Nennleistung auf der Gleichstromseite der Wechselrichter sollte mindestens 80% der Anlagenleistung betragen.

Montage von Solarmodulen

Ausrichtung

Damit die Solarmodule möglichst viel Strom liefern (100%), sollten sie in Deutschland in Südausrichtung und mit einem Neigungswinkel von etwa 30 Grad installiert sein.

Abweichungen aus der Südausrichtung um 45 Grad sowie Neigungswinkel zwischen 10 und 50 Grad reduzieren den jährlichen Anlagenertrag:

Schräg (30°)

SW oder SO: Ertrag 95%; Ost oder West: 85%

Flach (0°)

Ertrag 95%

Senkrecht (90°)

Süd: Ertrag 70%; SW oder SO: 65%; Ost oder West: 50%

Ob Anlagen mit Nachführungssystemen in der Realität über 22 Jahre einen höheren Ertrag bringen, muss sich erst noch zeigen.

Entscheidender sind eine gute Planung, hochwertige Komponenten, fachgerechte Installation und eine umfassende Qualitätssicherung.

Verschattung

Die Solarmodule sollten so montiert sein, dass sie möglichst ganzjährig nicht verschattet sind.

Dabei ist auch auf geringfügige Verschattungen durch Gebäudevorsprünge, Schornsteine und Bäume zu achten.

Hinterlüftung/ Kühlung

Die Solarmodule sollten gut hinterlüftet sein. Denn je wärmer sie sind, desto geringer ist ihre Leistung.

Dachintegrierte Module sind demzufolge im Ertrag ungünstiger als Freiflächenanlagen auf der Wiese mit viel Wind.

Auch eine Kühlung z. B. durch eine Regenwasseranlage ist denkbar.

Ort

Solarmodule mit einer Leistung von 100 Watt sind etwa 1 m² groß. Man kann sie auf dem Dach (Schräg-/ Flachdach), oder an der Fassade montieren bzw. auf dem Erdboden aufständern.

Montagesysteme

für Schräg- und Flachdächer, In-Dach-Systeme mit Hinterlüftung, Fassaden, am Boden etc.

Architektonisch besonders reizvoll sind dachintegrierte Lösungen und Solarfassaden, bei denen anstelle herkömmlicher Fassadenelemente spezielle Solarmodule zum Einsatz kommen.

Leitungen

Die Modulanschlussleitungen sollten witterungs- und temperaturbeständig sein und erd- und kurzschlusssicher verlegt werden.

Sie sollten möglichst im beschatteten Bereich verlegt und nicht auf die Dachhaut aufgelegt sein.

Auch bei der Gleichstromhauptleitung ist auf eine kurz- und erdschlusssichere Verlegung zu achten.

Die Isolierung der Kabel sollte hochwertig und alterungsbeständig sein.

Blitzschutz

Eine eigene Blitzschutzanlage für Solarstromanlagen ist nicht notwendig.

Das Tragegestell, die Modulrahmen und die Überspannungsleiter sollten jedoch in eine bestehende Blitzschutzanlage eingebunden sein.

Eine vorherige Klärung mit der Versicherung ist auf jeden Fall zu empfehlen.

Versicherung von Solaranlagen

Schneedruck, Hagel, Brände und Blitzeinschläge können großen Schaden an den Anlagen anrichten.

Zu empfehlen ist eine Allgefahrenversicherung. Hiermit sind alle Gefahren versichert, die die nicht als Ausschluss (Krieg, Abnutzung, Erdbeben oder Streik) definiert werden.

Eine Betreiberhaftpflicht ist ist vor allem bei größeren Anlagen auf gemieteten oder gepachteten Dächern ratsam.

Auch eine Elektronik- und Ertragsausfallversicherung kann z. B. bei einem Brand sehr nützlich sein.

Vor dem Abschluss sind nicht nur die Preise der Versicherungen zu vergleichen, sonder vor allem die Leistungen, wie Selbstbehalte, Tagesentschädigung, Haftzeit oder Erdbebenrisiko.

Zukünftig müssen Versicherungen mehr auf Qualitätskriterien achten und besonders auf die Einhaltung der Schnee- und Eislasten nach DIN 1055-5.

EEG-Einspeisevergütungen für Solarstrom

Beispiele (s. Tabelle)

Wer z. B. 2007 eine Solarstromanlage installierte, erhielt in den folgenden 20 Jahren für den Solarstrom 49,21 Ct/kWh (AD bis 30 kW).

Senkung der Solarstrom-Förderung 2009

Die Vergütung für zukünftige Anlagen soll allerdings deutlich reduziert werden, mindestens jährlich um 7%, statt wie bisher 5%!

Zudem soll die Vergütung ab 1.1.2009 einmalig um 1 Ct zurückgeführt werden, dass ergibt dann eine schlagartige Absenkung um 9,2%.

Mit weiteren Absenkungen ist in Zukunft zu rechnen.

Da gleichzeitig die Investkosten aber stark gefallen sind, liegt die Rendite 2011 immer noch zwischen 5 und 7%, also besser als jede andere Geldanlage!

 !  Senkung der Solarstrom-Förderung 2012 um 15 %

Die Einspeisevergütung beträgt ab 1.1.12 nur noch 24,43 Ct/kWh.

Erneuerbare Energien-Gesetz (EEG) umstritten

"Die Sonne schickt keine Rechnung", trotzdem wird Öko-Strom immer teuerer

Der gesamte Anteil der erneuerbaren Energien (Wind, Wasser, Biomasse, Solar, Sonstige) an der Stromversorgung liegt inzwischen (2010) bei 16%, 2002 waren es nur 6,5%.

Für die Ökoenergiebranche ist das EEG-Gesetz ein Erfolg, für die Kritiker ein Subventionsgrab.

2009 wurden Solarstromanlagen mit 4.000 MW installiert, 2010 könnten es 8.000 MW werden.

Es ist ein technologischer Irrweg, PV-Anlagen in Deutschland so stark zu fördern.

(nicht nur, weil PV-Anlagen gegenüber solarthermischen Kraftwerken in Zukunft evtl. an Bedeutung verlieren könnten)

Finanziert wird die Förderung der erneuerbaren Energien über eine Umlage auf den Strompreis, den alle Bürger bezahlen.

Inzwischen sind alle Parteien der Auffassung, dass die Förderung durch Einspeisevergütung der vernünftigste Weg ist.

Durch den Solarboom 2009/10 ist die Umlage in die Höhe gestiegen. Sie wird sich 2011 um 2 Ct/kWh auf 4 Ct/kWh verdoppeln.

Die EEG-Umlage geht zu Lasten der kleinen Kunden, die Industrie ist von ihr weitgehend befreit.

Geteilter Meinung konnte man über die Pläne von Schwarz-Gelb sein, die Förderung auf 20 Ct/kWh produzierten Strom zu verringern (z. Z. 34 Ct/kWh).

Schließlich sind die Anlagen ab 2009 auch deutlich billiger geworden (ca. 30%) und  der Boom wird deswegen nicht gleich zusammenbrechen.

Durch eine Subventionskürzung wird der Strom für die die Verbraucher aber nicht billiger.

Im Vergleich wird Windstrom nur mit 9 Ct/kWh gefördert, trotzdem ist Windstrom deutlich billiger.

An der Leipziger Strombörse liegt der Preis für konventionell erzeugten Strom bei ca. 5 Ct/kWh, Haushalte zahlen im Vergleich 20 Ct/kWh.

Spätesten seit 2011 konnten die Bürger die Folgen des Solarbooms auf ihrer Stromrechnung sehen.

Die Strompreise für den Normalverbraucher sind mindestens um 10% gestiegen.

Damit dürfte die Schmerzgrenze für den Endverbraucher so langsam erreicht sein.

Umweltstrom muss trotz allem bezahlbar bleiben!

Der Streit in der Politik, welche erneuerbare Energien wie stark gefördert werden sollen und wie der Energiemix 2030 aussehen soll, wird immer hitziger, weil er die Laufzeitverlängerung der 17 Atomkraftwerke beeinflussen wird .

Bei ca. 1 Mill. Euro/Tag Gewinn für ein altes Atomkraftwerk, kann sich jeder ausrechnen, wie der Streit der Politik in Deutschland enden wird!

(2011 ist durch die Atomkatastrophe in Japan der Atomausstieg in Deutschland beschlossen worden!)

Überschüssiger Biostrom führt zu negativen Strompreisen

Die Ursache ist, dass man Strom nicht wirtschaftlich speichern kann, außer in Pumpspeicherwerken.

Dafür wollen die Pumpspeicherwerke aber Geld, das führt somit zu negativen Strompreisen, der Verkäufer zahlt für den Moment des Überschusses kurzzeitig drauf.

Das ist zunächst natürlich billiger, als ein Kraftwerk kurzzeitig abzuschalten.

Die Stromkonzerne holen sich aber das Geld vom Kunden zurück, indem sie den Betrag später auf die Umlage für erneuerbare Energien draufschlagen.

Energetische Amortisation von Solarzellen

Solarzellen verbrauchen bei der Herstellung eine gewisse Menge an Energie. Im Betrieb wird dann mit Hilfe der PV-Module wieder Energie erzeugt.

Definition energetische Amortisationszeit

Zeitraum, den die Solarzelle Strom erzeugen muss, um die bei der Herstellung aufgewendete Energie zurückzuliefern.

In der Vergangenheit war manchmal von 20 Jahren oder länger die Rede, diese Aussagen sind aber heute nicht mehr haltbar.

Ergebnisse

- Studie "Energy Payback Time of Crystalline Silicon Solar Modules"

(von J. Nijs, u. a. (erschienen in "Advances in Solar Energy, Boulder, CO USA; vol. 11, 1997).

Danach liegt die energetische Amortisation von kristallinen Zellen zwischen 2,5 (polykristalline Zellen) und rund 5 Jahren (monokristalline Zellen).

Durch Verbesserungen im Herstellungsprozess sollten sich diese Zeiten nochmals etwa halbieren lassen.

Bei amorphem Silizium liegt die energetische Amortisationszeit bei etwas über einem Jahr.

- Studie der TU Berlin

Auch diese kommt zum Ergebnis, das sich alle Solarzellentypen energetisch mehrfach amortisieren:

Am besten schneiden hier die Dünnschichtzellen ab, am schlechtesten kristallines Silizium.

Die Werte für MIS-Zellen liegen in der gleichen Größenordnung wie die für amorphes Silizium. Lebensdauer: 30 Jahre

Monokristallines Silizium

Wirkungsgrad 14,5 bis 15,5%: Amortisationszeit: 48 bis 75 Monate

Polykristallines Silizium

Wirkungsgrad 12 bis 14%: Amortisationszeit: 25 bis 57 Monate

Amorphes Silizium:

Amortisationszeit: 17 bis 41 Monate

Für wesentlich mehr Informationen stehen wir Ihnen mit einer persönlichen Fachberatung jederzeit gerne zur Verfügung.