Photovoltaik ist die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie bzw. elektrischen Strom. Heute wird die Photovoltaik weltweit zur Stromerzeugung eingesetzt. Das griechische Wort „Photos“ bedeutet Licht. „Volta“ ist der Nachname von Alessandro Volta (1745 – 1827), der die Batterie erfand und zu den Begründern unseres Zeitalters der Elektrizität zählt. Nach ihm wird heute die elektrische Spannung „Volt“ benannt.

Photovoltaik-Anlagen haben größere Module, die jeweils eine Vielzahl einzelner Solarzellen vereinen. Die Solarzellen (zumeist je 36 Stück) werden in den Modulen in Reihe hintereinander geschaltet.

Eine Solarzelle liefert eine Spannung von 0,5 Volt und je nach Größe eine Stromstärke von 3 bis 7 Ampere. Bei 36 Zellen hintereinander ergibt sich eine Spannung von 18 Volt. Hauptbestandteil einer Solarzelle ist Silizium, das aus zuvor geschmolzenem Sand gewonnen wird. Silizium gibt es wortwörtlich „wie Sand am Meer“. Dennoch ist das Verfahren zur Gewinnung sehr kompliziert.

Sobald eine Solarzelle der Sonne ausgesetzt wird, entsteht ein Gleichstrom der per Kabelverbindung durch den Wechselrichter fließt, dort in Wechselstrom umgewandelt wird und über einen Zähler in das Stromnetz eingespeist wird. Dieser Vorgang ist dauerhaft, das heißt die Elektronen fließen ununterbrochen, solange Licht einfällt. Eine Solarzelle verliert nicht an Masse oder wird verbraucht.

Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis der erzeugten Energie eines Solarmoduls zur Strahlungsenergie der Sonne. Die Sonne strahlt bei optimalen Verhältnissen etwa 1000 Watt Strahlungsenergie auf einen Quadratmeter Modulfläche. Das Modul aber setzt hiervon etwa 120 Watt in elektrische Energie um. Das entspricht einem Wirkungsgrad von ca. 12 Prozent.

Was aber geschieht mit dem Rest? Über die Hälfte des auftreffenden Lichts wird reflektiert. Die Leiterbahnen haben einen gewissen Eigenwiderstand, dazu kommen Wärmeverluste usw. Dadurch ist der Wirkungsgrad einzelner Zellen größer als der des Moduls insgesamt. In einem Solarmodul haben die Zellen einen gewissen Abstand. Je nach Zellentyp und Bauweise des Moduls ist auch der Wirkungsgrad jeweiliger Module unterschiedlich. Entscheidend ist für den Anwender immer nur der Modulwirkungsgrad.

Heute gibt es monokristalline, polykristalline und Dünnschichtmodule. Bei den kristallinen Modulen ist die technische Entwicklung bereits sehr ausgereift, so dass diese Module nur noch unwesentlich verbessert werden können. Der Wirkungsgrad der Solarzellen liegt bei knapp 15 Prozent und ist nur noch mit hohem Aufwand geringfügig zu steigern. Das aber würde die ohnehin schon beachtlichen Kosten noch weiter in die Höhe treiben. Inzwischen ist der Ertrag bei mono- und polykristallinen Modulen gleich.

Monokristalline Zellen werden in einer Zellstruktur gezogen, polykristalline Module werden in einem Block gegossen. Bei polykristallinen Modulen behindern Zellränder den Elektronenfluss, was aber heute durch spezielle Techniken (Diffundierung mit Wasserstoffatomen) kaum noch eine Rolle spielt.

Dünnschichtmodule sollen bald zur kostengünstigen Alternative werden. Bei diesem Modultyp wird das Silizium so zu sagen „nur noch auf ein Trägermaterial gesprüht“. Die Vorteile liegen auf der Hand: Die automatisierte Produktion im Druckverfahren ist wenig zeitintensiv und überaus günstig. Aktuell haben Dünnschichtmodule einen Wirkungsgrad von etwa acht Prozent – was allerdings angesichts günstiger Produktionsbedingungen den Ertrag nicht schmälert. Bei Dünnschichtmodulen sind technologische Weiterentwicklungen denkbar.

Der Trend geht aktuell in die Richtung, polykristalline Module in hohen Stückzahlen zu produzieren. Es ist abzusehen, dass japanische Hersteller den Markt mit Massenfertigung beherrschen werden. Dennoch liegt der große Sprung zu „Billig-Solarmodulen“ noch in weiter Ferne. Allein die Herstellung der benötigten Solarzellen macht immer noch stattliche 70 Prozent der Gesamtkosten einer Photovoltaik-Anlage aus.

Photovoltaik ist eine weltweit bedeutende Technologie des 21. Jahrhunderts zur Stromgewinnung. Dabei gibt es durchaus noch gewisse Optimierungspotenziale. Der Schmelzprozess zur Siliziumgewinung ist sehr aufwändig. Auch wird noch heute teures Silizium aus der Chip-Produktion verwendet. Aktuell werden zahlreiche Modulfabriken gebaut, jedoch wird das notwendige Solar-Silizium nach wie vor mühsam und in zu kleinen Mengen erzeugt. Große Investitionen wären notwendig, die von allen Herstellern aufgrund der unklaren langfristigen politischen Marktförderung derzeit noch gescheut werden.

Photovoltaik zu einer umfassenden Marktreife zu führen, ist eine Aufgabe, deren Bewältigung weltweit dazu beitragen kann, die Umwelt nachhaltig zu schonen. Der Markt (insbesondere in den Schwellenländern) verlangt nach dezentralen Energieeinheiten. Die Technik selbst ist inzwischen ausgereift.

Gegenwärtig lebt über die Hälfte der Weltbevölkerung ohne jeglichen Stromanschluss. Photovoltaik ist eine optimale Lösung zu einer gerechten, umweltfreundlichen und friedlichen Energiegewinnung. Auch hierzulande kann eine 2000 Watt Photovoltaikanlage die Hälfte des Stromverbrauches eines Vierpersonen-Haushalts decken.

Die Lebenserwartung einer Photovoltaikanlage liegt bei über 30 Jahren. Die Solarzellen selbst arbeiten unbegrenzt. Die Solarmodule können jedoch altern und undicht werden. Die Zellen sind in Kunstharz zwischen Sicherheitsglas und absolut resistenter Folie versiegelt. Die Hersteller garantieren, dass die Solarmodule auch nach 25 Jahren noch 80 Prozent ihrer Nennleistung gemäß Datenblatt ergeben.

Die Ausrichtung sollte von Süd-Ost bis Süd-West sein und die Dachneigung zwischen 10 und 60 Grad liegen. Das Dach darf nicht verschattet werden! Beobachten Sie bitte, ob im Frühjahr oder Herbst evtel. ein Schatten auf dem Dach liegt. Im Winter hingegen sind Schatten unwesentlich, da zur kalten Jahreszeit nur ein Bruchteil des Jahresertrages produziert wird.

Im restlichen Teil des Jahres sollte die vorgesehene Anlage schattenfrei liegen. Bei einem Flachdach spielt einzig die Verschattung eine Rolle. Hier werden die Module auf einzelnen Alu-Blechkonsolen auf das Flachdach gestellt. Die Ausrichtung ist dabei immer gen Süden bei 30 Grad Neigung. Bei einer Fassade (senkrechte Montage) liegt der Ertrag etwa 25 Prozent niedriger.

Nein! Bei einem Pfannendach werden die Pfannen nicht beschädigt. Die Dachhaken werden auf den Dachsparren aufgeschraubt und ragen unter den Dachpfannen hervor. Die Anlage kann also wieder abgeschraubt werden und das Dach ist wie vorher. Bei einem Flachdach werden die Gestelle auf einer Gummimatte berührungslos auf das Dach gestellt. Die Gestelle werden dabei mit Ballast (Betonplatten von 50 bis 100 kg) gegen Windlasten geschützt.

Im Prinzip ja, aber der Aufwand und die Kosten sind derzeit noch höher als die Einsparung. Die Einbindung in das Dach ist aufwändig. Die Übergänge zwischen den Modulen und zur Pfanne müssen dauerhaft sein. Die Module werden mit Alu-Leisten von oben abgedichtet, diese Leisten bilden einen Schmutzrand. Silizium-Solarmodule haben zudem ein temperaturabhängiges Spannungsverhalten. Bei zunehmender Temperatur sinkt die Spannung, da Elektronen durch Wärmeenergie wandern können und für die Leistung der Solarzelle verloren gehen. Die Module sollten also hinterlüftet sein, da bei zunehmender Temperatur deren Wirkungsgrad sinkt.

Wechselrichter wandeln den Gleichstrom automatisch in Wechselstrom um und speisen immer die maximale Leistung in das Netz ein. Der Punkt maximaler Leistung wird ebenfalls automatisch ermittelt (MPP). Die Sinuswelle (~) = Wechselspannung (230 Volt) unseres Stromnetzes wird vom Wechselrichter mehrere tausendmal pro Sekunde gemessen und die erzeugte Wechselspannung entsprechend in das Stromnetz eingespeist. Wechselrichter sind wartungsfrei und arbeiten auf Transistorbasis (IGBT). Die Lebenserwartung ist mit der anderer elektronischer Geräte vergleichbar.

SMA-Wechselrichter müssen nicht gewartet oder überprüft werden. Die Garantiezeit beträg fünf Jahre. Defekte Geräte werden nach Ablauf der Garantie gegen eine geringe Reparaturpauschale ausgetauscht.