Grundlagen Photovoltaik
Vor dem Einstieg in die Photovoltaik-Nutzung ist es ratsam, die wichtigsten Begriffe und Grundlagen dieser Technik kennen zu lernen.
Als Photovoltaik (Abkürzung: PV) bezeichnet man die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in Solarstrom. Bei diesem Vorgang entstehen keine Emissionen – abgesehen von denen, die zur Herstellung der Photovoltaikanlagen unvermeidbar sind.
Für die Nutzung des Stroms gibt es drei Möglichkeiten:
- Er wird in Batterien gespeichert und steht Ihnen zur Eigennutzung zur Verfügung
- Er wird mit Hilfe eines entsprechenden Geräts („Wechselrichter“) in 230-Volt-Spannung umgewandelt und in das allgemeine Stromnetz eingespeist. In diesem Fall handelt es sich um eine so genannte „netzgekoppelte“ PV-Anlage.
- Nur der Strom, den Sie selbst nicht brauchen, wird ins öffentliche Netz eingespeist. Dies wird „Überschusseinspeisung“ genannt, im Gegensatz zur „Volleinspeisung“ aus Punkt 2.
Die Leistung eines Photovoltaik-Moduls wird in kWpeak (kWp = Spitzenleistung) angegeben und beschreibt die Leistung unter genormten Testbedingungen.
Die Höhe der erzielten Leistung ist neben dem geografischen Standort im Wesentlichen von vier Faktoren abhängig: dem Material der Solarzellen, dem Neigungswinkel, der Ausrichtung und – natürlich – der Größe der Fläche.
Faktor 1: Das Material
Photovoltaikmodule bestehen aus einzelnen Zellen, in denen Kristalle für die Energieumwandlung genutzt werden. Je nach Art der Kristalle ergeben sich unterschiedliche Wirkungsgrade.
Grundsätzlich werden drei verschiedene Zelltypen unterschieden: monokristalline, polykristalline und amorphe Zellen (Letztere werden auch Dünnschichtzellen genannt).
Für die Herstellung von monokristalline Siliziumzellen wird hochreines Halbleitermaterial verwendet, daher zeichnen sie sich durch einen relativ hohen Wirkungsgrad aus.
Kostengünstiger ist die Herstellung von polykristallinen Zellen. Sie bestehen aus Scheiben, die nicht überall die gleiche Kristallorientierung und somit auch einen geringfügig kleineren Wirkungsgrad haben.
Monokristalline Zellen haben eine gleichmäßige Färbung, polykristalline Zellen weisen in der Regel eine lebhafte Struktur auf.
Wird eine dünne Siliziumschicht auf Glas oder anderes Substratmaterial gedampft, spricht man von amorphen Zellen oder Dünnschichtzellen. Diese haben geringere Produktionskosten, aber auch einen niedrigen Wirkungsgrad.
| Material | Wirkungsgrad Labor |
Wirkungsgrad Produktion |
Solarfläche je kWp |
|---|---|---|---|
| Monokristallines Silizium | 24 % | 14-18 % | 7-9 qm |
| Polykristallines Silizium | 18 % | 13-15 % | 7,5-10 qm |
| Amorphes Silizium | 13 % | 5-7 % | 14-20 qm |
Der Wirkungsgrad gibt an, wie viel Prozent der eingestrahlten Sonnenenergie in elektrischen Strom umgewandelt wird. In der rechten Spalte sehen Sie, wie viel Fläche durchschnittlich zur Verfügung stehen muss, um 1 kWpeak (unter Standard-Testbedingungen) zu erzielen. Dazu muss gesagt werden, dass die Norm-Bedingungen in der Realität nicht häufig erreicht werden – aber sie dienen zum Vergleich der Solarzellen.
Faktor 2: Der Neigungswinkel
Der beste Neigungswinkel hängt von der Jahreszeit ab. Im Sommer ist ein Neigungswinkel von 0° bis 27° ideal, im Winter dagegen von 54° bis 75°. Um die Solarmodule nicht jahreszeitbezogen neu justieren zu müssen, wird in der Regel eine größere Fläche eingeplant. Für Mitteleuropa sind 30° der Richtwert; in unseren Breiten sind 36° der ideale Neigungswinkel.
Faktor 3: Die Ausrichtung (Azimutwinkel)
Der Azimutwinkel gibt an, wie viel Grad die Solarmodule von der exakten Südausrichtung abweichen. Geeignet sind Dächer mit einer Ausrichtung zwischen Südwest und Südost.
| Neigungs-winkel | Der Solarstromertrag [in %] in Abhängigkeit von der Ausrichtung und dem Neigungswinkel | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 15° | 88,0 | 91,5 | 94,0 | 96,0 | 96,5 | 96,0 | 93,5 | 91,0 | 87,5 |
| 30° | 85,5 | 91,5 | 96,5 | 99,0 | 100,0 | 99,0 | 96,0 | 90,5 | 84,5 |
| 45° | 81,0 | 88,0 | 94,5 | 97,5 | 98,5 | 97,0 | 93,5 | 87,5 | 80,0 |
| 60° | 75,0 | 82,5 | 87,0 | 91,5 | 92,0 | 91,0 | 87,5 | 81,0 | 74,0 |
| 90° | 63,0 | 67,0 | 68,0 | 66,5 | 67,0 | 66,0 | 81,0 | ||
| Ausrichtung | W | WSW | SW | SSW | S | SSO | SO | OSO | O |
Fazit für die Planung einer PV-Anlage
Kleinere Abweichungen von der Ausrichtung und dem Neigungswinkel sind nicht problematisch. Hingegen ist ein schattenfreier Aufbau von großer Bedeutung, denn hier können leicht Leistungseinbußen von mehr als 30 Prozent auftreten.
Bei der Planung ist deswegen zu beachten, dass die Anlage für 20 bis 30 Jahre ausgelegt wird. In dieser Zeit kann in der Umgebung einiges geschehen! Achten Sie auf mögliche Verschattungsprobleme wie Neubauten oder Bäume.
Berechnung der Wirtschaftlichkeit
Damit die Photovoltaikanlage eine Einspeisevergütung laut EEG (Erneuerbare Energien Gesetz) erhält, muss sie eine Leistung von mindestens 1000 Watt Peak (Wp), also 1 Kilowatt Peak (kWp), liefern. Pro 1 kWp werden rund 7 bis 10 qm Solarmodulfläche benötigt (Faustformel: 1 kWp = 10 qm Solarfläche).
Je installiertem kWp erzeugen Anlagen in Norddeutschland (PLZ-Bereich 2) durchschnittlich rund 938 kWh (Kilowattstunden) im Jahr. Bei einer Einspeisevergütung für PV-Anlagen von 39,14 ct/kWh netto zahlt das Versorgungsunternehmen somit 367,13 €/kWh netto. Das sind in 20 Jahren 7.342,66 € je installiertem kWp.
Die Einspeisevergütung nach dem Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) ist für 20 Jahre plus die Monate des Inbetriebnahmejahres garantiert.
Die Investitionskosten je kWp liegen zwischen 2.700 € bis 4.000 € , je nach Anlage und Montageart.
Tipp: Damit sich die Investition für Netzgekoppelte PV-Anlagen lohnt, sollte diese mindestens 15 qm (ca. 2 kWp) groß sein.