Eine Photovoltaikanlage, auch PV-Anlage (bzw. PVA) oder Solarstromanlage genannt, ist ein Kraftwerk, in dem mittels Solarzellen ein Teil der Sonnenstrahlung in elektrische Energie umgewandelt wird. Demgegenüber arbeiten andere Sonnenkraftwerke (z. B. solarthermische Kraftwerke) über die Zwischenschritte Wärmeenergie und mechanische Energie. Seit 1958 ist sie zur Energieversorgung der meisten Raumflugkörper mit Solarzellen im Einsatz. Inzwischen wird sie auch auf der Erde zur Stromerzeugung eingesetzt und findet Anwendung auf Dachflächen, bei Parkscheinautomaten, in Taschenrechnern, an Schallschutzwänden oder auf Freiflächen.
Die als Licht und Wärme auf die Erde auftreffende Menge an Sonnenenergie beträgt jährlich 1,5 · 1018 kWh; dies entspricht in etwa dem 15.000-fachen des gesamten Primärenergieverbrauchs der Menschheit im Jahre 2006 (1,0 · 1014 kWh/Jahr). Der Lichtenergieeintrag durch die Sonne beträgt pro Jahr etwa 1,1 · 1018 kWh. Diese Strahlungsenergie kann prinzipiell aufgefangen und teilweise in Elektrizität umgewandelt werden, ohne dass Nebenprodukte wie Abgase (beispielsweise Kohlendioxid) entstehen. Der Wellenlängenbereich der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung reicht vom kurzwelligen, nicht sichtbaren Ultraviolett (UV) über den sichtbaren Bereich (Licht) bis weit in den langwelligeren infraroten Bereich (Wärmestrahlung) hinein. Bei der Umwandlung wird der photoelektrische Effekt ausgenutzt.
- Flexibilität, modular aufbaubar, Integrierbarkeit in bauliche Strukturen
- Nahezu überall einsetzbar, unerschöpflich
- Unabhängigkeit von Netzinfrastruktur („stand alone“ oder im Netzbetrieb möglich)
- Lange Lebensdauer: zumindest 25 - 30 Jahre (eher 35 – 45 Jahre)
- Große Verlässlichkeit
- Mechanische Verschleißfreiheit
- Geräuschlos, geruchlos, keine Emissionen im Betrieb
- Höchste Erträge zu Zeiten hohen Kühlbedarfes (Spitzenlasten)
- Keine Brennstoffzufuhr erforderlich, geringer Wartungsaufwand und hohe
Zuverlässigkeit
- Stärkung der Versorgungssicherheit (Unabhängigkeit von fossilen und atomaren
Energieträgern – lokale Stromerzeugung, wirtschaftliche Unabhängigkeit von
Drittstaaten, größere wirtschaftliche Unabhängigkeit)
- Positive wirtschaftliche Aspekte (High-Tech-Wirtschaft, Arbeitsplatzeffekte, lokale
Wertschöpfung)
- Hohes Weiterentwicklungspotential: Kostensenkungspotential,
Wirkungsgradsteigerungen, verstärkte Recyclierbarkeit
- Derzeit noch hohe Anfangsinvestitionen
- Großer Optimierungsbedarf in der Zellfertigung, Reduktion des Materialeinsatzes,
Wirkungsgrade derzeit noch weit vom physikalischen Optimum entfernt
- Einbau dieser Stromquelle in die elektrischen Versorgungsnetze stellt aufgrund der
Abhängigkeit vom Angebot der Sonne (fluktuierende Energielieferung, regionale
Unterschiede) bei starker Verbreitung eine große Herausforderung dar
- Effiziente, sichere und optisch ansprechende Nutzung der Photovoltaik als
funktionaler Teil der Gebäudehülle und anderer baulicher Strukturen nicht möglich
- Großes Informationsdefizit über die Potentiale dieser Technologie, Akzeptanz seitens der Architekten
Photovoltaik auf Basis von Solarzellen aus organischen Kunststoffen wird als Organische Photovoltaik bezeichnet. Der Wirkungsgrad und die Haltbarkeit der augenblicklich verfügbaren Materialien liegen noch deutlich hinter denen vergleichbarer Zellen auf Siliziumbasis. Jedoch lassen sich aus organischen Materialien bei angestrebt deutlich geringeren Produktionskosten Solarzellen herstellen, die transparent, biegsam und dünn wie Kunststoff-Folien sind und daher wesentlich vielfältiger und breiter einsetzbar wären. So könnten beispielsweise Fenster vollständig mit organischen Solarzellen beschichtet werden.
Eine Photovoltaikanlage besteht aus mehreren Komponenten. Aufgrund der geringen elektrischen Spannung einer einzelnen Solarzelle (ca. 0,5 Volt) werden mehrere Zellen zu Solarmodulen zusammengefasst. Der Solargenerator besteht aus einem oder mehreren solcher Module. Die Solarmodule empfangen und wandeln die Lichtenergie der Sonne in elektrische Energie in Form von Gleichstrom um. Die Empfängerfläche bildet entweder das Solarmodul selbst oder aber ein optisches System, bei dem Spiegel oder Linsensysteme die Strahlung auf die Solarzellen umleiten und konzentrieren. Eine Konzentration (z. B. mit einer Fresnellinse) findet statt, wenn die Strahlung auf einer Fläche eingesammelt wird, die größer als die Empfängerfläche ist. Dann muss der Spiegel oder das Linsensystem den Strahlengang so ändern, dass die eingefangene Strahlung auf die Empfängerfläche gebündelt wird.
Die elektrische Energie wird über Kabel dem restlichen System zugeführt. Sie kann dort entweder gespeichert (Inselanlage) oder aber in ein elektrisches Netz, zum Beispiel das öffentliche Stromnetz, eingespeist werden (Hybridanlage, netzgekoppelte Anlage).
Aus dem Reinstsilizium wird (Reinheit: 99,99998%) wird ein Kristallstab gezogen
(D= 10 cm, l= 1 m). Dieser Einkristall wird in ca. 450 µm Scheiben zersägt. bis über 20 % Wirkungsgrad
Reinstsilizium wird in quadratische Blöcke gegossen und ebenfalls in dünne Scheiben zersägt. bis über 16 % Wirkungsgrad
Nachteil: gegenüber monokristallinen Zellen: keine homogene Kristallstruktur, daher ist die Energieumwandlung an den Kristallgrenzen gestört à geringer Wirkungsgrad. Charakteristisch ist die marmorisierte Eisblumen- Oberflächenstruktur die blau bis silbrig glänzt.
Vorteil: ein Arbeitsgang weniger (Ziehen des Stabes), da quadratische Form platzsparender zu größeren Einheiten verarbeitbar.
Silizium wird auf Trägermaterial (Glas) als dünne Schicht aufgedampft. Diese besitzt keine kristalline Struktur, ist also amorph.
Nachteil: Leistung gegenüber kristallinen ca. 1/3 und sie leiden unter Ermüdungserscheinungen.
Vorteil: Sie werden direkt als kompakte Solarzellenfläche (Modul) maßgerecht hergestellt.
Herstellungsverfahren sehr kostengünstig.
Die Optimale Ausrichtung einer Photovoltaik Anlage ist essentiell für einen hohen Wirkungsgrad. Die Photovoltaik Module sollten genau Richtung Süden zeigen, wobei Anlagen mit Abweichungen von bis zu 30 Grad in östlicher oder westlicher Richtung auch sehr hohe Erträge erzielen. Erfahrungsgemäß ist eine Abweichung in westlicher Richtung einen Hauch besser als gen Osten.
Die optimale vertikale Neigung der Photovoltaik Anlage hängt entscheidend von der geografischen Breite ab. In nördlichen Regionen sollten Photovoltaik Module etwas steiler montiert werden, im südlichen Gegenden eher flacher. Optimale Werte für Deutschland liegen zwischen 26 und 32 Grad Neigung.
Wer kein Flachdach besitzt oder wessen Dachfläche nicht südlich ausgerichtet ist, muss trotzdem nicht auf eine effiziente Photovoltaikanlage verzichten. Auch mit deutlich nach Westen oder Osten orientierten Anlagen lassen sich bis zu 90% der optimalen Anlagenleistung erreichen.
Die Solarmodule werden mit einem Gerüst aufgebaut.
Einfacher Aufbau auf ein Flachdach.
Anbau an der Fassade des Gebäudes.
Eine Inselanlage hat keine Verbindung zu einem (z.B. dem öffentlichen) Stromnetz. Bei Inselanlage findet man meistens eine Pufferung des gewonnenen Stromes in Solarbatterien. Am häufigsten werden Bleiakkumulatoren verwendet. Je nach Aufbau der Anlage können nur Gleichstromverbraucher oder mit einem Wechselrichter auch Wechselstromverbraucher oder beide Verbrauchertypen gleichzeitig betrieben werden. Um den Akku vor Überladung zu schützen, ist meist ein Laderegler notwendig. Um schädliche Tiefentladung zu verhindern, ist oft eine Lastabwurfschaltung vorhanden.
Zum Betrieb von Wechselstromverbrauchern wandelt ein Wechselrichter den Gleichstrom (meist 12 oder 24 V Gleichspannung) in Wechselspannung um. Bei der Umwandlung und Übertragung des Gleichstroms in Wechselstrom entstehen Verluste (meist 3 bis 7 %). Diese Wechselrichter können nicht mit dem öffentlichen Netzwerk gekoppelt werden, da die Ausgangsspannung solcher Wechselrichter zwar oft eine 50-Hz-Sinuskurve ist, diese jedoch nicht mit der des öffentlichen Stromnetzes synchronisiert ist. Manche Wechselrichter liefern auch nur eine Trapez- oder Rechteckspannung. Zur Netzeinspeisung sind demgegenüber netzgeführte Wechselrichter erforderlich. Der Wechselrichter hat bestimmte Eingangskenngrößen auf der Gleichstromseite, die durch gezielte Verschaltung der Solarmodule zu einzelnen Strängen und eine eventuelle Parallelschaltung der Stränge erreicht werden. In vielen Fällen ist hierzu eine Unterverteilung nötig, die Generatoranschlusskasten oder auch Photovoltaikverteiler genannt wird. Von der Gleichstromseite aus gesehen vor dem Wechselrichter wird eine Freischaltstelle eingebaut, die oft in den Photovoltaikverteiler integriert ist. Sie dient der Trennung des Wechselrichters vom Solargenerator. Die Wechselstromseite führt in der Regel über einen Energiezähler in das öffentliche Netz. Mit Hilfe des Zählers wird die Vergütung mit dem örtlichen Netzbetreiber geregelt.
Bei einem Hybridsystem handelt es sich ebenfalls um eine Inselanlage, wobei zur elektrischen Versorgung mehrere verschiedenartige Generatoren vorhanden sind. So ist zum Beispiel die Kombination einer PV-Anlage mit einem Dieselgenerator und Akkumulatoren eine in der Praxis häufiger vorkommende Kombination. Es können aber auch andere Generatoren wie Windkraftanlagen, Biogas-Anlagen usw. in Kombination mit einer PV-Anlage betrieben werden. Bei Inselanlagen mit normalerweise begrenzter Energielieferkapazität spielt das Lastmanagement eine entscheidende Rolle. Es dürfen nie zu viele Verbraucher im Netz vorhanden sein, da dieses sonst zusammenbricht (Netzüberlastung, Stromausfall). Es muss gleichfalls eine sichere Abnahme der generierten Energie möglich sein, da es sonst zum Beispiel zu Spannungsüberhöhungen und damit verbunden zur Zerstörung von elektrischen Verbrauchern kommen kann. Hier kann ein Pufferspeicher dazu dienen, überschüssige Kapazitäten zu speichern und diese in Zeiten höheren Bedarfs wieder abzugeben.
Eine netzgekoppelte Anlage ist an einem großen eigenständigen Netz (typischerweise am öffentlichen Stromnetz) angeschlossen und speist die elektrische Energie dort ein. Die Einspeisung der Solarenergie in das Stromnetz erfordert nicht nur die Wandlung des Gleichstroms in Wechselstrom durch einen Wechselrichter, sondern dessen Synchronisation. Solche Wechselrichter nennt man netzgeführt.
- Solarmodule
- Sicherungen
- DC Kabel
- DC Trenner
- Wechselrichter
- AC Einspeisung
- Sicherungsfeld
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Die Nennleistung von Photovoltaikanlagen wird häufig in Wp (Wattpeak) beziehungsweise kWp angegeben. „peak“ (engl. Höchstwert, Spitze). Es wird bei 25 C Modultemperatur, 1000 W/m² Bestrahlungsstärke und einer Luftmasse von 1,5 gemessen. Dies sind die Standard-Testbedingungen (meist abgekürzt STC, engl. Standard-Test-Conditions), die als internationaler Standard festgelegt wurden. Können diese Bedingungen beim Testen nicht eingehalten werden, so muss aus den gegebenen Testbedingungen die Nennleistung rechnerisch ermittelt werden. Für eine Nennleistung von 1 kW werden Solarzellen mit einer Fläche von etwa 8-10 m² benötigt. Daraus ergibt sich für eine neue Anlage ein tatsächlicher Energieertrag von etwa 70-125 kWh pro Quadratmeter und Jahr (entspricht einer mittleren Leistungsabgabe von 8 bis 14,3 W). Ein Vier-Personenhaushalt benötigt etwa 4000 kWh, daß entspricht etwa 40m² Modulfläche.
Die mit Solarzellen in der Photovoltaik erzielten Wirkungsgrade reichen von wenigen Prozent (beispielsweise etwa 6 Prozent für Cadmium-Tellurid-Solarmodule) bis hin zu über 35 Prozent (Konzentrator-Mehrschicht-Laborexemplar) oder über 40 Prozent (Dünnschichtmodul auf CIS-Basis). Die Wirkungsgrade marktüblicher Solarmodule liegen zwischen 6 Prozent (Dünnschichtmodule auf Siliziumbasis) und 18,5 Prozent (monokristalline Module).
Der Systemwirkungsgrad im Jahresverlauf ergibt sich dann aus der Multiplikation mit der Performance Ratio (PR). In diese fließen die Verluste des Wechselrichters ebenso mit ein wie Abschattungen und Verluste durch hohe Temperaturen. Die PR liegt im Bereich von 0,7 bis 0,85.
Die Normen werden bei der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) erarbeitet und vom Europäischen Komitee für Elektrotechnische Normung (CENELEC) als Europäische Norm übernommen. In Österreich werden diese wiederrum von den österreichischen PV-Normungsgremien im ÖVE/ON geregelt
Die Errichtung von Photovoltaikanlagen und deren Installation ist nach den gültigen
EN-, ÖVE/ÖNORM- Bestimmungen auszuführen. Dies ist im Elektrotechnikgesetz
ETG und in der Elektrotechnikverordnung ETV geregelt.
Die besonderen Anforderungen für die Installation von PV-Anlagen formuliert
ÖVE/ÖNORM E2750, die in 2008 durch die neue ÖVE/ÖNORM E8017 ersetzt wird.
Für den Blitz- und Überspannungsschutz ist die ÖVE/ÖNORM E8049 zu beachten
Mit Inbetriebnahme der PV-Anlage ist wie für jede Elektroanlage ein Prüfprotokoll zu
erstellen. Dieses besteht aus:
· Anlagenbuch für PV-Anlagen Nr.: 268
· Besichtigung, Prüfung, Messung: Photovoltaikanlage Nr.: 288
· Als Ergebnis der Prüfung ist das Befundblatt Nr.: 251 zu erstellen und
vom Kunden bei der Übergabe unbedingt gegenzuzeichnen.
Diese Dokumentation ist eine klare Darstellung der gesamten PV-Anlagenausführung
und Beweislage für eventuelle Reklamationen des Kunden.
Die ordnungsgemäß erstellten Prüfprotokolle sind die Grundlage für den Erhalt der
PV - Förderung.
Eine photovoltaische Anlage hat sich grob gerechnet nach zehn Jahren amortisiert
Während Strom aus konventionellen Energiequellen im Jahresmittel zirka 6 Cent pro Kilowattstunde kostet, wird Solarstrom gemäß dem Erneuerbare-Energien-Gesetz mit – je nach Art und Größe der Anlage – 38 bis 51 Cent pro Kilowattstunde (2007) vergütet. Angesichts weltweit steigender Energiepreise und der sinkenden Produktionskosten für Solarzellen aufgrund größerer Produktionskapazitäten (Skaleneffekt) und neuer, billigerer Technologien findet langfristig eine Annäherung der Kosten der Stromerzeugung statt.
Die Preisspanne für Photovoltaikanlagen liegt somit zwischen 5.000,-€ je kWp in der einfachsten Ausführung mit sogenannten polykristallinen Modulen bis hin zu Hochleistungsanlagen mit MAIN Modulen die im Preis auch schon mal über 7.000,-€ je kWp installierter Leistung liegen. Was in jedem Fall bezügliche der Anlagenkosten beachtet werden muss, sind die Gewährleistungsbedingungen und insbesondere der Vertragspartner, der die Gewährleistung abgibt.
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| Photovoltaik | Steinkohle | Kernkraft | Wind (onshore) | Wind (offshore) |
| spez. Investitionskosten (in €/kWpeak) | 5000 | 800 | 3000 | < 1000 | 1500 |
| spez. Investitionen (in €/kWmittel) | 63300 | 1200 | 3000 | 6200 |
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| jährliche Volllaststunden (in h/a) | 550-820 | 4000 | 8000 | 1500 | 4000 |
| Ausnutzung der Arbeitsfähigkeit (in %) (jährliche Volllaststunden / 8760 h pro Jahr)
| 7,9 % | 46 % | 91 % | 17 % | 46 % (geschätzt) |
| jährliche Betriebskosten (fix) (bez. Inv.) | 0,5 % | 4 % | 2 % | 2 % | 2 % |
| Brennstoffkosten + dynamische Betriebskosten (in ct/kWh) | - | 3 | 2 | - | - |
Obwohl die insgesamt zur Verfügung stehende Sonneneinstrahlung immens hoch erscheint, ist die Photovoltaik aufgrund des bisher niedrigen Wirkungsgrades sehr flächenintensiv. So erzeugt eine Windkraftanlage mit 5 MW Leistung etwa genauso viel Energie wie eine 500 m × 500 m (25 ha) große Solarstromanlage. Dennoch ist auch heute schon die Leistungsdichte der Photovoltaik höher, da Windkraftanlagen dieser Größe in mehr als 500 Meter Abstand voneinander aufgestellt werden müssen. Allerdings steht die Fläche unter und um Windkraftanlagen weiterhin zur Energiegewinnung durch Photovoltaik oder Biomasse (solarer Wirkungsgrad 0,1 bis 0,24 %) zur Verfügung.
Das Fördersystem in Österreich ist nicht einheitlich gestaltet, dabei unterscheidet man zwischen Einspeisegebühren und Einmalförderung sowie neu über den Klimafonds.
Der Klima- und Energiefonds gewährt privaten Antragstellern im Rahmen der "Förderaktion Photovoltaik" pauschale Zuschüsse bei der Errichtung von Photovoltaikanlagen. Gefördert werden netzgekoppelte Anlagen mit einer Leistung von < 5 kW. Der Zuschuss beträgt EUR 2.800,- für Anlagen die nicht in die Gebäudehülle integriert sind und EUR 3.500,- für Gebäudeintegrierte Photovoltaikanlagen.
Grundsätzlich erhalten Sie über die ÖMAG einen Strom - Einspeisevertrag und sind offizieller Kleinkraftwerksbesitzer. Der überschüssige Strom wird in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Die Förderung ist vom jeweiligen Bundesland abhängig.
z.B. Steiermark:
40% der förderungsfähigen Kosten, max. 2.400€/kWp Investitionsförderung.
Kyocera (Japan) und Solarex (USA) mit jeweils ca. 30% Marktanteil, Siemens (USA) mit
21% und Dasa (AEG) mit 12,5%. Mit Ausnahme von Siemens produzieren sie
polykristalline Module.
Österreichs Bevölkerung ist hinsichtlich des ökologischen Bewusstseins weltweit unter den
führenden Nationen. Ein starker Heimmarkt ist eine gute Basis für eine solide Wirtschaftsentwicklung. Dies wird dadurch veranschaulicht, dass etwa jeder 3. in Europa installierte thermische Sonnenkollektor aus österreichischer Produktion stammt.
Bereits seit mehreren Jahren bestehen diverse kleine und mittlere PV-Modulproduktionen
- Photovoltaik Technik Austria GmbH
- SED GmbH, KIOTO Phtovoltaik GmbH
- Ertex-Solar GmbH
- Energetica
- Solon-Hilber
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