Unter Photovoltaik oder PV versteht man den Prozess der Umwandlung von Licht in elektrische Energie mit Hilfe von Solarzellen. Der Prozess der photovoltaischen Umwandlung basiert darauf, dass Elektrizität zwischen zwei nicht identischen Halbleitern fließt, wenn diese miteinander in Kontakt gebracht und Lichtstrahlen ausgesetzt werden.

Die meisten Solarzellen werden aus Silizium gefertigt. Silizium ist ein Halbleitermetall, das auf der Erde in großen Mengen vorkommt, denn der Grundstoff ist Sand. Das Silizium in den Solarzellen besteht aus zwei verschieden präparierten Schichten. Die eine Schicht enthält eine geringe Menge Phosphor und die andere eine geringe Menge Bor. Zwischen diesen beiden Schichten befindet sich eine Trennschicht. Auf der Vorderseite der Zelle sind dünne Kontaktbahnen angebracht und auf der Rückseite der Zelle eine dünne Metallschicht (meistens aus Silber oder Nickel). Unter dem Einfluss von Licht werden in der Solarzelle Elektronen gelöst und es entsteht ein Spannungsunterschied zwischen dem „Minuspol“ (dem Kontakt auf der Vorderseite) und dem „Pluspol“ (Rückseite der Zelle). Hierdurch fließt elektrischer Strom. Um den photovoltaischen Prozess auszulösen, ist nicht unbedingt direktes Sonnenlicht erforderlich. Solarzellen erzeugen auch an bewölkten Tagen Elektrizität.  




Heutzutage werden Solarzellen aus dem Rohstoff Silizium hergestellt. Es gibt drei verschiedene Solarzellentypen:


 

Die Auswahl der auf dem Markt verfügbaren Solarmodule ist groß. Weltweit wird stetig an verschiedenen Techniken zur Umwandlung von Licht in elektrische Energie gearbeitet. Die gängigsten Verfahrensweisen werden im Folgenden beschrieben. Ein typisches Standardmodul besteht aus 72 Zellen. Durch die Verwendung monokristalliner Zellen entsteht ein monokristallines Modul; durch die Verwendung polykristalliner Zellen entsteht ein polykristallines Modul.

Produktionsprozess kristalliner Solarmodule
Der erste Schritt besteht darin, die Solarzellen in Reihe zu schalten. Dabei werden die Frontseitenkontakte einer Zelle mit den Rückseitenkontakten der nächsten Zelle verlötet. Dies ist die sogenannte Zellverstringung. In Abhängigkeit von der Anzahl der miteinander verbundenen Zellen erbringt das Modul eine Leistung zwischen 12 V, 24 V oder 36 V.  

Der Zellstring wird durch EVA verkapselt. Dabei schmilzt EVA und umschließt die Solarzellen allseitig. Das Verbundsystem wird nun auf das Trägermaterial Glas aufgesetzt. Eine weitere Folie, das sogenannte Tedlar, wird aufgelegt. Das Tedlar bildet die Rückseite der Module und ist zwischen den Zellen auf der Forderseite sichtbar. Tedlar ist in verschiedenen Farben oder transparent erhältlich. Häufig wird weiß verwendet. 

Hiernach wird der komplette “Berg” von unterschiedlichen Schichten (Glas, Schmelzfolie, Zellen und Tedlar) laminiert. Die Schichten verschmelzen und bilden eine wasserdichte Verbindung.  

Danach werden die meisten Module gerahmt. Ein Aluminiumrahmen erhöht Stabilität und Haltbarkeit der Module. Durch den Rahmen wird zudem die Installation erleichtert, denn der Rahmen fungiert zugleich als Befestigungssystem. Solarmodule ohne Rahmen werden Laminate genannt. Diese werden zumeist in integrierten Dachsystemen verwendet. 

Auf der Rückseite des Moduls wird eine Anschlussdose mit Dioden befestigt. Hier werden Plus -und Minuskabel verbunden, wodurch die Verbindung der einzelnen Module ermöglicht wird. Jedes Modul wird unter bestimmten kontrollierten Bedingungen (Lichtverhältnisse) auf seine Leistung hin getestet. Dieses Messverfahren, das sogenannte „Flashing“, bei dem das Modul Lichtblitzen ausgesetzt wird, gibt Auskunft über die maximale Leistung, die das Modul erbringt, die sogenannte Wp Leistung des Moduls. Alle Modultypen verfügen über eine spezielle Seriennummer, die Auskunft gibt über die Test- und Messdaten.

 

Größe der Solarmodule
Die Größe von Solarmodulen variiert beträchlicht. Für einen Taschenrechner werden beispielsweise enorm kleine Zellen verwendet. Auf der anderen Seite gibt es mittlerweile Module mit einer Größe von 2 x 2 Meter. Die Herstellung von standardisierten Modulen ist die Regel, da Sonderanfertigungen entschieden teurer sind. Stroomwerk realisierte ein Projekt mit zwei der größten Module, die jemals hergestellt wurden. Jedes Modul weist eine Höhe von 3 Meter und eine Breite von 1,5 Meter auf. Sie dienen als Unterstand an einem Bootsanleger.

Transparente Module
Architekten entscheiden sich zumeist aus ästhetischen Gründen für transparente Module. Ein typischer Effekt ist hierbei der rechteckige Schattenwurf.

Um diesen Effekt zu erzielen, wird transparentes Tedlar verwendet. Eine zweite Möglichkeit besteht darin, eine weitere Schicht Glas zu verwenden, so genannte „Glas-Glas“ Module. Die “Glas-Glas” Module sind stabiler, wiegen jedoch auch mehr. Die Anschlussdose ist hierbei nicht sichtbar verarbeitet. Transparente Module sind häufig teurer als normale Module.

Amorphorphe Siliziummodule
Silizium wird auch als Grundmaterial verwendet, jedoch werden dann keine Zellen daraus gefertigt. Das Rohmaterial wird auf einen Grundstoff aufgedampft. Mit Glas als Basis, entsteht ein amorphes Solarmodul. Bei der Verwendung von Tedlar als Basis, entsteht ein flexibles Solarmodul oder sogar ein Solarmodul auf einer Rolle. Diese Technik, die um einiges günstiger ist, als herkömmliche Verfahrensweisen, ermöglicht neuen Spielraum.

Der Nachteil bei dieser Art von Modulen besteht darin, dass sie weniger Energie pro Quadratmeter produzieren. Auf einem Quadratmeter wird nur die Hälfte dessen produziert, was bei mono- oder multikristallinen Modulen produziert wird. Um die Gleiche Menge zu produzieren, muss die Anlagengröße demnach verdoppelt werden. Vorteile bergen diese Zellen an bedeckten Tagen oder Regentagen. 

Garantie auf kristalline Solarmodule
Man unterscheidet zwei Garantieformen bei den Solarmodulen: Die Produktgarantie und die Leistungsgarantie.

Produktgarantie: Sie können diese Garantie gleichsetzen mit der Garantie, die Ihnen z.B. beim Kauf eines Toasters (z.B. ein Jahr Garantie) o.ä. gewährt wird. Die meisten Solarmodule haben eine Produktgarantie von zwei Jahren.

Leistungsgarantie: Diese Form der Garantie wird nur auf die Solarmodule gewährt. Solarmodule wandeln Licht in Energie um. Dieses Licht enthält UV-Strahlung. Dadurch wird die Leistung eines Moduls minimal verringert. Die Leistung nimmt pro Jahr um 0,5 % ab. In der Regel garantieren Hersteller eine Leistungsgarantie von 25 Jahren auf 80% der nominalen Leistung.

Inselanlagen
Es gibt Orte, an denen kein Zugang zum öffentlichen Elektrizitätsnetz vorhanden ist und aus Kostengründen auch nicht realisierbar ist. Hier kommen unabhängige, so genannte autonome Systeme, zum Einsatz. In einigen Fällen wird ein Generator zur Stromerzeugung verwendet, der jedoch unangenehme Eigenschaften (Geräuschbelästigung, Abgase etc.) mit sich bringt oder in der jeweiligen Situation in technischer Hinsicht nicht 100% Leistung erbringt. Solarmodule hingegen sind eine sichere, wartungsfreie und verlässliche Alternative. Sie kommen in entlegenen Gebieten in Afrika zum Einsatz oder auf Bojen auf See, im Weltall etc. Auch mobile Laternen, Ticketautomaten oder Wasserpumpsysteme können mit Solarenergie betrieben werden.

Die Systeme wurden in abgelegenen Gegenden installiert, in denen ein Zugang zum öffentlichen Elektrizitätsnetz nicht vorhanden ist. Am Tage produzieren diese Anlagen Energie, die in Batterien auch zur spätern Verwendung gespeichert wird. Die Batterien müssen eine hohe Kapazität aufweisen, da auch dunkle Tage überbrückt werden müssen, insbesondere im Winter. Ein Akkumulator ist notwendig, um den Betrieb einer Inselanlage zu gewährleisten (Man muss wissen, wie viel Energie noch vorhanden ist). Dieser reguliert Ladung und Entladung der Batterien. 

Diese haben eine Spannung von 12 Volt. Es gibt spezielle Lampen, Kühlschränke, Pumpen und andere Geräte, die auf 12 V laufen.

Einsatzmöglichkeiten
Solarstromsysteme sind erhältlich in vielen verschiedenen Ausführungen für unterschiedliche Einsatzmöglichkeiten. Als solche werden sie je nach Verwendung klassifiziert: Inselanlagen für private Verbraucher, Inselanlagen für gewerbsmäßigen Gebrauch, netzgekoppelte Anlagen für Gebäude und andere Konstruktionen. In der Tabelle zeiegen wir Ihnen typische Einsatzgebiete.

Die unterschiedlichen Erträge entstehen, weil bei einer autarken Anlage Akkus verwendet werden; wenn diese voll sind, werden die Solarmodule abgeschaltet, so dass keine Umwandlung von Sonnenlicht in Strom erfolgt.

Der Ertrag eines Solarmoduls hängt zudem vom Neigungswinkel und dessen Ausrichtung nach Süden ab. Die Bestimmung des optimalen Neigungswinkels erfolgt in Abhängigkeit von Einsatzgebiet und Standort.

In den Niederlanden wird der maximale Jahresertrag erzielt, wenn das Modul direkt nach Süden in einem Winkel von 36 Grad ausgerichtet ist. Nicht jeder hat ein unmittelbar nach Süden gerichtetes Dach. Das muss aber kein Problem darstellen. Es kommt darauf an, bei bestmöglicher Orientierung einen optimalen Neigungswinkel zu finden. Diesen optimalen Neigungswinkel können Sie auf dem Einstrahlungsdiagramm ablesen.
Bei einer Orientierung zwischen Südosten und Südwesten lässt sich immer eine Dachschräge finden, bei der die jährliche Sonneneinstrahlung rund 95% der maximalen Einstrahlung beträgt. Zeigt das Dach nach Osten oder Westen, kann mit einer Dachschräge von 20 Grad immer noch 80% bis 85% des Maximalwerts erzielt werden.

In den Niederlanden kann man bei optimaler Positionierung einen jährlichen Energieertrag von 75-80% der Wp-Kapazität erwarten. Ein System mit 3000 Wp erbringt jährlich ungefähr 2250 kWh. Natürlich ist es normal, dass ein Solarmodul im Sommer mehr Energie produziert als im Winter. Auch können Sie sich vorstellen, dass es an der Küste zu einer höheren Sonneneinstrahlung kommt, als im Osten der Niederlande. Zudem funktioniert die Umwandlung von Licht in Energie besser in einer kühlen Umgebung. Dies können Sie im Diagramm ablesen. Bei nahezu gleicher Anzahl von Sonnenstunden wird im Juni mehr Energie erzeugt als im Juli, da es im Juli heißer ist.


 

Das Einstrahlungsdiagramm
Das Einstrahlungsdiagramm zeigt die durchschnittliche jährliche Sonneneinstrahlung bei verschiedenen festen Neigungswinkeln und Orientierungen, ausgedrückt in Prozenten von der maximalen Einstrahlung. So ist beispielsweise abzulesen, dass die Einstrahlung auf dem Mittelpunkt des Kreises ungefähr 85% der maximalen Einstrahlung bei einem Neigungswinkel von 0 Grad beträgt. In den Niederlanden wird das Maximum (fast 1100 W pro Quadratmeter) bei einem Neigungswinkel von 36° Süden erreicht. Das Diagramm zeigt das Gebiet von Dänemark bis Nordspanien.

12) Können Solarmodule auf allen Dachtypen montiert werden?

Fast jedes Dach ist geeignet. Für nicht isolierte Wellblechdächer und Bitumendächer gibt es spezielle Befestigungssysteme.





13) Müssen die Module gereinigt werden?

Nein. Bedingt durch den Neigungswinkel der Anlage und die spezielle Glasschicht reinigt sich die Anlage durch den Regen selbst. Wenn Sie die Module zusätzlich reinigen möchten, verwenden Sie ein mildes, natürliches Reinigungsprodukt.

18) Werden Solarmodule in Zukunft nicht viel billiger?

Die Nachfrage nach Solarmodulen steigt stetig. Die Produktionskapazität der Solarmodulhersteller kann jedoch nicht ohne weiteres gesteigert werden, so dass die Produktion der steigenden Nachfrage hinterher hinkt. Deshalb werden die Preise auch in Zukunft zunächst eher steigen als fallen. Bis es zu einer Ausweitung der Produktionskapazitäten kommt, wird die staatliche Unterstützung vermutlich nicht mehr in vollem Umfang gewährt werden.