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Photovoltaik

Technik zur Erzeugung elektrischer Energie

Bei der Photovoltaik wird die von der Sonne im Licht zur Verfügung gestellte Solarenergie mittels Solarzellen direkt in elektrische Energie gewandelt.

Das Prinzip der Photovoltaik:
Hierzu nutzt die Photovoltaik zwei physikalische Phänomene:

1. Äußerer photoelektrischer Effekt
Treffen im Licht enthaltene Photonen auf ein Metall, so werden die im Kristallgitter des Metalls enthaltenen Elektronen (negativ geladene Teilchen) durch die zugeführte Energie gelöst und hinterlassen ein positiv geladenes "Loch".

2. Innerer photoelektrischer Effekt
Damit sich das freie Elektron nun nicht direkt wieder an der Position des Lochs im Gitter festsetzt, sind Solarzellen aus zwei Schichten aufgebaut. Durch Hinzufügen von Fremdatomen wie z.B. Phosphor und Bor wird die Gitterstruktur des Siliziums "gestört". Während Phosphor in der dünnen, der Sonne zugewandten n-Schicht zu einem Überschuss an Elektronen führt, weist die mit Bor angereicherte auf der Rückseite liegende p-Schicht ein Defizit an Elektronen auf. Hierdurch entsteht in der sog. Überganszone ein elektrisches Feld, das die freigesetzten Elektronen daran hindert sich an der gleichen Stelle festzusetzen. Statt dessen springt das negative Elektron durch die Anziehung der positiven "Löcher" erst ein wenig näher an der P-Schicht wieder in die Gitterstruktur zurück und hinterlässt an der alten Position ein Loch, das nun wiederum durch ein anderes freigesetzes Elektron gefüllt wird. Die Elektronen wandern somit stetig von der n-Schicht in Richtung p-Schicht und es fließt ein Strom.

Historie der Photovoltaik
1954 wurde von Bell Telephone Laboratories in den USA die erste Solarzelle in der heute üblichen Halbleitertechnik entwickelt. Mit einem Wirkungsgrad von gerade mal 6% war diese Solarzelle noch sehr schwach. Seit 1958 wurden dann Silizium-Solarzellen in der Raumfahrt eingesetzt, die schon einen Wirkungsgrad von 10% besaßen.
Nach der Ölkrise in den 70-er Jahren forschte man auch an Solarzellen zur Anwendung auf der Erde. Mitte der 80-er Jahre wurden die ersten Solaranlagen auf Hausdächern installiert. Richtig in Schwung kam die Photovoltaik in Deutschland ab dem Jahr 2000, als das Erneuerbare-Energien-Gesetz verabschiedet wurde. Heute findet man Solaranlagen sowohl im privaten Bereich, auf Hausdächern, auf Wohnwagendächern oder auch als Solarparks. Insbesondere durch die staatliche Förderung (Einspeisevergütung) hat sich die Photovoltaik, neben der Nutzung von Wind- und Wasserkraft so in den letzten Jahren zu einer der wichtigsten Techniken für die Erzeugung von "Alternativer Energie" in Deutschland entwickelt.

Aufbau einer Photovoltaikanlage
Eine Photovoltaikanlage besteht meist aus mehreren Solarmodulen, einer Verkabelung, welche die einzelnen Module untereinander verknüpft und einem Wechselrichter, der den mit der Anlage erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom wandelt und in das öffentliche Stromnetz einspeist. Die Solarzellen werden als monokristalline, polykristalline und Dünnschicht-Zellen eingesetzt. Sie werden meist aus Silizium hergestellt, seltener auch aus anderen Halbleitermaterialien. Den höchsten Wirkungsgrad haben monokristalline Zellen. Diese sind jedoch teuer und benötigen bei ihrer Herstellung viel Energie. Daher werden sie meist nur für Anlagen verwendet, für die nur eine geringe Fläche zur Verfügung steht. Für Anlagen auf Hausdächern werden hauptsächlich polykristalline Zellen verwendet.

Neben diesen mit dem öffentlichen Stromnetz verbundenen Anlagen gibt es aber auch noch sog. Inselanlagen. Sie dienen dazu weit abgelegene Verbraucher, für die ein Anschluss an das Stromnetzt nicht rentabel ist, mit Strom zu versorgen. Diese Systeme bestehen aus einem oder mehreren Solamodulen und einer zusätzlichen Speicher-Batterie.

Da die Einspeisevergütung in den letzten Jahren aber stetig gesenkt wurde und die Förderung mit der letzten Änderung im Jahr 2014 mehr auf den Eigenverbrauch ausgerichtet wurde, bieten seit 2015 immer mehr Hersteller von Photovoltaikanlagen zusätzliche Speicher Batterien an.

Ziel der Speicher ist es, den mit der Solaranlage über den Tag gewonnenen Strom solange bereit zu halten, bis dieser am Abend direkt im Haushalt verbraucht wird. Leider sind die Preise für solche Speicher aktuell noch reicht hoch. Neben dem amerikanischen Elektroauto und Batterie Hersteller Tesla finden sich aber immer mehr Anbieter, die in diesen lukrativen Markt einsteigen, so dass der Preis für ein solches Speicher System in den kommenden Jahren wahrscheinlich ebenso fallen wird wie bei den Solarmodulen.

Anschaffungskosten und Ertrag einer Photovoltaikanlage
Die Leistung und somit der Ertrag, den eine Photovoltaikanlage im laufenden Betrieb erwirtschaftet, hängt unmittelbar vom Standort, der Ausrichtung nach Süden, dem Winkel, in dem das Sonnenlicht auf die Module trifft und dem Wirkungsgrad der verbauten Solarmodule ab. Damit sich die Kosten für die Anlage zügig amortisieren und die Wirtschaftlichkeit gegeben ist, muss daher schon bei Planung und Installation der Anlage auf diese Parameter geachtet werden. Viele Angebote für Photovoltaikanlagen beinhalten aus diesem Grund eine mittels Photovoltaik Rechner erstellte Prognose zum wahscheinlichen Ertrag an Solarstrom. An Hand dieser Informationen kann der Interessent sich ein direktes Bild darüber machen.

Alternative Nutzung der Sonnenenergie
Neben Photovoltaikanlagen bieten sich für einen Haushalt auch Solaranlagen an, die zum Heizen und zur Warmwasserbereitung benutzt werden. Sie bestehen aus Sonnenkollektoren, durch die eine Flüssigkeit, meist ein Wassergemisch, fließt, einer Pumpe, einem Wärmetauscher und einem Regler, der an einen Temperatursensor angeschlossen ist. Das einfallende Sonnenlicht erwärmt die Flüssigkeit in den Sonnenkollektoren und sobald die eingestellte Temperatur erreicht ist, schaltet der Regler die Pumpe ein, die die Flüssigkeit in den Wärmetauscher pumpt.

Bildquelle: Rainer Sturm / pixelio.de

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