4. Photovoltaik - Vom Experiment zur Marktreife

4.1. Wissenswertes über Photovoltaik

4.1.1. Der Begriff Photovoltaik

Abb. 2 Alessandro Volta

Der Begriff Photovoltaik setzt sich aus zwei Begriffen zusammen: „Photo“ und „Volta“. "Photo" kommt aus dem Griechischen und bedeutet „Licht“; „Volta“ war der Name eines italienischen Physikers, nachdem auch der Name „Volt“, für die elektrische Spannung, benannt wurde. Dies bedeutet, dass Photovoltaik die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität ist. (Solara online, FH-Bochum online)

4.1.2. Geschichte der Photovoltaik


Abb. 3 - Zeitstrahl der Entwicklung


Die Entdeckung

Schon 1839 entdeckte ein französischer Physiker namens Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891) dank seinen Versuchen das wichtige Prinzip des photovoltaischen Effektes, das daraus bestand, Licht in elektrische Energie umzuwandeln. Er legte zwei Metallplatten in eine leitfähige Flüssigkeit und erkannte, dass bei Sonneneinstrahlung die Spannung zwischen den Platten stieg. Leider konnte er an seiner Entdeckung nicht weiterarbeiten, da ihm die technischen und auch theoretischen Grundlagen fehlten. (FH- Bochum online, http://www.photovoltaik-im-web.de/theorie.htm)

Abb. 4 Alexandre Edmond Becquerel

Die Forschung nimmt ihren Lauf

4.1.3. Vor- und Nachteile 4.1.4. Sonneneinstrahlungskarte Abb. 5 - Sonneneinstrahlungskarte Deutschland 4.2. Funktionsweise einer Photovoltaikanlage 10.04.2010   -  Bruno Bernhard

1876 entdecken William G. Adams und Richard E. Day den photovoltaischen Effekt bei einem Selenkristall. à Beweis, dass ein Feststoff Licht direkt in elektrische Energie umwandeln kann. 1877 erkennt Werner von Siemens die enorme Bedeutung der Photovoltaik. Zitat: "..wir haben es hier mit einer ganz neuen physikalischen Erscheinung zu tun, die von größter wissenschaftlicher Tragweite ist, da uns hier zum ersten Mal die direkte Umwandlung der Energie des Lichtes in elektrische Energie gelingt." 1883 entwickelt Charles Fritts das erste Modul aus Selenzellen. 1907 kann Albert Einstein den lichtelektrischen Effekt anhand seiner Lichtquantenhypothese erklären. 1921 erhielt er dafür einen Nobelpreis. 1916 erfindet Jan Czochralski das Kristallziehverfahren, was für die Photovoltaik von enormer Bedeutung war. 1948 kommt es zu einem ersten Konzept der Halbleiter- Photovoltaik. 1950 kreiert William Bradford Shockley ein Modell für den p-n- Übergang. 1954 wird in den USA die erste Silizium- Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 6% von Daryl Chapin, Calvin Fuller und Gerald Pearson produziert. 1956 gibt es erstmals terrestrische Anwendungen. 1958 werden erstmals Solarzellen bei Satelliten (Weltraumfahrt) angewandt. 1960-1970 wurden große Fortschritte in der Entwicklung von Solarzellen, ausgelöst durch große Nachfrage der Raumfahrtindustrie, erzielt. 1998 werden weltweit Solarzellen mit ca. 140MW gebaut   (Wikipedia online)
Vorteile: Umweltschonend Stromerzeugung auch bei bedecktem Himmel Kein Verbrauch von knappen Rohstoffen Geringe Wartungs- und Energiekosten Überschüssiger Strom kann gespeichert werden Verschleißfrei Nachteile: Teuer Große, geeignete Fläche notwendig Nachts außer Betrieb Ertrag ist wetterabhängig (swisswebaward)
Die Sonneneinstrahlungskarte Deutschlands zeigt, dass die Installation von Photovoltaikanlagen speziell im süddeutschen Raum sinnvoll ist. Mit durchschnittlich 1175 Sonnenstunden im Jahr sind die Anlagen von Eco Solar auch aus wirtschaftlicher Sicht bestens positioniert. Um dies zu verdeutlichen, ein kleines Rechenbeispiel:
1. Standort der Anlage in Kiel:			2. Standort der Anlage im Allgäu:
Sonnenstunden::	975 h/Jahr		Sonnenstunden:	1175 h/Jahr
Anlagenleistung:	66 kWp		Anlagenleistung:	66 kWp
Ertrag:	64350 kWh/Jahr		Ertrag:	77550 kWh/Jahr
Vergütung:	ca. 34105 €/Jahr		Vergütung:	ca. 41101 €/Jahr
Bevor der Aufbau von Photovoltaikanlagen genau beschrieben werden kann, bedarf es zuerst einer genauen Spezifikation der verschiedenen Anlagen-Typen. Der Vollständigkeit halber werden in dieser Liste auch die Anlagen zur Erzeugung von Warmwasser aufgeführt, welche allerdings nicht Thema dieser Arbeit sind. Folgende Typen können unterschieden werden: Solarstrom-Anlagen Netzgekoppelte Photovoltaikanlage Inselanlage Solarthermie-Anlagen Im Folgenden sollen nun der Aufbau und die Funktionsweise einer netzgekoppelten Anlage detailliert dargestellt werden.
4.2.1. Die Komponenten Eine Netzgekoppelte Photovoltaikanlage besteht aus den folgenden Bauteilen: Solarmodule Verkabelung Wechselrichter Einspeisezähler Ertragsüberwachung Diese 5 Einzelteile werden im und am Haus installiert, um damit Strom von der Sonne zu gewinnen. Abb. 6 - Schematischer Aufbau einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage Im Prinzip ist die Funktionsweise einer Photovoltaikanlage sehr einfach zu erklären. Durch die Sonnenstrahlung, die auf die Solarmodule auf dem Dach, an der Fassade oder im Garten fällt, werden in den Solarmodulen Elektronen freigesetzt. Diese Elektronen wandern als Gleichstrom in den Wechselrichter, welcher den Gleichstrom in Wechselstrom umsetzt, damit er in das Energienetz eingespeist werden kann. Um mit der Photovoltaikanlage auch Geld verdienen zu können, bedarf es des Einspeisezählers, welcher den tatsächlich mit der Anlage erzeugten Strom zählt und dadurch eine Abrechung möglich macht. Die genaue Funktionsweise der einzelnen Bestandteile einer Anlage werden im Folgenden erklärt. 4.2.2. Das Solarmodul Ein Solarmodul besteht aus mehreren zusammengeschalteten Solarzellen. Mehrere zusammengeschaltete Solarmodule bilden den Solargenerator. In diesem Abschnitt wird der Aufbau und die Funktionsweise einer Solarzelle und eines Solarmoduls beschrieben. Am Anfang einer jeden Solarzelle steht der Sand. Sand deswegen, weil in diesem der Grundstoff für eine Solarzelle enthalten ist, das Silizium. Silizium ist das zweithäufigste Element der Erdkruste und kommt in seiner reinsten Form in Quarz vor, da Quarz reines Siliziumdioxid ist (SiO2). Der Prozess, mit dem aus Sand das Silizium gewonnen wird, ist sehr energieaufwändig und lohnt sich daher in Ländern mit niedrigen Energiepreisen. Am Anfang des Prozesses wird der Quarz in einem Lichtbogenofen auf 1800°C erhitzt und mit Hilfe von Kohlenstoff-Elektroden das so genannte metallurgische Silizium hergestellt. Diese Art von Silizium ist aber noch nicht rein genug für die Produktion von Solarzellen, und deshalb ist der nächste Schritt im Prozess die chemische Reinigung. Hierbei wird das Silizium mit Hilfe von Chlorwasserstoff (HCL) zu Trichlorsilan (SiHCL3) umgewandelt und von den unerwünschten Stoffen wie Eisen, Aluminium oder Kalzium befreit. Anschließend wird das gesäuberte Trichlorsilan in einem Ofen mit reinem Wasserstoff auf 1100°C erhitzt. In diese Schmelze werden dünne Stäbe aus Reinstsilizium getaucht, und an diesen Stäben setzt sich das Silizium dann ab. Das so gewonnene Silizium wird als polychristallines Silizium, oder kurz Polysilizium, bezeichnet. Diese Art von Silizium ist bereits geeignet, um daraus Solarzellen herzustellen, aufgrund der Eigenschaften dieser Silizium-Art ist der Wirkungsgrad von Solarzellen aus diesem Material jedoch nicht so hoch. Um einen höheren Wirkungsgrad zu erreichen, wird aus dem Polysilizium das monokristalline Silizium gezüchtet. Dabei wird ein sogenannter Einkristallkeim, also ein kleiner, absolut reiner Siliziumkristall in eine Schmelze des Polysiliziums gebracht, dass er gerade noch fest bleibt und sich somit das geschmolzene Silizium auf dem Einkristall ablagern kann. Der Einkristall wird nun mit einer Geschwindigkeit von ca. 1mm/sec nach oben gezogen und dabei gedreht. Mit diesem Verfahren, dem Czochralski-Verfahren werden so mehrere Meter messende Zylinder aus monokristallinem Silizium gewonnen. Ein weiteres Verfahren zur Gewinnung von monochristallinem Silizium ist das Zohnenzieh-Verfahren. Bei diesem Verfahren wird das polychristalline Silizium mit Hilfe einer Induktionsheizung auf einer Länge von ca. 2 cm erhitzt. Durch dieses Erhitzen schmilzt der Zylinder aus Polysilizium, und beim Erstarren der Schmelze fügen sich die Siliziumatome zu Einkristallen zusammen, während die noch enthaltenen Verunreinigungen nach „unten“ wandern, bis zum Ende des Zylinders. Dieses Ende mit den Verunreinigungen wird danach abgeschnitten und es bleibt ein Zylinder aus monochristallinem Silizium übrig (vgl. Abb. 7). Abb. 7 - Zylinder ausmonochristallinem Silizium Um eine bessere Flächenausbeutung zu erhalten, werden aus den Zylindern Quader mit abgerundeten Ecken gefertigt. Des weiteren wird der obere Teil des Zylinders abgeschnitten, da er nicht die erforderliche Dicke zur Herstellung von Wafern besitzt. Aus diesen, meist mehrere Meter messenden Quadern, welche auch als Ingots bezeichnet werden, werden in der Solarzellenfertigung dann die so genannten Wafer hergestellt. Wafer sind dünne Scheiben aus den Siliziumquadern, die mit Hilfe einer Drahtsäge abgeschnitten werden, und zwischen 200 und 300 Mikrometer stark sind. Dem aufmerksamen Leser fällt sicher auf, dass die Herstellung dieser Wafer sehr verlustreich ist. Im Allgemeinen sind ca. 50% des Siliziums Abfall in Form von Sägemehl, welches durch die Verunreinigung mit Kühlmittel schwer wieder verwendet werden kann. Nachdem die Wafer aus den Quadern gesägt wurden, werden sie dotiert. Die Dotierung ist der entscheidende Prozess in der Produktion der Solarzellen, da erst durch diesen Vorgang aus dem Wafer eine richtige Solarzelle wird. Dotieren bedeutet, dass auf eine Seite des Wafers eine dünne Schicht Phosphor und auf die andere Seite eine dünne Schicht Bor aufgebracht wird. Das Dotieren geschieht bei einer Temperatur von 1200°C. Hierbei wird Bor oder Phosphor als Gas über den heißen Wafer geleitet. Aufgrund der hohen Temperatur verbinden sich die Bor- bzw. Phosphoratome mit dem Wafer. Durch diesen Vorgang entsteht auf der Seite, die mit Phosphor behandelt wurde, ein positiv geladener Halbleiter (im folgenden P-Halbleiter) und auf der Seite, die mit Bor behandelt wurde, ein negativ geladener Halbleiter (im folgenden n-Halbleiter). Am Übergang dieser beiden Schichten, dem so genannten p-n Übergang, entsteht bei Sonneneinstrahlung ein Stromfluss (vgl. Abb. 8). Nach der Dotierung wird der Solarzelle die typische blaue Farbe verliehen. Die Farbe ist allerdings nicht dazu da, die Solarzelle schöner aussehen zu lassen, sondern um die Lichtreflexion der ursprünglich grauen Wafer zu reduzieren. Diese Antireflexionsschicht besteht entweder aus Titandioxid oder Siliziumnitrit. Danach werden im Siebdruckverfahren die Kontaktfinger auf die dotierten Wafer aufgebracht und die Rückseite der Wafer wird mit einer durchgehenden Metallplatte versehen. Die Kontaktfinger sind die silbernen dünnen „Adern“, welche man auf einer Solarzelle erkennen kann. Sie bestehen aus einer Legierung von Silber und Aluminium. Dies ist notwendig, da Aluminium allein nicht gelötet werden kann und das Löten beim zusammenfügen von mehreren Solarzellen zu einem Modul unverzichtbar ist. Wenn diese Kontaktfinger auf der Solarzelle sind, werden die einzelnen Zellen zu Bahnen zusammengelötet. Die Zellen werden dabei in einer Reihenschaltung zusammengefügt, was den resultierenden Strom gleich bleiben lässt, die entstehende Spannung aber steigen lässt. Abb. 8 - Schematischer Aufbau einer Solarzelle Quelle: Mit freundlicher Genehmigung der Solarpraxis AG Die so entstandenen Bahnen aus Solarzellen werden nun zu einem Teppich aus mehreren solcher Bahnen verlötet. Diese Teppiche sind das Herzstück der Solarmodule, die aber so noch nicht eingesetzt werden können, da sie noch völlig ungeschützt vor Witterungseinflüssen sind. Um die Module wetterfest zu machen, werden sie zunächst in Folie verpackt, und danach erhält die Vorderseite eine Glasscheibe und die Rückseite eine weitere Folie. Mit Hilfe einer Maschine werden diese Schichten zu einer einzigen Schicht zusammengebacken. Dadurch entsteht ein festes Gefüge, welches typischerweise noch mit einem Aluminiumrahmen versehen wird. Auf der Rückseite des nun fertigen Moduls wird noch eine Anschlussdose angebracht, um den Strom später auch nutzen zu können . (Vgl. Photon Special 2005/2006 S.16ff.) 4.2.2.1. Der Photovoltaische Effekt Der Photovoltaische Effekt ist die Physikalische Grundlage für das Funktionieren von Solarzellen. Abb. 9 - Anordnung der geladenen Teilchen an der Grenzschicht Wie in Abbildung 9 zu erkennen ist, sind durch das Dotieren ein negativer und ein positiver Halbleiter entstanden. Der Photovoltaische Effekt besteht darin, dass negativ geladene Teilchen (Elektronen) und positiv geladene Teilchen (Elektronenlöcher) jeweils die Schicht wechseln, was zu einer Diffusionsspannung im Bereich der Grenzschicht führt. Fällt nun Licht auf den Halbleiter, werden Elektronen angeregt und aus der Schale der Atome herausgelöst. Diese freien Elektronen bewegen sich nun in die n-dotierte Schicht des Halbleiters. Die zurückbleibenden Elektronenlöcher bewegen sich in die p-dotierte Schicht des Halbleiters. Dadurch liegt an der Solarzelle dann eine Gleichspannung an, die mit Hilfe der Kontaktfinger und der auf der Rückseite befindlichen Metallplatte nun abgeleitet werden kann. Abb. 10 - Anordnung der geladenen Teilchen bei Sonneneinstrahlung 4.2.3. Die Verkabelung 4.2.3.1. Die Gleichstromverkabelung Auch die Verkabelung von den Solarmodulen bis zu den Wechselrichtern ist ein wichtiger Bestandteil einer Photovoltaikanlage. Wird bei der Planung einer Photovoltaikanlage bei der Verkabelung gespart, kann dies im Laufe des Betriebes enorme Verluste mit sich bringen, welche sich auch finanziell bemerkbar machen. Um einmal zu verdeutlichen, welche Auswirkungen zu dünn ausgelegte Kabel haben können, werden nachfolgend zwei Rechenbeispiele aufgeführt. Als Berechnungsgrundlage dient in beiden Fällen die Spannung bei Nennleistung eines Solarmoduls von Kyocera mit der Typbezeichnung KC125GHT-2. Die Module einer Solaranlage sind in Reihe geschaltet, was bedeutet, dass die Spannung des Systems zunimmt, aber der Strom konstant bleibt. Da eine Solaranlage meist aus vielen Modulen besteht, wird diese in so genannte Strings aufgeteilt. Diese Strings werden so angepasst, dass die eingesetzten Wechselrichter jeweils zu ca. 80% – 90% der Nennleistung abdecken. In diesem Beispiel besteht ein solcher String aus 20 Modulen des oben genannten Typs.   Daten des Solarmoduls: Daten des Strings: Nennleistung: 125W 2,5kW U bei Nennleistung: 17,4V 348V I bei Nennleistung: 7,2A 7,2A 1. Rechnung: Kabellänge: 100 m Kabelquerschnitt: 10 mm² Material: Kupfer (Cu) Spezifischer Leitwert Cu:   57 m/Ω*mm² R = Kabellänge [m] /(Spezifischer Leitwert [m/Ω*mm²] / x Leitungsquerschnitt [mm²]) 100 m/(57 m/Ω*mm² x 10 mm²) = 0,17 Ω Da in dieser Berechnung nur die einfache Kabellänge berücksichtigt wurde, es bei einer Solaranlage aber zweier solcher Kabel bedarf, wird dieser berechnete Wert verdoppelt, und es gibt so einen Gesamtwiderstand des Gleichstromkabels von 0,34 Ω Der Strom, der fließt, beträgt 7,2 A. Dies ist die nächste wichtige Größe bei der Verlustberechnung. Spannungsabfall bei 7,2 A: Verlustleistung bei 7,2 A: U = R x I P = U x I 0,34 Ω x 7,2 A = 2,52 V 2,52 V x 7,2 A = 18,19 W Dies entspricht einem Leistungsverlust von 0,72% auf dem Übertragungsweg vom Solargenerator zum Wechselrichter. Das zweite Rechenbeispiel nimmt dieselben Grundlagen an, nur der Querschnitt der Kabel wird nun auf 16 mm² erhöht. 2. Rechnung: Kabellänge: 100 m Kabelquerschnitt: 16 mm² Material: Kupfer (Cu) Spezifischer Leitwert Cu:   57 m/Ω*mm² R = Kabellänge [m] /(Spezifischer Leitwert [m/Ω*mm²] / x Leitungsquerschnitt [mm²]) 100 m/(57 m/Ω*mm² x 16 mm²) = 0,11 Ω Da in dieser Berechnung nur die einfache Kabellänge berücksichtigt wurde, es bei einer Solaranlage aber zweier solcher Kabel bedarf, wird dieser berechnete Wert verdoppelt, und es gibt so einen Gesamtwiderstand des Gleichstromkabels von 0,22 Ω Der Strom, der fließt, beträgt 7,2 A. Dies ist die nächste wichtige Größe bei der Verlustberechnung. Spannungsabfall bei 7,2 A: Verlustleistung bei 7,2 A: U = R x I P = U x I 0,22 Ω x 7,2 A = 1,57 V 1,57 V x 7,2 A = 11,36 W Dies entspricht einem Leistungsverlust von 0,45% auf dem Übertragungsweg vom Solargenerator zum Wechselrichter. Vergleicht man diese beiden Werte, sollte sofort klar sein, dass auch die Verkabelung vom Solargenerator zu den Wechselrichtern, und die Kabel, die zwischen den Solarmodulen verlaufen, einen genügend großen Querschnitt besitzen sollten, da es sonst unter Umständen bereits bei den Kabeln zu großen Verlusten kommen kann, welche letztendlich als Verlust auf dem Konto des Betreibers zu Buche schlagen. Die im Beispiel verwendete Kabellänge von 100 m ist deshalb gewählt worden, da auch die Verbindungen der einzelnen Module über Kabel realisiert wird. Was noch nicht in dieser Berechnung eingeflossen ist, ist der Verlust an den Steckverbindungen der Module, dies würde aber hier zu weit führen. 4.2.3.2. Die Wechselstromverkabelung Wie bei der Gleichstromverkabelung ist auch bei der Wechselstromverkabelung darauf zu achten, dass die verwendeten Kabel keine große Verlustleistung aufweisen. Der Solartechnikhersteller SMA bezeichnet eine Verlustleistung von ca. 1% der Nennleistung auf der Wechselstromseite noch als akzeptabel. Auch für die Wechselstromverkabelung soll ein Rechenbeispiel zeigen, wie wichtig es ist, nicht an der falschen Stelle zu sparen. Die Grundlagen für diese Beispielrechnung werden von der Beispielrechnung in 4.3.1 übernommen. (Sma online) Rechnung mit Kabelquerschnitt 10 mm²: Widerstand des Kabels: 0,1 Ω Strom bei 2,5 kW Leistung und 230 V:    10,8 A Spannungsabfall bei 10,8 A: 1,08 V Verlustleistung bei 10,8 A: 11,74 W In % der Gesamtleistung (2,5 kW): 0,47 % Rechnung mit Kabelquerschnitt 16 mm²: Widerstand des Kabels: 0,064 Ω Strom bei 2,5 kW Leistung und 230 V:    10,8 A Spannungsabfall bei 10,8 A: 0,71 V Verlustleistung bei 10,8 A: 7,67 W In % der Gesamtleistung (2,5 kW): 0,3 % Mit diesen Berechnungen soll dargestellt werden, dass es bei der Planung einer Photovoltaikanlage auch sehr stark auf die Verkabelung ankommt, da diese bei ungenauer oder zu knapper Planung einen deutlichen Minderertrag der gesamten Anlage zur Folge haben kann. Bei der Wechselstromverkabelung ist darauf zu achten, dass der Einspeisezähler so nah wie möglich an den Wechselrichtern liegt, um so einem etwaigen Leistungsverlust durch falsch gewählte Kabel zu minimieren. Nachdem nun die Verkabelung einer Photovoltaikanlage betrachtet wurde folgt im nächsten Abschnitt die Erläuterung des Wechselrichters, mit dessen Hilfe es erst möglich ist, den von der Sonne gewonnenen Strom in den bei uns üblichen Wechselstrom umzusetzen. 4.2.4. Der Wechselrichter Der Wechselrichter ist verantwortlich dafür, dass der gewonnene Solarstrom in Wechselstrom umgesetzt wird. Im Folgenden soll die Funktionsweise eines Wechselrichters dargestellt werden und auf wichtige Aspekte bei der Auswahl eines Wechselrichters eingegangen werden. Abb. 11 - Schema eines Ringkern-Transformators Es gibt zwei Arten von Wechselrichtern, die sich durch den technischen Aufbau unterscheiden. Zum Einen gibt es Wechselrichter, die den Gleichstrom vom Solargenerator mit Hilfe eines Transformators in netzkonformen Wechselstrom umwandeln, und zum Anderen gibt es Wechselrichter, die mit Hilfe eines IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Gleichstrom zu Wechselstrom verarbeiten. Wechselrichter, die mit Transformatoren ausgerüstet sind, sind am besten vergleichbar mit einem konventionellen Netzgerät, sie arbeiten nur in genau der entgegengesetzten Richtung. Der Transformator und eine vorgeschaltene Elektronik sorgen dafür, dass aus der Gleichspannung eine netzkonforme Wechselspannung mit 230 V wird. Da in einer Photovoltaikanlage die Gleichstromspannungen höher liegen können als die Spannung im öffentlichen Netz, muss der Wechselrichter auch diesen Spannungsunterschied ausgleichen. Durch den Einsatz von Ringkern-Transformatoren wurde der Wirkungsgrad dieser Art von Wechselrichtern in den letzten Jahren deutlich erhöht, er kommt aber noch nicht an die Wirkungsgrade der Wechselrichter heran, die ohne Transformator arbeiten. Wechselrichter ohne Transformatoren setzen für die Umwandlung von Gleich- in Wechselspannung moderne Hochleistungstransistoren, die so genannten IGBTs ein. Ein IGBT ist vergleichbar mit einem Schalter, der durch eine Steuerspannung sehr schnell umschalten kann. Dieses schnelle Umschalten ermöglicht es, aus einem Gleichstrom einen netzkonformen Wechselstrom zu machen. Auch bei dieser Art von Wechselrichter ist es notwendig, die Spannung vor dem Umwandeln auf die erforderlichen 230 Volt zu bringen, was auch hier durch eine vorgelagerte Schaltung geschieht. Vergleicht man den Wirkungsgrad eines Wechselrichters mit Transformator mit dem eines Wechselrichters mit IGBT wird klar, dass die modernere Variante mit Transistorschaltung mehr Energie umwandeln kann, als die konventionelle. Typ SWR 1100/E SB 2100 TL Transformator  Transistor     Peakleistung PV  (Wp) 1350 2250 max. Eingangsstrom (A) 10 11 Spitzenleistung (W) 1210 2200 max. Wirkungsgrad (%) 93 96 Tabelle 1 - Vergleich zwischen Transformator und Transistor Der Unterschied von 3% wirkt sich im Laufe der Anlagennutzung ziemlich aus, deswegen ist auch hier wieder darauf zu achten, so wenig wie möglich an Verlustleistung in die Anlage zu integrieren. Das letzte wichtige Gerät bei einer Photovoltaikanlage ist der Einspeisezähler, welcher die Aufgabe hat, den gewonnenen Strom zu zählen und damit die Abrechung mit dem Stromnetzbetreiber zu ermöglichen. Wie im Abschnitt "Die Verkabelung" schon erwähnt, ist es wichtig, dass das Kabel vom Wechselrichter zum Einspeisezähler entweder so kurz wie möglich, oder ausreichend dimensioniert ist, um auf dieser letzten Strecke nicht große Verluste hinnehmen zu müssen. 4.2.5. Ertragsüberwachung Im Betrieb einer Photovoltaikanlage ist die Überwachung der Anlage die wichtigste Aufgabe. Nur bei einer funktionierenden und regelmäßigen Überwachung der Anlage ist gewährleistet, dass der Ertrag der Anlage immer konstant hoch bleibt. Eine Photovoltaikanlage kann mittlerweile über mehrere Wege überwacht und kontrolliert werden. Die beiden Wichtigsten sind zum Einen die Überwachung der Anlage durch den Betreiber selbst anhand von Kontrollsoftware am heimischen PC, oder über die Kontrollmöglichkeiten, die heute jeder Wechselrichter standardmäßig an Bord hat, und zum Anderen die Kontrolle der eigenen Anlage anhand der Daten anderer Anlagen in der Region. Ein Beispiel für eine solche Überwachungsmöglichkeit bietet die Seite "www.isnyer-solarstrom.de" für den Raum Westallgäu. Hier melden die Besitzer mehrerer Solaranlagen ihre gemessenen oder abgelesenen Ertragsdaten. Dadurch ist es den anderen Betreibern möglich, einen Leistungsabfall ihrer eigenen Anlage zu erkennen und dem entgegen zu wirken. Die lokale Überwachung, also die Kontrolle der eigenen Anlage, übernimmt heute meist ein Computerprogramm, welches von den Herstellern der Wechselrichter vertrieben wird. Mit Hilfe einer solchen Software ist es möglich, jeden Wechselrichter der Anlage separat zu überwachen, und auch Gesamtdaten der Anlage aufzeichnen zu lassen und diese später auszuwerten. Wenn kein PC zur Verfügung steht, oder dem Betreiber die Investition in eine computergesteuerte Überwachungslösung zu teuer erscheint, bleibt noch das Mittel der manuellen Überwachung mittels Papier und Bleistift, was allerdings zeitaufwändiger ist. Abb. 12 - Anlagenüberwachung am PC Abb. 13 - Auswertung der Ertragsdaten mit Excel Wie zu sehen ist, ist es mit der Überwachungstechnik der Hersteller sehr gut möglich, die eigene Anlage lückenlos zu überwachen und damit Defekte oder Störungen zeitnah, und damit aus finanzieller Sicht auch verlustärmer, zu erkennen und zu beseitigen. 4.2.6. Die gesamte Anlage Wie bereits bei den einzelnen Komponenten angesprochen, ist die Verlustleistung bei einer Photovoltaikanlage ein Problem, das schon in der Planung berücksichtigt und, so weit wie möglich und wirtschaftlich sinnvoll, minimiert werden sollte. Die Verlustleistungen, die bei den einzelnen Komponenten berechnet wurden, sollen nun dazu verwendet werden, einmal am Beispiel einer ganzen Anlage zu verdeutlichen, was durch sorgfältige Planung gespart und optimiert werden kann. Schlechteste Auslegung: Nennleistung Solargenerator: 2,5 kW Verlustleistung Kabel: 0,72% (DC) + 0,47% (AC) Wechselrichter (Transformator): 7% Verlust Gesamtverlust (%): 8,19% Gesamtverlust (W): 204,75 W Optimale Auslegung: Nennleistung Solargenerator: 2,5 kW Verlustleistung Kabel: 0,45% (DC) + 0,3% (AC) Wechselrichter (Transformator): 4% Verlust Gesamtverlust (%): 4,75% Gesamtverlust (W): 118,75 W Nimmt man nun an, dass der Wechselrichter aus Berechnungsbeispiel 2 ca. 250 € teurer ist, und die Kabel auch mit ca. 200 € Mehrkosten zu Buche schlagen, lässt sich nun errechnen, welchen Vorteil der Betreiber hat, wenn er eine etwas größere Anfangsinvestition vornimmt. Als Grundlage für die Rechnung wird der Vergütungspreis für das Jahr 2006 angenommen, der bei 49,28 Cent liegt. Des weiteren wird davon ausgegangen, dass die Anlage im Süden Deutschlands, genauer im Allgäu steht, wo laut Sonneneinstrahlungskarte im Durchschnitt 1125 Stunden Sonnenschein zu verzeichnen sind. Da die Sonneneinstrahlung die wenigste Zeit senkrecht auf den Solargenerator fällt, wird nur mit 80% der Nennleistung gerechnet. Die Betriebsdauer einer Anlage wird typischerweise mit 20 Jahren veranschlagt. Auf dieser Grundlage ergibt dies folgenden Wert für eine Anlage ohne Verluste: Stromproduktion: 2250 kWh Vergütung: 1108,80 € Stromproduktion bei schlechtester Auslegung: 2019,66 kWh Vergütung bei schlechtester Auslegung: 995,2866 € Stromproduktion bei optimaler Auslegung: 2116,41 kWh Vergütung bei optimaler Auslegung: 1042,965 € Jährliche Differenz: 47,67 € Mehrertrag nach 20 Jahren: 953,57 € Mehrkosten der Technik: 450 € Tatsächlicher Mehrertrag nach 20 Jahren: 503,57 € Diese Berechnungen wurden nur auf eine ganz kleine Anlage angewandt. Wenn man dies mit einer Anlage der Größenordnung um 100 kW oder mehr durchführen würde, wäre der Mehrertrag nach der Laufzeit dementsprechend höher. Für den Inhalt verantwortlich: Die Arbeitsgemeinschaft 2005/2006 "Eco Solar"