Photovoltaik
Stand: Juli 2022
Eine Photovoltaikanlage ist eine elektrische Anlage zur Stromerzeugung aus Sonnenenergie. Die erste wichtige technische Anwendung der Photovoltaik gab es in den 1960ziger Jahren, als 1958 der erste Satellit ausgestattet mit Solarzellen ins Weltall gebracht wurde. Durch die Einführung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) im Jahr 2000 wurde in Deutschland der Ausbau der Stromerzeugung durch Photovoltaik vorangetrieben. Während zu den Anfangszeiten der EEG-Vergütung die Photovoltaikanlagen vor allem ertragsoptimiert ausgelegt worden sind, werden sie heute eher verbrauchsoptimiert ausgelegt. Dies bedeutet, dass früher die Anlagen aufgrund der attraktiven Einspeisevergütung so ausgelegt waren, dass sie möglichst hohe Erträge bringen sollten, während heutzutage der Fokus eher darauf liegt, dass der erzeugte Strom möglichst selbst verbraucht werden kann.
Aufbau eine Solarzelle
Eine Solarzelle besteht aus zwei aufeinanderliegenden Halbleiterschichten, meist aus kristallinem Silizium, die durch die Dotierung, d.h. der Beisetzung von Phosphor oder Bor, unterschiedlich elektrisch vorbereitet werden. Dadurch entsteht in der Grenzschicht dazwischen, dem p-n-Übergang, ein elektrisches Feld. Treffen nun Lichtphotonen auf die Solarzelle, werden dadurch Elektronen aus ihrer Kristallbindung gelöst und bewegen sich in Richtung zum elektrischen Kontakt an der Außenseite. Im geschlossenen Stromkreis kann nun der elektrische Strom fließen.
Weitere Informationen zur Funktionsweise einer Silizium-Solarzelle
Photovoltaik-System
Mehrere solcher Solarzellen werden als Gruppe zu einem Photovoltaikmodul bzw. -panel verbunden und bilden das Herzstück einer Photovoltaikanlage. Weitere Bestandteile einer Photovoltaikanlage sind das Montagegestell, Verkabelungen, ein Wechselrichter und Stromzähler sowie elektrische Schutzvorrichtungen. Der selbst erzeugte Strom kann entweder autark genutzt oder ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Um eine verbrauchsoptimierte Nutzung einer Photovoltaikanlage umsetzen zu können, wird zusätzlich ein elektrischer Speicher mit einer Regelung benötigt.
Auslegung Photovoltaikanlage
Die Auslegung einer Photovoltaikanlage erfolgt in der Regel mit Unterstützung einer Simulationssoftware. Diese errechnet den erwarteten Jahresertrag einer Photovoltaikanlage auf der Grundlage von Durchschnittswetterdaten für den jeweiligen Standort. Die Simulationssoftware berücksichtigt unter anderem den Modultyp, den Wechselrichter sowie definierte Standortangaben (geographischer Standort sowie Ausrichtung der Photovoltaikmodule). Des Weiteren kann mit Hilfe einer Simulationssoftware und elektrischen Verbrauchsdaten des Standortes auch eine Auslegung des elektrischen Speichers erfolgen und der mögliche Autarkiegrad bestimmt werden. Die Einflussfaktoren auf den jährlichen Ertrag einer PV-Anlage sind in der nebenstehenden Übersicht erfasst.
Kenngrößen von Photovoltaikmodulen und -anlagen
Eine wichtige Kenngröße von Photovoltaikmodulen und -anlagen ist die Nennleistung. Diese wird auch synonym durch die Angabe der Leistung in Watt Peak (Wp, bzw. MWp, kWp) angegeben. Die Nennleistung nach Standard-Test-Bedingungen (STC) bezieht sich auf die Rahmenbedingungen bei denen diese Leistung erzeugt wird. Diese sind wie folgt definiert: Solarzelltemperatur: 25°C, Bestrahlungsstärke: 1000 W/m², Sonnenlichtspektrum AirMass: 1,5.
Im realen Anlagenbetrieb kommen diese Bedingungen in der Regel nicht gleichzeitig vor. Im Betriebsmodus der Photovoltaikanlage erwärmen sich die Solarzellen sehr schnell. Auch ein gleichzeitiges Auftreten des solaren Spektrums von 1,5 und eine Bestrahlungsstärke von 1000 W/m² wird nur wenige Momente im Jahr erreicht.
Photovoltaiktechnologien
PV-Module unterscheidet man hinsichtlich des Materials der Solarzelle, sowie der Designs der Solarzelle und des Herstellungsprozesses, wodurch sich unterschiedliche Modultechnologien ergeben. Des Weiteren können sich PV-Module durch den Aufbau des Moduls selbst noch unterscheiden, wobei hier die Unterschiede hinsichtlich des Aufbaus des Solarmoduls entstehen. Im Wesentlichen unterscheidet man Glas-Folien-Module und Glas-Glas-Module.
Integrationsstufen von Photovoltaikanlagen
Photovoltaikanlagen wandeln das Licht der Sonne in elektrischen Strom um. Dies geschieht mittels Solarzellen oder - bei Dünnschicht-Modulen - einer hauchdünnen Halbleiterschicht. Das gängigste Halbleitermaterial ist Silizium. Der aus der Sonnenstrahlung umgewandelte Gleichstrom kann direkt zum Betrieb elektrischer Verbraucher genutzt oder in speziellen Solar-Akkus gespeichert werden. Zudem ist es auch möglich, den Solarstrom in das öffentliche Stromnetz einzuspeisen, allerdings muss er dafür zunächst in einem Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt werden. An besonders sonnigen Tagen kann die Photovoltaik in Deutschland bereits mehr als die Hälfte des Strombedarfs abdecken.
Neben groß dimensionierten Freiflächenanlagen wird die Photovoltaik vor allem in oder an der Außenhülle von Gebäuden installiert. Die gestalterischen Möglichkeiten sind vielfältig und reichen von klassischen Aufdach-Anlagen in verschiedenen Größen über dachintegrierte Lösungen, komplette Photovoltaik-Dächer bis hin zu aufwändigen Fassadenanlagen. Vielfältig sind auch die Einsatzmöglichkeiten, die von der Volleinspeisung sämtlichen Solarstroms in das Stromnetz über den Eigenverbrauch, z.B. für Haushaltsgeräte oder Elektroautos, bis hin zu Mieterstromanlage reichen. Letztlich sind Elektrofahrzeuge eine Art mobiler Speicher, üblich sind jedoch auch stationäre Solarstromspeicher, die die zeitversetzte Nutzung des solar erzeugten Stroms ermöglichen. Ausführliche Informationen zu Planung und Umsetzung solcher Anlagen bietet die „Initiative für Bauwerkintegrierte PV-Anlagen“ auf folgender Website: Leitfaden Bauwerkintegrierte Photovoltaik.
Folgend werden mögliche Anwendungen in oder an der Gebäudehülle gezeigt. Die Informationen zu den verschiedenen Integrationsstufen können auch als tabellarische Übersicht im PDF-Format heruntergeladen werden: Übersicht Integrationsstufen Photovoltaik (PDF / 185 KB).
Stufe I: Applikation - additive Einbindung
Prinzipskizze Stufe I
Stufen II + III: Konstruktive Addition (Substitution) sowie Konstruktive Integration (Vollintegration)
Prinzipskizze Stufen II + III
Tools und Vortragsfolien zu Photovoltaik
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Toolbox
Digitaler Leitfaden Bauwerkintegrierte Photovoltaik
Der Leitfaden Bauwerkintegrierte Photovoltaik (BIPV) der BIPV-Initiative Baden-Württemberg vermittelt Akteuren im Bauwesen den neuesten Stand der Technik und bietet praktische Unterstützung bei der Integration von Solarmodulen in die Gebäudehülle.
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Toolbox
PV-Anlagenplanung
Tool zur vereinfachten Planung und Simulation von PV-Anlagen
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Toolbox
Berechnung des Autarkiegrads durch PV-Speicher
Tool zur Berechnung der Unabhängigkeit der Stromversorgung
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Präsentationen
Vortragsfolien zu Photovoltaik
Eine Zusammenstellung von Präsentationsfolien zur Verwendung in Vorträgen zum Thema Photovoltaik.
Stand: April 2022
