Photovoltaik

Sonnige Aussichten

Mit Photovoltaik und PV-Anlagen Energie direkt vor Ort generieren

Photovoltaik ist sinnvoll. Dies ist eine Erkenntnis, die an sich kaum noch einer Erklärung bedarf. Sehr wahrscheinlich werden Photovoltaikdächer nach und nach die normale Dacheindeckung ersetzen.

„…PV-Anlagen finden ein hohes Maß an Akzeptanz und sind Symbol für umweltfreundliche und innovative Energietechnik…“

Mit flächendeckend eingesetzten PV-Anlagen wird sich auch die Optik und Wahrnehmung unseres Landschaftsraumes nachhaltig verändern. 

Bei der Gestaltung von PV-Anlagen ist es entscheidend, eine Balance zwischen Effizienz, Funktionalität und Ästhetik zu finden. Hier sollten einige wichtige Aspekte berücksichtigt werden:

• Anordnung der Module: Die Anordnung der Solarmodule sollte auf die Dachform und -größe abgestimmt sein. Eine symmetrische Anordnung der Module trägt zur optischen Harmonie bei und sorgt für eine ansprechende Optik. Nicht jeder Zipfel des Daches muss unbedingt genutzt werden.

• Farb- und Materialauswahl: Die Auswahl der Modulfarben und -materialien hat einen wesentlichen Einfluss auf das optische Erscheinungsbild. Module, die farblich auf die Dachmaterialien abgestimmt sind, fügen sich besser in das Gesamtbild ein und wirken weniger aufdringlich.

• Flächenbündige Installation: Eine flächenbündige Installation der PV-Module, bei der die Module in der gleichen Ebene wie die Dachfläche montiert werden, kann die Ästhetik verbessern. Sie vermitteln die nahtlose Integration in die Dachfläche.

• Integration in die Dachlandschaft: PV-Anlagen sollten so geplant werden, dass sie sich harmonisch in die Dachlandschaft einfügen und nicht als störendes Element wahrgenommen werden. Dies kann durch eine sorgfältige Auswahl der Position und Größe der Module sowie durch die Berücksichtigung von architektonischen Details und Dachstrukturen erreicht werden. 

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Farbigkeit von PV-Modulen

In Zukunft wird es eine immer größere Auswahl an Modulen geben, die sich sowohl in ihren Dimensionen als auch in ihrer Farbigkeit immer besser in die bestehende Dachlandschaft integrieren. 

Ursprünglich waren Solarmodule meist in Blau oder Schwarz erhältlich. Heutzutage sind jedoch farbige PV-Module verfügbar, wodurch die gestalterischen Möglichkeiten an Fassaden erheblich erweitert wurden. Farbige Solarmodule können jedoch einen Leistungsverlust von zehn bis 30 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen Modulen aufweisen, da die aufgebrachte Farbe einen Teil der Energie absorbiert.  

Farbige Module werden meist an Solarfassaden verwendet, um sie über die Gewinnung von Energie hinaus auch zu gestalten. Fassaden haben in der Regel große Flächen, deshalb kann man hier die Leistungsverluste in Kauf nehmen. Denn ohne Solarmodule würde die Fassade erst gar keinen Strom erzeugen. Eine dreifache Win-win-win-Situation. 

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Was können PV-Anlagen noch?

PV-Anlagen können neben der Energieerzeugung auch andere Funktionen erfüllen. Oftmals werden diese zusätzlichen Funktionen bei der Planung und Installation von PV-Anlagen übersehen. Hier einige Beispiele dafür, wie Solarmodule multifunktional eingesetzt werden können: 

Für einen tieferen Einblick in das komplexe System von Photovoltaik-Anlagen werden an dieser Stelle einige wichtige Begriffe erläutert: 

• Solarkonstante  
• Globalstrahlung  
• KWpeak  
• Modulleistung  
• Standort, Leistung, Ausrichtung  
• PV-Zellen  
• Wechselrichter  
• String  

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Solarkonstante

Der Begriff „Solarkonstante“ beschreibt die Stärke der Sonnenenergie, die auf die Erde trifft und wird in Watt pro Quadratmeter (W/m²) angegeben. 

Obwohl der Name „Konstante“ vermuten lässt, dass es sich um einen unveränderlichen Wert handelt, ist dies nicht der Fall. Die Solarkonstante wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst, wie zum Beispiel der Exzentrizität der Erdbahn um die Sonne. Ihr durchschnittlicher Wert beträgt jedoch 1.367 W/m². 

Da die Atmosphäre der Erde einen Teil der Sonnenenergie reflektiert und absorbiert, erreichen selbst bei klarem Wetter nur etwa 70-75% dieser Energie die Erdoberfläche. In Deutschland entspricht dies etwa 1000 W/m² an einem klaren Hochsommertag. Die Intensität der Sonnenstrahlung variiert jedoch im Laufe des Jahres und ist abhängig von den Wetterbedingungen. 

In Deutschland schwankt die Strahlungsleistung zwischen 50 – 150 W/m² im Winter, wenn es häufig stark bewölkt oder nebelig-trüb ist und 600 – 1000 W/m² im Sommer, wenn der Himmel klar bis leicht diffus ist. 

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Globalstrahlung

Die Globalstrahlung ist der Teil der Sonnenenergie, der trotz der filternden Wirkung der Atmosphäre die Erdoberfläche erreicht. Sie setzt sich aus zwei Komponenten zusammen: Direktstrahlung und Diffusstrahlung. 

Direktstrahlung ist das Sonnenlicht, das ohne Umwege direkt auf die Erde trifft und den Großteil der Globalstrahlung ausmacht. Diffusstrahlung hingegen ist der Anteil der Sonnenenergie, der indirekt, beispielsweise durch Wolken, auf die Erdoberfläche gelangt. 

In Deutschland liegt die durchschnittliche Globalstrahlung bei etwa 100 bis 137 W/m², wobei dieser Wert in Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr (kWh/m²*a) angegeben wird und sowohl Tag- als auch Nachtzeiten berücksichtigt. Im Jahresdurchschnitt beträgt die Globalstrahlung in Deutschland etwa 900 bis 1.200 kWh/m². 

Zum Vergleich: In Spanien ist die jährliche Globalstrahlung etwa doppelt so hoch. Das liegt an der größeren Anzahl an Sonnentagen, dem wolkenärmeren Wetter und der geringeren Entfernung zum Äquator. 

Die erfreuliche Nachricht: Trotz der geringeren Sonneneinstrahlung im Vergleich zum südlichen Europa, ist die in Deutschland vorhandene Strahlung mehr als ausreichend, um rentable Photovoltaikanlagen zu betreiben. 

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kWpeak

Kilowattpeak (kWp) ist eine Maßeinheit, die die maximale Leistung von Photovoltaikmodulen unter Standardbedingungen angibt. Da die Sonneneinstrahlung im Tagesverlauf und an verschiedenen Orten variiert, ist eine normierte Maßeinheit wie Watt für die Leistung von Photovoltaikanlagen nicht ausreichend. Deshalb wurde kWp eingeführt, um eine Vergleichbarkeit der Anlagen zu ermöglichen. 

Die elektrische Spitzenleistung einer Photovoltaikanlage wird also in kWp ausgedrückt. Wenn man sagt, dass die Leistung einer Photovoltaikanlage 10 Kilowattpeak beträgt, ist das eigentlich umgangssprachlich formuliert. Richtig wäre es, von der „Nennleistung der Photovoltaikanlage unter Annahme der Standard-Testbedingungen“ zu sprechen, die in diesem Fall 10 Kilowattpeak beträgt. 

Um die Leistung einer Photovoltaikanlage in Kilowattstunden (kWh) umzurechnen, kann man den mittleren spezifischen Ertrag heranziehen. In Deutschland liegt dieser Wert bei etwa 1000 kWh pro kWp. Eine durchschnittliche Photovoltaikanlage mit einer Nennleistung von 10 kWp würde also in etwa 10.000 kWh pro Jahr erzeugen. 

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Modulleistung

Derzeit liegen die Modulleistungen der gängigen Standardmodule von ca. 1m x 1,70m Größe zwischen 300 und 400 Watt. Wie viel Strom tatsächlich erzeugt wird, hängt jedoch vor allem von der Sonneneinstrahlung ab. 

Gemittelt ergibt sich daher folgender Flächenbedarf für PV-Anlagen:  

• 1 kWp benötigt ca. 5 m² Fläche 
• Pro 1m² Dachfläche werden etwa 0,2 kWp im Jahr erzeugt 
• Pro 5m² Fläche also 1 kWp oder 1000 kWh im Jahr 

Bei einer gut positionierten PV-Anlage in Deutschland ist pro kWp Nennleistung jährlich etwa 1.000 kWh Ertrag zu erwarten. Aufgrund regionaler Unterschiede wird der Wert in der Regel mit „900-1.100 kWh/kWp“ angegeben. 

Dieser Ertrag ist von vielen Einflussfaktoren abhängig, wie z.B.: 

• Dachausrichtung und Dachneigung 
• Geografischer Standort 
• Klimabedingungen (+-20%) 

Wie die Grafik zu Ausrichtung und Neigungswinkel zeigt, sind auch Norddächer mit 10° bis 20° Neigung geeignet. 

Durch die heutige Effizienz der Module sind die Ausrichtung nach Süden und die Einhaltung eines idealen Neigungswinkels also nicht mehr absolut notwendig. 
Die Module können entsprechend der Dachneigung und -ausrichtung montiert werden. Diese zu bevorzugende Variante ist nicht nur schöner, sondern auch preiswerter in der Montage und weniger Windanfällig.    

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PV-Zellen

PV-Zellen lassen sich in verschiedene Typen einteilen, darunter Dünnschichtzellen, monokristalline Solarzellen und polykristalline Solarzellen. 

Dünnschichtzellen

Dünnschichtzellen sind sehr dünn und bestehen aus unterschiedlichen Materialien, jedoch nicht aus Silizium. Sie werden auf ein Trägermaterial, wie Glas oder Metallfolie, aufgebracht und sind ungerahmt, mit Vorder- und Rückseitenglas. Ihre Vorteile liegen in den niedrigeren Herstellungskosten, der geringeren Empfindlichkeit bei Verschattungen und der höheren Flexibilität bei der Formgebung. 

Monokristalline Solarzellen

Monokristalline Solarzellen sind opak, blau bis schwarz, weisen einen Wirkungsgrad von 18-20% auf und bestehen aus Silizium. 

Polykristalline Solarzellen

Polykristalline Solarzellen sind opak und meistens blau. Sie sind preisgünstiger, haben aber einen um 14-16% geringeren Wirkungsgrad als monokristalline Solarzellen. 

Quelle: Baunetz Wissen

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Semitransparente Solarzellen

Die semitransparente Wirkung von Solarzellen wird durch die Variation der Abstände zwischen den eingebetteten Zellen (kristallines Silizium) oder durch mechanische Eingriffe direkt in die Zellen (Dünnschichttechnologie) erzeugt. 

Die entstehenden grafischen Muster (Rechtecke, Streifen, runde Löcher) sind variabel an den konkreten Entwurf anpassbar und können mit farbigen Rückgläsern kombiniert werden. Bei der Verwendung von semitransparenten Zellen ist jedoch zu berücksichtigen, dass – durch eine Vergrößerung der Abstände zwischen diesen – der Anteil der elektrisch wirksamen Modulfläche in Bezug auf die Gesamtfläche verringert wird. Diese sind etwa bei Carports, Terrassendächern und Wintergärten vorstellbar. In Gewerbegebieten können beispielsweise großflächige Parkplätze damit überdacht werden.  

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Wechselrichter

Ein Wechselrichter (Inverter) hat die Aufgabe, den Gleichstrom aus der Batterie oder der PV-Anlage in Wechselstrom umzuwandeln. Es gibt selbstgeführte Wechselrichter, die selbst die Phase und Amplitude der erzeugten Wechselspannung bestimmen und für den Aufbau von Inselnetzen geeignet sind.  

Fremdgeführte Wechselrichter hingegen speisen elektrische Energie in ein bestehendes Wechselspannungsnetz ein, indem sie netzsynchron arbeiten und sich an die vorhandene Netzspannung anpassen. Diese Art von Wechselrichtern wird benötigt, um Energie von Photovoltaik-Anlagen in das öffentliche Stromnetz einzuspeisen.  

Mikrowechselrichter wandeln den Gleichstrom direkt am Solarmodul in Wechselstrom um und werden bevorzugt bei kleineren Anlagen eingesetzt. Im Vergleich zu Stringwechselrichtern verringern Mikrowechselrichter die Stringleistung nicht, wenn Module fehlerhaft oder verschattet sind. 

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String

String ist ein Begriff aus der Verschaltung von Photovoltaik Modulen. Dabei meint ein String (= Strang) ein Kabel, über das mehrere Module einer Photovoltaik Großanlage in Reihe geschaltet an einen Wechselrichter angeschlossen werden. 

Vorteil ist die vergleichsweise einfache Verkabelung, was einen geringen Verbrauch an Material und die raschere Montage bedeutet. Ein einziges Solarkabel läuft durch die Solarmodule zum Wechselrichter. 

Allerdings hat die Reihenschaltung den Nachteil, dass das leistungsschwächste Modul, z.B. durch Verschattung, die Gesamtleistung bestimmt. 

Eine alternative Methode ist die Parallelschaltung. Solaranlagen, bei denen die Module durch Parallelschaltung verbunden sind, zeigen merklich weniger Leistungsabfall bei Teilverschattung. Jedoch werden hier wesentlich mehr Meter an Solarkabel verlegt, die zum zentralen Wechselrichter führen.