Wie beeinflusst die Solarzelle den Ertrag Ihrer Solaranlage?

Der Wirkungsgrad moderner Solarzellen – einfach und verständlich erklärt

Wie beeinflusst die Solarzelle den Ertrag Ihrer Solaranlage?

Seit geraumer Zeit gehören Photovoltaikanlagen auf vielen Gebäuden und Grundstücken zum alltäglichen Bild. Sie sind ein Baustein der Energiewende und trugen im Jahr 2018 gut 7% (Quelle: Statistisches Bundesamt) zur Bruttostromerzeugung Deutschlands bei.

Doch wie effektiv sind die Solarzellen, wie steht es um ihren Wirkungsgrad und den der gesamten Photovoltaikanlage? Wie unterscheiden sich die verschiedenen Typen von Solarzellen im Wirkungsgrad? Welche Einflussfaktoren gibt es? Diese und viel weitere Fragen werden wir Ihnen im folgenden Text beantworten.

Wie ist der Wirkungsgrad einer Solarzelle definiert?

Eine Solarzelle hat die Aufgabe, Sonnenstrahlung in elektrische Energie umzuwandeln. Der Wirkungsgrad ist ein Maß für die Effektivität, mit der die Solarzelle arbeitet. Er ergibt sich aus dem Verhältnis von abgegebener elektrischer Energie zur einstrahlenden Lichtenergie.

Je näher der Quotient aus beiden Leistungen am Maximum von 1 (=100%) liegt, desto höher ist der Wirkungsgrad der Solarzelle. Am Wirkungsgrad lässt sich ablesen, wie gut die Solarzelle die als Licht zur Verfügung stehende Energie verwertet. Dargestellt wird der Wirkungsgrad mit dem griechischen Zeichen „eta”.

Wovon hängt der Wirkungsgrad einer Solarzelle ab?

Bestimmender Faktor für den Wirkungsgrad von Solarzellen ist das verwendete Material. Derzeit werden vor allem Solarmodule aus Silizium angeboten. Es wird zwischen monokristallinem und polykristallinem Silizium unterschieden.

Monokristalline Module erreichen einen Wirkungsgrad von 20 – 22%, sind aber in der Fertigung energieaufwändiger und teurer. Polykristallines Silizium hat mit 15 – 20% einen niedrigeren Wirkungsgrad, die Module sind einfacher zu fertigen und nicht so teuer.

Weiterhin werden Dünnschichtmodule angeboten, bei denen auf einem Träger eine Schicht amorphen Siliziums aufgedampft ist, ähnlich der Fertigung von elektronischen Bauteilen.

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Diese sind einfach herzustellen – es kann auf erprobte Technik aus der Halbleiterfertigung zurückgegriffen werden – und dazu noch preiswert.

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Bei Wirkungsgraden von unter 10% kommen sie vor allem in Projekten zum Einsatz, bei denen genügend Fläche für die Anlage zur Verfügung steht.

Der unterschiedliche Wirkungsgrad erklärt sich aus Stromverlusten, die an den Grenzen der Kristallflächen auftreten. Dieser ist bei monokristallinem Silizium am geringsten.

Weitere Einflussfaktoren auf den Wirkungsgrad der Solarzellen sind die Temperatur der Module und die verarbeiteten Frequenzen des Lichtspektrums. Letztere bestimmen die physikalisch mögliche Grenze des Wirkungsgrades einer Solarzelle aus monokristallinem Silizium. Theoretisch sind 33% möglich, dieser Wert wird in der Praxis allerdings nicht erreicht.

Neuere Forschungen belegen, dass diese „Grenze” überwindbar ist, es wurden Module mit Wirkungsgraden von mehr als 40% entwickelt. Dieser hohe Wirkungsgrad wird erreicht, indem das Modul schichtweise aufgebaut wird, wobei die einzelnen Schichten in unterschiedlichen Bereichen des Lichtspektrums arbeiten.

Die nicht umgewandelten Teile des Lichts werden zur darunter liegenden Schicht durchgelassen und dort verarbeitet. Das führt zu einer insgesamt besseren Ausnutzung der verfügbaren Lichtleistung und zu einem höheren Wirkungsgrad des Gesamtmoduls.

Wirkungsgrad von Solarzellen

Bauart der SolarzelleWirkungsgrad
monokristallines Silizium20 – 22%
polykristallienes Silizium15 – 20%
amorphes Silizium8%
Zellen auf Basis von Kohlenstoff, GaAS, CIGS (haben derzeit nur geringe Bedeutung)2 – 25%

Warum hat eine Photovoltaikanlage einen niedrigeren Wirkungsgrad als eine Solarzelle?

Eine Solarzelle hat immer einen höheren Wirkungsgrad als eine Photovoltaikanlage. Die Verluste aller Bauteile einer Anlage fließen in die Berechnung des Gesamtwirkungsgrades mit ein.

Im Wechselrichter wird Gleich- in Wechselstrom umgewandelt. Auch das ist mit Verlusten verbunden.

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Zusätzlich verringern Länge und Querschnitte von Verbindungsleitungen und lange Leitungen für Wechselstrom die Ausbeute.

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Die Summe der Verluste einer Anlage können vier und mehr Prozent erreichen. Das scheint wenig zu sein, summiert sich aber im Lauf eines Anlagenlebens auf viele Kilowattstunden und schmälert so den Gesamtertrag. Daher ist beim Bau einer Solaranlage neben der Wahl der passenden Solarzellen (sprich: Module) auch die Auswahl der weiteren Bauteile wichtig.

Leistung und Ertrag einer Photovoltaikanlage

Neben dem Wirkungsgrad ist die Leistung einer Photovoltaikanlage für die Bauentscheidung sehr wichtig. Die Leistung einer Solarzelle oder einer ganzen Anlage hängt bei sonst gleichen Bedingungen vom Wirkungsgrad und der Grundfläche ab. Je größer der Wirkungsgrad, desto kleiner ist die für die gleiche Leistung benötigte Fläche.

Die Nennleistung einer Photovoltaikanlage wird in Watt Peak (Wp) bzw. kW Peak (kWp) angegeben. Diese Angaben beziehen sich auf Messwerte aus standardisierten Testbedingungen (STC, standard test conditions). Die so erhaltenen Referenzwerte unter gleichen Bedingungen ermöglichen es, Module untereinander vergleichen zu können.

Aus der Nennleistung lässt sich der nominelle Ertrag der Photovoltaikanlage für ein Jahr bestimmen. Der tatsächliche Ertrag wird immer niedriger liegen, hängt er doch von vielen weiteren Faktoren wie der Sonneneinstrahlung, der Neigung, der Ausrichtung und den Umgebungstemperaturen ab. Auch die Meereshöhe, die Luftqualität und eventuelle Verschattungen beeinflussen den Ertrag.

Das Verhältnis zwischen tatsächlichem Ertrag und maximal technisch möglichem (nominalen) Ertrag einer Photovoltaikanlage wird auch als Performance Ratio bezeichnet. Dieser Wert liegt im Durchschnitt zwischen 65 und 75%, besonders effektive Anlagen kommen auf 80%.

Was muss vor dem Bau einer Photovoltaikanlage bedacht werden?

Die Absicht des Bauherrn beim Bau einer Photovoltaikanlage ist, über den Zeitraum des Betriebes der Anlage hinweg einen möglichst niedrigen Erzeugerpreis je kWh erzeugtem Strom zu erzielen.

Um dieses Ziel zu erreichen, gibt es eine Reihe von möglichen Stellschrauben. Nicht alle Parameter können beeinflusst werden, weil eine Reihe davon schon durch den Standort der Anlage vorgegeben ist.

Da bei der Erzeugung von Solarstrom kaum laufende Kosten anfallen, können schon beim Bau die wesentlichen Weichen für günstig erzeugten Solarstrom gestellt werden.

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Ein wichtiger Aspekt ist die zur Verfügung stehende Fläche. Je größer die bebaubare Fläche, desto größer ist der potentielle Ertrag der Anlage. Bei sonst gleichen Parametern wird der Strom je kWh bei größeren Anlagen immer günstiger erzeugt, da die Anschaffungskosten nicht proportional steigen.

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Die Auswahl des Modultyps für die Anlage ist ein weiterer Faktor. Anschaffungskosten und Wirkungsgrad der verschiedenen Modultypen stehen im umgekehrten Verhältnis zueinander.

Mit günstigen Dünnschichtmodulen und größerer Fläche kann der gleiche Ertrag erzielt werden wie mit monokristallinen Siliziummodulen und entsprechend kleinerer Fläche. Es ist nicht der Wirkungsgrad allein, der den Bau effektiver Anlagen entscheidend beeinflusst.

Fazit

Für die Wahl des Solarzellentypes Ihrer Photovoltaikanlage ist der Wirkungsgrad nicht der alleinig ausschlaggebende Faktor. Es sollten alle Randbedingungen beachtet werden und im Ergebnis die Solarzellen zum Einsatz kommen, die den insgesamt effektivsten Ertrag versprechen.

Für eine sorgfältige Planung, die alle individuellen Faktoren mit berücksichtigt, stehen Ihnen unsere Experten zur Seite. Kontaktieren Sie uns per E-Mail oder rufen Sie uns einfach an, um ein Beratungsgespräch zu vereinbaren.

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Fotograf: Armin Kübelbeck, CC-BY-SA, Wikimedia Commons

Источник: https://www.eigensonne.de/wirkungsgrad-solarzelle/

Auau, Funktionsweise und Ertrag eines Solarmoduls

Wie beeinflusst die Solarzelle den Ertrag Ihrer Solaranlage?

Was genau ist ein Solarmodul? Ein Solarmodul ist eine Solaranlage bestehend aus vielen Solarzellen, die für die Erzeugung von Strom mit Photovoltaikanlagen genutzt wird.

Auau eines Solarmoduls

Der Auau eines Solarmoduls besteht aus mehreren Solarzellen. Die Solarzellen haften auf einem Trägermaterial und sind auf der Vorderseite sowie auf der Rückseite durch eine Schicht vor Feuchtigkeit geschützt.

Hier kommen zum Beispiel wetterfeste Kunststofffolien zum Einsatz, bei denen die obere Schicht eine gute Lichtdurchlässigkeit aufweisen sollte. Die Vorderseite der Solarzelle (die Fläche, die zur Sonne zeigt) ist durch eine Glasscheibe vor Witterungsverhältnissen geschützt.

Ein Solarmodul ist in einen stabilen Rahmen (aus Aluminium oder Edelstahl) gefasst und an der Glasscheibe abgedichtet. Dieser Rahmen dient dem sicheren Halt und erleichtert den Transport und die Montage der Solaranlage.

Modelle von Solarmodulen

Je nach Modell unterscheidet sich der Auau der Zellen. Man unterscheidet zwischen polykristallinen Modulen, monokristallinen Modulen und Dünnschichtmodulen.

Für polykristalline Solarmodule wird der Rohstoff Silizium geschmolzen, in Blöcke gegossen und Scheiben zersägt. Beim Abkühlen entstehen viele verschiedenartige Siliziumkristalle.

Die unterschiedliche Anordnung der Kristalle sorgt dafür, dass an deren Grenzen Defekte auftreten, die den Wirkungsgrad des Solarmoduls reduzieren.

Der Anteil an Silizium in einem polykristallinen Solarmodul ist generell kleiner, weshalb der Wirkungsgrad geringer ausfällt als bei monokristallinen Modulen. Polykristalline Solarmodule sind dafür in der Herstellung einfacher und günstiger.

Monokristalline Solarmodule entstehen ebenfalls, indem Silizium geschmolzen wird, aus dem dann einkristalline Stäbe (Einkristalle) gezogen werden.

Die Einkristalle werden zu sogenannten Wafern (kreisrunde oder quadratische Scheiben von einem Millimeter Dicke) zersägt.

Bei monokristallinen Modulen fallen die Kristallgrenzen und somit mögliche Defekte weg, sodass sie deutlich höhere Wirkungsgrade aufweisen. Monokristalline Solarmodule sind jedoch in der Herstellung teurer.

Um Dünnschichtmodule zu produzieren, wird ein Trägermaterial mit einer dünnen Schicht aus amorphem oder kristallinem Silizium bedampft.

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Dabei nutzt man viel weniger Silizium als bei mono- und polykristallinen Solarmodulen, weshalb die Fertigung von Dünnschichtmodule günstiger ausfällt. Aus diesem Grund wächst der Marktanteil von Dünnschichtmodulen stetig.

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Der Vorteil von Dünnschichtmodulen ist, dass sie auch bei schwachem Licht gute und konstante Solarstromerträge erzielen.

Funktionsweise eines Solarmoduls

In einem Solarmodul bzw. in den Solarzellen, aus denen ein Solarmodul besteht, wird die Energie der Sonne in elektrischen Strom umgewandelt. Die Solarzelle besteht aus dem Halbleitermaterial Silizium. Eine Eigenschaft von Halbleitern ist die hohe Leitfähigkeit bei Energiezufuhr.

Die elektromagnetischen Strahlen der Sonne wiederum bestehen aus Photonen. Treffen die Photonen auf das Silizium in der Solarzelle, übertragen diese ihre Energie auf lose Elektronen und stoßen sie so von dem Silizium ab.

Es kommt also zu einer Bewegung in der Zelle, durch die in der angeschlossenen Leitung Strom entsteht.

Ertrag eines Solarmoduls

Der Ertrag eines Solarmoduls ist abhängig von den Wetterbedingungen.

Eine optimal ausgerichtete Solaranlage ohne Verschattung mit einer Nennleistung von 100 W würde an einem Tag mit sieben sonnigen Stunden 0,7 kWh erreichen (100 W x 7 h = 700 Wh = 0,7 kWh).

Für den Ertrag der Solarzellen spielen Dachausrichtung (gen Süden) und Dachneigung eine große Rolle. Es dürfen an den Zellen keine Verschattungen durch Schornsteine, Bäume, Schmutz, Schnee o.ä. vorliegen.

Kosten von Solarmodulen

Solarmodule sind in den letzten Jahren immer preiswerter geworden. Ursache für die stark fallenden Preise von Solaranlagen ist unter anderem der hohe Wettbewerb auf dem Markt.

Je mehr Solarmodule produziert werden, umso preiswerter wird die Produktion für jedes einzelne Modul.

Anfang 2019 lagen die durchschnittlichen Preise je nach Qualität des gewählten Moduls zwischen 45 Cent und 90 Cent.

Qualität von Solarmodulen

Wirkungsgrad und Lebensdauer von Solarmodulen haben sich in den letzten Jahren stetig verbessert. Hersteller von Photovoltaikanlagen geben heutzutage bis zu 25 Jahre Garantie auf die Solarzellen.

Verschaltung von Solarmodulen

Solarmodule lassen sich als Serienschaltung (oder auch Reihenschaltung) sowie als Parallelschaltung miteinander verschalten.

Bei einer Serienschaltung handelt es sich um einen einzigen Stromkreis, in dem die elektrischen Verbraucher hintereinander geschaltet und an den Wechselrichter angeschlossen sind. In dieser Reihe bestimmt das schwächste Modul die Gesamtleistung der Reihe.

Wenn es zu einer Verschattung der Solarzellen kommt, hat das Auswirkungen auf die ganze Reihe und die Leistung der Reihe fällt aufgrund dieses verschatteten Moduls ab.

Im Gegensatz zur Serienschaltung entstehen bei einer Parallelschaltung mehrere Stromkreise: Hier sind mehrere Modul-Gruppen formiert, die gleichzeitig parallel geschaltet und an den Wechselrichter angeschlossen sind. Die verschiedenen Modulgruppen beeinflussen sich nicht gegenseitig, sodass Verschattungen der Solarzellen am Ende nicht groß ins Gewicht fallen.

Wirkungsgrad eines Solarmoduls

Je nach Modell eines Solarmoduls weist dieses unterschiedliche Wirkungsgrade auf.

Der Wirkungsgrad von polykristallinen Solarzellen wird durch neue Entwicklungen und technischen Fortschritt immer besser – aktuell liegt er zwischen 12 und 16 Prozent. Monokristalline Solarzellen verfügen über einen Wirkungsgrad von bis zu 20 Prozent.

Der Wirkungsgrad von Dünnschichtmodulen ist deutlich niedriger als bei monokristallinen und polykristallinen Modulen und bewegt sich zwischen sechs und zehn Prozent.

Источник: https://www.net4energy.com/de-de/energie/aufbau-solarmodul

Photovoltaik Leistung

Wie beeinflusst die Solarzelle den Ertrag Ihrer Solaranlage?
Solaranlage © M. Schuckart, stock.adobe.com

Die Leistung einer Photovoltaik-Anlage (PV-Anlage) wird üblicherweise in der Einheit kWp angegeben.

Das steht für Kilowatt peak und bezeichnet die Spitzenleistung eines Moduls oder des gesamten Solargenerators.

Die Werte werden unter standardisierten Laborbedingungen ermittelt und sind alleine noch nicht sehr aussagekräftig, da der tatsächliche Ertrag von vielen weiteren Faktoren abhängt.

Die Angabe Peakleistung bezieht sich auf Test-Bedingungen

Darüber hinaus ist die Einheit in der Praxis weniger relevant, da sie lediglich Auskunft über die Spitzenleistung (engl. peak: Spitze) gibt.

Darum ist die Angabe Kilowatt-Peak nur theoretisch aussagekräftig

Interessanter ist der Ertrag, den die Anlage kontinuierlich und über einen längeren Zeitraum liefern kann. Im Folgenden stellen wir Ihnen Faktoren vor, die die Leistung einer PV-Anlage beeinflussen. Zur optimalen Dimensionierung Ihrer Anlage lesen Sie bitte unsere Informationen zu den Photovoltaik-Voraussetzungen.

Tipp: Mit dem Solarrechner kann man die Rendite einer Solaranlage berechnen

Sonneneinstrahlung

Bei der Erzeugung von Solarstrom spielt die Sonnenscheindauer zwar eine große Rolle, jedoch keine so wichtige wie mancher vielleicht vermuten würde.

Grundsätzlich ist es an jedem Standort in Deutschland möglich, den kompletten Strombedarf eines Privathaushalts mit der Photovoltaik zu decken.

Mindestens ebenso wichtig sind jedoch zum Beispiel auch eine möglichst unverschattete Fläche sowie qualitativ hochwertige Solarmodule.

Photovoltaikanlage: Ausrichtung und Neigung beachten. Nur Schatten ist ein no go[attention type=red]

Die Sonneneinstrahlung nimmt, über das gesamte Bundesgebiet gesehen, von Süden nach Norden stetig ab. Daher wird eine Anlage in Hamburg oder Bremen weniger Ertrag liefern als eine baugleiche Anlage in München oder Stuttgart. Da man daran nichts ändern kann, sollte die PV-Anlage an die Bedingungen und den individuellen Bedarf angepasst werden.

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Alternativen sind beispielsweise, den Solargenerator im Norden größer zu dimensionieren als im Süden oder leistungsfähigere Solarzellen zu verwenden. Beide Möglichkeiten sind in der Regel mit etwas höheren Investitionskosten verbunden. Als Faustregel gilt, dass 1 kWp im Jahr rund 900 bis 1.100 Kilowattstunden Strom liefert – im Süden eher 1.

100, im Norden eher 900.

Photovoltaik: Der Standort spielt eine Roll beim Ertrag

Leistungsschwankungen

Darüber hinaus ist die Sonneneinstrahlung natürlich auch von der Jahreszeit abhängig. Den Großteil ihres Gesamtertrags fährt eine PV-Anlage in den wärmeren Sommermonaten ein, während sich die Sonne in den Wintermonaten eher selten sehen lässt.

Der fehlende Bedarf muss zwar von einem Energieversorger bezogen werden, doch gleicht sich dies spätestens im Sommer durch die Mehrerträge wieder aus.

In vielen Haushalten wird der erzeugte Strom ohnehin komplett in das öffentliche Netz eingespeist und der eigene Strombedarf von einem Energieversorger bezogen.

Tipp: Verlangen Sie von Ihrem Solarteur eine möglichst genaue Berechnung des voraussichtlichen Ertrags. Gewisse Toleranzen müssen Sie in Kauf nehmen, da sich die Leistung eines Moduls in der Realität nicht exakt beziffern lässt. Sie können sich jedoch im Vorfeld schon einmal selbst informieren. Hier finden Sie unseren kostenfreien und unverbindlichen Photovoltaik-Rechner, der Ihnen Ihren voraussichtlichen Ertrag in Sekundenschnelle errechnet.

Neigungswinkel

Auch der Neigungswinkel kann den Ertrag einer PV-Anlage stark beeinflussen – direkt und indirekt. Bei der Installation der Anlage sollte der für Ihren Standort optimale Neigungswinkel der Solarmodule berechnet werden.

In Deutschland ist dies in der Regel ein nach Süden ausgerichteter Solargenerator mit einer Neigung von rund 30 Grad.

Zwar erwirtschaftet eine PV-Anlage auch bei nicht optimaler Lage und diffusem, also nicht direkt einstrahlendem Sonnenlicht einen ansehnlichen Ertrag, doch kann sich dieser im Vergleich zur optimalen Lage mehr als halbieren.

Photovoltaik: Ausrichtung und Neigung haben Einfluss auf den Ertrag

Die Wahl eines bestimmten Neigungswinkels kann auch indirekte Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit haben.

So sorgt ein steilerer Neigungswinkel im Winter beispielsweise dafür, dass Schnee schneller von den Modulen abrutscht. Der Effekt fällt jedoch nicht sehr stark ins Gewicht.

Angesichts des ohnehin niedrigen Ertrags im Winter lohnt es sich alleine schon aus Sicherheitsgründen nicht, selbst mit dem Schneeschieber einzugreifen.

Ein flacherer Neigungswinkel könnte seine Stärken dagegen im Sommer ausspielen und die lange andauernde Sonneneinstrahlung besser nutzen. Dagegen spricht allerdings der oben beschriebene Reinigungseffekt.

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Die Gefahr, dass Schmutz, Vogelkot oder andere Störfaktoren auf den Modulen liegenbleiben, kann einen Strich durch diese Rechnung machen.

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Eine wiederholt fällig werdende Reinigung des Solargenerators auf dem Dach ist mit Sicherheitsrisiken und hohen Kosten verbunden.

Photovoltaikanlage: Auch auf dem Flachdach möglichTipp: Sie haben ein Flachdach? Kein Problem, mithilfe einer entsprechenden Unterkonstruktion, wie sie auch bei Anlagen auf freier Fläche verwendet wird, kann der gewünschte Neigungswinkel hergestellt werden. Je nach Standort sind die Mindererträge durch nicht optimale Neigungswinkel aber so gering, dass sich eine aufwendige Unterkonstruktion nicht lohnt.

Energiesparpotenzial

Wie Sie Ihren individuellen Bedarf beziehungsweise den benötigten Ertrag leicht selbst errechnen können, hat Ihnen bereits unser kleines Rechenbeispiel aufgezeigt. Ein Aspekt sollte dabei jedoch nicht zu kurz kommen.

Über den signifikanten finanziellen Nutzen hinaus, beispielsweise durch die Einspeisevergütung, dürfte für viele potenzielle Investoren der Nachhaltigkeits-Gedanke mindestens ebenso wichtig sein.

Mit der PV-Anlage auf dem Dach trägt man ein kleines Stück dazu bei, dass der Anteil an erneuerbaren Energien im Strommix steigt und Strom aus Atomkraft oder fossilen Brennstoffen verdrängt wird.

Solaranlage: Die Umwelt freut sich auf jeden Fall…

Darüber hinaus führt die zwangsläufig nötige Auseinandersetzung mit der Technologie und der allgemeinen Marktsituation oftmals dazu, dass der Anlagenbetreiber selbst noch stärker für die Notwendigkeit eines effizienten Umgangs mit Energie sensibilisiert wird. Schließlich führt jede persönliche Einsparung von unnötigem Stromverbrauch unmittelbar zu einer weiteren Steigerung des Ertrags.

….in der Regal aber auch Ihr Geldbeutel, den PV-Anlagen versprechen langfristig gute RenditenTipp: Die schönsten Berechnungen helfen nichts, wenn einem „höhere Gewalt“ die Rechnung verdirbt. Eine Versicherung ist unerlässlich, zumal, wenn die PV-Anlage über einen Kredit finanziert wird. Zwar ist zu hoffen, dass die sinkenden Modulpreise auch zu einer Abnahme von Diebstählen von Solarmodulen führen, doch können auch Naturgewalten große Schäden anrichten. Lesen Sie zu diesem Aspekt auch unsere Informationen zum Thema Photovoltaik Wartung.

Источник: https://www.heizsparer.de/solar/photovoltaik/photovoltaik-leistung

Leistungsstarke Solarzellen für Ihre Solaranlage

Wie beeinflusst die Solarzelle den Ertrag Ihrer Solaranlage?

Die Leistungsstärke einer Solaranlage wird maßgeblich von den gewählten Solarzellen beeinflusst, denn hier findet die eigentliche Stromgewinnung statt.

Eine einzelne Solarzelle hat dabei eine sehr geringe Leistung, deswegen werden für Photovoltaikanlagen mehrere Zellen miteinander gekoppelt.

Viele Solarzellen in einer Reihe geschaltet ergeben dann das Solarmodul.

Um die Funktionsweise einer Solarzelle zu erklären, sind ein paar Physikkenntnisse notwendig: Die Solarzelle besteht aus einem Siliziumkristall und einem Halbleiter.

Wenn die Sonne auf die Solarzelle trifft, werden dadurch positive und negative Ladungen ausgelöst, welche sich in Form von Wärme bemerkbar machen. Die Ladung kann nur entstehen, weil sich auch der Halbleiter in der Solarzelle befindet.

Dieser besteht meistens aus Silizium, da andere Metalle aufgrund Ihrer Beschaffenheit keinen elektrischen Strom transportieren können.

Wodurch wird der Wirkungsgrad von Solarzellen beeinflusst?

Der Wirkungsgrad von Solarzellen hängt mit den verwendeten Siliziumkristallen zusammen. Zunächst ist wichtig, dass der Kristall rein ist, also möglichst wenig Fremdatome enthält.

Das bedeutet, je reiner das Silizium, desto besser auch die Leitfähigkeit und umso höher wiederum der Wirkungsgrad.

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Genau genommen gibt es jedoch keine reinen Siliziumkristalle, weswegen selten der Reinheitsgrad bei Solarzellen angegeben wird.

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Stattdessen werden die Solarmodule in Abhängigkeit des verwendeten Siliziumkristalls in unterschiedliche Arten unterteilt. Mit der Größe des Siliziumkristalls im Modul, steigt auch der Wirkungsgrad der Solarzelle an. Unterschieden wird zwischen monokristallinen Modulen, polykristallinen Modulen und Dünnschichtmodulen:

  Monokristalline Module

Diese Module bestehen aus einem großen Kristall, wodurch der Energieverlust verringert und der Wirkungsgrad hochgehalten wird. Allerdings sind die Herstellungskosten ziemlich teuer, was an dem hohen Energieaufwand für die Produktion großer Kristalle liegt.

  Polykristalline Module

Polykristalline Module werden aus vielen kleinen Siliziumkristallen zusammengesetzt. An den Grenzflächen der kleinen Kristalle treten Stromverluste auf, wodurch sich der Wirkungsgrad des Solarmoduls verringert.

  Dünnschichtmodule

Bei Dünnschichtmodulen wird das Silizium zu einer amorphen Masse geschmolzen und als dünne Schicht auf die Solarzelle aufgedampft. Diese Modulart weist den niedrigsten Wirkungsgrad auf, ist aber aufgrund des wenigen Materialbedarfs viel günstiger in der Anschaffung.

Am beliebtesten sind mono- oder polykristalline Solarmodule für Privathaushalte.

In 3 Schritten die passende Solarzelle auswählen

Nicht immer ist es notwendig, das teuerste Modul mit den leistungsstärksten Solarzellen zu kaufen. Doch genauso wenig sollten Sie an der falschen Stelle sparen. Wir erklären Ihnen in drei einfachen Schritten, wie Sie das passende Modul mit geeigneter Solarzelle auswählen:

  1. Leistungsbedarf bestimmen

Damit Sie mit der Solaranlage Ihren Strombedarf abdecken können, sollten Sie die Anlage auf Ihren persönlichen Bedarf anpassen. Schauen Sie dazu am besten auf Ihre Stromabrechnung vom letzten Jahr. Für ein Einfamilienhaus mit vier Personen wird eine Anlagenleistung von durchschnittlich 4.000 bis 4.500 kWh empfohlen.

  2. Verfügbare Montagefläche überprüfen

Um den gewünschten Ertrag mit Ihrer Anlage zu erwirtschaften, müssen Sie auch überprüfen, wie viel Montagefläche Sie auf dem Dach für die Solarmodule zur Verfügung haben. Achten Sie darauf, dass die Dachfläche frei von Verschattungen und Dachgauben oder -fenstern sein muss. Die verschiedenen Modularten benötigen:

  • Dünnschichtmodule: etwa 15 m² Fläche pro kWp
  • Polykristalline Module: etwa 9 m² Fläche pro kWp
  • Monokristalline Module: etwa 7 m² Fläche pro kWp

  3. Leistung und Montagefläche aufeinander abstimmen

Haben Sie Ihren Strombedarf und die verfügbare Montagefläche bestimmt, wissen Sie, welches Solarmodul am geeignetsten für Sie wäre. Im Idealfall sprechen Sie sich mit einer Fachfirma ab. Diese kann Ihnen genau ausrechnen, welches Potenzial in Ihrem Dach steckt und mit welchem Solarstromertrag Sie rechnen können.

Solaranlage mit Fachfirma planen

Eine Solaranlage ist meist eine kostspielige Investition. Mit der passenden Fachfirma an Ihrer Seite minimieren Sie das Risiko für Fehlentscheidungen und können sich auch über aktuelle Fördermöglichkeiten informieren.

Aroundhome hilft Ihnen bei der Suche nach der passenden Firma für Ihr Projekt. Füllen Sie dazu einfach unseren Online-Fragebogen aus und Sie erhalten kostenlos und unverbindlich* bis zu drei Angebote von Solarteuren aus Ihrer Umgebung.

 

Источник: https://www.aroundhome.de/solaranlage/solarzelle/

Photovoltaik: Ertrag in Sommer und Winter

Wie beeinflusst die Solarzelle den Ertrag Ihrer Solaranlage?

Die Menge an nutzbarem Solarstrom, die eine Photovoltaik-Anlage erzeugt, wird Ertrag genannt und in Kilowattstunden (kWh) gemessen. Als Energiequelle bestimmt die Sonne die Höhe des Solarertrags.

Es gilt: Je mehr Solarenergie auf die Solarmodule der Anlage trifft, desto mehr kann diese in nutzbaren Strom umwandeln.

Die Sonne wechselt jedoch über den Tag und die Jahreszeiten gesehen ihren Stand am Himmel und scheint so mit unterschiedlicher Stärke und aus unterschiedlicher Höhe auf das Solardach.

Hinzu kommt das Wetter, das sich buchstäblich zwischen Sonne und Anlage, hier: Sender und Empfänger von Energie, schiebt und so seinerseits den Ertrag beeinflusst. Welche Unterschiede sich aus diesen und anderen Gründen beim PV-Ertrag in Sommer und Winter ergeben, erklärt dieser Beitrag.

Schnee auf den Solarmodulen mindert den Solarertrag der Photovoltaik-Anlage © AK DigiArt, fotolia.com

Als sogenannte Kenngröße (auch Kennwert oder Kennzahl) beziffert der solare Ertrag (auch Solarertrag) den energetischen Ertrag einer Photovoltaik-Anlage. Anders ausgedrückt entspricht der Solarertrag der Menge an dem von der Anlage insgesamt erzeugten Solarstrom, der sich auch tatsächlich nutzen lässt.

Typische PV-Ertragszahlen im Jahresverlauf

Die folgende Grafik veranschaulicht typische Photovoltaik-Erträge im Verlauf eines Jahres am Beispiel einer Anlage in Norddeutschland (Quelle: Wikipedia) – angegeben in Kilowattstunden (kWh) pro KilowattPeak (kWP):

Jahresgang einer Photovoltaikanlage, Bild: wikipedia, SechWat

Daraus ließen sich folgende Sommer- und Wintererträge für eine 5-kWP-Anlage zusammenrechnen:

Ertrag PV Anlage 5kWpWinter (Okt – März) 1.185Sommer (April – Sept) 3.115
100%28 %72 %
4000 kWh1.120 kWh2.880 kWh

Datensatz, abgelesen aus Diagramm: (Anlage in Norddeutschland, normiert auf 1 kWp)

  • Jan = 27 kWh
  • Feb = 51 kWh
  • März = 70 kWh
  • Apr = 81 kWh
  • Mai = 123 kWh
  • Juni = 125 kWh
  • Juni = 115 kWh
  • Aug = 103 kWh
  • Sep = 76 kWh
  • Okt = 53 kWh
  • Nov = 17 kWh
  • Dez = 19 kWh

Der Standort entschiedet ebenfalls über die Leistung: Wo steht die PV-Anlage in Deutschland?

Gründe für Unterschiede bei PV-Erträgen zwischen Sommer und Winter

Die Höhe des Solarertrags einer Photovoltaik-Anlage hängt im Wesentlichen von zwei Faktoren ab:

  1. der Menge an Sonnenenergie, die bei der Anlage eintrifft, und
  2. der Menge an Sonnenenergie, die die Anlage in nutzbaren Strom umzuwandeln vermag.

Solaranlage bei Sonnenschein © Jonas Glaubitz, fotolia.com

Globalstrahlung in Sommer und Winter – definiert, erklärt und beziffert

Globalstrahlung erklärt

Die Anteile an Sonnenenergie, die tatsächlich unseren Erdboden erreichen, werden als Globalstrahlung bezeichnet, wobei diese in direkte und indirekte (diffuse) Strahlung unterschieden wird.

Während direkte Strahlung direkt auf die Erdoberfläche auftritt, handelt es sich bei diffuser Strahlung um gestreute und reflektierte Strahlung.

Im jährlichen Mittel kommt die Globalstrahlung jeweils zur Hälfte direkt und diffus an.

Diffuse Strahlung: gestreute und reflektierte Strahlung

Man misst die Globalstrahlung in sogenannten Pyranometern und gibt sie in der Einheit Watt pro Quadratmeter (W/m2) an. Sie lässt sich auf durchschnittlich 1.368 Watt/m2 beziffern.

Tipp: Zum Vergleich des Solarertrags einer Photovoltaik-Anlage in Sommer und Winter ist die jährliche Globalstrahlung wichtig, also die solaren Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr (kW/m2a).

Die genannte maximale Solarstrahlung wird auf ihrem Weg durch die Atmosphäre zwischen Sonne (Absender) und PV-Anlage (Empfänger) jedoch vermindert,

  • weil sie sich an Luftmolekülen und Aerosolen streut
  • oder weil sie von Wasserdampf und Kohlendioxid absorbiert wird.

Auch die Strecke, die die Strahlungsenergie zurücklegt, beeinträchtigt ihre Intensität: Die Wegstrecke variiert mit dem Stand der Sonne. Hinzu kommen als weitere Einflussfaktoren

  • die Höhe des Standortes (Höhenlage) der PV-Anlage, da diese die Dicke der Luftschicht bedingt, die die Strahlung streut, absorbiert und reflektiert,
  • die Luftqualität am Standort (Stichwort: Luftverschmutzung), da schmutzige Luft eine größere Barriere darstellt als saubere, die von den Strahlen ungestörter durchdrungen werden kann,
  • das Wetter/Klima am Standort, da es die Qualität der Luftschicht beeinflusst.

Aus dem Vorgeschriebenen resultieren drei Fakten:

  1. Je näher am Äquator eine Photovoltaik-Anlage steht, desto höher sind Globalstrahlung und Erträge: Der Weg für die energetische Solarstrahlung von der Sonne zur Erdoberfläche nimmt wegen des steileren Sonnenstandes zum Äquator hin ab.
  2. Je höher die Sonne steht, desto höher sind Globalstrahlung und Erträge. Mittags ist sie demnach am höchsten und morgens und abends niedriger sowie im Sommer höher als im Winter.
  3. Je höher der Standort einer Photovoltaik-Anlage liegt, desto höher sind Globalstrahlung und Erträge.

Die Globalstrahlung, wie sie auf deutschen Boden gelangt, liegt im Schnitt bei 100 bis 130 W/m2. Daraus ergibt sich eine Jahressumme zwischen 900 bis 1.200 kWh/m2. Die meiste Globalstrahlung trifft den Nordosten und den Süden der Bundesrepublik.

Die Globalstrahlung hat einen entscheidenden Einfluss auf den ErtragTipp: Um auch in ungünstigeren Lagen auf die benötigte Solarstrommenge zu kommen, sollte die Dimensionierung der Anlage auf die spezifischen Bedingungen am Standort und den zu deckenden Bedarf ausgelegt werden. So kann eine flächengrößere oder eine mit leistungsstärkeren Modulen ausgestattete Anlage im Norden genauso viel Ertrag bringen wie eine kleinere oder leistungsschwächere im Süden.

Für Photovoltaik-Anlagen in Deutschland ist demzufolge mit einer Globalstrahlung von im Schnitt 1.000 kWh/m2 zu rechnen. Wobei der Durchschnittswert aus zwischen Sommer und Winter sehr stark schwankenden Strahlungen resultiert. Die Rede ist hier von einem 3:1-Verhältnis zwischen sommerlicher und winterlicher Strahlung.

An Sonnenstunden sind es im Schnitt 1.300 bis 1.900, die Deutschland jährlich verbucht, wobei das Jahr insgesamt 8.760 Stunden hat.

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Höchste Sonneneinstrahlung verzeichnen wir in den Monaten Mai bis September, wobei auch die Wintermonate Oktober bis April hierzulande durchaus noch lohnenswerten PV-Ertrag einbringen: Er liegt vergleichsweise stabil zwischen 350 und 400 kWh/m2.

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Zieht man die jährlichen Globalstrahlungswerte heran, kommt man für den PV-Ertrag im Winter auf Anteile von gut einem Drittel (um die 34 Prozent) am Jahresertrag.

Tipp: Die hier angeführten 350 bis 400 kWh Solarstrom im Winter liefert Ihnen eine Photovoltaik-Anlage mit einer Nennleistung von einem kWp bestehend aus fünf bis sieben Solarmodulen.

Damit hätten wir die Menge an solarer Energie als den einen der zwei eingangs genannten Faktoren definiert, erklärt und beziffert, von dem der mögliche Ertrag der Photovoltaik-Anlage abhängt. Für einen möglichst hohen Ertrag lässt sich am Sender der Energie kaum „schrauben“. Ganz anders ist das beim Empfänger: der Anlage selbst.

Verschattungen durch Nebengebäude, Bäume und Sträucher vermindern die Solareinstrahlung auf die PV-Anlage. Das hat Ertragseinbußen zur Folge. © liantho, fotolia.com

Denn auch

  • die Ausrichtung des Dachs mit der Anlage gen Sonne,
  • der Neigungswinkel der Anlage gen Sonne, resultierend aus Dachneigung und gegebenenfalls Aufständerung,
  • und die gegebenenfalls auftretende Verschattung des Standortes durch Begrünung oder Nachbargebäude

wirken sich auf die Menge der auf die Photovoltaik-Anlage auftreffenden Solarstrahlen aus. Hierzulande verspricht eine nach Süden ausgerichtete PV-Anlage, die um 30 bis 35 Grad geneigt ist, besten Strahlungsempfang und damit höchste Solarerträge.

Der Ertrag einer PV-Anlage hängt von verschiedenen Faktoren abTipp: Höhere Winkel sorgen im Winter zwar womöglich für ein früheres und leichteres Abrutschen gegebenenfalls vorhandenen Schnees (Stichwort: Selbstreinigungseffekt), doch im Sommer machen sich niedrigere Neigungswinkel bezahlt, da die Sonne dann sehr hoch steht.

Hinzu kommt die Leistungsfähigkeit der Solarmodule als ein den Ertrag der PV-Anlage beeinflussender Faktor, der sich abzielend auf einen möglichst hohen Ertrag einsetzen lässt:

Wirkungsgrad der Solarmodule

Es gibt heute viele Solar-Module, die sich in ihrer Beschaffenheit und ihrem Auau und daraus resultierend in ihrer Leistung unterscheiden.

Die Leistung einer Photovoltaik-Anlage wird üblicherweise in der Einheit WattPeak (Wp) beziehungsweise KilowattPeak (kWp) angegeben – unter anderem als Nennleistung (auch Spitzenleistung) auf dem zum Solarmodul gehörenden Datenblatt.

Wobei das englische „peak“, auf Deutsch: „Spitze“, die maximale Leistung der Anlage meint, die allerdings nur unter idealen, standardisierten Bedingungen im Labor (1.000 W/m2, 25 Grad Celsius (°C) Zelltemperatur, 90°C Einstrahlungswinkel bei Lichtspektrum 1,5 Air Mass) zustande kommt.

Das heißt, dass die Nennleistung von Photovoltaik-Anlagen noch keine große Aussage darüber zulässt, wie viel Solarstrahlung sie tatsächlich in nutzbaren Solarstrom verwandelt. Das nämlich ist abhängig vom Modultyp, da jede Substanz nur Licht bestimmter Wellenlängen in Strom umwandeln kann – wobei anzumerken ist, dass eine komplette Umwandlung grundsätzlich unmöglich ist.

Wirkungsgrad von Solarmodulen

Demnach gibt der Wirkungsgrad der Anlage uns bessere Auskunft über den Ertrag derselben. Der Wirkungsgrad der Photovoltaik-Anlage resultiert aus dem materialspezifischen Wirkungsgrad der Solarmodule und den Verlusten seitens Wechselrichter und Verkabelung. Die beiden derzeit am häufigsten verbauten Modultypen basieren auf Solarzellen aus

  • monokristallinem
  • und polykristallinem Silizium.

Hochwertige monokristalline Solarzellen kommen auf Wirkungsgrade von 20 bis 22 Prozent, polykristalline auf Wirkungsgrade von 15 bis 20 Prozent. Es gilt: Je höher der Wirkungsgrad der Module ist, desto mehr Strahlung wandeln sie in Strom um.

Eine gut abgestimmte Anlage verwertet Sonnenenergie zuverlässigTipp: Eine nicht verschattete PV-Anlage erzeugt zwischen dem 0,5-fachen (an einem trüben, kurzen Wintertag) und dem 7-fachen (an einem klaren, langen Sommertag) ihrer Nennleistung. Demnach bringt ein 50-W-Modul Ihnen zwischen 25 und 350 Wh Solarstrom.

Источник: https://www.solaranlage-ratgeber.de/photovoltaik/photovoltaik-leistung/photovoltaik-ertrag-in-sommer-und-winter

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