Solarstrom - Photovoltaik
Unter Photovoltaik versteht man die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom. Sie ist das eine Standbein der „Solarenergie“; das andere Bein ist die Solarthermie: Die Gewinnung von Wärme aus dem Sonnenlicht.
Strom aus Sonnenenergie durch Solarzellen
Das Licht der Sonne steht uns täglich das gesamte Jahr über zur Verfügung, und kann somit unter bestimmten Voraussetzungen unseren Energiebedarf decken.
Um die eine Energieart „Licht“ in die andere Energieart „Elektrische Energie“ umzuwandeln benötigt man Photozellen. Sie werden auch Solarzellen genannt und bestehen im Wesentlichen aus einer hauchdünnen Schicht eines Halbleiterkristalls, einem Material, das speziell für den Zweck der Umwandlung von Licht in Strom hergestellt wird. Das Prinzip geht auf eine Entdeckung des französischen Physikers Alexander Edmont Becquerel um 1839 zurück, der den photoelektrischen Effekt zum ersten Mal beobachtete. Albert Einstein erhielt 1921 den Nobelpreis für die Deutung dieser physikalischen Erscheinung. Die Herstellung erfolgt in der Hauptsache aus Silizium, das in nahezu unbegrenzter Menge auf der Erde zur Verfügung steht. So besteht Sand vorwiegend aus Siliziumdioxid. Quarz ist reines Siliziumdioxid. Viele Halbedelsteine und Schmucksteine bestehen aus Siliziumdioxid und mehr oder weniger Beimengungen anderer Stoffe.
Bei der Stromgewinnung mittels Solarzellen entstehen keinerlei Umwelt belastende Auswirkungen. Auch der Energiehaushalt der Erde wird durch die Nutzung der Sonnenenergie nicht beeinträchtigt. Andrerseits ist die Nutzung nur begrenzt möglich.
Zum einen muss die Sonneneinstrahlung eine gewisse Stärke haben. Die Stromgewinnung steigt nach Süden, Richtung Äquator an, weil die Sonne in südlicheren Breiten höher steht (und meist auch länger und öfter scheint) und damit die Einstrahlung an Energie größer ist, die in elektrischen Strom umgewandelt werden kann. Die Globalstrahlung erreicht in Mitteleuropa an einem Sommermittag bei wolkenlosem Himmel etwa 900 W/m². Bei leichter Bewölkung (aber praktisch ungehinderter Direktstrahlung) kann sie wegen der von den weißen Wolken gelieferten diffusen Strahlung kurzzeitig deutlich über 1000 W/m² ansteigen. Bei trübem, wolkigem Wetter besteht sie nur aus dem Diffusstrahlungsanteil und sinkt auf Werte um oder sogar unter 100 W/m².
Die Jahressumme der Globalstrahlung liegt in Deutschland zwischen 900 und 1200 kWh pro m² und Jahr auf eine horizontale Fläche, das entspricht im Durchschnitt ca. 100 bis 135 W/m². In Spanien beträgt die Globalstrahlung etwa 2000 kWh/(m² · a), entsprechend 230 W/m².
Zum anderen muss die Energie gespeichert werden, wenn sie zur Verfügung stehen soll, auch wenn die Sonne nicht scheint und zum dritten ist der Wirkungsgrad von Solarzellen noch nicht sehr hoch. Er liegt bei 10 bis 15%, das heißt: Vom eingestrahlten Sonnenlicht (der Globalstrahlung) werden lediglich 10% in elektrischen Strom ungewandelt.
Solartechnologie
Am meisten verbreitet in Photovoltaik-Anlagen sind polykristalline Solarzellen, die, wie der Name schon sagt, aus Silizium-Scheiben bestehen, die nicht überall die gleiche Kristallorientierung aufweisen. Sie können z. B. durch Gießverfahren hergestellt werden und sind preiswerter als die monokristallinen Zellen. Die Dicke der Scheiben liegt bei etwa 0,18 bis 0,28 mm.
In der Entwicklung sind u.a. amorphe Solarzellen. Sie bestehen aus einer dünnen, nicht-kristallinen (amorphen) Siliziumschicht und werden daher auch als Dünnschichtzellen bezeichnet. Sie können etwa durch Aufdampfen hergestellt werden und sind preiswert, haben im Sonnenlicht einen nur geringen Wirkungsgrad, bieten jedoch Vorteile bei wenig Licht und Streulicht. Der Wirkungsgrad liegt bei etwa 6% (für Cadmium-Tellurid-Solarmodule) bis hin zu über 35 Prozent (bei Mehrschicht-Laborexemplaren). Die Wirkungsgrade marktüblicher Solarmodule liegen zwischen 6% (Dünnschichtmodule) und 16% (monokristalline Module).
Anwendung
Die einzelnen Solarzellen werden zu Solarmodulen (oder –paneelen) zusammengefügt, elektrisch miteinander verbunden und bilden somit die Bausteine einer Solarstromanlage, die auf dem Dach von Gebäuden oder im Freiland für die Stromgewinnung eingesetzt werden kann. Paneele werden typischerweise für 12 V, 24 V oder 48 V angeboten.
Die Lebensdauer von Solarzellen liegt zurzeit bei ca. 25 bis 30 Jahren. Die Kosten belaufen sich für polykristalline Zellen auf ca. 3 € pro Watt.
Für die Stromerzeugung im gewerblichen Bereich gibt es die Möglichkeit, den Wirkungsgrad einer gesamten Solaranlage (auch Solarpark oder Solargarten genannt) zu erhöhen, indem die Module beweglich montiert werden. Sie können dann computergesteuert horizontal oder auch vertikal dem Sonnenstand folgen und werden somit immer direkt bestrahlt. Dies führt zu einer höheren Energieausbeute.
Der Solarpark Beneixam in Andalusien liefert auf 500.000 m² 20 MW Strom
Um den erzeugten Strom praktisch nutzen zu können, muss die relativ niedrige Gleichspannung der einzelnen Zellen bzw. Module durch Serienschaltung erhöht werden. Außerdem muss der Gleichstrom, den die Solarzellen liefern, durch einen Wechselrichter (das Gegenteil ist der Gleichrichter) in Wechselstrom umgewandelt werden. Nur so können unsere üblichen elektrischen Geräte betrieben werden, bzw. der Solarstrom in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden.
Solarpark in Deutschland
Für die eigene private Stromversorgung ist außerdem eine Speichermöglichkeit notwendig, wenn man eine „Inselanlage“ betreibt, das heißt, wenn kein Anschluss an das öffentliche Netz vorhanden ist (zum Beispiel im Camping- oder Freizeitbereich oder bei autarken Grundstücken und Häusern). Hierfür werden spezielle Solarbatterien benötigt, die für das ständige Laden und Entladen ausgelegt sind.
Bei einer Verbindung zum öffentlichen Stromnetz ist der Bezug von Strom in sonnenscheinarmen Zeiten möglich, wobei dann die Speicherung entfallen kann. Andrerseits kann eine Einspeisung erfolgen, wenn der Eigenverbrauch die produzierte Energiemenge übersteigt.