Unter Photovoltaik wird die direkte Umwandlung von Strahlungsenergie (Sonnenlicht) in elektrische Energie verstanden.
Bei der Umwandlung wird der photoelektrische Effekt ausgenutzt, der 1839 vom französischen Wissenschaftler A.E. Becquerel entdeckt wurde. Es entstehen keinerlei Emissionen wie Abgase, Lärm oder Abwässer.
Mitte des letzten Jahrhunderts wurden die ersten Solarzellen aus Silizium produziert.
Um Strom mittels Solarzellen erzeugen zu können, muss, ähnlich wie bei einer Batterie, Strom vom positiven zum negativen Pol fließen. Aus diesem Grund besteht eine Solarzelle aus zwei Schichten, einer positiv und einer negativ „dotierten" Lage. Dotiert werden die einzelnen Schichten, indem dem Silizium bestimmte chemische Elemente beigemischt werden. Fällt Licht auf diese Zelle, entsteht eine Spannung zwischen den beiden Schichten, die an den Polen abgegriffen werden kann. Wird ein Verbraucher angeschlossen, so fließt Gleichstrom.
Aus mehreren Zellen mit Kantenlängen von 12,5 x 15 cm oder 12,5 x 12,5 cm werden die Solarmodule zusammengestellt. Sie erzeugen Gleichstrom und ihre Leistung wird in „Watt peak“ (Wp, peak = engl. Spitze, Höchstwert) angegeben. Es handelt sich dabei um die maximal mögliche Leistung, die unter Standardtestbedingungen (STC)1 erbracht wird.
Vorteile: | Nachteile: | |
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Der Energieertrag von Photovoltaikanlagen ist von folgenden Faktoren abhängig:
Um die einfallende Sonnenstrahlung maximal nutzen zu können, müssen die Module so ausgerichtet werden, dass die Solarstrahlung möglichst senkrecht auf die Moduloberfläche fällt. In Abbildung 21 ist zu erkennen, dass der höchste Stromertrag über ein Jahr bei einer Orientierung genau nach Süden und einem Anstellwinkel von 30° erreicht wird. PV-Anlagen, die im Winter ihre maximale Leistung erreichen müssen, sollten in einem Winkel von 60° bis 90° in Richtung Süden montiert werden. Dies ist z.B. bei einer Anlage zur Ladeerhaltung der Batterien über den Winter anzuraten.
Falls die PV-Anlage auch im Winter genutzt werden soll, sind die Module so zu montieren, dass eine längere Schneebedeckung der Anlage vermieden wird. Eine Fehlaufstellung zeigt Abbildung 22. Durch die Aufstellung im Windschatten kommt es zur Schneebedeckung der Solarpanele und dadurch zu Ertragsausfall.
Die Module können entsprechend der individuellen Möglichkeit einer jeden Hütte als Dachmontage oder aufgeständert als Freiflächenanlage ausgeführt werden (vgl. Abbildung 23 und Abbildung 24). Bei der Notwendigkeit einer Montage an der Südseite der Hüttenfassade ist eine Schrägstellung der Module unter mindestens 60° zu empfehlen, damit die notwendige Leistung im Sommer erreicht wird.
Die Modultypen werden je nach Verarbeitungsgüte des Siliziums (Si) der PV-Zellen unterschieden (vgl. Tabelle 6). Der höhere Verarbeitungsaufwand, z.B. einer monokristallinen PV-Zelle, bewirkt einen höheren Wirkungsgrad. Er beschreibt, zu welchem Anteil die auf das Modul treffende Solarstrahlung in Strom umgewandelt werden kann.
Tabelle: Charakteristik des Zellaufbaus verschiedener PV-Module und ihre Lebensdauer
Modultyp | Wirkungs gr ad [%] | Lebensdauer [Jahre] |
monokristallines Si | 15 - 23 | 25 – 30 |
polykristallines Si | 15 - 23 | 25 – 30 |
amorphes | 8 - 15 | ~ 20 |
Amorphe Solarzellen bestehen aus einer dünnen, nicht-kristallinen (amorphen) Siliziumschicht und werden daher auch als Dünnschichtzellen bezeichnet. Auf Grund der einfacheren Herstellung sind sie preiswerter als die kristallinen Zellen und bieten Vorteile bei wenig Licht, Streulicht und bei hohen Betriebstemperaturen. Dagegen weisen sie eine geringere Lebensdauer² und einen geringeren Wirkungsgrad auf, so dass für die gleiche Leistung eine deutlich größere Modulfläche benötigt wird. Die Solarstrahlung auf Schutzhütten liegt bei gleichzeitig geringen Temperaturen signifikant höher als im Tal, so dass kristalline Zellen bei beschränktem Platzangebot für die Modulauswahl in der Regel zu empfehlen sind.
Wegen der teilweise extrem hohen Schneelasten in den Bergen ist bei der Auswahl der Module auf eine hohe Belastbarkeit zu achten und die Befestigung muss entsprechend ausgeführt werden. Die aktuellen Qualitätsmodule auf dem Markt sind jedoch bereits für die extremsten Lasten ausgelegt und somit uneingeschränkt auf Berghütten einsetzbar. Um die volle Leistung der Module zu gewährleisten, ist auf die Vermeidung von Verschattung der Modulfläche zu achten. Schon bei einer Verschattung einer kleinen Teilfläche geht die Gesamtleistung fast auf Null zurück, da die Einzelzelle eines Moduls mit der geringsten Leistung die Leistung des gesamten Modulstrangs bestimmt.
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1) Definition Standardtestbedingungen (STC): Die vom Hersteller angegebenen Kenndaten eines PV-Moduls werden unter den so genannten Standard-Test-Bedingungen STC (engl. Standard Test Conditions) ermittelt, d.h. bei einer Bestrahlungsstärke von 1000 W/m², einer Zellentemperatur von
25°C und einem bestimmten, für Mitteleuropa typischen Lichtspektrum, dem Air Mass Faktor (AM) von 1,5 [50].
2) Die Lebensdauer beschreibt die Anzahl Jahre, nach denen das PV-Modul noch mindestens 80% seiner ursprünglichen Leistung erbringt