Solarthermie- vs. Photovoltaikanlage

Alles Wichtige von der Grundlage bis zur Technik

Zwar werden die beiden Begriffe der „Solaranlage“ und der „Photovoltaikanlage“, oftmals abgekürzt mit „PV“ oder „PV-Anlage“, meist für die selbe Anlage verwendet, genauer untersucht unterscheiden sie sich aber doch ganz konkret: Einerseits zur Stromgewinnung, andererseits zur Warmwassergewinnung.

Aufbau einer Solarzelle

Die Funktionalität der Solarzelle ist einfach erklärt: Mithilfe der Sonneneinstrahlung wird elektrische Energie erzeugt, geräuscharm und ohne jegliche sonstige Bewegung. Der Strom in der Solarzelle wird als Gleichstrom erzeugt – mit einem eingebauten Wechselrichter wird dieser schon in den nächsten Schritten zu haushaltsüblichem Wechselstrom erzeugt.

Als „elektrischer Strom“ wird in der Fachsprache die Bewegung der negativ geladenen Elektronen bezeichnet, die vom positiv geladenen Atomkern angezogen werden.

In der Solarzelle muss also die Lichteinstrahlung in Elektronen umgewandelt werden. Die Solarzelle kann einen bestimmten Spektralbereich des Sonnenlichts aufnehmen. Die damit erzeugten Elektronen verschlucken die auftreffenden Photonen – damit werden sie gleichzeitig mit Energie geladen. Durch die elektrische Ladung wird das Elektron beweglich gemacht und kann sich dadurch von seinem Atomkern lösen. Je mehr Energie fließt, umso größer die Bewegung! Es entstehen freie Elektronen, die innerhalb der Siliziumschicht wandern, zurück bleibt ein Freiraum, ein Loch, das später durch die abfallenden Elektronen wieder gefüllt werden würde – woraufhin kein Strom fließen würde.

Weil sich diese Siliziumschicht an einem elektrischen Feld befindet, haben die umher fließenden Elektronen einen Anziehungspunkt. In der Solarzelle mit der Siliziumschicht wird auf der Sonnen zugewandten Seite eine dünne Schicht an zwar etwa gleich großen, jedoch mit einem Elektron in der Außenschale mehr angereicherten Phosphoratomen angebracht, um eine Dotierung zu erzielen. Dabei wird das hochreine Silizium quasi mit Absicht behaftet. Mit diesem Elektronen-Überschuss entsteht auf der vorderen Seite der Solarzelle der MINUSPOL. Das schon in der Produktion mit Boratomen behaftete Silizium stellt durch diese Anreicherung den PLUSPOL dar.

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Über den Netzbetreiber oder Stromabnehmer werden diese beiden Pole miteinander verbunden, damit bewegen sich die überschüssigen Elektronen vom negativ geladenen zum positiv geladenen Pol – an dem ja ein Elektronenmangel herrscht. Durch die Photonen in der Siliziumschicht werden die beweglichen Elektronen wieder zum negativ geladenen Pol gezogen.

Somit wird der Strom in der Solarzelle erzeugt!

Solarthermie & PhotovoltaikanlageThermische Solaranlagen

Die THERMISCHE SOLARANLAGE speichert durch die Umwandlung der Sonnenstrahlen in Wärme diese Energie mithilfe der in den Solarkollektoren enthaltenen Flüssigkeit. Mit einer richtig dimensionierten Anlage kann mehr als die Hälfte der Energie zur Brauchwassererwärmung eingespart werden! Bei einem durchschnittlichen Warmwasserverbrauch von rund 50 Litern pro Person täglich ist eine Kollektorfläche von etwa 1,2 bis 1,5 Quadratmeter pro im Haushalt lebende Person erforderlich.

Solarkollektor

Wie bereits genannt, ist der Hauptbestandteil einer thermischen Solaranlage ein optimalerweise nach Süden und in einem Winkel von 30 bis 45° Grad ausgerichteter Solarkollektor. Zwei Modelle sind hierbei handelsüblich: Flachkollektoren (A) und
Vakuumröhrenkollektoren (B).

A) Flachkollektoren

Haupteinsatzgebiet der Flachkollektoren sind in der Regel thermische Solaranlagen, die für die Produktion des Warmwassers zuständig sind. Der (später genauer erklärte) Absorber im Kollektor sorgt für die Aufnahme einer möglichst großen Menge an Sonnenenergie und isoliert gleichzeitig, sodass nur möglichst wenig Energie wieder abgegeben wird. Unter der Absorberfläche befindet sich in Rohren die Wärmeträgerflüssigkeit, die die aufgenommene Energie transportiert.

Flachkollektoren sind in ihrer Anschaffung, Wartung und Reparatur wesentlich preiswerter als Röhrenkollektoren. Durch die Abstrahlung der eigenen Energie sind Flachkollektoren auch im Winter rasch wieder von Schnee befreit und damit schnell wieder leistungsfähig.

B) Vakuumröhrenkollektoren

Vakuumröhrenkollektoren verfügen prinzipiell über dieselbe Funktionsweise wie die Flachkollektoren. Durch die effiziente Nutzung des Vakuums in den Hohlräumen besitzen Röhrenkollektoren jedoch eine sehr gute Isolationsfähigkeit und sind damit wesentlich leistungsfähiger als Flachkollektoren.

Vakuumröhrenkollektoren werden ebenfalls von einer Solarflüssigkeit entweder direkt oder indirekt durchflossen. Wird der Kollektor direkt durchströmt, ist der in dem doppelwandigen Glasgefäß enthaltene Zwischenraum zwischen den Rohren nahezu vollständig luftleer.

Wird der Kollektor indirekt durchströmt, bedeutet dies, dass nur ein mit Alkohol gefüllter Zylinder in den Hohlraum des doppelwandigen Glasgefäßes ragt. Dieser enthält dann auch den Absorber. Da Alkohol bereits bei niedrigen Temperaturen zu sieden beginnt, wird diese physikalische Grundlage genutzt, um die außerhalb der Kollektoren fließende Flüssigkeit zu erwärmen. Kollektoren dieses Modells müssen mit einer leichten Neigung angebracht werden, um den Rückfluss des kondensierten Alkohols wieder gewährleisten zu können.

Thermische Solaranlagen mit Vakuumröhrenkollektoren bringen vor allem auch für nicht ausschließlich nach Süden ausgerichtete Flächen und an Schlechtwettertagen oder wetterbedingt ungünstigen Wochen oder Monaten effiziente Leistungen.

Daher sind Röhrenkollektoren in ihrer Anschaffung wesentlich kostspieliger als Flachkollektoren. Durch ihre höhere Leistungsfähigkeit eignen sie sich vor allem auch zur Unterstützung der Heizleistung oder der Kombination  beispielsweise mit einer Pelletheizung.

Absorber

Solarkollektoren sind ausgestattet mit einem so genannten Absorber. Dies ist die mit einer Selektivbeschichtung ausgestattete schwarze Fläche mit der Fähigkeit, die Sonnenstrahlen aufzunehmen („absorbieren“ = „aufnehmen, verschlingen“). Ehemals bestehend aus Kupfer mit Schwarz-Chrom-Beschichtung wurde die Leistungsfähigkeit dieser Fläche durch die heutige Verwendung von aufgedampften, wesentlich umweltfreundlicheren Materialien nochmals erhöht. Diese Beschichtung ermöglicht dem Absorber ein höheres Aufnahmevermögen und wandelt durch das Auftreffen der Sonnenstrahlen diese in Wärme um. Eine Dämmung in einem durchsichtigen Kasten, häufig aus Glas, um den Absorber verhindert Energieverluste, wodurch sich der Wirkungsgrad wesentlich erhöht!

Die in Deutschland am häufigsten verwendete Form der thermischen Solaranlage besteht aus einem zweifachen Kreislauf:

Zunächst wird durch das Auftreffen der Sonnenstrahlen die zwischen Kollektor und Warmwasserspeicher strömende Wärmeträgerflüssigkeit, die aus einem unbedenklichen und vor Frost schützenden Glycol-Wasser-Gemisch besteht und über eine Pumpe vom Dach zum Speicher transportiert wird, erwärmt.

Thermische Solaranlagen sind mit einem Regler ausgestattet. Dieser aktiviert die Warmwasserproduktion, wenn die Außentemperatur an der Kollektorfläche die Temperatur im üblicherweise emaillierten Warmwasserspeicher aus Stahl wesentlich übersteigt.

Im zweiten Vorgang wird das Trinkwasser dann zu den Entnahmestellen befördert. Thermische Solaranlagen, in denen das Trinkwasser direkt im Kollektor erwärmt wird, sind in Deutschland nicht verbreitet, da der winterliche Frost diese Möglichkeit hierzulande unterbindet.

THERMISCHE SOLARANLAGEN bestehen neben dem Kollektor aus zwei wesentlichen Bestandteilen: Dem Speicher und dem Wärmetauscher.

Speicher (bzw. Warmwasserspeicher)

Solaranlagen zur Warmwassergewinnung müssen unbedingt mit einem gut gedämmten Wasserspeicher ausgestattet sein, um die Energie auch über Nacht oder über mehrere Schlechtwettertage hinweg speichern zu können. Seine Speicherkapazität sollte in etwa das Doppelte des täglichen Warmwasserverbrauchs umfassen. Andere Anlagen zur Wassererwärmung werden mit einem Warmwasserspeicher versehen. Hierbei wird meist emaillierter Stahl verwendet, bekannt auch aus der Heizungstechnik. Auch Edelstahlspeicher können eingesetzt werden. Diese haben zwar eine längere Lebensdauer, sind jedoch auch wesentlich teurer in ihrer Anschaffung.

Warmwasserspeicher werden in einer hohen, schlanken Bauform hergestellt, damit eine gute Temperaturschichtung darin gewährleistet wird. Darin bilden sich unterschiedliche Temperaturschichten, deren Gradwert nach oben hin physikalisch zunimmt. Somit muss bei der Entnahme des Trinkwassers aus dem oberen Bereich nicht der gesamte Speicher auf die gewünschte Temperatur erwärmt werden. Ein (später ausführlich erklärter) Wärmetauscher sorgt bei Bedarf allerdings dafür, dass die benötigte Menge Wasser nachgeheizt wird.

Anlagen, die die Raumheizung unterstützen sollen, sind mit einem Pufferspeicher ausgestattet.

Anlagen, die sowohl zur Unterstützung der Heizleistung als auch zur Warmwassergewinnung dienen, verfügen über einen Kombispeicher.

Wärmetauscher

Thermische Solaranlagen verfügen über sogenannte Wärmetauscher. Diese sorgen, wie bereits erwähnt, einerseits dafür, dass bei der Entnahme von Trinkwasser aus der oberen Schicht im Warmwasserspeicher die noch benötigte Menge nachgeheizt wird. Diese werden auch Ladekreis-Wärmetauscher genannt.

Den wichtigsten Teil an der Solaranlage übernimmt jedoch ein anderer Wärmetauscher, der Solarkreis-Wärmetauscher. Dieser gibt die auf dem Dach erzeugte Solarwärme an das Brauchwasser im Speicher ab.

Photovoltaik SolaranlageDie Photovoltaikanlage

Die Photovoltaikanlage produziert durch die Einstrahlung der Sonne mittels im Optimalfall nach Süden und in einem Winkel zwischen 25 und 35 Grad ausgerichteten Solarzellen daraus sofort elektrische Energie. Mehrere Solarzellen werden zusammen geschaltet als Solarmodul bezeichnet. Ihr Herzstück besteht aus verschiedenen Halbleitermaterialien – meistens aus Silizium, das in der Erdrinde reichhaltig vorhanden ist oder aus Quarzsand gewonnen wird. Mehr als 90 Prozent aller weltweit hergestellten Photovoltaikmodulen bestehen aus Silizium. Halbleiter werden durch die Einstrahlung von Licht und Wärme elektrisch leitfähig und isolieren gleichzeitig bei niedrigen Temperaturen.

Durch die Aneinanderschaltung mehrerer Solarzellen innerhalb eines Solarmoduls wird die Spannung erhöht, eine Parallelschaltung bewirkt eine Erhöhung des Stromflusses.

Bei der Herstellung der Solarmodule werden mehrere Zelltypen unterschieden: Je nach Wirkungsgrad gibt es monokristalline, polykristalline und Dünnschicht- Module.

1)    Monokristallines Silizium

Diese Kristallart benötigt hochreines Silizium; Sie werden daher auch als Hochleistungszellen bezeichnet. Dieser Zelltyp hat einen relativ hohen Wirkungsgrad von circa 24 Prozent in der Serienproduktion. Monokristallines Silizium wird vor allem für die Produktion von Zellen für kleinere Dachflächen verwendet. Hier erhalten Sie noch mehr Informationen zu monokristallinen Solarmodulen…

2)    Polykristallines Silizium

Dieses Halbleitermaterial zu gewinnen ist wesentlich günstiger als jenes des monokristallinen Siliziums, da hierbei weniger reines Silizium verwendet wird. Es ist das weltweit am häufigsten eingesetzte Material, das auch bei geringerer Sonneneinstrahlung oder Bewölkung viel Streulicht aufnehmen kann. Der Wirkungsgrad hierbei liegt zwar circa bei etwas niedrigeren 18 Prozent in der Serienproduktion, sind aber durch die einfachere Gewinnung des Halbleitermaterials auch preiswerter in der Anschaffung.

Sowohl für monokristalline als auch für polykristalline Module geben die Hersteller mittlerweile aufgrund der ausgereiften Technik und ihrer über 50-jährigen Geschichte eine garantierte Lebensdauer von über 20 Jahren. Auch danach soll sich die Leistung der Solaranlage noch auf einer Höhe von mehr als 80 bis 90 Prozent befinden. Seit einigen Jahren bereichert nun auch ein neuer Dritter, vor allem für Großflächen geeigneter Zelltyp den Markt:

3)    Dünnschicht-Module (amorpher Zelltyp)

Auf Glas oder anderes, alternatives Material aufgedampftes Silizium ermöglicht seit einigen Jahren neue Wege für Bauherren: Weil die Kristallschicht hierbei wesentlich dünner ist als bei den vorhergehenden Zelltypen, eröffnen sich mit der Produktion der Dünnschicht-Module völlig neue Verwendungsmöglichkeiten. So können beispielsweise ganze Blechdächer mit dieser Schicht überzogen werden. Weil deren Wirkungsgrad jedoch wesentlich geringer ist als bei polykristallinen oder monokristallinen Zellen, eignen sich Dünnschicht-Module vor allem für die Verwendung für Großflächen, auf denen der Strom durch die damit auch verbundenen geringeren Herstellungs- und Anschaffungskosten möglichst günstig produziert werden soll.
Auch sie können Streulicht bei Bewölkung oder niedrigerer Sonneneinstrahlung besser aufnehmen und eignen sich daher auch für Großflächen mit geringfügiger Beschattung. Im Kleinleistungsbereich werden sie für Uhren oder Taschenrechner eingesetzt. Mehr Informationen zu Dünnschicht-Solarmodulen…

Ausrichtung der Photovoltaik-Solaranlage

Grundsätzlich gilt: Eine nach Süden ausgerichtete Anlage erzielt die effizientesten Gewinne. Doch dies ist nicht zwingend erforderlich. Wie bereits beschrieben, können auch in andere Himmelsrichtungen ausgerichtete Photovoltaikanlagen sehr effektiv Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln. Entsprechend große Flächen ohne Schatteneinfälle nach Südosten oder Südwesten, 30 bis 45 Grad abweichend,  bringen nur geringe Leistungsminderungen mit sich oder können eventuell sogar vollständig durch die entsprechend größere Kollektorfläche ausgeglichen werden.

Doch auch der Neigungswinkel, der teils bei nicht optimal geneigten Dach- oder Grundstücksflächen durch Aufständerungen ausgeglichen werden kann, spielt eine ganz erhebliche Rolle. Da sich der Winkel, in dem die Sonne auf den Kollektor auftrifft, je nach Tageszeit und Jahreszeit verändert, gilt es vorrangig, den höchsten Ertrag im Tagesverlauf zu nutzen. Optimalerweise treffen die Sonnenstrahlen im rechten Winkel auf den Kollektor auf.
Für thermische Solaranlagen wird daher eine Kollektoranpassung im Winkel von etwa 45 Grad empfohlen.
Die Module der Photovoltaikanlagen hingegen sollten zum Erreichen der jahresdurchschnittlichen Sonneneinstrahlung in einer Neigung von etwa 30 Grad errichtet werden.
Leistung

Die Leistungsfähigkeit einer Photovoltaikanlage liegt bei einer Quote von circa 10 bis 20 Prozent der auftreffenden Sonnenstrahlen, die in Energie umgewandelt werden können.
Solarzellen sind mit einer Antireflexionsschicht ausgestattet, die die Zellen vor Reflexionsverlusten an der Oberfläche und die Zelle selbst schützt.

Arten der Photovoltaikanlagen:

NETZGEKOPPELTE ANLAGEN

Anlagen, die den gewonnenen Strom unmittelbar in das öffentliche Stromnetz einspeisen, werden netzgekoppelte Photovoltaikanlagen genannt. Die aus diesen Anlagen erzeugte Energie wird über einen Zähler sofort in das Stromnetz geleitet, da die Leistungskurve der netzgekoppelten Photovoltaikanlagen am Mittag am höchsten ist – also gleich der Zeit, in der auch der Verbrauch des Stroms im Tagesverlauf am höchsten ist. Die netzgekoppelten Photovoltaikanlagen sind die deutlich häufiger genutzte Form der Stromgewinnung aus Sonnenenergie, da hierbei die Leistung der Anlage am effizientesten ausgenutzt wird.

Mithilfe eines Wechselrichters, der zwischen den Solarmodulen und dem öffentlichen Stromnetz installiert wird, wird der in den Photovoltaikmodulen erzeugte Gleichstrom umgewandelt in einen an das Stromnetz angepassten Wechselstrom. Leistung und Spannung müssen auf das öffentliche Stromnetz abgestimmt sein – netzgeführte Wechselrichter vereinfachen diesen Vorgang, denn sie übernehmen diese Vorgabewerte aus dem öffentlichen Stromnetz.
Im Wechselrichter werden auch die Daten der Betriebsanlage gespeichert und damit der Netzanschluss überwacht.

Bei der Wahl des Wechselrichters – es gibt Wechselrichter mit Trafo und Wechselrichter ohne Trafo – sollte man sich zunächst nicht ausschließlich von vermeintlichen Schnäppchen-Angeboten verführen lassen. In erster Linie ist, eine gute Qualität und eine lange Lebensdauer äußerst wichtig. Und auch auf den Wirkungsgrad sollte man achten:

  • er muss schnell wechselnde Lichtverhältnisse verarbeiten können
  • im Einspannungsbereich muss der Wechselrichter sowohl hohe als auch niedrige Spannungen verarbeiten können
  • der Wirkungsgrad sollte sich jeglichen Betriebszuständen anpassen können

Neben einem oder mehreren Wechselrichtern und den Solarmodulen ist für eine hundertprozentig funktionierende und gleichermaßen sichere Anlage auch eine Schutzeinrichtung unabdingbar. Diese sorgt bei Störungsfällen dafür, dass die Anlage automatisch abgeschaltet wird.

Stromzähler

Eine Photovoltaikanlage enthält zweierlei Stromzähler: Zum Einen den Einspeisestromzähler. Dieser misst den erzeugten und in das öffentliche Netz eingespeisten Strom und erfasst die nachweispflichtige Menge, damit die Vergütung dementsprechend erfolgen kann.

Der Verbrauchszähler ermittelt den verbrauchten Strom, damit die Höhe der Stromkosten eines Haushalts ermittelt werden kann.

Durch die unmittelbare Einspeisung in das öffentliche Stromnetz entfallen die für eine Zwischenspeicherung notwendigen Akkumulatoren und ein hoher technischer Aufwand, was gerade auch bei der Anschaffung eine wesentliche Rolle spielt.

Die Einspeisung des gewonnenen Stroms in das öffentliche Stromnetz wird durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz, abgekürzt mit „EEG“, staatlich gefördert. Hier tritt die 20-jährige Preisgarantie in Kraft, die die Strombetreiber gesetzlich geregelt für neu angeschlossene Anlagen ab dem Tag der Inbetriebnahme gewährleisen müssen. Der Garantiepreis dafür wird jährlich geringfügig reduziert.

NETZUNABHÄNGIGE ANLAGEN

Anlagen, die den gewonnenen Gleichstrom mithilfe von speziellen Solarakkus speichern können, werden netzunabhängige Photovoltaikanlagen oder auch Photovoltaik-Inselanlagen genannt. Sie werden vor allem für autarke Systeme wie beispielsweise Parkscheinautomaten, Ferienanlagen oder Notrufsysteme verwendet – Systeme, bei denen ein Anschluss an einen öffentlichen Energielieferanten zu aufwändig, zu teuer oder gar unmöglich wäre. Und auch weil die Photovoltaikanlage nur Strom durch die Tageslicht-Einstrahlung gewinnen kann, ist die Speicherung des produzierten Stroms in entsprechend dem Strombedarf bemessenen Batterien unbedingt notwendig. Diese gespeicherten Energiereserven können später dann vom Verbraucher wieder abgerufen werden.

Weitere Einsatzgebiete von Inselanlagen: Boote, Wohnwagen, Berghütten, Wochenendhäuser, Gartenleuchten, Pumpsysteme zur Trinkwasserförderung oder zur  Bewässerung, Notrufsäulen, Kleingeräte im Haushalt, Garagentorantriebe, …

Netzunabhängige Photovoltaikanlagen sind ausgestattet mit einem so genannten Laderegler, der die gleichmäßige Be- und Entladung des Akkus regelt – also davor schützt, innerhalb kurzer Zeit überladen oder zu tief entladen zu werden. Häufig werden dafür Bleiakkus eingesetzt, da diese robust hohe und niedrige Energieströme verarbeiten können. Die Ladekapazität der Batterien einer durchschnittlichen Inselanlage kann etwa den Energieverbrauch von zweieinhalb bis drei Tagen decken, bei Schlechtwetterlage sogar rund fünf Tage. Mit einem Notstromgenerator können die Batterien einer netzunabhängigen Photovoltaikanlage auch nachgeladen werden, um mehrere Schlechtwettertage einfacher überbrücken zu können.

Die Energie aus den Anlagen kann sowohl einerseits direkt als Gleichstrom entnommen werden als auch andererseits mithilfe eines Wechselrichters zu Wechselstrom verarbeitet werden.

Für die Anschaffung einer netzunabhängigen PV-Anlage ist es vor allem wichtig, den voraussichtlichen Stromverbrauch zu ermitteln, damit man sich für die richtige Größe der Anlage und deren optimale Batteriekapazitäten entscheidet.

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