Photovoltaik Module

Photovoltaik ist die direkte Umwandlung von Energie meist aus Sonnenlicht mit Solarzellen. Die Stromerzeugung mit Photovoltaik verwendet man auf Dachflächen oder bei Parkscheinautomaten und in Taschenrechnern oder an Schallschutzwänden sowie auf Freiflächen.
Die photoelektrische Wirkung der Photovoltaik Module wird zur Energiewandlung genutzt, die zu Modulen zusammengeschaltet werden. Die Elektrizität kann man in Akkumulatoren speichern oder in Stromnetze einspeisen. Bevor man die erzeugte Gleichspannung in Wechselspannungs-Stromnetze einspeist, wird sie mittels eines Wechselrichters in Wechselstrom umgewandelt.
Die Photovoltaik Module bestehen in der Regel aus siliziumbasierten Solarzellen wie Poykristalline Solarodule oder Monokristalline Solarmodule oder Dünnschichtmodule oder neu mit höherem Wirkungsgrad aus CIGS-Solarzellen (Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid).

 

  1. Polykristalline Photovoltaik Module“
  2. Monokristalline Photovoltaik Module
  3. Dünnschicht Photovoltaik Module
  4. CIGS-Solarzelle
  5. Die Verschaltung der Module bei einer Dachanlage
  6. Was ist beim Kauf zu Photovoltaik Modulen zu achten?

 

Polykristalline Photovoltaik Module“

Polykristallines Solarmodul
© Sandra.Höfer_fotolia

Polykristalline Module haben einen geringeren Wirkungsgrad als monokristalline Solarzellen, sind jedoch deutlich preiswerter. Daher sind die polykristallinen Solarmodule die am häufigsten installierten. Die Kristallstruktur ist charakteristisch, weil die polykristallinen Solarmodule in der Photovoltaikanlage stark reflektieren bei Sonneneinstrahlung.
Die polykristallinen Solarzellen werden wie monokristalline Solarzellen hergestellt aus Silizium. Das Silizium ist aber nicht so rein wie bei den monokristallinen Zellen. Zuerst wird ein Siliziumblock gegossen, der langsam abgekühlt wird. Nach der Abkühlung entstehen Kristallstrukturen in verschiedenen Größen. Von dem Block werden dann Scheiben geschnitten und jede Scheibe ist eine polykristalline Solarzelle.

Die polykristallinen Solarzellen werden zu einem Solarmodul zusammengeschlossen. Das kann geschehen in Serienschaltung oder in Parallelschaltung. In Serienschaltung wird die Spannung erhöht, bei einer Parallelschaltung kann ein höherer Strom genutzt werden.
Die geschnittenen polykristallinen Zellen werden eingebettet in transparentem Ethylen-Vinyl-Acetat und abgedeckt mit einer Glasscheibe, so ist das Solarmodul geformt. Jedes Modul bekommt aus Edelstahl oder Aluminium einen Rahmen.
Etwa die Hälfte der derzeit installierten Photovoltaik-Anlagen nutzen polykristalline Solarmodule, die monokristallinen Module sowie Dünnschicht Solarzellen haben einen geringeren Marktanteil.
Die quadratischen, polykristallinen Module besitzen das günstigste Preis-Leistungs-Verhältnis. Sie sind bläulich gefärbt sowie heller und uneben gegenüber monokristallinen Solarzellen. Bei der Herstellung der Module, die weniger aufwendig ist, entstehen geringe Abfälle durch die quadratische Form der Zelle. Deshalb sind sie auch preisgünstiger und die Photovoltaikanlage hat eine bessere Umweltbilanz in der Herstellung.
Da man für die Produktion der polykristallinen Solarmodule nicht so reines Silizium verwendet sowie Kristallstrukturen bestehen, die Lichtreflexionen verursachen, haben die Solarmodule einen Wirkungsgrad, der mit etwa 15 Prozent geringer ist als die monokristallinen Photovoltaik Modulen. Wegen der geringeren Effizienz installiert man polykristalline Solarzellen meist in Photovoltaikanlagen, die auf größeren Dachflächen Platz finden und die Leistung des einzelnen Moduls nicht entscheidend ist.

Monokristalline Photovoltaik Module

Monokristallines Solarmodul
© Sandra.Höfer_fotolia

Ursprünglich nutzte man die monokristallinen Photovoltaik Module in der Raumfahrt. Später kamen sie auch auf die Erde und wurden bekannt wegen ihres hohen Wirkungsgrades. Sie sind teurer als die polykristallinen Versionen, weisen allerdings weitaus höhere Wirkungsgrade auf.

Durch das hochreine Silizium erhöht sich der Wirkungsgrad. Die monokristallinen Solarzellen werden für Photovoltaik Anlagen in aufwendigen Verfahren aus Silizium hergestellt. Dabei zieht man aus Siliziumschmelze einkristalline Stäbe. Anschließend Die Stäbe werden zersägt in dünne Scheiben, die man „Wafer“ nennt.

Die monokristallinen Solarzellen verschaltet man zu Solarmodulen. Bei kleineren Anlagen ist die Serienschaltung für eine höhere Spannung, bei der Parallelschaltung hat man besseren Ertrag im Durchschnitt vor allem, wenn die Photovoltaik Module teilweise im Schatten liegen.
Die monokristalline Solarzellen sind quadratisch mit runden Ecken. Sie haben eine dunkelblaue bis fast schwarze Färbung und sind glatt. Die Zellen haben eine Lebensdauer von etwa 30 Jahren. Das Modul wiegt zwischen 8 und 16 kg, viel mehr als ein Dünnschichtmodul.

Durch den sehr hohen Siliziumanteil haben die monokristallinen Solarzellen einen Wirkungsgrad von etwa 20 Prozent und sind damit die effektivsten Zellen bei direkter Sonne. Sie sind bei geringerer Dachfläche geeigneter für eine Photovoltaikanlage oder für eine höhere Leistung. Hersteller für monokristalline Solarmodule sind zum Beispiel IBC Solar oder Suntech oder Schott Solar oder Aleo Solar.
Die monokristalline Module verlieren an Leistung bei diffusem Licht. Der Wirkungsgrad sinkt bei Dächern nicht direkt im Süden

Monokristalline Module brauchen länger zur Amortisation, das heißt, dass es bei den monikristallinen Modulen länger dauert, bis der Solarertrag den Energieaufwand übersteigt Sie haben wegen der zeit- und energieaufwendigen Herstellung eine schlechtere Umweltbilanz aufweisen. Die anderen Photovoltaik Module sind da besser.

Ein Drittel der Photovoltaik-Anlagen betreibt man derzeit mit monokristallinen Solarzellen weil sie zwar in der Anschaffung teurer sind, das aber durch den hohen Wirkungsgrad ausgleichen können.

 

 

Dünnschicht Photovoltaik Module

Dünnschicht Module
Dünnschicht Module

Wegen ihrer extrem geringen Dicke sind Dünnschichtmodule leicht und preisgünstig herzustellen. Das ist der größte Vorteil dieser Module. Mit ihrer Flexibilität sowie das geringe Gewicht sind sie vielseitig zu verwenden, von Taschenrechnern bis Photovoltaikanlagen. Sie haben einen geringeren Wirkungsgrad als andere Zellen und brauchen daher mehr Fläche. Sie werden aus „amorphen“ Solarzellen hergestellt, die dünn und leicht gehalten werden können
Silizium oder Cadmiumtellurid oder Kupferindiumdiselenid wird bei der Herstellung der Dünnschichtmodule auf ein Trägermaterial aufgedampft oder gesprüht wie zum Beispiel auf Glas und ist nur etwa ein Mikrometer dick.

Das Modul wird direkt verschaltet und durch eine weitere Schicht aus Glas abgedeckt. Diese Photovoltaik Module sind meist kleiner als die kristallinen und besitzen eine sehr homogene Fläche. Sie sind dunkelgrün oder bräunlich oder schwarz und benötigen bei der Herstellung wenig Rohstoffe. Weil nur wenig Halbleitermaterial gebraucht wird, sind die Module sehr preisgünstig. Bei stark automatisierter Fertigung werden Dünnschichtmodule schnell und großen Mengen produziert.

Das Modul ist flexibel und kann auch in Textilien Verwendung finden. Es wird schon länger in Taschenrechnern gebraucht aber mit Kunststoff statt Glas als Trägermaterial.

In 2007 war der Anteil der Photovoltaik Module auf dem Markt 10 Prozent und der Anteil steigt kontinuierlich. Der Nachteil liegt in einem geringen Wirkungsgrad zwischen 4 und 10 Prozent, so hat die Photovoltaikanlage eine niedrigere Leistung pro Quadratmeter und Lohn sich auf größerer Fläche. Der Wirkungsgrad der Dünnschichtmodule wird bei höheren Temperaturen geringer, allerdings nicht so sehr wie bei den anderen Modulen.
Ebenfalls wird die Leistung nur wenig geringer bei diffusem Licht und Verschattung, so ist die Ausrichtung direkt nach Süden nicht unbedingt erforderlich. Die Module sind ohne Rahmen und verschmutzen nicht so stark, sie sind aber nicht sehr stabil und schwieriger zu installieren. Hersteller von Dünnschichtmodulen sind zum Beispiel QS Solar oder First Solar oder Conergy oder SolarTec.

 

CIGS-Solarzelle

CIGS Solarzelle
© Dantor_wikipedia, Flexibel dünne CIGSe (Cu(In,Ga)(Se)2) Solar Zelle, produziert bei der Solarion AG. Substate: Polyimid.

Seit Beginn 2009 sind die CIGS-Module auf den Photovoltaikmarkt. Sie werden neben anderen produziert vom amerikanischen Hersteller Solyndra. Die Module bestehen aus röhrenförmig gewickelten Folien. Die Schicht besteht aus Kupfer und Indium und Gallium-Diselenid. In die Glasröhren kann die Sonnenstahlung von allen Seiten aufgenommen werden, so ist das Modul auch bei diffusen Licht von Nutzen, wobei eine weise Reflektorfolie auf dem Dach Licht auf das Modul zurückwirft. Leider kann die weiße Folie rasch verschmutzen und liegt auch zum teil im Schatten der Photovoltaik Module, was die Leistung mindert. Die CIGS-Module sind sehr leicht und auch für Flachdächer und statisch nicht belastbare Flächen geeignet. Die Solarzellen sind im Winter vor allem effizient, da sie dann eine bessere Leistung als die anderen Module erzielen.
Mit genügendem Abstand zur Dachfläche haben Umwelteinflüsse weniger Wirkung. Regen und Schnee sowie Dreck fallen durch die Röhren.
Der Wirkungsgrad der Photovoltaik Module liegt bei bis 15 Prozent und soll mit der Technologie auf etwa 20 Prozent künftig steigen. Dann wird das Preis-Leistungs-Verhältnis noch besser.

Der Wirkungsgrad der Solyndra-Module liegt bei bis zu 15 Prozent, dieser soll aber durch eine verbesserte Technologie bald auf rund 20 Prozent steigen. Momentan sollte Preis-Leistungs-Verhältnis daher noch beachtet werden; es besteht aber bei den CIGS-Modulen ein großes Entwicklungspotenzial.
Die Wege der Photoladungsträger zwischen der Erzeugung und der Sammlung sind wegen der dünnen Schicht kurz. Die Anforderungen an das Absorbermaterial sind geringer, so benutzt man polykristallines CIGS für die dünnen Zellen und die Energie und die Kosten in der Produktion sind reduziert. bei der Schichtdicke und einem geeigneten Substrat wie Polyamidfolie können flexible Module hergestellt werden. Weiterhin spart man bei der Herstellung eine Produktionslinie, da die Module ohne Umweg über einzelne Zellen ohne Verschaltung produziert werden können.

 

Verschaltung der Photovoltaik Module

Alle unterschiedlichen Solarmodule können auf dem Dach je nach Gegebenheiten installiert werden. Die erforderliche Spannung wird durch die Reihenschaltung gewährleistet. Die gewünschte Stromstärke kann man mit Parallelschaltungen erreichen. Die maximale Stromstärke wird durch das schwächste Glied bestimmt. Selbst gemischte Schaltungen sind elektrisch machbar.

 

Was ist beim Kauf zu Photovoltaik Modulen zu achten?

Bei der Auswahl der Photovoltaik Module muss man vor allem auf die Zellen-Qualität sowie auf die des Befestigungsmaterials achten. Der hohe Modulwirkungsgrad ist wichtig. Leistungsfähigste Module liegen derzeit bei 17,7 bis 18,3%. Die Photovoltaik Module und Befestigungssysteme sollten über 20 Jahre halten. Ein optimaler Standort muss gewählt werden sowie die Ausrichtung der Anlage. Die Anlage muss ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis aufweisen. Eine Bauartzertifizierung von PV-Modulen entsprechend IEC 61215:2005 IEC 61646:2008.
Die Kosten bei einem Beispiel von einer Anlage von 2-5 kW sollten unter 5.300 €/kWp liegen, wenn sie rentabel sein soll. Eine hohe Produktqualität kennzeichnen die folgenden. Die Sicherheitsnorm für eine Systemspannung über 120V ist die Schutzklasse II (SKL II).Der Wechselrichter braucht einen guten Wirkungsgrad selbst unter Teillastbedingungen mit einem geringen Bereitschafts- und Eigenstrombedarf. Die schnelle und sichere Installation muss gewährleistet werden ohne komplizierte Verkabelung. Die Anlagen sollte nur geringe Geräusche entwickeln. Die Modulanschlussleitungen müssen witterungs- und temperaturbeständig sein und hochwertige und alterungsbeständig isoliert.

Photovoltaik Module
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