Photovoltaik - Strom aus Sonnenlicht

Wie funktioniert Photovoltaik - Eine kleine Einführung in die Technik

Photovoltaikmodule bestehen aus Silizium, einem auf der Erde sehr häufigen Element. Ungefähr ein Viertel (!) der Erdkruste besteht aus Silizium oder Silikatgestein. Die Forschung ist allerdings bestrebt auch andere (organische) Materialien nutzbar zu machen. Den größten Anteil an der Herstellung von Photovoltaikmodulen wird auf absehbare Zeit aber sicher noch Silizium haben. Bei Silizium handelt es sich um einen sogenannten Halbleiter. Gold, Silber, Kupfer, Eisen sind sehr gute elektrische Leiter. Keramik, Gummi, Kunststoff sind Nichtleiter. Das bedeutet das Silizium bei niedrigen Temperaturen, wie ein Isolator (Nichtleiter) wirkt, also wie Kunststoff oder Keramik. Je höher die Temperatur steigt desto besser wird die Leitfähigkeit. Daher die Zuordnung zu den sogenannten "Halbleitern".
Im Prinzip funktioniert eine Photovoltaikmodul fast wie eine Batterie und ist in zwei Schichten aufgebaut. Zwischen diesen Schichten befindet eine Grenzschicht, die beide Seiten auseinanderhält, der sogenannte n/p-Übergang. Eine Schichtseite wird künstlich "verunreinigt" um auf einer Seite einen Elektronenüberschuss und auf der anderen Seite einen Elektronenmangel zu erzielen. Trifft nun Licht (Photonen) auf die Sonnenseite eines Moduls werden Elektronen "freigeschossen". Es bildet sich ein elektrisches Feld zwischen den beiden Schichten und die Zelle lädt sich wie eine Batterie auf. Allerdings nur so lange, wie Licht einfällt. Schaltet man nun zwischen den Schichten einen Verbraucher (Lampe) kann so der Strom angezapft werden.

Schön zu sehen ist auf dem Bild die charakteristische Kristallstruktur des Moduls auf der Seite, die der Sonne zugewandt ist. Die silbernen Streben sind die Zellenkontakte (Minuspol) auf der "Sonnenseite". Photovoltaikmodule liefern grundsätzlich nur Gleichstrom! In unseren Haushalten wird Wechselstrom (und Drehstrom) verwendet. Um diesen Gleichstrom, für unsere Haushalte nutzbar zu machen, muss dieser Gleichstrom in Wechselstrom bzw. Drehstrom umgewandelt werden. Theoretisch ist die Lebensdauer eines Photovoltaikmoduls unbegrenzt. Allerdings nur theoretisch. Witterungseinwirkung, Temperaturschwankungen, Korrosion an Baumaterialien etc. begrenzen auch die Lebensdauer von Modulen. 

Inselanlagen mit Photovoltaik - .....es müssen nicht immer ganze Fassaden oder Hausdächer sein!

Ein wenig in den Hintergrund geraten sind die sogenannten Insellösungen in der Photovoltaik. Damit sind kleinere autarke Anlagen gemeint, um beispielsweise Gartenhäuser und / oder Geräteschuppen mit Strom zu versorgen. Das kann eine ausgezeichnete Lösung sein, wenn ein Anschluss an das öffentliche Netz nur schwer realisierbar und somit sehr teuer wäre. Ein detaillierter Bauplan und die Dimensionierung einer solchen Anlage würde allerdings den Rahmen eines Artikels völlig sprengen. Deshalb hier nur ein stark vereinfachtes Schema, um sich eine solche Anlage zu verdeutlichen.

Die Grundbausteine sind Photovoltaikmodul(e), Laderegler, Solarbatterie(n) und ein Wechselrichter für 230 Volt Haushaltsstrom. Photovoltaikanlagen in Inselsystemen sind vorzugsweise auf 12 Volt (seltener auch auf 24 Volt) ausgelegt. Grundsätzlich liefern die Module, wie bereits erwähnt, nur Gleichstrom. Um daraus Wechselstrom für normale Haushaltsgeräte zu erlangen, ist ein Wechselrichter oder auch mehrere Wechselrichter nötig. Man kann (was häufig auch der Fall ist) eine solche Inselanlage auch mit 12 (24) Volt betreiben, was aber nicht immer ganz vorteilhaft ist.

Die Gründe sind:

• Man muss für Installationen und Beleuchtungen die meist immer noch etwas teureren Materialien speziell für Kleinspannungen kaufen. (Installationsmaterialien für 230 Volt sind handelsüblich und können preiswert im Baumarkt erworben werden!)
• Es können bei Bedarf keine normalen Haushaltsgeräte, falls beispielsweise mal eine Bohrmaschine gebraucht wird, angeschlossen werden. 

Die Größe (Dimensionierung) einer solchen Inselanlage richtet sich nach dem zu erwartenden Bedarf und den zu erwartenden Ertrag. Der Ertrag kann nach Standort und Ausrichtung schwanken, kann aber grob berechnet werden. Die Bedarfsberechnung ist etwas einfacher, da man meist auf persönliche und allgemeine Erfahrungen zurückgreifen kann. Zur Berechnung der Dimensionierung später noch ein wenig mehr.

Beispiele für die Anwendungsmöglichkeiten von Inselanlagen

Häuser, bzw. deren Dächer in Kleingartenanlagen bieten sich sehr gut für Solarmodule an. So können Insellösungen mit der Hilfe der Photovotaik meist recht unkompliziert realisiert werden. Da solche Häuschen in der Regel nur zeitlich begrenzt genutzt werden, ist der Strombedarf relativ gering. Meist nur wenige Stunden am Tag oder etwas häufiger an Wochenenden und in Ferienzeiten. Hier kann man meistens schon für die Dimensionierung der Anlage (Bedarfsanalyse) aus Erfahrungswerten der normalen Nutzung schöpfen. Was muss an Stromverbrauchern her (oder ist bereits vorhanden) wie Licht, Fernseher, sparsamer Kühlschrank (möglichst kein Dauerbetrieb), Radio etc. und wie lange sind diese Verbraucher im Allgemeinen in Betrieb? Bei den Berechnungen sollte der Bedarf nicht zu knapp bemessen werden, um eine kleine Reserve zu haben (Mehrnutzung in den Ferien, Partys usw.).

Die Vorteile einer Umwandung auf 230 Volt Haushaltsstrom sind hier:

• Autarke Stromversorgung bei fehlender oder nur aufwendiger Möglichkeit zum Anschluss an das öffentliche Netz.
• Eventuell kann man sich die oftmals teurere Stromversorgung in Kleingartenanlagen sparen.
• Keine Grundgebühren (Zählergebühren) von Versorgern.
• Eine bereite vorhandene Elektroinstallation kann weiter genutzt werden.
• Preiswerte Materialien für die 230-Volt-Installation aus dem Baumarkt.
• Handelsübliche Leuchtmittel wie Energiesparlampen (am besten mit Leuchtdioden) und (möglichst sparsame) übliche Elektrogeräte können benutzt werden.
• Bei einem späteren Anschluss an das öffentliche Netz braucht die Hausinstallation nicht umständlich umgebaut werden. Die Inselanlage kann noch in einem autarken Stromkreis für eine stimmungsvolle Beleuchtung des Gartens und von Wegen eingesetzt werden. Beleuchtung, die keine zusätzlichen Stromkosten verursacht.

Eine weitere schöne Anwendungsmöglichkeit für Inselsysteme sind Garagenanlagen, die nur schwer oder unter hohen Kosten mit dem öffentlichen Netz elektrifiziert werden können. Steht eine solche Anlage an einem sonnigen Ort, bietet sich eine Stromversorgung mit Photovoltaik an. Die Dächer solcher Garagen sind leicht erreichbar, leicht begehbar und die Module können optimal ausgerichtet werden. Solche Sonnendächer "betteln" förmlich nach Solarmodulen. Auch hier ist die zeitliche Nutzung im Allgemeinen recht begrenzt. Auto raus / rein, Sachen in die Garage oder aus der Garage holen und der Weg (Beleuchtung bei Dunkelheit) hin und zurück. Auch hier ist eine Umwandlung auf 230 Volt Wechselstrom anzuraten, mit den analogen Gründen wie beim Kleingartenhaus. Bei der Innen- und Außenbeleuchtung sind Bewegungsmelder zu empfehlen, die das Licht nach einer voreingestellten Zeit automatisch ausschalten. Dadurch wird vermieden das die Akkus sich zu weit entladen, falls jemand vergisst, das Licht auszuschalten. Auch könnten auf Wunsch elektrische Toröffner installiert werden. Das hebt den Standard solcher Garagen und verbessert die Vermietbarkeit. Durch die begrenzte Nutzung solcher Garagen bleibt die Größe einer solchen Inselanlage überschaubar. Kosten für Material und Installation bleiben in Grenzen. Nicht zu vergessen, dass der Strom nichts kostet und keinerlei Grundgebühren (Zählergebühren) an Versorger zu entrichten sind. Streit von Mietern wegen übermäßigen Verbrauchs von Strom in der Garage ist somit völlig hinfällig.

Tipps:
Eine höhere Batteriekapazität als notwendig wählen oder weitere Batterien dazuschalten. Warum nicht jedes Photon nutzen? Sind, wie bei den genannten Beispielen längere Nutzungspausen bei der Stromentnahme zu erwarten, wird Sonnenlicht unter Umständen verschwendet. Sind die Batterien nach mehreren Stunden voller Sonneneinstrahlung und null Stromentnahme vollgeladen, "verpufft" Ladeenergie nutzlos. Analog zur Autobatterie. Wird die Autobatterie bei längeren Autobahnfahrten am Tag zügig beladen, ist sie schnell vollgeladen und Ladeenergie wird nicht genutzt. Höhere Kapazitäten bei Batterien erhöhen die Versorgungssicherheit in "schlechten Zeiten".
Es sind auch öfters preiswerte Komplettsysteme für Inselanlagen mit 230 Volt Ausgang im Handel erhältlich. Falls die Leistung ausreicht, eine preiswerte, einfache Alternative zur Einzelzusammenstellung der Bauteile.

Wichtige Hinweise - die beachtet werden sollten.....

• Photovoltaikmodule mit Ständerwerken haben Gewicht! Dachlasten von Dächern dürfen nicht überschritten werden. Sich gegebenenfalls von einem Architekten (Statiker), in Bauplänen oder einem Dachdecker Informationen einholen.
• Bauvorschriften und Regelwerke von Kleingartenbetreibern und Kommunen beachten. Auch für Inselanlagen müssen eventuell Vorschriften beachtet werden. Sich vorher erkundigen!
• Die 230-Volt-Installation einen Fachmann / eine Fachfrau anfertigen lassen. Hier sind Fachkenntnisse nötig, die der Sicherheit dienen.
• Ein Vorzug der Photovoltaik wird oftmals übersehen. Eine solche Anlage besitzt keine mechanischen, bewegten Teile, die gewartet werden müssen oder verschleißen können. Der Wartungsaufwand einer Inselanlage ist nicht sehr groß oder aufwendig. Eine gelegentliche Sichtkontrolle der Anlage und eine Prüfung auf einwandfreie Funktion reichen aus. Das sollte eine Überprüfung der Akkus auf ihre Ladefähigkeit und der äußerlichen Sauberkeit (Säuredichtigkeit, Ablagerungen an den Polen) mit einschließen. Die Module sollten keine starken Verschmutzungen aufweisen und frei von Laub sein. Solche "Verschattungen" senken unnötigerweise den Stromertrag.

Handwerklich und technisch versierte Zeitgenossen können sich das Know-how durchaus aus geeigneten Büchern aneignen. Einer sicheren und preiswerten Realisierung steht dann nichts mehr im Weg.

 Bilder: © Kuscheltier 2013