Photovoltaik

Die Fotovoltaik beziehungsweise Photovoltaik beschäftigt sich mit der Umwandlung von Strahlungsenergie, vornehmlich Sonnenenergie, in elektrische Energie und ist seit 1958 zur Energieversorgung (zunächst von Satelliten) im Einsatz.

Der Name setzt sich aus den Bestandteilen Photos - das griechische Wort für Licht - und Volta - nach Alessandro Volta, einem Pionier der Elektrizität - zusammen.

Technische Beschreibung

Die durch das Licht auf der Erde auftreffende Sonnenenergie ist höher als der Primärenergieverbrauch der Menschheit. Der Energieeintrag pro Jahr durch die Sonne beträgt etwa 1,1 · 10¹⁸ kWh. Die Wandlung dieser Energie ist ohne Erzeugung von schädlichen Nebenprodukten wie Abgasen (beispielsweise Kohlendioxid) möglich. Der Wellenlängenbereich der auftreffenden und wandelbaren elektromagnetischen Strahlung geht vom kurzwelligen, nicht sichtbaren Bereich über den sichtbaren Bereich (Licht) bis weit in den langwelligeren infraroten Bereich hinein. Bei der Umwandlung wird der fotoelektrische Effekt ausgenutzt.

Die Energiewandlung findet mit Hilfe von Solarzellen, die zu so genannten Solarmodulen verbunden werden, in Fotovoltaikanlagen statt. Bei Einspeisung der Energie in das öffentliche Stromnetz nimmt ein Wechselrichter die nötige Wandlung vor.

Bei Einspeisung der Energie in das öffentliche Stromnetz wird die von den Solarzellen erzeugte Gleichspannung von einem Wechselrichter in Wechselspannung umgewandelt.

Abgesehen von den gegenwärtig hohen Kosten und dem großem Platzbedarf durch den geringen Wirkungsgrad erschwert das zeitlich stark schwankende Strahlungsangebot den Einsatz der Photovoltaik. Gegenwärtig werden photovoltaisch etwa 1000 Volllaststunden pro Jahr erzielt. Sinnvoll einsetzbar ist die photovoltaische Energiewandlung als ein Baustein in einem Energiemix verschiedener Energiewandlungsprozesse. Auch auf längere Sicht hin werden hierbei auch konventionelle Elektrizitätswerke einen wichtigen Anteil haben.

Geschichte der Fotovoltaik

Hauptartikel: Geschichte der Fotovoltaik

Der fotoelektrische Effekt wurde bereits 1839 von dem französischem Physiker Alexandre Edmond Becquerel entdeckt. 1876 wiesen William G. Adams und Richard E. Day diesen Effekt auch bei einem Selenkristall nach. Nach vielen verschiedenen nocht notwendigen Entdeckungen und Entwicklungen gelang es dann 1954 Daryl Chapin, Calvin Fuller und Gerald Pearson, die ersten Siliziumzellen, mit Wirkungsgraden von über vier Prozent, eine Zelle erreichte sogar einen Wirkungsgrad von sechs Prozent, zu prodzuieren. Die erste technische Anwendung wurde Ende der 1950er Jahre mit dem Vanguard I in der Satellitentechnik gefunden. Die in den 1960er und 1970er Jahren gab es, in erster Linie durch die Nachfrage aus der Raumfahrt, entscheidende Fortschritte in der Entwicklung von Fotovoltaikzellen.

Ausgelöst durch die Energiekrisen in den 1970er Jahren und das gestiegene Umweltbewußtsein wird verstärkt politisch versucht, die Erschließung dieses Energiewandlers durch technische Fortschritte auch wirtschaftlich interessant zu machen. Führend sind hierbei die USA, Japan und auch die Bundesrepublik Deutschland, welche mit gesetzlichen Maßnahmen wie dem 100.000 Dächer-Programm und dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) erhebliche finanzielle Anreize bietet.

Das 100.000 Dächer-Programm lief Mitte 2003 aus und wurde Anfang 2004 durch die Änderung beziehungsweise Novellierung des EEG kompensiert. Die Einspeisevergütung wurde entsprechend angehoben.

Leistung

Die Nennleistung in der Fotovoltaik wird in W_p (Watt_peak) beziehungsweise kW_p angegeben. "peak" (engl. Höchstwert, Spitze) bezieht sich auf die Leistung bei Testbedingungen, die dem Alltagsbetrieb nicht direkt entsprechen. Es handelt sich dabei auch nicht um die Leistung der Zelle oder des Moduls bei höchster Sonneneinstrahlung. Die Testbedingungen dienen zur Normierung und zum Vergleich verschiedener Solarzellen oder Solarmodule. Die elektrischen Werte der Bauteile unter diesen Bedingungen werden in den Datenblättern angegeben. Es wird bei 25 °C Modultemperatur, 1000 W/m² Bestrahlungsstärke und einem Air Mass von 1,5 gemessen. Dies sind die STC-Bedingungen (Standard-Test-Conditions), die als internationaler Standard festgelegt wurden. Können diese Bedingungen beim Testen nicht eingehalten werden, so muss aus den gegebenen Testbedingungen die Nennleistung rechnerisch ermittelt werden. Die Bestrahlungsstärke von 1000 W/m² kommt in Mitteleuopa über ein Jahr gesehen nicht sehr häufig vor (je weiter südlich, desto häufiger). Im normalen Betrieb haben Solarmodule beziehungsweise die Solarzellen bei dieser Einstrahlung eine wesentlich höhere Betriebstemperatur als die im Test vorgesehenen 25 °C und damit auch einen deutlich niedrigeren Wirkungsgrad.

Bei Arnstein in der Nähe von Würzburg entsteht auf dem Gelände de ehemaligen Weinbauversuchsguts Erlasee 2005/2006 die größte Fotovoltaikanlage der Welt mit einer Leistung von mehr als 12 Megawatt.

Siehe auch

Regenerative Energie, Solartechnik, Solarfahrzeug, Solarflugzeug, Zukunftstechnologie

Literatur