Eine Photovoltaik-Anlage besteht aus einzelnen Solarmodulen, die wiederum aus lauter Solarzellen zusammengesetzt sind. Die Solarzellen erzeugen aus dem Sonnenlicht, das auf sie auftritt, nutzbare Elektrizität (elektrischen Strom). Wie viel Strom die Anlage erzeugt, das hängt von verschiedenen Faktoren ab, auf die wir gleich näher eingehen. Vorab stellen wir Ihnen den Wirkungsgrad als das Maß für die Qualität beziehungsweise die daraus resultierende Leistung der Solarzelle vor:
Was ist der Wirkungsgrad einer Solarzelle?
Es gibt unterschiedlich aufgebaute Solarzellen. Je nach Solarzellentyp variiert ihr Wirkungsgrad. Das ist ein Maß für Effizienz. Und zwar die Effizienz, mit der die Solarzelle Sonnenlicht in Strom umwandelt. Es gilt: Je effizienter eine Solarzelle arbeitet, desto mehr Strom kann sie aus dem auftreffenden Licht der Sonne erzeugen. In Wirkungsgrad-Maßen ausgedrückt heißt das: Je näher der Quotient aus der von der Zelle abgegebenen elektrischen Energie und der einstrahlenden Lichtenergie der Sonne am Maximum 1 (1 entspricht hier 100 Prozent) ist, desto höher ist der Wirkungsgrad der Solarzelle.
Welchen Wirkungsgrad haben moderne Solarzellen?
Der Wirkungsgrad der Solarzelle variiert vor allem in Abhängigkeit von dem Material, aus dem diese aufgebaut ist.
Weit verbreitet sind aktuell kristalline Dickschichtmodule bestehend aus Solarzellen aus Silizium. Das Silizium kann dabei entweder monokristallin, also einkristallin, oder polykristallin, also mehrkristallin, zum Einsatz kommen. Der Wirkungsgrad von
- monokristallinen Solarzellen liegt heute zwischen 20 und 22 Prozent. Aber: Diese herzustellen, verbraucht vergleichsweise viel Energie und verursacht hohe Kosten.
- polykristallinen Solarzellen liegt heute zwischen 15 bis 20 Prozent. Diese lassen sich einfacher herstellen und sind im Vergleich zu den monokristallinen Zellen günstiger.
Neben den kristallinen Dickschichtmodulen gibt es auch nicht kristalline Dünnschichtmodule. Diese sind leicht zu fertigen und entsprechend günstiger als die beiden oben beschriebenen Modultypen. Allerdings ist der von ihnen erzielte Wirkungsgrad auch deutlich niedriger. Er bewegt sich aktuell um die 10 Prozent.
Welche Faktoren nehmen Einfluss auf den Wirkungsgrad?
Der Wirkungsgrad der Solarzellen und daraus zusammengesetzten Module hängt unter anderem von der Temperatur ab, die die Module haben. Auch die Frequenzen des Lichtspektrums, das die Solarmodule verarbeiten, beeinflusst deren Wirkungsgrad.
In Forschungslaboren rund um die Welt wird alles darangesetzt, die Wirkungsgrade von Solarzellen zu steigern. Schichtweise aufgebaute Zellen, wobei die Schichten unterschiedliche Frequenzen des Lichts verarbeiten, kommen im Labor bereits auf höhere Wirkungsgrade.
Wirkungsgrad der Solarzelle vs. Wirkungsgrad der Photovoltaik-Anlage: Warum gibt es Unterschiede?
Sie müssen wissen, dass der Wirkungsgrad einer Solarzelle immer den einer Photovoltaik-Anlage, die daraus aufgebaut ist, übertrifft. Der Grund: Es stehen sich
- einerseits der Wirkungsgrad der Solarzelle
- und andererseits der Wirkungsgrad der Photovoltaik-Anlage gegenüber, der ein aufsummierter Wirkungsgrad aller in der Anlage verbauten Bauteile mit ihren typischen Wirkungsgraden ist. Jedes dieser Bauteile bringt Verluste in die Gesamtrechnung ein, die berücksichtig werden müssen: Der Wechselrichter zum Beispiel, der den von den Solarzellen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt, tut dies nur mit Verlusten. Auch die Länge und Querschnitte der in der Anlage verbauten Kabel beeinflussen die Stromausbeute. Es gilt: Je länger der Übertragungsweg des Stroms ist, desto höher sind die Verluste.
Die Verluste einer Anlage können bei vier und mehr Prozent liegen. Was theoretisch als geringer Anteil angesehen werden kann, ergibt über die Laufzeit von 20, 30 und mehr Jahren Laufzeit einer solchen Anlage jedoch viele Kilowattstunden Stromverluste, die deren Gesamtertrag mindern. Aus
diesem Grunde sollte bei der Planung einer Anlage nicht nur auf die Qualität der Solarmodule geschaut werden, sondern auch auf die der weiteren Anlagenbauteile (Komponenten).
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Wie stehen Wirkungsgrad und Ertrag der PV-Anlage zueinander?
Neben dem Wirkungsgrad ist auch die Leistung eine weitere wichtige Kenngröße einer PV-Anlage. Denn auch sie ist von Bedeutung, wenn es um die Entscheidung geht: Wie groß soll die PV-Anlage sein?
Was eine Solarzelle oder eine ganze Anlage daraus zu leisten vermag, das hängt – bei ansonsten gleichen Bedingungen – sowohl vom Wirkungsgrad als auch von der Grundfläche ab. Es gilt: Je größer der Wirkungsgrad ist, desto weniger Modulfläche ist für die gleiche Leistung nötig.
Die Nennleistung einer Photovoltaikanlage wird in der Einheit Kilowatt Peak (kW P ) beziffert. Sie resultiert aus der Nennleistung der Solarmodule, die man in der Einheit Watt Peak (W P ) angibt. Dazu müssen Sie wissen, dass es sich dabei um einen optimalen Wert handelt, der unter standardisierten Testbedingungen (auf Englisch: „standard test conditions“, kurz. „STC“) ermittelt wird. Die Hersteller nennen die Nennleistung im Datenblatt der Solarmodule. Damit haben Sie einen Referenzwert, um
– unter gleichen Bedingungen – die Leistungen von Solarmodulen miteinander zu vergleichen und
eine entsprechende Kaufentscheidung zu treffen.
Anhand der Nennleistung können Sie den sogenannten nominellen Ertrag der Photovoltaikanlage für ein Jahr berechnen. Wobei Sie davon ausgehen müssen, dass der tatsächliche Ertrag stets unter dem nominalen liegen wird, da dieser von einer ganzen Reihe weiterer Faktoren abhängt. Dazu gehören unter anderem:
die tatsächliche Sonneneinstrahlung am Anlagenstandort,
die Neigung der Module gen Sonne (optimal für einen hohen Solarertrag sind in unseren Breitengraden Neigungswinkel zwischen 30 und 36 Grad),
- die Ausrichtung der Module gen Sonne (optimal für einen hohen Solarertrag sind in unseren Breitengraden Ausrichtungen zwischen Südost, Süd und Südwest),
- das aktuelle Wetter am Standort der Anlage mit Temperatur, Bewölkung, Niederschlag und mehr,
- die Lage des Anlagenstandortes hinsichtlich Höhe über dem Meer,
- die Luftqualität (Luftfeuchte, Luftverschmutzung)
- die Verschattungen seitens Bergen, Bäumen und Gebäuden
Gut zu wissen: Das Verhältnis zwischen dem tatsächlichem Solarertrag der PV-Anlage und ihrem maximal technisch möglichem (nominalen) Ertrag nennt man auch Performance Ratio. Sie liegt im Schnitt zwischen 65 und 75 Prozent, höchst effiziente Anlagen kommen sogar auf 80 Prozent.
Dachanlage: Wie groß soll die PV-Anlage sein?
Um diese Frage zu beantworten, müssen Sie sich im Klaren darüber sein, wie viel Strom vom Dach Sie benötigen. Dazu können Sie einfach mal einen Blick auf Ihre letzten Stromrechnungen werfen. Dort lässt sich ablesen, wie viel Strom Sie verbraucht haben und wie sich Ihr Stromverbrauch tendenziell entwickelt. Wichtig ist, dass Sie an dieser Stelle vorausschauend planen. Erwägen Sie beispielsweise die Anschaffung eines E-Mobils? Oder einer Wärmepumpe als erneuerbare Heizung? Dann haben Sie höhere Stromverbräuche, die für die richtige Größe der PV-Anlage relevant sind. Wenn Sie eine Anlage inklusive Batteriespeicher fürs Zuhause (Hausakku) betrieben, können Sie tagsüber überschüssigen Strom sogar speichern, um ihn zeitversetzt zu nutzen. Andernfalls wird er ins öffentliche Netz eingespeist.
Es gibt die Faustregel, dass eine Photovoltaik-Anlage etwa ein Viertel (25 Prozent) mehr Strom erzeugen sollte, als verbraucht wird.
Nehmen Sie also den runden Verbrauch in Kilowattstunden (kWh) und multiplizieren Sie ihn mit 125 Prozent. Das Ergebnis entspricht dem Solarertrag, den die Solaranlage auf dem Dach erzeugen sollte.
Um nun auf die entsprechende Größe der Photovoltaik-Anlage zu kommen, sind folgende Fakten zu bedenken: Im Schnitt erzeugt ein Quadratmeter (m2) Photovoltaik-Anlage unter der hierzulande scheinenden Sonne rund 150 kWh Solarstrom jährlich.
Den durchschnittlichen Jahresstrombedarf einer vierköpfigen Familie von etwa 4.500 kWh würde demnach 30 m 2 große Photovoltaik-Anlage decken. Gemäß der oben genannten Faustregel sollte die Dachanlage rund 38 m 2 groß sein. Selbstverständlich ist für die Größe Ihrer Photovoltaik-Anlage ausschlaggebend, wie groß die auf Ihrem Solardach zur Verfügung stehende Fläche ist.
Da es im Grunde keine Mindestgröße gibt, unter der sich eine PV-Anlage nicht lohnt – jede Kilowattstunde erneuerbarer Solarstrom, die eine Kilowattstunde fossilen oder atomaren Strom ersetzt, ist ein Schritt in Richtung Energiewende! –, gewinnen Sie und die Umwelt auf jeden Fall, selbst mit einer Mini-Balkonanlage. Bei der Maximalgröße sieht das schon anders aus. Denn die Einspeisevergütung, mit der Sie heutzutage noch rechnen können, liegt aktuell schon unter dem, was selbst erzeugter Strom kostet. Das bedeutet für Sie: Je höher Ihr Eigenverbrauch ist, desto eher lohnt sich eine größer ausgelegte Anlage, insbesondere dann, wenn Sie auch einen Akku betreiben.
Freiflächenanlage: Wie groß soll die PV-Anlage sein?
Photovoltaik-Anlagen auf Freiflächen werden anders aufgestellt als die auf dem Dach. Während die Module von Dachanlagen dicht an dicht montiert werden, ist es bei Freiflächenanlagen üblich, die Module in langen Reihen aufzustellen und zwischen den Reihen Platz zu lassen, so dass die Module einander nicht verschatten. Soll die Freiflächenanlage als Agri-PV betrieben werden, ist sogar noch mehr Platz unter und zwischen den Modulreihen zu belassen, damit die gleichzeitig landwirtschaftliche Flächennutzung mit der gegebenenfalls nötigen Maschinerie machbar ist. Mehr dazu lesen Sie in unserem Beitrag zu Agri-Photovoltaik hier auf dem Blog. Mit dieser eher „luftigen“ Installationsweise besetzt die PV-Freiflächenanlage deutlich mehr Platz.
Im Netz finden sich unterschiedliche Größenangaben dafür, ab wann sich eine Freiflächenanlage lohnt. So eigne sich eine Freifläche als Standort für eine Freiflächenanlage ab einer Quadratmeterzahl ab 7.000 (0,7 Hektar (ha)). Ebenso findet sich die Größenempfehlung von 20.000 m 2 .
Bezieht man die Frage danach, wie groß eine PV-Freiflächenanlage sein sollte, nicht nur auf die Quadratmeter, sondern auf ihre Leistung, dann ist die Zahl 750 kW P eine wichtige Kenngröße. Anlagen unterhalb dieser Leistung sind von Ausschreibungsverfahren und damit von staatlicher Förderung nach dem EEG ausgenommen. Sie lohnen sich zur Erzeugung von Eigenstrom im großen Stil, beispielsweise für größere Verbraucher wie gewerbliche, landwirtschaftliche oder industrielle Betriebe. In Kombination mit Batterie-Großspeichern lohnen sich Freiflächenanlagen zur Erzeugung von Eigensolarstrom erst recht. Nicht selbst genutzter Strom wird eingespeist. Bei dieser Anlagengröße gibt es eine feste Einspeisevergütung im Rahmen der EEG-Förderung, wobei die Vergütungssätze einerseits unter denen für Solarstrom von Gebäudeanlagen liegen und andererseits pro Jahr sinken.
Schauen wir uns abschließend noch den Solarertrag bei Freiflächenanlagen an. Für einen ha PV- Anlage auf einer Freifläche gelten als Richtwerte Jahreserträge zwischen 400.000 und 500.000 kWh.
