Wirkungsgrad Photovoltaik

Wissenswertes zum Wirkungsgrad Photovoltaik

Wer die Schlagzeilen verfolgt ist unter Umständen enttäuscht vom Photovoltaik Wirkungsgrad.Einige Artikel bejubeln, dass es nun Zellen gibt, mit 44 % Wirkungsgrad. Angesichts von Heizungen, die es auf fast 100 % bringen, verwundert dies den Laien erheblich. Aber das eine ist mit dem anderen nicht zu vergleichen.

Berechnung des Wirkungsgrads

Wie bei Heizungen, Warmwassergeräte aber auch Staubsaugern und anderen Elektrogeräten, geht es beim Wirkungsgrad immer um das Verhältnis der die eingesetzte Energie zur nutzbaren Energie. Der wesentliche Unterschied zu Wärmeerzeugern oder Elektrogeräten ist, dass die eingesetzte Energie von der Sonne stammt und gratis zur Verfügung steht.

Die Menge Sonnenenergie, die auf einen Quadratmeter Erdoberfläche fällt, ist nicht konstant. Sie hängt von der Jahreszeit, der Witterung und der Tageszeit ab. Aus diesem Grund erfolgt die Bestimmung des Wirkungsgrads im Labor. Die Techniker bestrahlen das Modul mit exakt 1.000 Watt bei einer Zelltemperatur von 25 Grad. Der Air Mass Index (AM) entspricht 1,5.

Hinweis: Der AM ist ein Maß für den Weg, den das Sonnenlicht in der Atmosphäre zurücklegt. Es verändert bei dem Weg durch die Luft sein Spektrum und verliert durch Streuung einen Teil der Energie. AM = 1,5 entspricht einem Zenitwinkel (Zenit = höchster Sonnenstand) von 48,2°. Bei diesem Sonnenstand beträgt die Strahlungsleistung 1.000 W/m².

Unter diesen Bedingungen wird nun der abgegebene Strom gemessen. Wenn dieser beispielsweise 400 Watt beträgt, dann hat die Anlage einen Wirkungsgrad von 400 / 1000 = 0,4 = 40 %.

Was dieser Wert besagt / Wirkungsgrad Photovoltaik

Da bei allen Photovotaikzellen der Wirkungsgrad nach der gleichen Methode bestimmt wird, eignet sich die Größe um die Zellen miteinander zu vergleichen. Eine Zelle mit einem Wirkungsgrad von 20 Prozent liefert mehr Strom als eine mit nur 15 Prozent.

Trotz der genauen Bestimmung des Wirkungsgrads lässt dessen Größe keine Rückschlüsse darauf zu, wie viel Strom die Zelle in der Praxis liefern wird. In Deutschland liefern Sonnenstrahlen beispielsweise nur etwa 115 W/m². Ob eine Zelle, deren Wirkungsgrad 22 % statt 20 % beträgt, also 10 % größer ist, bei 110 W/m² 10 % mehr Strom liefert, lässt sich nicht aus den Werten ableiten.

Ein weiterer Unsicherheitsfaktor ist, wie die Zellen auf Temperaturänderungen reagieren. Theoretisch ist es möglich, dass ein System bei einem Anstieg der Zelltemperatur deutlich schneller an Leistung verliert als ein anderes.

Die Vergleichbarkeit ist also in der Praxis nicht immer gegeben. Dies ist ähnlich wie die Angaben über den Kraftstoffverbrauch von Autos. Im Alltag verbrauchen die Autos mehr als unter Laborbedingungen, aber in der Regel sind Autos die im Labor weniger verbrauchen auch im Straßenverkehr die sparsameren Modelle.

Wieso haben die Photovoltaik-Anlagen unterschiedliche Wirkungsgrade?

In den Modulen wird der Strom durch eine direkte chemisch-physikalische Reaktion erzeugt. Weißes Licht besteht aus Licht in unterschiedlichen Farben, die zusammen Weiß ergeben. Bei einem Regenbogen sieht man eindruckvoll, welche Farben sich in dem Licht der Sonne vereint haben. Das Licht in den verschiedenen Farben hat unterschiedliche Wellenlängen, die letztendlich für das Aufspalten des weißen Lichts verantwortlich sind.

Die Substanzen in den Photovoltaikmodulen können nur Licht einer bestimmten Wellenlänge verarbeiten. Im Schnitt können sie etwa 30 % des Lichts dieser Farbe in Strom verwandeln. Licht in anderen Farben passiert den Stoff. Moderne Zellen haben eine weitere Schicht dahinter, die eine andere Farbe nutzen kann. So ergeben sich Wirkungsgrade von über 40 Prozent. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass noch bessere Module möglich sind.

Technische Unterschiede der Anlagen

Die meisten Module basieren auf Siliciumkristallen. Die Anordnung der Atome im Kristallgitter hat großen Einfluss auf den Wirkungsgrad. Sie ordnen sich nicht zufällig an, sondern werden speziell gezüchtet. Monokristalle sind aufwendig zu züchten und teuer. Diese Kristalle werden zu Wafern zerschnitten und in den Modulen verbaut. Die Produktion sich schwierig und teuer, aber sie haben einen guten Wirkungsgrad von 20 bis 22 Prozent.

Einfacher herzustellen sind polykristalline Module, die sich gießen lassen. Deren Wirkungsgrad liegt aber nur bei 15 bis 20 Prozent. Durch spezielle Verfahren gibt es heute Module, die zwar polykristalline sind, aber wie monokristalline wirken.

Sogenannte Dünnschichtmodule entstehen durch Aufdampfen dünner Schichten Silicium oder von Kombinationen verschiedener Stoffe wie Kupfer, Gallium und Diselenid. Je nach Verfahren und Stoff haben diese Module einen Wirkungsgrad von zwei bis 15 Prozent.

Entscheidend ist die Komplettanlage

Die Module alleine sind nicht ausschlaggebend für den Wirkungsgrad der Photovoltaik-Anlage. In den Solarzellen entsteht Gleichstrom. Für die meisten Geräte ist aber Wechselstrom erforderlich. Daher fließt der Strom durch einen Wechselrichter. Dieser verursacht je nach Bauart und Leistung der Module unterschiedlich große Verluste. Ein normiertes Verfahren um den Wirkungsgrad von Wechselrichtern zu bestimmen gibt es noch nicht. Aber die unterschiedlichen Methoden führen zu ähnlichen Ergebnissen.

Generell gilt ein Wechselrichter mit einem Wirkungsgrad von über 97 Prozent als sehr gut, liegt dieser unter 92 Prozent, dann ist er sehr schlecht.

Aus der folgenden Tabelle sind die Zusammenhänge ersichtlich:

Der Wechselrichter hat wie deutlich zu sehen ist einen großen Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad. Das deutlich bessere Modul bringt im Zusammenspiel mit einem schlechten Wechselrichter keine größere Leistung als das schlechtere mit dem guten Wechselrichter.

Nach Kosten und Nutzen entscheiden

Eine Photovoltaikanlage liefert über Jahre Strom und erfordert nur einen geringen Wartungsaufwand. Laufende Kosten durch Brennstoffe fallen nicht an. Daher sollte man beim Kauf den Gesamtpreis in Relation zum Gesamtwirkungsgrad betrachten.