Photovoltaik wandelt Sonnenstrahlung in elektrische Energie um

In Gebieten mit ergiebiger Sonneneinstrahlung ist die direkte Umwandlung solarer Strahlungsenergie in elektrische Energie besonders effizient. Strahlungsenergie der Sonne lässt sich mit Hilfe von Solarzellen in elektrische Energie umwandeln, die angewandte Technologie wird als Photovoltaik (PV) bezeichnet. PV-Anlagen werden überwiegend als Kleinanlagen auf oder an Gebäuden errichtet, daneben werden auch größere Anlagen auf freiem Feld als Solarparks aufgestellt. Insgesamt beträgt die in Deutschland installierte Kapazität an PV-Anlagen fast 20000 Megawatt (MW), das sind rechnerisch mehr als 10 % der in Deutschland aktuell vorhandenen Kapazität zur Bereitstellung elektrischer Energie. Dabei handelt es sich allerdings um die Spitzenleistung unter Testbedingungen, die auch als Peak-Leistung bezeichnet wird. Zu dem gesamten Volumen des tatsächlichen jährlichen Bedarfs an elektrischer Energie tragen die PV-Anlagen in Deutschland jedoch nur gut 2 % bei. Ursachen dafür sind die realen Einsatzbedingungen, die zu einer gegenüber den Testbedingungen erheblich niedrigeren Leistung führen. Hinzu kommt die mit rund 1500 Stunden nur geringe jährliche Dauer der in Deutschland sichtbaren Sonneneinstrahlung, deren Einstrahlwinkel im Tagesverlauf variiert, wodurch der Ertrag der PV-Anlage begrenzt wird. Insgesamt ergibt eine als PV-Anlage installierte Spitzenleistung von 1 kW je nach den örtlichen Bedingungen in Deutschland im Jahr praktisch lediglich etwa 700 kWh.

Elektrische Energie aus solarer Strahlungsenergie ist nach dem Gesetz über erneuerbare Energien (EEG) von den Betreibern von Energienetzen abzunehmen und mit gesetzlich vorgegebenen Preisen zu vergüten. Die dadurch entstehenden Kosten fließen in die Kalkulation der Netzbetreiber und Versorger ein und werden an deren Kunden weitergegeben. Die elektrische Leistung der kleinen PV-Anlagen beträgt nur wenige Kilowatt (kW), bei der Anlage auf dem Dach eines Einfamilienhauses etwa 5 kW. Solarparks erreichen dagegen Leistungen von mehr als 20 MW, sie werden häufig als Projekte von Investorengemeinschaften betrieben. Die Errichtung von PV-Anlagen ist in Deutschland genehmigungspflichtig.

Solarzellen liefern Gleichspannung

Zur Umwandlung der solaren Strahlungsenergie in elektrische Energie werden Solarzellen benötigt. Solarzellen bestehen im Wesentlichen aus einem besonders reinen Halbleitermaterial, meistens Silizium, das in geringem Umfang mit anderen Stoffen angereichert wird. Dieser Vorgang des Anreicherns wird als Dotierung bezeichnet. Zur Spannungserzeugung werden zwei unterschiedlich dotierte Schichten benötigt. Die Strahlungsenergie führt zu einer elektrischen Spannung zwischen diesen Schichten. Eine einzelne Solarzelle aus Silizium liefert eine Spannung von höchstens etwa 0,6 Volt (V), der Wirkungsgrad einer Solarzelle liegt praktisch bei etwa 14 %. Mehrere Solarzellen werden für die praktische Anwendung in Reihe geschaltet und zu einem Modul zusammengefasst, wodurch sich die verfügbare Spannung addiert. Ein handelsübliches Modul umfasst 6 Reihen mit jeweils 10 bis 16 Zellen, die elektrische Peak-Leistung eines solchen Moduls liegt je nach Ausführung bei etwa 0,2 kW.

Von den Solarzellen wird Gleichspannung erzeugt, in das öffentliche Energienetz kann jedoch nur Wechselspannung eingespeist werden. Die Umwandlung der Gleichspannung in Wechselspannung mit einer Frequenz von 50 Hz wird durch Wechselrichter vorgenommen. Aus Kleinanlagen kann einphasig mit 230 V / 50 Hz in das öffentliche Energieverteilnetz eingespeist werden, bei größeren Anlagen ist eine dreiphasige Einspeisung mit 400 V / 50 Hz erforderlich. Aus Solarparks wird nach den Vorgaben des Netzbetreibers in eine höhere Spannungsebene eingespeist, meistens 20 kV.

Solare Strahlungsenergie zum Betrieb solarthermischen Energieanlagen

Alternativ zum PV-Verfahren lässt sich die Sonneneinstrahlung auch in Wärme umwandeln, mit der Dampf erzeugt wird, der über eine Dampfturbine einen Generator zur Spannungserzeugung antreibt. Dieses Verfahren wird Solarthermie oder CSP-Verfahren genannt. CSP steht für Concentrated Solar Power. Wärme wird durch Bündelung der Strahlung gewonnen, indem die gebündelte Strahlung in Parabolrinnen auf Rohre mit Thermo-Öl gerichtet wird, wodurch sich das Thermo-Öl erhitzt. Alternativ kann die Strahlung auf einen Solarturm gespiegelt werden, in dem die Umwandlung in Wärme erfolgt. Über Wärmetauscher kann die Wärme weitergegeben werden, Speicherung der Wärme für den Betrieb des Generators in den strahlungsarmen Nachtstunden ist möglich und wird durch Aufheizen von flüssigem Salz realisiert. Die Spiegel zum Auffangen der Sonneneinstrahlung werden der Strahlung nachgeführt, um eine optimale Ausbeute zu erreichen. Derartige Solaranlagen sind bereits in Spanien und anderen südlichen Staaten in Betrieb. Eine noch größere Anlage wird derzeit im Königreich Marokko gebaut, es soll sich dabei zugleich auch um ein Referenzobjekt für das umfassende Projekt Desertec handeln, mit dem die Energieversorgung in Nordafrika verbessert und der Energieexport nach Europa vorbereitet werden soll. Dadurch könnten sich neue Chancen für Nordafrika im Rahmen der Mittelmeerunion eröffnen.

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