Als Photovoltaik wird die direkte Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie bezeichnet. Grundlage hierfür ist der photoelektrische Effekt, welcher bereits 1839 entdeckt wurde. Bei diesem kommt es infolge von Energiezufuhr in Form von Licht zur Bildung von freien Ladungsträgern. Dieser Vorgang benötigt je nach verwendetem Material eine bestimmte Menge an Energie, welche von den Photonen der Lichtstrahlung geliefert wird. Durch diese Energiezufuhr werden Elektronen vom Valenzband ins Leitungsband gehoben. Dadurch stehen freie Ladungsträger zur Verfügung.

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Aufbau und Wirkungsweise einer Solarzelle

Prinzipieller Aufbau einer Solarzelle (Quelle: TU-Berlin, Arbeitsgruppe Erneuerbare Energie, http://emsolar.ee.tu-berlin.de)

Als Material für Solarzellen wird hauptsächlich das Halbleitermaterial Silizium verwendet. Durch die gezielte „Verunreinigung“ von hochreinem Silizium mit Fremdatomen entsteht p- bzw. n-dotiertes Silizium: die Zugabe von fünfwertigen Atomen (diese haben 5 Valenzelektronen in der äußeren Hülle, z.B. Phosphor) zum vierwertigem Silizium führt zu n-Dotierung, Zugabe von dreiwertigen Atomen (z.B. Bor) zu p-Dotierung.

Eine Solarzelle besteht (vereinfacht gesehen) aus zwei aufeinander folgenden Schichten Silizium, einer p-dotierten und einer n-dotierten Schicht. Der Grenzbereich zwischen beiden wird als p-n-Übergang bezeichnet. An den Außenflächen befinden sich Kontaktflächen, wobei jene an der dem Licht zugewendeten Seite als Gitter ausgeführt ist. Über diese Kontaktflächen wird den Zellen der solar erzeugte Strom entnommen.

Im p-n-Übergang der Solarzelle kommt es infolge von Ladungsträgerdiffusion zur Ausbildung eines elektrischen Feldes, der so genannten Raumladungszone. Dieses elektrische Feld verhindert, dass die bei Lichteinwirkung ins Leitungsband gehobenen Elektronen (Generation von Ladungsträgern) wieder ins Valenzband zurückfallen (Rekombination von Ladungsträgern), sondern sie werden entsprechend ihrer Ladung getrennt. Und zwar kommt es im n-Bereich zu Elektronenüberschuss, also negativer Ladung, im p-Bereich zu Elektronenmangel, also positiver Ladung. Durch diese Ladungstrennung entsteht bei Silizium-Solarzellen eine Spannung von 0,5 bis 0,6 Volt. Die Ladungsdifferenz bzw. Spannung führt bei einer äußeren elektrisch leitenden Verbindung (zum Beispiel über einen Gleichstromverbraucher) zum Transport von Ladungsträgern, also dem Fließen von elektrischem Strom.

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Typen von Solarzellen

Hauptsächlich gelangen Solarzellen aus Silizium zum Einsatz, und zwar vorrangig monokristalline, multikristalline und amorphe Zellen.

• monokristalline Solarzellen

Aus der Siliziumschmelze wird ein stabförmiger Einkristall gezogen und anschließend zersägt.
Der Wirkungsgrad liegt bei ca. 17 %.

• multikristalline (polykristalline) Solarzellen

Die Siliziumschmelze wird in Blöcke gegossen und anschließend zersägt. Die einzelnen Kristalle weisen unterschiedliche Orientierung und Größe auf (an der Oberfläche der Solarzelle deutlich erkennbar). An den Grenzen der unterschiedlichen Kristalle kommt es zu verminderter Energieumwandlung, wodurch sich ein geringerer Wirkungsgrad ergibt.
Der Wirkungsgrad liegt bei ca. 14 %.

• amorphe Solarzellen (Dünnschichtsolarzellen)

Auf eine Trägerstruktur wird eine dünne Schicht Silizium aufgedampft. Der Sägeprozess wie bei den beiden vorigen Zellentypen entfällt. Es entsteht keine Kristallstruktur sondern eine amorphe („gestaltlose“) Siliziumschicht. Ein gravierender Nachteil dieser Zellen ist die Degradation, ein frühzeitiger Alterungsprozess in den ersten Monaten, der den Wirkungsgrad von ursprünglich ungefähr 8 % senkt.
Der Wirkungsgrad liegt bei 5 bis 7 %.

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Schaltung von Solarzellen

• Solarmodul

Da die Spannung einer einzelnen Zelle von ca. 0,5 Volt für eine brauchbare Anwendung zu gering ist, werden mehrere Zellen, meist 30 bis 40, zu einem Modul (Panel) zusammengefasst (Serienschaltung). In diesem Modul sind die Zellen auch vor mechanischen Einflüssen geschützt und bilden für die Montage sowie für weitere Verschaltungen eine Funktionseinheit.

• Serien-, Parallel-, Serien/Parallelschaltung

Um die elektrischen Eigenschaften der Solaranlage für die jeweilige Anwendung zu optimieren, werden die einzelnen Module in Serien-, Parallel- bzw. kombinierter Serien/Parallelschaltung zu Solargeneratoren verschaltet:

Parallelschaltung:
die einzelnen Modulströme und Modulleistungen addieren sich.

Serienschaltung:
die einzelnen Modulspannungen und Modulleistungen addieren sich. In Serie geschaltete Module werden auch als Strang (String) bezeichnet.

kombinierte Serien- und Parallelschaltung:
die einzelnen Modulspannungen addieren sich zur Strangspannung, diese ist auch gleichzeitig die Generatorspannung, die einzelnen Strangströme addieren sich zum Generatorstrom.

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Komponenten einer Photovoltaikanlage

• Solarmodul / Solargenerator

Die einzelnen Solarzellen der Module liefern den solar erzeugten elektrischen Strom. Entsprechend der gegebenen Verschaltung der Module ergibt sich die Generatorspannung und (je nach aktueller Strahlungsintensität) der Generatorstrom. Die elektrische Energie kann bei Bedarf gleich verbraucht werden oder wird sonst entweder im Akku zwischengespeichert (Inselanlage) oder ins Netz eingespeist (Netzparallelbetrieb).

• Generatoranschlusskasten (PV-Abzweig)

Hier werden die einzelnen Solarmodule bzw. Stränge zum gemeinsamen Plus- und Minuspol der Gleichstromhauptleitung zusammengeschaltet.

• Gleichstromhauptleitung

Diese stellt die Verbindung zwischen Generatoranschlusskasten und Wechselrichter bzw. Laderegler dar.

• DC-Freischalter

Ist in die Gleichstromhauptleitung eingebaut und unterbricht diese nötigenfalls, bei z.B. einer notwendigen Spannungsfreischaltung des Wechselrichters.

• Laderegler

Der Laderegler ist in Inselstromanlagen das verbindende Element zwischen Solargenerator, Akku und Verbraucher. Seine Hauptaufgabe ist das ordnungsgemäße Laden und Entladen des Akkus durch Einhalten der Grenzspannungen, also kein Überschreiten der Ladeschluss-Spannung, kein Unterschreiten der Entladeschluss-Spannung. Dazu sind folgende Funktionen zu erfüllen:
Liefert der Solargenerator keine oder zuwenig Energie, darf sich der Akku nicht über den Solargenerator entladen (umgekehrter Stromfluss). Dafür ist eine Rückstromdiode oder ein Schaltkontakt vorhanden. Einhaltung der maximal zulässigen Ladeschluss-Spannung um Schäden am Akku zu vermeiden.
Auch die Funktion des Tiefentladeschutzes wird meist vom Laderegler wahrgenommen. Dabei werden bei Erreichen der Entladeschluss-Spannung die angeschlossenen Verbraucher weggeschaltet.

Ausführungen von Ladereglern:

Serienregler:
Bei Überschreiten der Ladeschluss-Spannung öffnet ein in Serie im Ladestromkreis liegendes Schaltelement (Relais oder Schalttransistor) den Stromkreis. Der Solargenerator läuft somit im Leerlauf.

Shuntregler:
Bei Überschreiten der Ladeschluss-Spannung schließt ein parallel zum Ladestromkreis liegendes Schaltelement (Relais oder Schalttransistor). Der Solargenerator wird dadurch kurzgeschlossen.

Serienregler und Shuntregler werden aufgrund ihres einfacheren Aufbaues bei kleineren Anlagen verwendet. Nachteil dieser beiden ist, dass der Arbeitspunkt des Solargenerators (Arbeitspunkt auf der Strom-Spannungs-Kennlinie) durch die Akkuspannung bestimmt wird. Dadurch wird der Solargenerator nicht gezielt im Punkt maximaler Leistung (MPP) betrieben.

MPP-Regler:
Bei diesem Regler dient ein Gleichspannungswandler zur optimalen Anpassung zwischen Solargenerator (Betrieb im MPP) und den erforderlichen Spannungen für Akku bzw. Wechselrichter. Aufgrund des komplexeren Aufbaues kommen diese Regler erst bei leistungsstärkeren Anlagen zum Einsatz.

• Akkumulator

Der Akku ist in Inselanlagen zur Speicherung der erhaltenen Energie nötig. Er dient der Anpassung zwischen Energieangebot und Energienachfrage. Die Speicherung der Energie erfolgt nicht direkt in Form von Elektrizität, sondern über den Umweg reversibler chemischer Abläufe.
In den meisten Fällen werden Bleiakkumulatoren verwendet. Diese bestehen aus einer positiven und einer negativen Bleielektrode und verdünnter Schwefelsäure als Elektrolyt. Im geladenen Zustand besteht die negative Bleiplatte aus reinem Blei (Pb), die positive aus Bleioxid (PbO₂). Bei der Entladung reagieren beide Elektroden mit der Schwefelsäure (H₂SO₄) und es bildet sich an den Platten Bleisulfat (PbSO₄), die Schwefelsäure wird dadurch verdünnt: (PbO₂ + 2 H₂SO₄ + Pb => 2 PbSO₄ + H₂O). Bei diesem Prozess werden Elektronen frei, die in Form von elektrischem Strom genutzt werden können. Dieser Prozess läuft beim Anlegen einer ausreichend großen Spannung (Ladung des Akkus) in umgekehrter Richtung ab.
Zur Ermittlung des aktuellen Ladezustandes kann die bei Entladung abnehmende Säuredichte (Verdünnung der Schwefelsäure durch das freiwerdende Wasser) oder die Größe der Zellenspannung herangezogen werden.
Die Spannung einer einzelnen Zelle beträgt bei Bleiakkus 2 Volt, je nach Anwendung werden entsprechend viele Zellen in Serie geschaltet.

Je nach Bauart der Bleiakkumulatoren werden unterschieden:

(KFZ -) Starterbatterie:
Eignen sich aufgrund ihrer hohen Selbstentladerate und ihrer geringen Zyklenfestigkeit (sehr empfindlich gegenüber größeren Entladetiefen) nicht für Solarsysteme.

Solarakku, modifizierte Starterbatterie:
Verbesserte Akkus (Starter-Batterien) mit höherer Zyklenfestigkeit und geringerer Selbstentladerate.

Ortsfeste Akkus, Panzerplattenakkus(OPzS):
Sehr robuste Bleiakkumulatoren mit hoher Zyklenfestigkeit, langer Lebensdauer und geringer Selbstentladerate.

Wartungsfreie Akkus:
Diese sind so gestaltet, dass bei den üblicherweise vorkommenden Spannungen noch keine Gasung auftritt (sehr hohe Gasungsspannung). Dadurch ist das Nachfüllen von destilliertem Wasser nicht nötig, die einzelnen Zellen können geschlossen ausgeführt sein.

Gel-Akkus:
Anstelle des flüssigen Elektrolyten kommt hier ein gelartiger Elektrolyt zum Einsatz.

• Wechselrichter

Für den Betrieb herkömmlicher Wechselstromverbraucher bzw. zur Einspeisung ins öffentliche Stromnetz sind Wechselrichter nötig. Diese wandeln Gleichspannung / Gleichstrom des Solargenerators oder des Akkus mittels schaltbarer Halbleiterelemente (Thyristoren, Leistungstransistoren) und (eventuell) nachgeschaltetem Transformator in die übliche Wechselspannung des öffentlichen Stromnetzes (230 Volt, 50 Hertz) um. Der gewählte Wechselrichter sollte über einen möglichst breiten Leistungsbereich hohe Wirkungsgrade aufweisen (über 90% im Bereich zwischen 10 und 100% der Nennleistung).
Grundsätzlich wird zwischen Wechselrichtern für Inselanlagen und solchen für Netzparallelbetrieb unterschieden.

Je nach Form und somit auch Qualität der Wechselspannung werden unterschieden: Rechteck-, Trapez- oder Sinuswechselrichter. Je weniger die erzeugte Wechselspannung die Form einer Sinusschwingung aufweist, desto größer ist der Anteil störender Oberschwingungen (Schwingungen mit n-facher Frequenz der Grundschwingung) und desto unempfindlicher müssen die über den Wechselrichter betriebenen Verbraucher sein. Der Klirrfaktor ist ein Maß für den Anteil dieser Oberschwingungen.
Als Kommutierung wird die periodische Umschaltung zwischen den einzelnen Strompfaden des Wechselrichters bezeichnet, wodurch sich letztlich die Wechselspannung am Ausgang ergibt. Wird die zur Kommutierung nötige Spannung im Wechselrichter selbst bereitgestellt, so handelt es sich um selbstgeführte (eigenkommutierte) Wechselrichter. Stammt diese Kommutierungsspannung aus dem Netz, so sind es netzgeführte (fremdkommutierte) Wechselrichter. Nach selbem Schema wird zwischen netzgetaktet und eigengetaktet unterschieden, je nach dem ob die für die periodischen Abläufe (50 Hz Wechselspannung) nötige Taktfrequenz dem Netz entnommen wird oder im Wechselrichter selbst erzeugt wird.
Der Trafo im Wechselrichter dient einerseits der Potentialtrennung (galvanische Trennung der Gleichstromseite vom öffentlichen Stromnetz als Schutzmaßnahme) und andererseits dem Hochtransformieren der Wechselspannung auf die gewünschten 230 Volt. Mit steigender Frequenz sinken die Trafoverluste, so dass einige Wechselrichter mit Hochfrequenz-Trafo ausgestattet sind.
Je nach Anlagenkonzept (Inselanlage oder Netzparallelbetrieb) wird ein dafür geeigneter Wechselrichter benötigt. Bei Inselanlagen ist die Anforderung an die Qualität der gelieferten Wechselspannung in erster Linie von den betriebenen Verbrauchern abhängig. Die Wechselrichter müssen für diesen Betrieb geeignet sein (selbstgeführt, eigengetaktet). Bei Netzparallelbetrieb sind netzkonforme Wechselrichter nötig, die wesentlich strengeren Kriterien genügen müssen. Die eingespeiste Energie muss hinsichtlich Spannungswert und Frequenz sehr genau den Netzvorgaben entsprechen und synchron eingespeist werden.

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Anlagenkonzepte und Einsatzmöglichkeiten

• direkte Versorgung von Gleichstromverbrauchern

Zum Beispiel zur Förderung von Wasser an entlegenen Standorten bietet sich die Kombination von Solarmodul und gleichstrombetriebener Förderpumpe an. Zur Anpassung der Kennlinien von Solarmodul und Pumpe kann ein Anpasswandler eingesetzt werden. Ein Akkumulator als Speicher kann entfallen, das geförderte Wasser selbst stellt die Speichermenge dar.

• Autonome Stromversorgung im Inselbetrieb

Im Inselbetrieb sorgt die Solaranlage, eventuell in Kombination mit anderen Energiewandlern wie Windkraftanlage oder Notstromaggregat, für die Versorgung mit elektrischer Energie. Ein Energiespeicher in Form eines Akkumulators ist notwendig. Dieser überbrückt (kurzfristig) die zeitliche Differenz zwischen Energieangebot (Sonnenstrahlung) und Energiebedarf (elektrische Verbraucher). Ein Laderegler zwischen Solargenerator und Akku wird auf diese beiden Komponenten abgestimmt und übernimmt meist auch noch den Schutz vor Tiefentladung. Dadurch wird durch rechtzeitiges Wegschalten der Verbraucher eine für den Akku schädliche Tiefentladung verhindert. Sollen Wechselstromverbraucher betrieben werden, ist zusätzlich ein Wechselrichter nötig.

• Netzparallelbetrieb

Dieser bietet sich bei bestehendem Netzanschluss (Anschluss an das öffentliche Stromversorgungsnetz) und der Installation einer Solaranlage an. Die Funktion des Speichers übernimmt in diesem Fall das öffentliche Netz. Laderegler und Akku sind nicht nötig. Überschüsse der Solaranlage für die es momentan im eigenen Haus keine Verwendung gibt, werden ins Netz eingespeist. Dazu ist ein netzkonformer Wechselrichter nötig. In Zeiten, in denen die Solaranlage keine oder zuwenig Energie liefert, wird der entstehende Bedarf aus dem Netz gedeckt.
Der Direktverwendungsgrad gibt an, welcher Anteil der solar erzeugten elektrischen Energie gleich im eigenen Haus verbraucht wird und nicht ins Netz eingespeist wird.

• Solarkraftwerke

Eigene Kraftwerke, die solar erzeugten Strom ins Netz einspeisen.

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Dimensionierung von Inselanlagen

• Überlegungen im Vorfeld der eigentlichen Dimensionierung

Soll die Inselanlage ganzjährig ausreichend elektrische Energie zur Verfügung stellen, so ist der Einsatz kombinierter Anlagen zu empfehlen. Dabei liefert während der strahlungsärmeren Zeit (Winterhalbjahr) z.B. eine Windkraftanlage einen großen Teil der benötigten Energie. Das Angebot von Wind und Sonne ergänzt sich im Jahresverlauf sehr gut, natürlich unter der Vorraussetzung, dass der jeweilige Standort zur Windenergienutzung geeignet ist.
Wird keine zusätzliche Energieform genutzt, so muss bei gleichem Energiebedarf während des Winterhalbjahres die Solaranlage relativ groß (und somit teuer) dimensioniert werden, im Sommerhalbjahr würden mit der bemessenen Anlage hingegen Überschüsse erzielt.
Soll die Solaranlage in erster Linie in den Sommermonaten Energie liefern, z.B. für die Versorgung eines Kleingartenhauses, so sind bereits mit relativ bescheiden dimensionierten Anlagen beachtliche Ergebnisse erzielbar.
Zusätzlich ist zu bedenken, dass die erhaltene Energie natürlich möglichst effizient genutzt werden sollte. Dies inkludiert die Verwendung sparsamer Verbraucher wie z.B. Energiesparlampen anstelle der herkömmlichen Glühlampen.

• Dimensionierung

1. Ermittlung des Energie- bzw. Stromverbrauchs:

Der Bedarf an elektrischer Energie im Jahresverlauf ist zu ermitteln. Es empfiehlt sich diese Berechnungen für jedes Monat anzustellen, da z.B. die Dauer der elektrischen Beleuchtung im Jahreslauf variiert oder der Einsatz von Kühlgeräten werden der kältesten Monate überflüssig ist. Dazu werden die jeweils benötigten Verbraucher mit ihrem Leistungsbedarf (Watt) und ihrer täglichen Betriebszeit (Stunden) angeführt:

Gerät 1 ,	Leistungsbedarf [W] . Betriebszeit pro Tag [h]	=	Energiebedarf pro Tag [Wh]
Gerät 2 ,	Leistungsbedarf [W] . Betriebszeit pro Tag [h]	=	Energiebedarf pro Tag [Wh]
Gerät ...	Leistungsbedarf [W] . Betriebszeit pro Tag [h]	=	Energiebedarf pro Tag [Wh]
			------------------------------
			gesamter Energiebedarf [Wh]

2. Ermittlung des solaren Energieertrages:

Wiederum im Jahresverlauf bzw. für die Monate der Nutzung der Anlage ist nun der solare Energieertrag am Standort abzuschätzen. Hierfür können meteorologische Messdaten (langjährige Monatsmittel der täglichen Globalstrahlung für das betreffende Gebiet) verwendet werden. Z.B. ist die Tagessumme der einfallenden Globalstrahlung für Wien (48º15’) im Monat Juli 5,44 kWh/m²d, im Dezember nur 0,69 kWh/m²d.

Zum Teil gibt es auch speziell für Solargeneratoren ausgearbeitete Tabellenwerte mit spezifischen Energieerträgen. Diese geben für unterschiedliche Gebiete den Energieertrag pro Tag und W_P Generatorleistung an, in der Einheit (Wh/d ^. W_P).

Beide Werte beziehen sich auf waagrechte Flächen. Um die Neigung und Orientierung der Modulflächen zu berücksichtigen, ist ein weiterer Tabellenwert nötig. Mit diesen Korrekturfaktoren ist voriger Wert zu multiplizieren.

Um die Solaranlage für den schlechtesten Fall zu dimensionieren, wird bei einem Vergleich der Werte von 1) und 2) das Monat mit den ungünstigsten Voraussetzungen bezüglich Solarertrag und Energieverbrauch herangezogen.

3. Auswahl des Solargenerators:

Bei der Bestimmung der nötigen Generatorleistung gibt es mehrere Wege. Zwei davon sind folgende:

3.1:
Wurde unter 2) ein speziell für Solargeneratoren ausgearbeitete Tabellenwert verwendet (spezifischer Energieertrag in Wh/d ^. W_P), so ergibt sich die Generatorleistung:

Generatornennleistung (W_P) = täglicher Energiebedarf (Wh/d) / spezifischer Energieertrag (Wh/d ^. W_P) ^. 0,8

Der Faktor 0,8 berücksichtigt die Verluste durch den Akkumulator (und eventuell des Wechselrichters, falls vorhanden, sowie den Leistungsbedarf des Ladereglers). Sind für die betreffende Anlage eigene Werte vorhanden, so sind diese zu verwenden.

3.2:
Wurde unter 2) ein Wert aus meteorologischen Messreihen verwendet (Tagessumme der Globalstrahlung in kWh/m²d) so ergibt sich folgendes Berechnungsschema:

Die Tagessumme der Globalstrahlung multipliziert mit dem Korrekturfaktor für Neigung und Orientierung ergibt das Solarangebot auf die Generatorfläche (kWh/m²d).
Die Nennwerte der Solarmodule sind auf die Normbedingungen bezogen, also (u.a.) auf eine Strahlungsintensität von 1000 W/m². Des weiteren gibt es einen Faktor Performance- Ratio (PR), welcher die realen Verhältnisse in Bezug zu den Normverhältnissen wiedergibt. Die Nennleistungszeit pro Tag ist eine fiktive Dauer, in welcher das Solarangebot auf den Generator bei Normbedingungen („Normeinstrahlung“ 1000 W/m²) erreicht wäre. Somit:

Nennleistungszeit pro Tag (h/d) = Solarangebot ^. PR / Normeinstrahlung

Der pro Tag nötige Amperestundenbedarf (Ah/d) ergibt sich aus dem unter 1) ermittelten Energiebedarf (Wh/d) dividiert durch die Systemspannung (12 V, 24 V, ...). (Zusätzlich zu diesem Wert sind noch Akku-, Laderegler- und Wechselrichterverluste zu berücksichtigen).
Dieser Amperestundenbedarf (Ah/d) dividiert durch die Nennleistungszeit pro Tag (h/d) ergibt den Nennstrom des Generators.

Nennstrom des Generators (A) = Amperestundenbedarf (Ah/d) / Nennleistungszeit pro Tag (h/d)

Entsprechend dem Nennstrom des Generators und der gewählten Systemspannung können die Solarmodule und deren Verschaltung ausgewählt werden.

4. Bestimmung der Akkukapazität:

Die Kapazität des benötigten Akkus ergibt sich zu:

Kapazität (Ah) = Amperestundenbedarf (Ah/d) ^. Autonomietage (d) / Entladetiefe

Der tägliche Amperestundenbedarf ergibt sich aus dem Energieverbrauch dividiert durch die Systemspannung.
Die Anzahl der Autonomietage legt fest, wie lange der Energiebedarf ausschließlich über den Akku (ohne Nachladung) gedeckt werden soll.
Die zulässige Entladetiefe des Akkus gibt die dem Akku zu entnehmende Kapazität bezogen auf seine Nennkapazität an. Sie ist je nach Akkutyp zu wählen und bestimmt maßgeblich die Lebensdauer des Akkus.

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Kennwerte

• Solarzelle, Solarmodul, Solargenerator

Zellenanzahl:
gibt die Anzahl der in Serie geschalteten Zellen pro Modul an. Daraus lässt sich auch annähernd die Leerlaufspannung ermitteln (0,5 bis 0,6 Volt pro Zelle).

Zellentyp:
Bezeichnet den verwendeten Typ der Solarzelle. Meist wird es sich um monokristalline, polykristalline oder amorphe Zellen handeln.

Strom-Spannungs-Kennlinie:
Zur Charakterisierung von Solarzellen (bzw. auch für Module) dienen die Strom- Spannungs-Kennlinien, auch I-U-Kennlinien genannt. Die Strom- und Spannungswerte zwischen den beiden Punkten
I = I_K (Kurzschlussstrom), U = 0 und
I = 0, U = U_L (Leerlaufspannung)
werden für jeweils angegebene Einstrahlungsintensitäten (z.B. 200,400,600,800,1000 W/m²) angegeben. Der Knickpunkt der Kurve stellt den MPP (Maximum Power Point, Punkt maximaler Leistung) dar. In diesem ist das Produkt aus Strom und Spannung am größten, die Solarzelle gibt ihre maximale Leistung ab.

Kurzschlussstrom I_K:
Wenn die Solarzelle kurzgeschlossen wird, ergibt sich die maximale Stromstärke, die die Solarzelle liefern kann. Der Kurzschlussfall stellt für die Solarzelle üblicherweise keine Gefahr dar.

Leerlaufspannung U_L:
Wenn der Solarzelle kein Strom entnommen wird, stellt sich die maximal mögliche Spannung ein. Bei starker Einstrahlung beträgt dieser Wert pro Zelle 0,5 bis 0,6 Volt.

Nennstrom, Nennspannung:
Die Werte für Strom und Spannung im Punkt maximaler Leistung (MPP, z.T. auch als I_MPP, U_MPP bezeichnet) unter Normbedingungen (STC).

Wirkungsgrad:
Ist das Verhältnis der erhaltenen elektrischen Leistung P_elektr bezogen auf die einfallende Bestrahlungsstärke E und die Solarzellenfläche A :

Wirkungsgrad = P_elektr (W) / E (W/m²) ^. A (m²)

Zum Teil wird unterschieden zwischen:

STC-Wirkungsgrad (Normwirkungsgrad, Laborwirkungsgrad): ergibt sich unter STC-Normbedingungen. Dieser wird meist in den Datenblättern angegeben.
RRC- Wirkungsgrad (realistic reporting conditions): Wirkungsgrad der sich unter den gegebenen klimatischen Bedingungen ergibt.

Weiters ist der Modulwirkungsgrad vom Zellenwirkungsgrad zu unterscheiden, ersterer ist geringer (aufgrund der Verschaltung mehrerer Zellen zu einem Modul).

Füllfaktor FF:
ist das Verhältnis der maximal möglichen Leistung bezogen auf das Produkt aus Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung.
FF = I_MPP ^. U_MPP / I_K ^. U_L

MPP:
Ist der Punkt maximaler Leistung, Maximum Power Point. Stellt zugleich auch den Knickpunkt der Strom-Spannungs-Kennlinie dar. Die Solarzelle sollte möglichst nahe diesem Punkt betrieben werden, um die Leistungsfähigkeit der Zelle effektiv zu nutzen. Um dies zu bewerkstelligen, gibt es so genannte MPP-Regler (MPP-Tracker), die bei unterschiedlichen Arbeitsbedingungen (Einstrahlung, Last, Temperatur) den Arbeitspunkt der Solarzelle entsprechend wählen.

Leistungsangabe W_P , Nennleistung:
Die Nennleistung des Generators wird für den Punkt maximaler Leistung (MPP) unter Normbedingungen (STC) angegeben. Diese stellt zugleich auch die Spitzenleistung dar und wird auch als W_P (Watt peak) bezeichnet.

Normbedingungen (STC):
Um die einzelnen Solarzellen anhand ihrer Datenblätter untereinander vergleichen zu können, wurden genormte Bedingungen (standard test conditions) definiert, unter welchen die Zellen getestet werden. Die STC-Bedingungen geben eine Strahlungsintensität von 1000 W/m², eine Zellentemperatur von 25 ºC und eine spektrale Lichtzusammensetzung wie sie bei 1,5-fachem Atmosphärendurchtritt existieren würde (Air Mass AM 1,5) vor.

Performance Ratio, Idealer Energieertrag, realer Energieertrag:
Der rechnerisch ermittelbare ideale Energieertrag einer Photovoltaikanlage wird unter praktischen Bedingungen nicht erreicht. Infolge von geringeren Wirkungsgraden der Solarzellen unter den gegebenen realen Bedingungen, Verschmutzung und Abschattung der Zellenfläche, Wechselrichterverluste und Ausfälle ergibt sich ein realer Energieertrag der Anlage. Das Verhältnis der beiden wird als Performance Ratio bezeichnet.

Performance Ratio PR = realer Energieertrag E_real (kWh/a) / ideale Energieertrag E_ideal (kWh/a)

Sehr gute Anlagen erreichen PR-Werte von zirka 0,8.

Temperaturabhängigkeit, Temperaturkoeffizienten:
Mit steigender Temperatur sinkt die Zellenspannung und die Leistung, der Zellenstrom steigt geringfügig an. Die Temperaturkoeffizienten geben die Abnahme (negative Temperaturkoeffizienten bei Leistung und Spannung) bzw. Zunahme (positiver Temperaturkoeffizient beim Strom) pro ºC (oder Kelvin) an.

Bypassdioden, Hot spot:
Die einzelnen Solarzellen eines Moduls sind, um eine geeignete Spannung pro Modul zu erreichen, in Serie geschaltet. Infolge von z.B. Abschattung einer Zelle kann es vorkommen, dass diese eine Zelle keinen Strom mehr liefert. In dem Fall würde an der Zelle die Spannung mit umgekehrter Polarität anliegen (Diode in Sperrrichtung) und die Zelle würde in Serie zum eigentlichen Verbraucher als Last auftreten. Je nach anliegender Spannung an dieser Zelle würde ab ungefähr 15 Volt (Durchbruchsspannung) die Zelle in den leitenden Zustand übergehen.
Um einerseits die Solarzellen vor Schäden (Überhitzung, „Hot spot“) zu bewahren und andererseits bei Teilabschattung zumindest einen gewissen Teil der Modulleistung zu erhalten, werden parallel zu den Solarzellen Dioden geschaltet, die so genannten Bypassdioden. Im Abschattungsfall fließt der Strom nicht durch die Solarzelle sondern durch diese Diode. Meist werden mehrere Solarzellen durch eine solche Diode überbrückt, nicht jede einzelne. Die Anzahl der Bypassdioden pro Modul ist den Datenblättern zu entnehmen.

Kumulierter Energieaufwand:
Bis zum Endprodukt einer einsatzbereiten Solarzelle sind viele einzelne Schritte nötig (Gewinnung der Rohstoffe, Herstellung, Auslieferung des Endproduktes,...). Die Summe dieser Energieaufwendungen bei den einzelnen Prozessen wird als kumulierter Energieaufwand bezeichnet.

Energetische Amortisationszeit (Energierücklaufzeit):
Ist jene Zeit, nach der die Solarzelle (bzw. die Photovoltaikanlage) die Menge an Energie geliefert hat, die zu ihrer Herstellung (kumulierte Energieaufwand) nötig war. Nach dieser Zeit ist der bis dahin erhaltene Energieertrag der Solaranlage gleich den Energieaufwendungen für ihre Herstellung.

Erntefaktor:
Ist das Verhältnis von erhaltener Energie zur insgesamt benötigten Energie für Herstellung und Betrieb der Anlage, betrachtet für ihre gesamte Lebensdauer (Verhältnis Energieertrag zu Energieaufwand).

• Laderegler

Reglertyp:
Serienregler, Shuntregler oder MPP-Regler.

maximal zulässiger Ladestrom:
Der Kurzschlussstrom des Solargenerators muss im Bereich der maximal zulässigen Stromstärke des Reglers liegen.

maximaler Laststrom:
Bei der Funktion der Lastabschaltung (Tiefentladeschutz) muss der Regler den Maximalstrom der Verbraucher schalten können.

Spannungsbereiche:
Der Regler muss für die maximal auftretende Leerlaufspannung des Generators gerüstet sein und für die Spannung des Akkus (12V/ 24V/...) passend sein.

Schwellwerte für Ladeschluss- und Entladeschluss-Spannung:
Sollten einstellbar oder für den gewählten Akku passend sein.

Temperaturberücksichtigung:
Ladeschluss- und Entladeschluss-Spannung sind von der Temperatur abhängig. Manche Laderegler sind mit Temperaturfühler ausgestattet.

• Akkumulator

Kapazität C (Ah):
Diese bezeichnet die Strommenge, die der Akku speichern kann. Ihre Einheit ist Amperestunden (Ah). Die Kapazität eines Akkus ist nicht als Konstante zu sehen, sondern wesentlich von der Höhe des Entladestromes abhängig. Bei hohen Entladeströmen, also der Entladung des Akkus in kurzer Zeit, steht eine geringere Kapazität zur Verfügung als bei geringen Entladeströmen. Deshalb wird die Nennkapazität eines Akkus auf eine bestimmte Entladezeit bezogen. C₁₀₀ bezeichnet die Kapazität des Akkus bei einer Entladung über einen Zeitraum von 100 Stunden, der zugehörige Entladestrom wäre I₁₀₀ (I₁₀₀ = C₁₀₀ / 100 h). C₂₀ wäre die Kapazität bei 20-stündiger Entladung und würde unter dem Wert C₁₀₀ liegen.
Neben der Höhe des Entladestromes ist die Kapazität auch noch von der Temperatur abhängig. Bei tiefen Temperaturen sinkt auch die Kapazität.

Ladezustand:
Bezeichnet die momentan verfügbare Strommenge des Akkus. Durch Spannungsmessung oder Messung der Säuredichte kann dieser aktuelle Ladezustand ermittelt werden.

Ladeschluss-Spannung:
Dieser Spannungswert darf beim Laden des Akkus nicht überschritten werden. Bei Einhaltung der Ladeschluss-Spannung und abnehmender Stromstärke kann die Ladung noch fortgesetzt werden.

Gasungsspannung:
Ab diesem Spannungswert wird Wasser durch Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten (Knallgas!). Durch Nachfüllen von destilliertem Wasser sind diese Wasserverluste wieder zu ersetzen. Grundsätzlich sollte Gasung verhindert werden, um Explosionsgefahr, Akkuschäden und unnötig vergeudeter Energie vorzubeugen. Bei manchen Akkutypen allerdings kann zeitweilige kontrollierte Gasung sinnvoll sein, um eine Durchmischung des Elektrolyten herbeizuführen.

Entladeschluss-Spannung:
Ab dieser Spannung gilt der Akku als vollständig entladen. Unterschreiten dieser Spannung würde den Übergang zu Tiefentladung bedeuten und den Akku nachhaltig schädigen.

Entladetiefe (%):
Ist der %-Wert der Ladung (Kapazität), die dem Akku entnommen wird. 100 % Entladetiefe wäre vollständige Entladung, dies entspricht dem Erreichen der Entladeschluss-Spannung. Wird der Akku z.B. nur im Bereich bis 20% Entladetiefe betrieben, so erhöht sich seine Lebensdauer beträchtlich.

Ladefaktor, Ladewirkungsgrad (Eta_Ah), Energiewirkungsgrad(Eta_Wh):
Beim Laden wird dem Akku mehr Ladung bzw. Strommenge (Strom ^. Zeit in Ah) zugeführt, als danach wieder verfügbar ist (z.B. durch Verluste infolge Gasung). Das Verhältnis von zugeführter Ladung zu verfügbarer Ladung wird als Ladefaktor bezeichnet:

Ladefaktor = zugeführter Ladung (Ah) / verfügbarer Ladung (Ah)

Der Ladewirkungsgrad bzw. Amperestundenwirkungsgrad Eta_Ah ist davon der Kehrwert :

Ladewirkungsgrad Eta_Ah = verfügbarer Ladung (Ah) / zugeführter Ladung (Ah) = 1 / Ladefaktor

Das Verhältnis von entnehmbarer Energie zu zugeführter Energie stellt den Energiewirkungsgrad Eta_Wh dar:

Energiewirkungsgrad Eta_Wh = verfügbare Energie (Wh) / zugeführter Energie (Wh)

Da die Ladespannung höher ist als die danach verfügbare Spannung ist der Energiewirkungsgrad geringer als der Ladewirkungsgrad (Eta_Wh < Eta_Ah).

Zyklenzahl, Lebensdauer:
Die Zyklenzahl gibt die maximal möglichen Lade- / Entladevorgänge während der Lebensdauer des Akkus an. Bei Vollzyklen wird der Akku bis zur Entladeschluss-Spannung (also vollständig) entladen, bei Teilzyklen nur teilweise (z.B. bis zu einer Entladetiefe von 20%). Wird der Akku immer nur zu einer geringen Entladetiefe entladen, so steigt seine Lebensdauer beträchtlich an (Anzahl der Teilzyklen >> Anzahl der Vollzyklen).

Selbstentladung:
Auch ohne Stromentnahme reduziert sich die Ladung im Laufe der Zeit. Die Selbstentladungsrate wird üblicherweise in % der Nennkapazität angegeben, die pro Monat verloren geht (Selbstentladungsrate in % Nennkapazität / Monat).

Tiefentladung:
Wird der Akku nach Erreichen der Entladeschluss-Spannung weiter entladen, so wird das als Tiefentladung bezeichnet, die Entladeschluss-Spannung wird dabei unterschritten. In diesem Fall kann Bleisulfat in grobkristalliner Form gebildet werden, welches sich schwer oder gar nicht rückwandeln lässt. Tiefentladungen sind für den Akku äußerst schädlich und müssen vermieden werden, z.B. durch passenden Tiefentladeschutz, welcher bei Erreichen der Entladeschluss-Spannung die Verbraucher wegschaltet.

• Wechselrichter

Wechselrichter-Typ:
Wechselrichter für Netzparallelbetrieb oder Insel-Wechselrichter und der Angabe der Spannungsform (Rechteck-, Trapez- oder Sinusform).

Dauerleistung, maximale Leistung, Spitzenleistung:
Die Dauerleistung kann der Wechselrichter zeitlich unbegrenzt liefern. Die Angabe von maximaler Leistung (für einige Minuten lieferbar) oder der Spitzenleistung (für einige Sekunden, z.B. für die hohen Anlaufströme von Motoren) kann zusätzlich erfolgen.

Nennleistung DC, Nennleistung AC:
Die Leistungsangabe kann auch als Angabe der Nennleistung der Gleichstromseite (DC) und der Wechselstromseite (AC) erfolgen.

Spannungsangaben:
Eingangspannung, entweder als Spannungsbereich angegeben oder durch Einzelwerte für Nennspannung und Maximalspannung. Ausgangsspannung, meist mit Angabe der möglichen Abweichungen von Spannungs- und Frequenzwert (z.B. 230 V +/- 5%, 50 Hz +/-0,5%).

Wirkungsgrad:
Die Angabe des Wirkungsgrades erfolgt z.B. als Wirkungsgradkennlinie (Verlauf des Wirkungsgrades bei einer Belastung von 0 bis 100% der Nennleistung) oder als Einzelwerte und der Angabe der jeweiligen Last (z.B. Eta10 bei einer Belastung des Wechselrichters mit 10% der Nennleistung).

Europäischer Wirkungsgrad:
Diese Angabe stellt einen gewichteten Mittelwert für den Wechselrichter-Wirkungsgrad dar. Die entsprechend den Strahlungsverhältnissen in Mitteleuropa sich ergebenden Teillastbereiche des Wechselrichters werden nach ihrer Häufigkeit gewichtet (Eta = 0,03 Eta₅ + 0,06 Eta₁₀ + 0,13 Eta₂₀ + 0,10 Eta₃₀ + 0,48 Eta₅₀ + 0,2 Eta₁₀₀).

Kommutierung, Taktung:
Selbstgeführte (eigenkommutierte) Wechselrichter liefern selbst die nötige Spannung für die Kommutierung (Wechsel zwischen den einzelnen Strompfaden des Wechselrichters um die Wechselspannung zu erzeugen), netzgeführte (fremdkommutierte) beziehen diese aus dem Netz. Eigengetaktete Wechselrichter erzeugen die Taktfrequenz (für die Wechselspannung von 50 Hz) selbst, netzgetaktete benötigen dafür das Netz.

MPP-Tracking, MPP-Spannungsbereich:
Wechselrichter mit MPP-Tracking steuern ihre Eingangsgrößen (Gleichstrom und Gleichspannung) so, dass der Solargenerator auch bei unterschiedlichen Werten für Einstrahlung und Temperatur im Punkt maximaler Leistung (MPP) betrieben wird. Der Spannungsbereich in dem dies möglich ist, wird als MPP-Spannungsbereich bezeichnet.

Laderegler-Funktion:
Falls der Wechselrichter (für Inselbetrieb) diese Funktion aufweist, so ist kein eigener Laderegler mehr nötig, das Lademanagement für den Akku wird in diesem Fall vom Wechselrichter übernommen.

Tiefentladeschutz:
Ebenfalls nur bei Insel-Wechselrichter relevant ist diese Funktion, die die schädliche Tiefentladung des Akkus durch rechtzeitige Wegschaltung der Verbraucher verhindert.

Klirrfaktor:
Die vom Wechselrichter erzeugte Wechselspannung weicht von einer reinen Sinusform ab. Je größer diese Abweichung ist, um so größer ist auch der Anteil unerwünschter Oberschwingungen. Der Klirrfaktor ist ein Maß für diesen Anteil an Oberschwingungen und somit auch ein Maß für die Qualität des Wechselrichters (der Klirrfaktor sollte möglichst gering sein).

Klirrfaktor k = Effektivwerte der Oberschwingungen / Effektivwerte der Grund- und Oberschwingungen

Gute Wechselrichter erreichen Klirrfaktoren unter 3%.

Schaltelemente:
Bezeichnet die verwendeten Halbleiterelemente (Leistungstransistoren oder Thyristoren).

Potentialtrennung:
Gibt an, ob als Schutzmaßnahme ein Trafo zur galvanischen Trennung von Gleich- und Wechselstromseite verwendet wird und ob dieser als Hochfrequenztrafo (Hf-Trafo) ausgeführt ist, um die Trafoverluste zu senken.

Leerlaufverluste, Standby-Verbrauch:
Werden keine Verbraucher mit Strom versorgt, der Wechselrichter erzeugt aber trotzdem die gewünschte Wechselspannung, so befindet er sich im Leerlauf. Die Leerlaufverluste kennzeichnen die dafür benötigte Energie (Leistung). Erzeugt der Wechselrichter zwar keine Wechselspannung aber prüft, ob sich im Leitungsnetz eventuell Verbraucher einschalten, so befindet er sich im Standby-Betrieb. Auch dafür ist Energie nötig, welche als Standby-Verbrauch in den Datenblättern vermerkt sein kann.

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Herstellerfirmen, weitere Informationsquellen

www.kalkgruber.at	www.solarteur.at/seite1.htm	www.wagner-solartechnik.de
www.solar.at	www.solarshop.at	www.photovoltaik.co.at
www.suntechnics.at	www.sonnenstrom-waldner.at	www.korkisch.at
www.solid.at	www.intensys.at	www.solicion.de
www.solvis-solar.de	www.thyssen-solartec.de	www.stromaufwaerts.at
www.grammer-solar.de	www.bramac.at	www.siemenssolar.de
www.solarwatt.de	www.biohaus.de	www.solarkaufhaus.de
www.viessmann.at	www.sol-ution.com	www.corona-berlin.de
www.uet.at	www.prosolar.de	www.gaia.de/solar-eg
www.solarkaufhaus.de	www.biopellets.de	www.braas.de
www.fronius.at/index_d.htm	www.exide.de	www.bannerbat.com
www.unisolar.com