Solar & Photovoltaik

Solar

Solaranlagen
Thermische Solaranlagen nutzen die Wärme aus der Sonnenstrahlung. Man unterscheidet hauptsächlich drei Verwendungsmöglichkeiten. Die Solarthermie kann die Brauchwasseraufbereitung, die Heizung oder die Schwimmbaderwärmung unterstützen. Alle drei Varianten können separat oder auch kombiniert installiert werden.

Kollektor
Die Energiegewinnungsfläche einer thermischen Solaranlage nennt man Kollektor. Kollektoren werden in den unterschiedlichsten Bauformen und Größen zwischen 0,5 und 10 m angeboten. Im Kollektor befindet sich der so genannte Absorber, ein beschichtetes Kupferblech, das die Wärme aus der Sonnenstrahlung absorbiert und an ein Rohrsystem überträgt. Man unterscheidet hauptsächlich zwei Arten von Kollektoren, die Flachkollektoren und die Röhrenkollektoren. Der Kollektor wird mit einem Rohrleitungssystem verbunden, damit die gewonnene Wärme mit Hilfe eines Wärmeträgermediums (meist ein Wasser-Glykol-Gemisch) in einen Wärmespeicher transportiert werden kann. Im Wärmespeicher (z. B. Brauchwasserspeicher) wird die gewonnene Wärme durch einen Wärmetauscher an das Speichermedium (z. B. Brauchwasser) übertragen, gespeichert und nach Bedarf abgegeben. Somit kann das erwärmte Brauchwasser an den Verbraucher durch das Hausnetz transportiert werden. Dieses System mit einem vom Brauchwasser getrennten Solarkreis nennt man Zweikreissystem.
Neben dem Kollektor und einem Speicher werden bei einer thermischen Solaranlage zusätzlich meist noch eine Pumpe sowie eine Regelstation benötigt, damit der Wärmetransport reguliert werden kann. Die Funktion einer Anlage wird durch eine so genannte Temperaturdifferenzregelung gesteuert, die ständig die Kollektortemperatur und die Speichertemperatur vergleicht.

Photovoltaik

Die direkte Umwandlung von Sonnenstrahlung in elektrische Energie mittels Solarzellen nennt man Photovoltaik. Das griechische "Photo" steht dabei für Licht, während "Voltaik" vom Namen des italienischen Physikers Alessandro Volta abgeleitet ist, der grundlegende Arbeiten bei der Erforschung der Elektrizität leistete. Deshalb wurde auch die Maßeinheit Volt für die elektrische Spannung nach ihm benannt.
Die Photovoltaik ist sicher die eleganteste Art, die Sonnenenergie in Strom zu verwandeln. Man braucht lediglich die Solarzelle dem Licht auszusetzen, an ihren Kontakten den elektrischen Strom abzugreifen und mittels Wechselrichter den gewonnenen Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln. Die Solarzelle stellt sozusagen ein elektrisches Minikraftwerk dar.

Solarzelle
Die Solarzelle nutzt den so genannten Photoeffekt, genauer gesagt den Sperrschicht-Photoeffekt zur Stromerzeugung. Der Photoeffekt ist im Prinzip schon seit über 150 Jahren bekannt. 1939 stellte der französische Physiker A. E. Becquerel fest, dass zwischen zwei Elektroden, die er zuvor in ein Säurebad getaucht hatte, ein Strom floss, wenn er die eine davon dem Licht aussetzte. 1873 entdeckte der britische Kabelingenieur Wiloughby Smith, dass das chemische Element Selen bei Belichtungsänderungen seinen elektrischen Widerstand verändert. Dies war die Geburtsstunde der Photozelle.
In der Folge wurden noch etliche solcher so genannten "Halbleiter" entdeckt, die unter dem Einfluss von Licht oder Wärme ihren elektrischen Widerstand verändern. "Halbleiter" werden diese Stoffe deshalb genannt, weil ihre elektrische Leitfähigkeit zwischen der von ausgesprochenen Leitern wie Kupfer und der von ausgesprochenen Isolatoren wie Glas liegt. Bei tiefen Temperaturen haben alle diese Stoffe keine oder sehr wenige freie Elektroden in ihrer Atomstruktur und sind damit praktisch Isolatoren. Dies ändert sich aber unter der Einwirkung von Licht oder Wärme. Die freien Elektronen vermehren sich dann und machen den Stoff zu einem mehr oder weniger guten Leiter.
Hinsichtlich der technischen Eigenschaften, Verfügbarkeit und unproblematischen Entsorgung erwies sich Silizium als das mit Abstand bestgeeignete Material zur Herstellung von Solarzellen. Es kommt in der Natur allerdings nicht in reiner Form vor, sondern muss erst in einem aufwändigen Verfahren aus Verbindungen zwischen Quarzsand oder Bergkristall gewonnen werden. Je nachdem, wie Silizium bei diesem Prozess auskristallisiert, unterscheidet man zwischen monokristallinem, polykristallinem und amorphen Silizium.
Für Solarzellen eigent sich das kostengünstigere polykristalline Silizium, das in Blöcke gegossen wird und mit dem sich Wirkungsgrade von 10 bis 13 Prozent erzielen lassen. Durch ein spezialgehärtetes Glas ist die Zelle gegen Erschütterungen und Witterungseinflüsse resistent. Um Verluste durch Reflexion des Lichtes zu mindern, sind die Solarzellen mit einer dünnen Schicht Titanoxid überzogen, die ein blaues Aussehen verleiht.
Die gemessene elektrische Energie wird in der Einheit "kWP" (Kilo-Watt-Peak) angegeben, die die Spitzenleistung der Module benennt. Module mit mehreren Solarzellen, flächenmäßig zu einer Konstruktionseinheit zusammenfasst. Mehrere Module ergeben einen Generator. Ein Modul mit 1 kWP erreicht diese Leistung unter einer Einstrahlung von 1000 Watt pro Quadratmeter bei einem Lichteinfallswinkel von 1,5 AM ( Air Mass), das entspricht etwa 60°, und einer Zelltemperatur von 25°C. Je nach der Modulleistung eines Herstellers wird der Umfang einer gesamten Solaranlage für den Energiebedarf eines Halters errechnet. Aus diesem Umfang ergibt sich dann der Flächenbedarf einer Solaranlage. Jeder Hersteller hat seine eigenen Module mit ihren festgesetzten kWP-Angaben und Abmessungen.
Eine 1-kWP-Anlage leistet bei optimaler Ausrichtung zwischen 850 und 1300 kWH pro Jahr.