Regenerative Energiesysteme, 5. Auflage

5 Photovoltaik (S. 149)

5.1 Einleitung
Der Begriff Photovoltaik wird aus den zwei Worten Photo und Volta gebildet. Hierbei steht Photo (griechisch phõs, photós: Licht) für das Licht und Volta (Graf Volta, 1745-1827, italienischer Physiker) für die Einheit der elektrischen Spannung. Das heißt Photovoltaik ist die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität. Nach der Rechtschreibeform ist auch die Schreibweise Fotovoltaik zulässig.

Die Geschichte der Photovoltaik reicht bis ins Jahr 1839 zurück, in dem Becquerel den Photoeffekt entdeckte. Doch erst über 100 Jahre später begann das Zeitalter der Halbleitertechnik. Nachdem 1949 von Shockley ein Modell für den p-n-Übergang entwickelt wurde, erblickte die erste Silizium-Solarzelle 1954 aus den amerikanischen Bell- Laboratories das Sonnenlicht. Der Wirkungsgrad dieser Zelle betrug etwa 5 %. Die Kosten waren nebensächlich, da die Zelle wertvolle Energie für die Weltraumflüge zur Verfügung stellen sollte.

Der Wirkungsgrad der Solarzellen wurde seitdem kontinuierlich gesteigert. Bei Silizium-Zellen werden heute im Laborbetrieb Wirkungsgrade von deutlich über 20 % erreicht. Doch auch neue Materialien wurden erforscht und fanden zum Teil Verwendung. Die Kosten von Solarzellen konnten rapide gesenkt werden. Dennoch liegen heute die Kosten von photovoltaisch erzeugtem Strom deutlich über dem üblichen Strompreis (vgl. Kapitel 9). Vor allem aber durch eine Steigerung der Stückzahlen werden die Kosten noch weiter sinken.

Die Photovoltaik bietet unter den erneuerbaren Energien die vielseitigsten Einsatzmöglichkeiten. Ein Vorteil ist der modulare Aufbau. Das heißt es können nahezu alle gewünschten Generatorgrößen, angefangen vom Milliwattbereich für die Stromversorgung von Taschenrechnern und Uhren bis hin zum Megawattbereich für die öffentliche Elektrizitätsversorgung, realisiert werden.

Eine Hauptanwendung der Photovoltaik liegt heute noch in den Konsumeranwendungen und im Freizeitbereich und der Versorgung netzferner Standorte z.B. bei Telekommunikationsanlagen. Seit das deutsche Tausend-Dächer-Programm, bei dem Anfang der 1990er-Jahre 2.250 mit dem öffentlichen Netz gekoppelte Photovoltaikanlagen errichtet wurden, die Tauglichkeit der Photovoltaik zur Stromerzeugung in größerem Maßstab unter Beweis gestellt hat, werden auch zunehmend netzgekoppelte Anlagen errichtet. Für mitteleuropäische Breitengrade bietet die Photovoltaik ein immenses Potenzial. Sie kann ohne Eingriffe in die Natur auf Hausdächern und an Fassaden installiert werden.

In Deutschland könnte hierdurch etwa ein Drittel des Elektrizitätsbedarfs gedeckt werden. Bild 4.1 zeigt als Beispiel eine dachintegrierte Photovoltaikanlage aus den 1980er- Jahren in den USA. Deutschland hat sich in den vergangenen Jahren als Musterland der Photovoltaik entwickelt. Neben einer Vielzahl kleinerer privater Anlagen wurden auch sehr große Systeme installiert. So erreichen die größten dachintegrierten Systeme heute Leistungen von mehr als 5 MW und Freiflächenanlagen bis deutlich über 10 MW.

Obwohl die Zahl der neu installierten Photovoltaikanlagen in den letzten Jahren stark zugenommen hat, sind deren Gesamtleistung und damit der Anteil an der Elektrizitätsversorgung immer noch relativ gering. Mit aktuellen jährlichen Wachstumsraten im zweistelligen Prozentbereich wird sich die Photovoltaik in den nächsten 20 Jahren aber zu einer wichtigen Säule in der Elektrizitätswirtschaft entwickeln.

In diesem Kapitel werden die wichtigsten Grundlagen wie das Prinzip der Photovoltaik, Berechnungen bei Photovoltaikanlagen sowie Anwendungen erläutert. Da bei der Beschreibung zahlreiche elektrotechnische Größen verwendet werden, sind zur Übersicht die wichtigsten in Tabelle 5.1 dargestellt.