Johannes Scharrer Realschule
91217 Hersbruck

Photovoltaik an der JSR

1996 wurden die ersten Pläne für eine Solaranlage verwirklicht, wobei Schüler beim Aufbau mitgeholfen haben. Ohne dass Schüler beteiligt waren, hat Herr Teschke unsere Photovoltaik-Anlage bis 2003 betreut. Dies hat dann Herr Oswald übernommen und 2005 das Wartungsteam unserer Schule gegründet.

Daten zur Anlage:

• 20 Solar Module
• Fläche: 1,30m x 0,33m
• Gesamtfläche: ca. 8,6m²
• Leistung pro Modul: 53 W
• Gesamtleistung: 1,06 kW
• Position: Dach des Hauptgebäudes
• Neue Position in Diskussion:
  • Auf dem Musiksaal
  • Über der Verwaltungsebene

Im Schuljahr 2010-2011 wurden die Wartungsarbeiten durch Schülerinnen und Schüler der Klasse 10A fortgeführt: Stefan Brückner, Jonathan Fabry, Jeremias Forell, Rebekka Hämmerl, Saskia Heck, Daniel Knauer, Gentian Nazifi, Uli Pickel, Tim Schmidt, Maurizio Schneider, Christian Schönhöfer, Christoph Schramm.

Bild 1: Photovoltaik-Team 2010-11

Anfang des Schuljahres konnte das Team stolz auf sein Mitglied Saskia Heck sein, die mit dem Mittelfränkischen Realschulpreis 2010 in Forschung und Technik ausgezeichnet wurde. Für ihre erfolgreiche Mitarbeit im Photovoltaik-Team, dessen Ergebnisse exemplarisch im Jahresbericht des SEV Bayern veröffentlicht wurden, ihre sehr guten schulischen Leistungen und ihre Sozialkompetenz bei ihrem Engagement als Tutorin wurde Saskia geehrt.
Die Überarbeitung und Aktualisierung des Photovoltaikteils der Schul-Homepage war die Projekt-Aufgabe der gesamten 10A, und Mitglieder des Photovoltaikteams fassten die Beiträge dann zusammen. Die Auswertung unserer Ertragsdaten im Vergleich mit allen anderen Schule erhielten wir wieder im April. Der normierte Energieertrag unserer Anlage 2010 lag bei 821 KWh/kW, der Mittelwert war 718 kWh/kW. Somit liegt unser Ergebnis etwas unter unseren Erwartungen, aber immer noch über den früheren Werten im Vergleich mit allen Schulanlagen.

Ende März 2011 wurde unsere Anlage im Zuge der Renovierungsarbeiten an der Schule abgebaut. Aber sie soll im Juli/August wieder in Betrieb genommen werden, so dass unsere Photovoltaik-Gruppe weitergeführt werden kann. Ertrag bis 30.03.2011: 148,4 kWh.

1. Technologie und Forschung

• Funktionsweise von Solarzellen
• Herstellung von Solarzellen
• Timeline
• PV in der Zukunft
• Die zukünftige Energieversorgung
• Solarzellentechnologie

1.1. Funktionsweise von Solarzellen

Photonen (Lichtteilchen) werden in geeigneten Materialien absorbiert, so entstehen positive und negative elektrische Ladungsträger. In Photovoltaischen Energiekonvertern werden diese Ladungsträger selektiv, also nach positiven und negativen Ladungen getrennt, zu äußeren Elektroden transportiert, die dadurch elektrisch geladen werden. Deshalb entsteht zwischen den beiden Elektroden eine elektrische Spannung. Durch diese Spannung können die Ladungsträger in einem externen Stromkreis Arbeit verrichten.

Für eine effiziente technische Umsetzung dieses Prinzips müssen vor allem 3 Punkte beachtet werden:

• Der Transport der energetisch angeregten Ladungsträger zu den Elektroden muss schnell erfolgen.
• Es muss dafür gesorgt werden, dass die Energiekonverter das breite Solarspektrum mit Photonenenergien wirksam umsetzen.
• Die Energiekonverter müssen kosteneffektiv herstellbar sein.

Die Strahlungsenergie pro Zeit und Fläche, die von der Sonne auf der Erde ankommt beträgt im günstigsten Falle 1000 Watt pro Quadratmeter (W/m²). Mit den besten Photovoltaischen Energiekonvertern können davon heute 15 W/m² in elektrischer Leistung umgewandelt werden.

1.2. Herstellung von Solarzellen

Die derzeitig eingesetzten Solarzellen werden zu mehr als 80% aus kristallinem Silizium hergestellt. Silizium wird aus folgenden Gründen als Material verwendet:

• Es steht in hinreichender Reinheit zur Verfügung, was für die Vermeidung schädlicher Rekombinationsprozesse wichtig ist.
• Silizium wird aus Quarzsand gewonnen und steht somit in nahezu unbegrenztem Umfang zur Verfügung.
• Siliziumzellen können auch ohne größere Probleme recycelt werden.
• Siliziumsolarzellen zeigen bei der Energieumwandlung relativ hohe Wirkungsgrade: Industriell gefertigte Siliziumsolarzellen wandeln bis zu 16 % der Energie der einfallenden Strahlung in elektrische Energie um, im Labor gefertigte Solarzellen sogar bis 24 %.
• Sie haben eine hohe Lebensdauer von mehr als 20 Jahren.

Neben allen genannten Vorteilen haben die aus Siliziumscheiben hergestellten Solarzellen auch zwei Nachteile:

• Die Modultechnik ist durch die notwendige elektrische Serienverschaltung der Scheiben aufwendig.
• Silizium absorbiert Licht nicht sehr effektiv. Dies macht dicke Scheiben (Wafer) nötig, was einen hohen Materialaufwand in Folge hat.

1.3. Timeline

1839: Alexander E. Becquerel entdeckt den photoelektrischen Effekt

1876: William G. Adams und Richard E. Day weisen diesen Effekt auch an Selenkristallen nach.

1905: Albert Einstein erklärte den Photoelektrischen Effekt richtig underhielt dafür im Jahre 1921 den Nobelpreis.

1954: Darly Chapin, Calvin Fuller und Gerald Person bauten die erste Siliziumzelle mit einem Wirkungsgrad über 4 Prozent.

1958: erster Einsatz als Energieversorger des Vanguard I in der Satellitentechnik

1960/70: Entscheidende Fortschritte in der Entwicklung, aufgrund der großen Nachfrage in der Raumfahrt

1970: Durch die Energiekrisen und das steigende Umweltbewusstsein versuchte auch die Politik, die Entwicklung der Photovoltaikanlage so voranzutreiben, so dass sie auch wirtschaftlich interessant wird. Bis jetzt: In mehreren Ländern z. B. wie in Deutschland wurde ein Projekt vom Staat durchgeführt, dass Photovoltaikanlagen unterstützt und Leute, die sich solche Anlagen zulegen, Zuschüsse zusichert. So wurde erreicht, dass auch auf vielen privaten Dächern Solaranlagen angebracht wurden. Für eine Stromversorgung in großem Maßstab ist der Strom aus Sonnenlicht in den Industrieländern betriebswirtschaftlich noch nicht konkurrenzfähig. Diese Situation wird sich voraussichtlich nur auf drei Wegen ändern lasse: Durch die Massenproduktion, Durch physikalisch-technologische Innovationen Durch die Berücksichtigung externer Kosten im Energiepreisgefüge.

1.4. PV in der Zukunft

Solarzellen mit möglichst hohen Wirkungsgraden bei vertretbaren Produktionskosten zu entwickeln, ist das Ziel der Solartechnologie. Vielversprechend sind hier vor allem Tandemstrukturen (Mehrfachsolarzellen), bei denen mehrere Solarzellen direkt übereinander gestapelt werden. Dies hat den Vorteil, dass verschiedene Spektralbereiche des Sonnenlichts, getrennt von einander, optimiert in elektrische Energie umgewandelt werden können. Solche Tandemsolarzellen werden bereits heute in Raumfahrzeugen und Satelliten eingesetzt. Umwandlungswirkungsgrade von über 40% müssten sich in der Praxis realisieren lassen. Dabei sind nicht nur Innovationen im Halbleiterbereich, sondern auch im Bereich der Leitungsoptik gefragt, da kleinflächige komplexe Tandemsolarzellen mit großflächigen, hocheffizienten und kostengünstigen Strukturen kombiniert werden müssen.

1.5. Die zukünftige Energieversorgung

Photovoltaik ist heute noch der teuerste Weg, elektrische Energie auf der Basis erneuerbarer Energiequellen bereitzustellen. Immer noch ist ihr Beitrag zur weltweiten Energieversorgung gering. Doch sollten wir in Zukunft eine Energieversorgung benötigen, die stark auf erneuerbaren Quellen beruht, wird mit Sicherheit die Photovoltaik eine entscheidende Rolle spielen. Die Geschwindigkeit ihrer Einführung in großem Stil wird dabei ganz entscheidend von Innovationsschüben aus Physik und Technologie beeinflusst werden.

1.6. Solarzellentechnologie

Dünnschichtsolarzellen
Eine wesentliche, Kosten reduzierende Innovation ist die Dünnschichtsolarzelle. Bei diesen Systemen wird die Licht absorbierende Schicht großflächig auf kostengünstigen Substraten abgeschieden.
Die verwendeten Absorbermaterialien bestehen entweder aus Halbleitern, die besser absorbieren als kristallines Silizium, oder aus Silizium wobei der Absorptionsweg durch Lichteinfang in den Schichten optisch verlängert wird.

Mehrfachsolarzellen
Die Forscher konzentrieren sich folglich auf die Entwicklung von Mehrfachsolarzellen. Diese setzen sich aus mehreren Elementen zusammen, wie beispielsweise Galliumarsenid, weshalb sie einen viel größeren Spektralbereich der Sonnenenergie erfassen können.
Bei einer Mehrfachstruktur handelt es sich im Prinzip um nichts anderes als übereinander geschichtete Einfachsolarzellen. Da aber unterschiedliche Halbleiter verwendet werden, können auch verschiedene Bereiche des Sonnenspektrums von den einzelnen p-n Übergängen umgewandelt werden. Das führt zu einen höheren Wirkungsgrad.
Das Fraunhofer-Institut entwickelt seit etwa zehn Jahren Mehrfachsolarzellen auf der Grundlage von Halbleitern, die sich hervorragend für dich Umwandlung von Sonnenenergie in elektrischen Strom eignen. Die Forscher am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme in Deutschland haben den Wirkungsgrad von Mehrfachsolarzellen auf 41,24% (Weltrekord) verbessert. In Zukunft glaubt man durch metamorphe Mehrfachsolarzellen noch mehr erreichen zu können. Laut Andreas Bett, dem Leiter der Solarzellenabteilung, sei in naher Zukunft ein Wirkungsgrad von 42% oder 43% vielleicht aber auch 50% vorstellbar.

Innovation für Solarzellen
Die Forscher des Max-Plank-Instituts haben vor kurzen eine Möglichkeit entdeckt aus Photonen längerer Wellenlänge (d. h. wenig energiereich; grün) in Photonen mit mehr Energie um zu wandeln (blau). Dadurch wird es möglich, Photonen mit bislang nicht nutzbarer Wellenlänge für Solarzellen nutzbar zumachen. Das heißt die Solarzellen werden effizienter.
Diese Umwandlung funktioniert indem ein Absorber-Molekül Photonen geringerer Energie aufnimmt und speichert und sie dann an ein Molekül ab gibt, das sich leicht zur Fluoreszenz anregen lässt (z. B. Diphenylanthracen). In diesem Molekül vereinen sich dann die Photonen und werden als ein energiereiches Photon wieder abgestrahlt.



Konzentrator-Photovoltaikmodule
Die sogenannten Konzentratorzellen können im Laborsituationen über 40 Prozent Wirkungsgrad erzielen. Konzentrator-Photovoltaikmodule wiesen einen höheren Wirkungsgrad als herkömmliche Photovoltaikmodule auf. Zum anderen steigt der Wirkungsgrad mit einer höheren Lichtintensität, da der Kurzschlussstrom der Zelle proportional zu Lichtintensität ansteigt und gleichzeitig die Zellenspannung zunimmt. Da Konzentrator-Photovoltaikmodule wegen der Lichtbündelung zwingend auf Nachführsysteme angewiesen sind, erhöht sich der Energieertrag gegenüber einer konventionellen Photovoltaikanlage wesentlich. Wegen der Lichtbündelung können aber Konzentrator-Photovoltaikmodule nur in Gebieten mit hoher direkten Sonneneinstrahlung effektiv eingesetzt werden.


Organische Photovoltaik
Das sind Photovoltaikanlagen, die statt aus anorganischen Materialien aus organische Materialien bestehen. Der Aufbau unterscheidet sich nicht besonders von dem einer anorganischen Photovoltaikanlage. Die Organische Photovoltaik ist noch nicht so gut weiterentwickelt wie die Anorganische Photovoltaik, denn es werden immer noch Materialien verwendet, die eigentlich für Leuchtdioden gedacht sind. Die Forschung hofft die Anlagen durch verbesserte Materialien auf einen Wirkungsgrad von 10% zubringen.


Vorteile der Organischen Photovoltaik:

• Die Anlagen können auf flexiblen Oberflächen aufgebracht werden ( z.B. Kleidung ).
• Die Anlagen sind billig und umweltfreundlich herzustellen, da sie aus organischen Materialien bestehen.

Nachteile der Organischen Photovoltaik:

• Die organischen Anlagen sind kurzlebig.
• Sie haben noch einen geringen Wirkungsgrad (2-5%).

Vorteile der Anorganischen Photovoltaik:

• Die Anlage sind sehr langlebig.
• Die Module haben einen hohen Wirkungsgrad (Ø 20%)

Nachteile der Anorganischen Photovoltaik:

• Die Materialien müssen unter hohem technischen und chemischen Aufwand hergestellt werden (z. B. Silizium)
• Die Anlagen können nicht überall verwendet werden.

2. Photovoltaik im Einsatz

• 2.1. Technische Beschreibung
• 2.2. Nennleistung
• 2.3. Wirkungsgrad
• 2.4. Sonneneinstrahlung in Deutschland
• 2.5. Förderpolitik
• 2.6. Kosten und Komponenten
• 2.7. Nachfrage nach PV-Anlagen
• 2.8. Verwendung der erzeugten Energie

2.1. Technische Beschreibung

• Auftreffende Menge an Sonnenenergie beträgt jährlich 1,5x10¹⁸ kWh, dies entspricht dem 15.000-fachen Primärenergieverbrauch der Menschheit im Jahre 2006
• Der Lichtenergieeintrag pro Jahr 1,1x10¹⁸ kWh wird aber durch die Atmosphäre und Wolken reduziert
• Die verbleibende Strahlungsenergie kann aufgefangen und teilweise in Elektrizität umgewandelt werden, ohne dass Nebenprodukte wie Abgase entstehen.
• Die Wellenlängenbereiche der auftreffenden Strahlung:
  • Ultraviolett: kurzwellig, nicht sichtbar
  • Licht: sichtbarer Bereich
  • Infrarot: langwelliger Bereich, Wärmestrahlung
• Bei der Umwandlung wird der fotoelektrische Effekt genutzt

Photovoltaische Energieumwandlung

• Einzelne Solarzellen werden zu Solarmodulen verbunden
  → Photovoltaikanlagen
• Die Erzeugte Elektrizität wird:
  • vor Ort genutzt
  • in Akkumulatoren gespeichert
  • im Stromnetz eingespeist
• Bei Einspeisung der Energie in das öffentliche Stromnetz wird die erzeugte Gleichspannung von einem Wechsel-richter in Wechselspannung umgewandelt. Für kontinuierliche Energie muss Energie zwischengespeichert werden
• Bekanntes Beispiel:
  Akkumulatorgepufferte Inselsysteme bei Parkscheinautomaten
• Photovoltaische Energieumwandlung ist derzeit in Deutschland wegen der Herstellungskosten der Solarmodule im Vergleich zu herkömmlichen Kraftwerken teurer. Bei den konventionellen Kraftwerken sind teilweise hohe Folgekosten zu berücksichtigen
• Aber auch das stark schwankende Strahlungsangebot erschwert den Einsatz von Photovoltaik
  → wetterabhängig
• Konventionelle Kraftwerke werden bis zu einer wirtschaftlichen Energiespeicherung im großen Maßstab nicht zu ersetzen sein
• Das Stromeinspeisungsnetz und das Erneuerbare-Energien-Gesetz führten zu einem Boom bei der Errichtung von Photovoltaikanlagen
  → Verhundertfachung der gesamten, elektrischen Nennleistung in den letzten 10 Jahren

2.2. Nennleistung

• Nennleistung wird in Wp oder kWp gemessen
• „Peak“ (engl. Höchstwert, Spitze) bezieht sich auf die Leistung bei Testbedingungen
  → dienen zur Normierung und zum Vergleich verschiedener Solarmodule
• Standard-Testbedingungen der Solarmodule (als internationaler Standard festgelegt):
  • 25°C Modultemperatur,
  • 1000 W/m² Bestrahlungsstärke
  → Je südlicher desto häufiger kommt es zu diesen Nennleistungen
• Es gibt verschiedene Güteklassen bei Modulen, ein ca. 7-10 m² großes Modul kostet 2500-3500 €
• Ein solches Modul erzeugt in Süd-Bayern pro Jahr eine Energie von 1050 kWh
• Je höher die Betriebstemperatur (25°C) umso niedriger ist der Wirkungsgrad
• Die netzgekoppelten Photovoltaik-Anlagen in Deutschland werden kontinuierlich besser und erreichen mittlerweile Nennwerte von 700-1180 kWh pro kWp und Jahr
• Für eine Nennleistung von 1 kW werden Solarzellen mit einer Fläche von etwa 8-10 m² benötigt. Daraus ergibt sich für eine neue Anlage ein tatsächlicher Energieertrag von etwa 70-125 kWh/m² im Jahr

Installierte PV-Nennleistung in der EU in MW_p

(Quelle: wikipedia) Daten für 2010 beruhen auf Schätzungen, tatsächliche Werte können abweichen.

Nr.	Staaten	2010[6]	2009[7]	2008[8]	2007[9]	2006[10]	2005[11]
1	Deutschland	17370	9959	6019	3846	2743	1910
2	Spanien	3808	3438	3421	734	175	57,6
3	Italien	3479	1157	458	120	50.0	46,3
4	Tschechien	1953	463	54,7	4,0	0,8	0,5
5	Frankreich	1054	335	104	46,7	33,9	26,3
6	Belgien	787	374	70,9	21,5	4,2	2,1
7	Griechenland	205	55,0	18,5	9,2	6,7	5,4
8	Slowakei	144	0,2	< 0,1	< 0,1	< 0,1	< 0,1
9	Portugal	131	102	68,0	17,9	3,4	3,0
10	Österreich	103	52,6	32,4	27,7	25,6	24,0
11	Niederlande	96,9	67,5	57,2	53,3	52,7	50,8
12	Vereinigtes Königreich	74,8	29,6	22,5	18,1	14,3	10,9
13	Slowenien	36,3	9,0	2,0	1,0	0,4	0,2
14	Luxemburg	27,3	26,4	24,6	23,9	23,7	23,6
15	Bulgarien	17,2	5,7	1,4	0,1	0,1
16	Schweden	10,1	8,8	7,9	6,2	4,9	4,2
17	Finnland	9,6	7,6	5,6	5,1	4,5	4,0
18	Dänemark	7,1	4,7	3,3	3,1	2,9	2,7
19	Zypern	6,2	3,3	2,2	1,3	1,0	0,5
20	Rumänien	1,9	0,6	0,5	0,3	0,2
21	Polen	1,8	1,4	1,0	0,6	0,4	0,3
22	Ungarn	1,8	0,7	0,5	0,4	0,3	0,2
23	Malta	1,7	1,5	0,2	0,1	0,1	< 0,1
24	Irland	0,6	0,6	0,4	0,4	0,4	0,3
25	Litauen	0,1	0,1	0,1	< 0,1	< 0,1	< 0,1
26	Estland		0,1	< 0,1	< 0,1	< 0,1	< 0,1
27	Lettland		< 0,1	< 0,1	< 0,1	< 0,1	< 0,1
EU27 GWp		29,33	16,30	10,38	4,94	3,15	2,17

Elektrische Energiemenge
Im Jahr 2009 in Deutschland installierte Leistung: 9,8 GWp
Wirksame Leistung: 710 MW
Mittlere Einschaltdauer: 821 h
Gemessen an den 8760 Stunden pro Jahr ergibt sich eine mittlere Ausnutzung der Arbeitsfähigkeit von 9,37%, wenn dabei die halbe im Jahr 2009 zugebaute Leistung als im Mittel des Jahres wirksam berücksichtigt.

2.3. Wirkungsgrad

• Die mit Solarzellen erzielbaren Wirkungsgrade reichen von wenigen Prozent bis über 40%
• Höherer Wirkungsgrad spielt nur solange eine Rolle, als er die Investitionskosten der Photovoltaik-Anlage reduzieren kann.
• Möglichst hoher Zellenwirkungsgrad ist nur dann entscheidend, wenn die Fläche begrenzt, die Masse der Zelle möglichst klein sein muss und die Kosten zweitrangig sind.
• Verschiedene Solarzellen aus
  • Monokristallinem Silizium:
    • aufwendigere Herstellung - daher teuerer
    • Wirkungsgrad 14%-24%
    • längste Energierücklaufzeit
  • Polykristallinem Silizium:
    • kostengünstigere Herstellung,
    • Wirkungsgrad 13%-18%,
    • mittlere Energierücklaufzeit
  • Amorphem Silizium:
    • kostengünstigste Herstellung,
    • Wirkungsgrad 5%-13%,
    • kürzeste Energierücklaufzeit
• Es gibt viele weitere Solarzellentypen, die teilweise noch im Laborstadium sind, aber (Flächen-) Wirkungsgrade bis zu 30% erzielen
• Zum Vergleich:
  • Herkömmliche Glühlampen verwandeln etwa 3%-5% der eingesetzten Energie in Licht,
  • der Wirkungsgrad von
    • Kohlekraftwerken beträgt zurzeit im weltweiten Vergleich etwa 31%- 42%,
    • Kernkraftwerken etwa 32% 36%,
    • moderne Wasserkraftwerke erzielen bis zu 80%.
    • Solaranlagen (Sonnenkollektoren) die zur Warmwasseraufbereitung verwendet werden, erreichen ca. 90% Wirkungsgrad bei der Umsetzung der Sonnenstrahlung in Wärme
  • Konzentrator-Photovoltaikmodule haben einen höheren Wirkungsgrad als konventionelle Photovoltaikmodule da
    • effizientere, teuere Zellen verwendet werden
    • der Wirkungsgrad mit höherer Lichtintensität steigt
    • Kühlung der Solarzelle nötig, da die Temperatur sonst unzulässig ansteigt und der Zellenwirkungsgrad abnehmen würde
    • Wegen Lichtbündelung können Konzentrator-Photovoltaikmodule nur in Gebieten mit hoher, direkter Sonneneinstrahlung effektiv eingesetzt werden
      → Konkurrenz mit Solarwärmekraftwerken
  • Der hohe Energieertrag deckt die Investitionskosten der Konzentrator-Photovoltaikanlagen im Gegensatz zu konventionellen Photovoltaikanlagen nicht ab.
  • Problem heutiger Solarmodule: Ein Teil des Sonnenlichts wird nicht absorbiert sondern von der Oberfläche reflektiert.
  • Lösung: Schwarzes Silizium, das die Reflexion fast vollständig vermeidet. Wirkungsgrad lässt sich gegenüber herkömmlichen Silizium Modellen um 30%-40% steigern. Die Technologie existiert allerdings nur im Labormaßstab.

2.4. Sonneneinstrahlung in Deutschland:

Der Ertrag einer Photovoltaikanlage hängt von der Sonneneinstrahlung ab.

2.5. Förderpolitik

Vergütung nach Anlage	Absenkung 2009	Vergütungssatz 2010
Freiflächenanlage	11%	28,43 Cent pro kWh
Bis 30 kWp	9%	39,14 Cent pro kWh
30 bis 100 kWp	9%	37,23 Cent pro kWh
100 bis 1.000 kWp	11%	35,23 Cent pro kWh
Über 1.000 kWp	11%	29,37 Cent pro kWh
Verbrauch von selbst-produzierten Sonnenstrom	9%	22,76 Cent pro kWh

• Trotz deutlich weniger Geld vom Staat rechnet sich die Installation einer Photovoltaikanlage
• Dabei hängt die Wirtschaftlichkeit von verschiedenen Faktoren wie Anlagegröße und Anlagekosten, Wirkungsgrad, Einspeisungsvergütung und Zinssatz ab
• Experten können genau berechnen wann sich die Investition auszahlt
• Nach Meinung von Experten sollte die Anlage hochwertig sein und fachgerecht installiert werden

2.6. Komponenten und Kosten

Bestandteile einer PV-Anlage:
Wenn man sich eine PV-Anlage anschaffen möchte sind folgende Bestandteile nötig.

Erklärung der Bestandteile:

1. Solargenerator
   Ein Solarstrommodul besteht aus vielen Solarzellen, in denen durch die Lichteinstrahlung Gleichstrom produziert wird. Mehrere Module werden zu sogenannten Strings verbunden und bilden zusammen den Solargenerator.
2. Wechselrichter
   Er wandelt den Gleichstrom, der von den Photovoltaik-Modulen kommt, in den bei unseren Geräten üblichen 230V-Wechselstrom um. Das Display zeigt aktuelle Betriebsdaten.
3. Einspeisezähler
   An einem eigenen Zählerplatz wird die produzierte Strommenge gemessen.
4. Verbraucher
   Verbraucher sind Geräte, die Strom verbrauchen z.B. Fernseher, PC, usw.
5. Hausanschluss
   Verbindung zum öffentlichen Stromnetz.

2.7. Nachfrage

Die Nachfrage nach Photovoltaik-Anlagen ist in den Monaten Februar bis April 2010 deutlich gestiegen, doch seit Juli rapide gesunken.

Im Oktober sank die Nachfrage im Vergleich zum Vorjahr um 44%. Im September sank die Nachfrage im Vergleich zum Vorjahr sogar um 53%.

Dies ist wahrscheinlich auf die Kürzung der Einspeisevergütung zurückzuführen.

2.8. Verwendung der erzeugten Energie

Stromgewinnung

• Solarmodule erzeugen immer Gleichstrom
• Energieversorgungssystem ist in Wechelstromtechnik gebaut
• Zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom: Wechselrichter 3%-7% Verlust

Weitere Anwendungen:

3. Photovoltaik-Projekt der JSR

• 3.1. Timeline Photovoltaik an der JSR
• 3.2. Energieerträge 2010
• 3.3. Gründe für die hohen Energieertragswerte
• 3.4. Vergleich mit anderen Schulen
• 3.5. Ergebnisse unserer Untersuchungen

Timeline Photovoltaik an der JSR

2005/2006: 9c

Einer von zwei Hauptpreisen das SEV Bayern zum Thema Ertragsoptimierung unserer PV-Anlage 2006







2006/2007: 10c
Präsentation am Tag der offenen Tür im Landratsamt Nürnberger Land in Lauf Oktober 2006



2007/2008: 9a/e I
Gestaltung der JSR-Homepage zum Thema Photovoltaik


2008/2009:

10a/e I

Erfahrungsbericht Effizienzsteigerung der PV-Anlage

Präsentation beim Technik Kongress Uni Bayreuth März 2009







2009/2010:

9a I führt die Arbeiten fort
SEV Bayern stellt unsere Ergebnisse exemplarisch in seinem Jahresbericht vor.

2010/2011: 10aI

Saskia Heck erhält Mittelfränkischen Realschulpreis in Forschung und Technik für ihr Engagement im PV-Team und für ihre sehr guten schulischen Leistungen. Die ganze 10 A beteiligt sich bei der Neugestaltung des Photovoltaikteils unserer Homepage.

3.2. Energieerträge 2010

Nachfolgende Grafik zeigt, wie viel Energie unsere Anlage im Jahr 2010 produziert hat. Wie man sehen kann, war der Ertrag im Juli am höchsten.



CO₂ Einsparung für das Jahr 2010: Nachfolgende Grafik zeigt, wie viel CO₂ unsere Anlage im Jahr 2010 eingespart hat.


Vergleich zur CO₂ Einsparung:

Das modernste Braunkohle-Kraftwerk hat einen Ausstoß von 950 g CO₂ pro kWh.
Alte Braunkohle-Kraftwerke haben einen Ausstoß von 1.200 g CO₂ pro kWh.
Mit dem Durchschnittswert von 1.075 g CO₂/kWh gerechnet hat unsere PV-Anlage im Jahr 2010 insgesamt 881,72 kg CO₂ eingespart.

3.3. Gründe für die hohen Ertragswerte unserer Anlage

Unsere Anlage liefert im Vergleich zu den Anlagen an anderen Schulen mehr Energie, das hat folgende Gründe:

• Reinigung der Sonnenkollektoren 2 x in der Woche:
  • im Frühjahr und Sommer => wegen Blütenstaub
  • im Winter => wegen Schnee

3.4. Vergleich mit allen Schulen

Wie man auch hier gut sehen kann, hatte unsere Schule auch in den vergangenen Jahren einen deutlich höheren Energieertrag als im Durchschnitt aller Schulen. Energieerträge normiert 1998 – 2010 im Vergleich zu allen Schulen

3.5. Ergebnisse unserer Untersuchungen

• Die Frühlingsmonate April bis Juni sind genauso ertragsstark wie die Sommermonate Juli bis September.
• Die 2006 prognostizierte Ertragssteigerung durch Wartungsarbeiten ist erreichbar.
• Der Vergleich der Monatswerte mit den jeweiligen Mittelwerten 1998-2010 lässt keinen Rückschluss auf die Auswirkungen der Wartungsarbeiten zu.
• Erst der (normierte) Jahresvergleich mit vielen Schulen (bis zu 450) liefert verwertbare Aussagen:
  • Die Reinigung der Panel in den Monaten April bis Juni lohnt sich
  • Ertragssteigerung von durchschnittlich 12 % auf ca. 20 % über dem Durchschnitt aller Schulen.
• Bei Unzugänglichkeit der PV-Anlagen: Beschichtung der Panels mithilfe von Nanotechnologie ist empfehlenswert, Nutzung des Lotos-Effekts.

Quelle: Vortrag Technik Kongress Ubi Bayreuth 03/2009 G. Oswald

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