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Wirkungsgrad von Solarzellen

17.06.2007 (Jürgen Blumenkamp) Der theoretische max. mögliche Wirkungsgrad (Stand 2008) für Silizium-Solarzellen liegt nach heutigen Kenntnisstand bei ca. 29 % für die Strahlungsverhältnisse in mittleren Breiten.

Was bedeutet das?

Nun, man geht in mittleren Breiten von einer max. Strahlungsleistung (der Sonne) von ca. 1000 Watt/h pro Quadratmeter aus. Diese Leistung ist eine Kombination von Wärme und Licht (und einigen anderen kleinen Strahlungsanteilen, die von der Sonne die Erdoberfläche erreichen). Heutige moderne PV (Photovoltaik) Solarzellen haben einen Wirkungsgrad von rund 20%. Das bedeutet, das so eine Zelle bei einer Größe von einem Quadratmeter eine elektrische Leistung von ca. 200 Watt bereitstellen kann. Dies kann sie, solange die Sonne mit der entsprechenden Strahlungsleistung von 1000 Watt strahlt. Bei 3 Stunden entsprechendem Sonnenschein bedeutet dies also eine Leistung von 3 x 200 Watt/h = 600Watt/h. Eine 200 Watt Beleuchtung würde also von so einer Solarzelle ständig mit ausreichend Strom versorgt werden - so lange die Sonne entsprechend scheint.

Wie kann man den Wirkungsgrad optimieren?

Es versteht sich von selber, das PV Zellen möglichst exakt horizontal (Azimuth) als auch vertikal (Elevation) zur Sonne ausgerichtet sein müssen. Die Sonne muss also genau "gerade" auf die Zellenoberfläche fallen, nicht etwa schräg. Deswegen sollen PV Zellen, die ja üblicherweise auf Hausdächer montiert werden auf Süddächer montiert werden, die wiederrum eine bestimmte Nachneigung von z.B. 50 Grad haben. Es ist verständlich, das bei so einem feststehendem Objekt wie ein Haus es ist, der Wirkungsgrad einer PV Zelle nur an 1 oder vielleicht 2 Stunden am Tag erreicht werden kann. Deswegen gibt es auch die heute noch sehr selten (weil kompliziert und teuer) eingesetzte Methode, die Solarzellen (PV Module) der Sonne nachzuführen. Dies geschieht mittels einer drehbaren Vorrichtung, welche sich mittels rel. einfacher Sensorik und einer entsprechenden Mechanik immer wieder die Sonne "sucht" und die PV Zellen drehen. Eine solche Anlage ist natürlich anfälliger gegenüber Verschleiss, hat aber auch einen ganz erheblich besseren Wirkungsgrad. Leider können solche Anlagen nur als sog. Freiflächenanlagen gebaut werden, die aber wieder eine geringere Vergütung für den eingespeisten Strom haben, als dies bei Hausdachanlagen (1000 Dächer Programm) der Fall ist. Hier muss also von Fall zu Fall abgewägt werden.

Bild oben; der Wirkungsgrad einer Photovoltaik Solarzelle. Die Grafik zeigt, welche Energie von der Sonne zur Verfügung gestellt wird, und wieviel Prozent davon aktuell als Strom und Wärme genutzt werden kann. Es handelt sich um durchschnittliche ca. Werte.

Der Wirkungsgrad - auch Eta genannt - ist also das Verhältnis von herausgeholter Energie (200 Watt) zu hereingesteckter Energie (1000 Watt) = 0,2 x 100 % = 20 %

Es ist noch zu bemerken, das der Wirkungsgrad nicht unbedingt Rückschlüsse auf die Qualität der Solarzelle zulässt. Eine Solarzelle mit einem kleineren Wirkungsgrad muss somit keinesfalls schlechter sein. Aber es ist auch zu bemerken, das die benötigte Fläche einer Photovoltaikanlage für eine gegebenen Leistung umso kleiner ausfallen kann/darf, umso besser der Wirkungsgrad ist. Das alleine dürfte vermutlich der Grund sein, warum gerade die Zellen mit dem sehr hohen Wirkungsgrad auch am teuersten sind (auf die Leistung pro Fläche), denn diese Zellen sind beliebter, weil sie eine kleinere Fläche für die gleiche elektrische Leistung benötigen, wie andere Zellen, die vieleicht nur die Hälfte kosten, zwar als Anlage die gleiche Leistung bringen, dafür aber vermutlich die doppelte Fläche (Dachfläche) benötigen.

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