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Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle gibt an, wie viel der zur Verfügung stehenden Energie von der Photovoltaikzelle, dem Modul oder der Anlage in Solarstrom umgewandelt wird. Der Wirkungsgrad kann bei den verschiedenen Solarzellen stark variieren. Daher richtet sich dieser nach der gewählten Modulart, wobei außerdem noch die Verluste durch Verkabelung und Wechselrichter einen Einfluss auf den Wirkungsgrad haben.

Bestimmende Faktoren für den Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad der einzelnen Module beeinflusst den Wirkungsgrad der gesamten Photovoltaikanlage. Aber auch der Wechselrichter hat entscheidenden Einfluss.

Die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom ist immer mit Verlusten verbunden. Nur wenige Prozent Verlust, kann während der Lebensdauer einer Photovoltaikanlage beträchtliche finanzielle Einbußen zur Folge haben. Eine Anlage mit einer Nennleistung von fünf Kilowatt erzeugt unter deutschen Wetterbedingungen im Normalfall rund 125.000 Kilowattstunden Strom in 25 Jahren.

Vier Prozent Verlust am Wechselrichter entsprechen also 5.000 Kilowattstunden, was in etwa dem durchschnittlichen Jahresverbrauch einer vierköpfigen Familie entspricht. Relativ gering sind dagegen die in den elektrischen Leitungen auftretenden Verluste.

Das gilt allerdings nur dann, wenn zwei wichtige Grundregeln beachtet werden. 1): Zu dünne Kabel verursachen hohe Verluste, weshalb die vom Hersteller der PV-Anlage vorgegebenen Leitungsquerschnitte nicht unterschritten werden dürfen. 2): Außerdem sollte der Wechselrichter nah am Einspeisepunkt angebracht werden, da die Leitungsverluste auf der Wechselstromseite deutlich größer sind als auf der Gleichstromseite.

Die Berechnung des Wirkungsgrads

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle wird mit einer einfachen Formel bestimmt: Die Strahlungsenergie der Sonne wird durch die abgegebene elektrische Energie dividiert.

In der Photovoltaik werden zwar immer neue Rekorde im Wirkungsgrad von Solarzellen erreicht, meist handelt es sich dabei aber um Laborwerte. Bei den in Serie produzierten Solarzellen ergeben sich in der Regel signifikant niedrigere Wirkungsgrade.

Immer wird der Wirkungsgrad unter den Standard Test Konditionen ermittelt: 1.000 Watt Einstrahlung, 25 Grad Zelltemperatur und einer Luftmasse von 1,5.

Wirkungsgrade unterschiedlicher Modultypen im Vergleich

Die beiden wichtigsten Modultypen sind nach wie vor Photovoltaik Module aus monokristallinem und polykristallinem Silizium. Die besten monokristallinen Module erreichen inzwischen Wirkungsgrade zwischen 20 und 22 Prozent, während polykristalline Solarmodule etwa 15 bis 20 Prozent erreichen.

Dem hohen Wirkungsgrad der monokristallinen Zellen stehen als Nachteil ein hoher Energie- und Kostenaufwand für die Züchtung der benötigten großen Siliziumkristalle gegenüber.

Eine Alternative bilden die relativ neuen quasi-monokristallinen Module. Hierbei handelt es sich um polykristalline Module, die aufgrund einer speziellen Steuerung während des Kristallwachstums ähnliche Eigenschaften aufweisen wie monokristalline Module.

Neben diesen drei Modultypen werden mehrere Varianten sogenannter Dünnschichtmodule angeboten. Die einfachste Form dieser Module nutzt dünne, aufgedampfte Schichten aus amorphem Silizium. Diese sind besonders einfach und preiswert herzustellen, weisen jedoch Wirkungsgrade von weniger als zehn Prozent auf.

Inzwischen werden auch andere Materialien als Silizium zur Herstellung von Dünnschichtmodulen genutzt. Die sogenannten CIGS-Module verwenden eine Kombination aus Kupfer, Indium, Gallium und Diselenid und erreichen in Massenherstellung heute einen Wirkungsgrad von fast 15 Prozent.

Überblick

ZELLTYP WIRKUNGSGRAD
monokristallin 20 - 22 %
polykristallin 15 - 20 %
amorphes Silizium 8 %
CIS-Zellen 15 - 12 %
GaAS-Zellen 25 %
Farbstoffzellen 2 - 3 %

Der maximale Modulwirkungsgrad

Jede Substanz kann nur bestimmte Wellenlängen des Lichts verarbeiten. Darüber hinaus ist auch für diesen Anteil des Spektrums keine vollständige Umwandlung der Lichtenergie in Strom möglich.

Für monokristalline Silizium-Module ist der maximal erzielbare Wirkungsgrad dadurch auf 29 bis 33 Prozent beschränkt – der genaue Wert hängt dabei von der Lichtintensität ab. Lange wurde dieser Wert als maximal möglichen Wirkungsgrad von Solarmodulen angesehen.

Inzwischen ist diese vermeintliche Obergrenze jedoch durch so genannte Tandem-Solarzellen durchbrochen worden. Diese basieren auf einem einfachen Prinzip: Diejenigen Anteile des Lichtspektrums, die ein Material nicht umwandeln kann, passieren es ungehindert.

Daher ist es möglich, einfach verschiedene Materialien für unterschiedliche Teile des Lichtspektrums übereinander zu stapeln. In der Praxis wurden so schon Wirkungsgrade von weit über 40 Prozent erzielt, in der Zukunft erscheint auch deutlich mehr als 80 Prozent denkbar.

Der Wirkungsgrad des Wechselrichters

Bis heute existiert keine eindeutige Definition des Wirkungsgrades eines Wechselrichters. Der Grund hierfür ist, dass der tatsächliche Wirkungsgrad davon abhängt, welche Leistung auf der Gleichstromseite von den Modulen geliefert wird.

In Tests wird der Wirkungsgrad daher für zahlreiche unterschiedliche Eingangsleistungen gemessen, die zwischen 5 und 100 Prozent der Maximalleistung liegen. Doch selbst wenn allgemeiner Konsens über die Auswahl der Messpunkte besteht, herrscht noch Uneinigkeit darüber, wie die einzelnen Werte bei der Berechnung des durchschnittlichen Wirkungsgrads gewichtet werden sollen.

Zum einen ist zu berücksichtigen, wie häufig die jeweiligen Wetterverhältnisse mit der entsprechenden Einstrahlung auftreten. Deshalb wird beim sogenannten europäischen Wirkungsgrad eine andere Gewichtung verzeichnet als beim kalifornischen Wirkungsgrad.

Zum anderen ist aber auch zu beachten, dass sich prozentuale Verluste bei höherer Leistung in absoluten Zahlen stärker auswirken. Glücklicherweise differieren die einzelnen Berechnungsmethoden nicht zu stark, weswegen unabhängig von der konkreten Methode eine grobe Klassifizierung vorgenommen werden kann: Wirkungsgrade größer als 97 Prozent sind sehr gut, kleiner als 92 Prozent sind sehr schlecht.

Diese Werte beziehen sich auf die in Messungen der tatsächlich erreichten Wirkungsgrade und nicht auf die von den Herstellern angegebenen Höchstwirkungsgrade.

Das Kosten-Nutzen-Verhältnis

Ein hoher Gesamtwirkungsgrad erfordert höhere Investitionen in die Photovoltaik Module und den Wechselrichter. Da eine Photovoltaikanlage keine ständigen Brennstoffkosten und keine Schadstoffemissionen verursacht, ist ein geringerer Wirkungsgrad vollkommen akzeptabel, wenn die Kosten pro Kilowattstunde dadurch deutlich geringer ausfallen.

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