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Photovoltaik Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad einer Photovoltaikanlage ist ein Schlüsselindikator für ihre Effizienz, ausgedrückt als das Verhältnis der abgegebenen elektrischen Energie zur einfallenden Sonnenstrahlung.Einflussfaktoren auf den Wirkungsgrad sind die Qualität der Solarzellen, Wechselrichter, Kabel und äußere Bedingungen wie Verschattung und Verschmutzung.Der Anlagenwirkungsgrad betrachtet den Gesamtertrag im Verhältnis zum theoretisch möglichen Ertrag mit Werten zwischen 65% und 80% bei qualitativ hochwertigen Anlagen. Der Modulwirkungsgrad konzentriert sich auf den Umwandlungswirkungsgrad der Photovoltaikmodule allein, wobei monokristalline Module einen höheren Wirkungsgrad (18%-22%) als polykristalline (15%-20%) und Dünnschichtmodule (6%-10%) aufweisen.Wechselrichter wandeln Gleichstrom in Wechselstrom um, wobei moderne Geräte Wirkungsgrade von bis zu 98% erreichen.Kabelverluste sind bei korrekter Installation minimal.Ein optimaler Gesamtwirkungsgrad erfordert qualitativ hochwertige Komponenten, was mit höheren Kosten verbunden ist, aber durch niedrige Betriebskosten und hohe Margen gerechtfertigt werden kann.
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    Der Wirkungsgrad einer technischen Anlage beschreibt das Verhältnis von nutzbarer Energie und zugeführter Energie. Dieses Verhältnis ist dann die Effizienz dieser Anlage in Prozent. Bei einer Photovoltaikanlage wird die einkommende Strahlungsenergie der Sonne mit der ausgegebenen elektrischen Energie ins Verhältnis gesetzt. Letztendlich ist der Wirkungsgrad das ausschlaggebende Instrument, um die Qualität der Anlage zu bemessen.

    Einflussfaktoren & Berechnung

    Eine Photovoltaikanlage besteht aus mehreren Komponenten, welche alle für sich den Wirkungsgrad steigern oder herabsetzen können. Als Ausgangspunkt gelten die Solarzellen, welche zusammengeschaltet die Photovoltaikmodule ergeben. Weitere größere Verluste können im Wechselrichter auftreten. Kleinere, aber nicht zu vernachlässigende, Verluste sind auf das Kabelwerk zurückzuführen. Externe Faktoren wie Verschattungen, Verschmutzungen oder Beschädigung einzelner Zellen können sich bei Missachtung weiterhin negativ auf den Wirkungsgrad auswirken.

    Anlagenwirkungsgrad vs. Modulwirkungsgrad

    Bei der Beurteilung von dem Wirkungsgrad einer Photovoltaikanlage kommen meist zwei verschiedene Werte vor. Der Anlagenwirkungsgrad oder das Performance Ratio gibt das Verhältnis von erreichtem Ertrag in der Praxis zum maximal möglichen Ertrag an. Dieses Verhältnis beschreibt man anhand des Quotienten von dem am Zähler abgelesenen Ertrag und dem nominalen maximalen Ertrag der Anlage. Bei dem abgelesenen Ertrag sind hier Verluste von jeglichen Komponenten mit eingerechnet. Der maximale Ertrag wird aus der eingehenden Strahlungsenergie der Sonne, der Anlagengröße sowie dem Wirkungsgrad der einzelnen Photovoltaikmodule berechnet.
    Durchschnittlich kommt man auf Anlagenwirkungsgrade je nach Güte der Komponenten von 65 % bis 75 %. In sehr gut aufeinander abgestimmten Anlagen können um die 80 % erreicht werden.

    Sehr viel weiter verbreitet ist der Modulwirkungsgrad, da dieser einfacher und disloziert von einer kompletten Anlage berechnet werden kann. Der Modulwirkungsgrad beschäftigt sich nur mit dem jeweiligen Photovoltaikmodul und gibt an, wie viel der eingehenden Strahlungsenergie der Sonne in tatsächliche elektrische Energie umgewandelt werden kann. Hierbei weisen monokristalline Photovoltaikmodule einen Wirkungsgrad von 18 % bis 22 % auf, wobei die preiswerteren polykristallinen Photovoltaikmodule einen geringeren Wirkungsgrad von 15 % bis 20 % vorweisen. Neben der Größe des Moduls selbst sind die einzelnen enthaltenen Solarzellen maßgebender Faktor.

    Wirkungsgrad der Solarzelle

    Die Wirkungsgrade der einzelnen Solarzellen hängen von der Qualität der verbauten Werkstoffe und von den benutzten Fertigungsmethoden ab. In nahezu allen Solarzellen wird entweder monokristallines beziehungsweise polykristallines Silizium verwendet. Hierbei sind Zellen aus polykristallinem Silizium sehr viel günstiger, unter anderem durch einfachere Fertigungsmethoden, jedoch haben diese auch weniger Leistung. Einen höheren Wirkungsgrad haben Solarzellen aus monokristallinem Silizium, jedoch ist der Kostenaufwand zur Züchtung von diesen Kristallen weitaus teurer. Bei Dünnschichtmodulen aus aufgedampftem amorphem Silizium ist der Vorteil, dass diese besonders einfach und preiswert herzustellen sind, aber einen der niedrigsten Wirkungsgrade besitzt.

    Damit die verschiedenen Solarzellen erfolgreich miteinander verglichen werden können, wurden sogenannte Standard Test Conditions, kurz STC, geschaffen. Diese Bedingungen betragen eine Einstrahlungsenergie von 1000 Watt, eine Zelltemperatur von 25 Grad Celsius und einer Luftmasse von 1,5.
    Hierbei schneiden Dünnschichtmodule mit einem Wirkungsgrad von 6 % bis 10 % am schlechtesten ab. Es folgen polykristalline und dann monokristalline Solarzellen.

    Unter Laborbedingungen können weitaus höhere Wirkungsgrade erzielt werden. Diese sind jedoch nicht als Referenzwert tauglich, da in der Praxis niemals diese Bedingungen vorkommen werden. Hier wurden teilweise schon hohe Wirkungsgrade jenseits der 40-Prozent-Marke erreicht.

    Wirkungsgrad des Wechselrichters

    Die Effizienz von Wechselrichtern ist mit den heutigen technischen Fortschritten sehr hoch. Wechselrichter inklusive einem Trafo haben einen Wirkungsgrad von maximal 95 %. Ein Trafo oder Transformator ist ein elektrisches Bauteil, welches die eingehende Wechselspannung entweder erhöht oder verringert. Dieser Prozess, welcher hauptsächlich dem Überspannungsschutz dient, wird durch spezielle Schaltnetzteile, die Rechteckspannungen erzeugen, erledigt.

    Durch eine galvanische Trennung, somit werden Gleich- und Wechselströme getrennt voneinander behandelt, werden im Fall einer Überspannung Schäden an der kompletten Photovoltaikanlage vermieden und somit eine höhere Sicherheit erreicht. Als negativen Aspekt dieser Wechselrichter sind neben dem höheren Gewicht und dem hohen Geräuschpegel durch die zusätzlich notwendigen Lüftungsventilatoren der größere Preis durch einen höheren Materialaufwand und aufwändigere Produktionsprozesse.

    Durch den Wegfall des Transformators und somit der galvanischen Trennung, welche für Umwandlungsverluste verantwortlich ist, steigt der Wirkungsgrad von trafolosen Wechselrichtern um circa 4 % bis maximal 98 %. Neben diesem höheren Wirkungsgrad sind keine Lüfter notwendig und damit ist die Komponente leichter und günstiger. Nachteil ist der Wegfall der erhöhten Sicherheit, welche jedoch durch die Zertifizierung in der Schutzklasse II weitestgehend kompensiert wird.

    Der Wirkungsgrad eines Wechselrichters wird durch das Verhältnis der in Wechselstrom umgewandelten Leistung zu der auf der Gleichstromseite im Wechselrichter eingegangenen Leistung beschrieben. Die eingehende Spannung auf der Wechselstromseite ist von der eingehenden Strahlungsenergie der Sonne abhängig. Diese Energie ist stark von dem jeweiligen Standort abhängig und somit nicht mit den unter ideal Bedingungen gemessenen Spitzenwerten vergleichbar. Hier ist der europäische Wirkungsgrad ein probates Mittel zum Vergleich. Dieser Wirkungsgrad berücksichtigt standorttechnische Faktoren.

    Verluste durch Kabelwerk

    Elektrische Verluste entstehen durch einen erhöhten Widerstand, wo die elektrische Energie oftmals als thermische Energie für den zu beurteilenden Prozess nicht mehr nutzbar ist. Je höher der Widerstand ist, desto höher ist der Verlust und damit desto niedriger ist der Wirkungsgrad.

    Bei Kabeln wird der Widerstand durch den Kabelquerschnitt, das verwendete Material und die Länge der Kabel bestimmt. Bei einer korrekten Bemessung und Installation können die Verluste durch das Kabelwerk vernachlässigt werden. Der Verlust der Anlagenleistung liegt bei einer Kabellänge von 10 Metern bei circa 0,24 %.

    Fazit

    Durch einen hohen Wirkungsgrad können höhere Erträge erzielt werden. Jedoch bedarf es hier bei einem optimalen Gesamtwirkungsgrad hochwertigen Komponenten, welche mit einem höheren Investitionsvolumen verbunden sind.

    Bei der Planung einer Photovoltaikanlage ist zwingend das Kosten-Nutzen-Verhältnis abzuwägen. Da es bei einer Photovoltaikanlage nach der Initialinvestition zu relativ geringen laufenden Kosten kommt, sind hohe Margen auch bei niedrigeren Wirkungsgraden möglich.

    Carsten Steffen
    Autor: Carsten Steffen
    Carsten Steffen, Gründer von photovoltaik.sh, bringt sein tiefes Verständnis für Photovoltaik und seine Begeisterung für erneuerbare Energien ein, um Kunden in Schleswig-Holstein seit 2021 schneller und kostengünstiger zu ihrer eigenen Photovoltaikanlage zu verhelfen. Ermöglicht wird das Dank der Zusammenarbeit mit lokalen Solarteuren. Regelmäßige Schulungen runden unsere Expertise ab. Mit der Gründung von photovoltaik.sh sind wir Ihr vertrauenswürdigen Partner für alle, die ihren Stromverbrauch nachhaltig gestalten möchten.
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