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Solar

Licht mit Licht zu erzeugen klingt erstmal sonderlich. Dabei sind Solarleuchten auch in gemäßigten Klimazonen sinnvoll.

Pho­to­vol­taik — Sau­be­rer Strom aus Son­nen­licht

Unsere Sonne ist ohne Frage die wich­tigste Ener­gie­quelle für alles Leben auf der Erde: Ihr Licht erwärmt die Atmo­sphäre, es ermög­licht die Pho­to­syn­these der Algen und Pflan­zen, es treibt den Was­ser­kreis­lauf, Wetter und Winde an. Was liegt näher, als diese uner­schöpf­li­che und kos­ten­los ver­füg­bare Ener­gie­quelle auch tech­nisch zu nutzen? In nur weni­gen Minu­ten über­trägt die Sonne so viel Ener­gie auf die Erde, wie die gesamte Mensch­heit in einem ganzen Jahr ver­braucht. Solar­ener­gie stellt somit eine viel­ver­spre­chende Mög­lich­keit dar, den Ener­gie­be­darf unse­rer Zivi­li­sa­tion in Har­mo­nie mit Umwelt und Natur zu decken.

Die Her­aus­for­de­rung liegt darin, diese Ener­gie ein­zu­fan­gen, tech­nisch zu nutzen und mög­lichst auch zu spei­chern, denn die Schwan­kung der Licht­in­ten­si­tät im Tages­ver­lauf ent­spricht in der Regel nicht dem Bedarf der Men­schen an Ener­gie. Bestes Bei­spiel: Die künst­li­che Beleuch­tung, die genau dann benö­tigt wird, wenn nachts kein Son­nen­licht zur Ver­fü­gung steht. Neben der Nut­zung von Son­nen­en­er­gie als Wärme, zum Bei­spiel durch Son­nen­kol­lek­to­ren oder solar­ther­mi­sche Kraft­werke, gewinnt die unmit­tel­bare Umwand­lung des Son­nen­lichts in elek­tri­sche Ener­gie durch Pho­to­vol­taik immer mehr an Bedeu­tung. Sie nimmt mitt­ler­weile bereits 9,5 % am deut­schen Strom­mix (2019) ein, welt­weit sind Ende 2018 bereits Pho­to­vol­ta­ik­an­la­gen mit zusam­men über 500 Giga­watt Leis­tung instal­liert – ein wich­ti­ger Bei­trag zu einer Wende hin zu erneu­er­ba­ren, nach­hal­ti­gen Ener­gie­quel­len.

Wie funk­tio­niert Pho­to­vol­taik?
Solar­zel­len basie­ren auf dem pho­to­elek­tri­schen Effekt, der 1839 vom fran­zö­si­schen Phy­si­ker Alex­andre Edmond Bec­que­rel ent­deckt wurde und mit dem sich viele wei­tere große For­scher wie Hein­rich Hertz, sein Schü­ler Wil­helm Hall­wachs und auch Albert Ein­stein befass­ten. Ein­stein lie­ferte 1907 eine quan­ten­theo­re­ti­sche Erklä­rung dafür, warum Licht in bestimm­ten Mate­ria­lien elek­tri­sche Ladun­gen erzeugt. Aber erst in den 1950er Jahren ent­stan­den in ame­ri­ka­ni­schen Labors die ersten Solar­zel­len aus dem Halb­lei­ter­ma­te­rial Sili­zium, deren Strom­ab­gabe eine tech­ni­sche Anwen­dung erlaubte: Zum Bei­spiel in der erwa­chen­den Raum­fahrt, aber auch bereits damals als dezen­trale Strom­ver­sor­gung zum Bei­spiel von Tele­fon­ver­stär­kern. Der Gleich­strom, den Solar­zel­len aus Licht erzeu­gen, kann direkt ver­braucht, in Bat­te­rien gespei­chert oder nach Umwand­lung in Wech­sel­span­nung in das
Strom­netz ein­ge­speist werden.

Basis­ma­te­rial Sili­zium
Sili­zium, das Mate­rial der aller­meis­ten heu­ti­gen Solar­zel­len, gehört zu den Halb­lei­tern. In Form von Sili­zi­um­di­oxid (Quarz, Sand) kommt dieser Roh­stoff in der Erd­kruste häufig vor und ist somit fast unbe­grenzt ver­füg­bar. Aus hoch­rei­nem Sili­zium kann mono­kris­tal­li­nes, poly­kris­tal­li­nes oder amor­phes Sili­zium her­ge­stellt werden. Aus diesen Basis­ma­te­ria­lien werden wie­derum Solar­zel­len mit unter­schied­li­chen Eigen­schaf­ten pro­du­ziert: Solar­zel­len aus amor­phem Sili­zium bieten dabei einen gerin­gen Wir­kungs­grad bei eben­falls nied­ri­ge­ren Kosten, Solar­zel­len aus mono­kris­tal­li­nem Sili­zium sind teurer, haben aber den höhe­ren Wir­kungs­grad. Welche Zel­len­art die rich­tige ist, hängt vom spe­zi­fi­schen Anwen­dungs­fall ab. Bei der dezen­tra­len Strom­ver­sor­gung von Leuch­ten stehen Kom­pakt­heit und hoher Wir­kungs­grad im Vor­der­grund, daher arbei­ten hei Solar­leuch­ten by Selux mit hoch­ef­fi­zi­en­ten Solar­zel­len aus in der Regel mono­kris­tal­li­nem Sili­zium.

Nenn­leis­tung und Ertrag
Die Nenn­leis­tung von Pho­to­vol­ta­ik­an­la­gen wird mit Wp (Watt Peak) ange­ge­ben. Wp bezieht sich auf die Leis­tung bei Test­be­din­gun­gen, die in etwa der maxi­ma­len Son­nen­strah­lung in Deutsch­land ent­spre­chen. Diese Stan­dard-Test­be­din­gun­gen (STC = stan­dard test con­di­ti­ons) sind 25 °C Modul­tem­pe­ra­tur, 1000 W/​m² Bestrah­lungs­stärke und einer Luft­masse (abge­kürzt AM von eng­lisch air mass“) von 1,5 dienen der Ver­gleich­bar­keit von unter­schied­li­chen Solar­mo­du­len. Eine typi­sche PV-Instal­la­tion auf dem Dach eines Ein­fa­mi­li­en­hau­ses (40 m2 Fläche) lie­fert ca. 4 – 5 kWp, die PV-Zellen einer hei-Solar­leuchte by Selux haben nomi­nelle Leis­tun­gen im Bereich 100 bis 250 Wp. Natür­lich eignet sich Pho­to­vol­taik beson­ders gut für Regio­nen, die inner­halb des soge­nann­ten Solar­gür­tels liegen, in dem eine hohe jah­res­zei­ten­un­ab­hän­gige Solar­ein­strah­lung herrscht. Dazu gehö­ren die süd­li­chen Teile Euro­pas, Nord­ame­ri­kas, Mittel- und Süd­ame­rika, Afrika, Asien und Aus­tra­lien. Aber auch in den daran angren­zen­den Regio­nen wie Mit­tel­eu­ropa lässt sich Pho­to­vol­taik wirt­schaft­lich betrei­ben, wie die Erfah­run­gen der letz­ten Jahr­zehnte zeigen. Viele Städte und Regio­nen in Deutsch­land und ande­ren Län­dern ver­zeich­nen in Solar-Katas­tern, welche Erträge mit Pho­to­vol­taik wo zu erwar­ten sind.

Wirt­schaft­lich­keit
Solar­strom ist nicht nur aus öko­lo­gi­scher Sicht nach­hal­tig, son­dern inzwi­schen auch aus wirt­schaft­li­cher Sicht wett­be­werbs­fä­hig. In den ver­gan­ge­nen Jahr­zehn­ten sind durch den tech­ni­schen Fort­schritt die Solar­zel­len, aber auch wei­tere Sys­tem­kom­po­nen­ten wie Wech­sel­rich­ter, Regel- und Lade­elek­tro­nik sowie Bat­te­rie­spei­cher immer leis­tungs­fä­hi­ger gewor­den. Zugleich sanken die Kosten durch Ska­len­ef­fekte in der Pro­duk­tion ganz erheb­lich: So sind die Solar­zel­len­preise heute 90% nied­ri­ger als 2010. In vielen Regio­nen mit ent­spre­chen­der Licht­in­ten­si­tät gilt Pho­to­vol­taik bereits als die güns­tigste Mög­lich­keit, Strom zu gewin­nen. Bei Anwen­dun­gen wie der dezen­tra­len Ener­gie­ver­sor­gung etwa von Stra­ßen- oder Wege­be­leuch­tung („Off-Grid“) kommen zusätz­li­che Fak­to­ren hinzu, die Wirt­schaft­lich­keit und Öko­bi­lanz posi­tiv beein­flus­sen: So ent­fal­len nicht nur die Strom­kos­ten selbst, son­dern auch sämt­li­che Belas­tun­gen wie Lei­tungs­kos­ten und Ver­le­ge­ar­bei­ten .

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