Wie man Photovoltaikenergie nutzt

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Einführung

Die Photovoltaik (PV) ist eine Technologie, die Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umwandelt. Bereits 1839 beobachtete der französische Wissenschaftler Becquerel diesen Effekt, als er feststellte, dass Licht, das auf eine einfache Batteriezelle fiel, den erzeugten Strom verstärkte. In den späten 1950er Jahren gab das Weltraumprogramm den entscheidenden Impuls für die Entwicklung kristalliner Silizium-Solarzellen. Die erste kommerzielle Produktion von PV-Modulen für den Einsatz auf der Erde begann 1953.

Heute werden PV-Systeme vor allem in netzfernen Gebieten eingesetzt, wo sie Strom für Wasserpumpen, Beleuchtung, Impfstoffkühlung, Elektrozäune, Telekommunikation und viele andere Anwendungen liefern. Aufgrund des globalen Drucks, CO₂-Emissionen zu reduzieren, gewinnt die Photovoltaik auch als reguläre Form der Stromerzeugung zunehmend an Bedeutung. Weltweit sind Zehntausende von Systemen in Betrieb, doch diese Zahl ist noch gering im Vergleich zum enormen Potenzial der Photovoltaik als Energiequelle.

PV-Module liefern an ihrem Einsatzort eine unabhängige und zuverlässige Stromversorgung. Sie eignen sich daher besonders für abgelegene Regionen. PV-Systeme sind technisch ausgereift und durch gesunkene Herstellungskosten sowie gestiegene Wirkungsgrade inzwischen auch wirtschaftlich attraktiv für viele Anwendungen.

Abbildung 1: Solarmodul-Array
© Smail Khennas/Practical Action

Die Nutzung von PV-Strom in Entwicklungsländern

Die meisten Entwicklungsländer liegen in den Tropen und verfügen daher über ein reichliches Angebot an Sonnenstrahlung. In tropischen Regionen gibt es zudem nur geringe jahreszeitliche Schwankungen der Sonneneinstrahlung, sodass Solarenergie ganzjährig wirtschaftlich genutzt werden kann.

Derzeit gibt es eine relativ hohe Akzeptanz für Solartechnologie in Entwicklungsländern. Die folgende Grafik zeigt den weltweiten Einsatz von PV-Modulen:

Abbildung 2: Nutzung von PV-Modulen nach Region

Technik

Art und Verfügbarkeit der Sonnenstrahlung

Die Sonnenstrahlung erreicht die Erdoberfläche mit einer maximalen Leistungsdichte von etwa 1000 W/m². Sie setzt sich aus direkter Strahlung und diffuser (gestreuter) Himmelsstrahlung zusammen. An einem klaren Tag kann die diffuse Strahlung 15–20 % betragen, an bewölkten Tagen sogar 100 %.

Die tägliche Sonneneinstrahlung (Insolation) variiert je nach geografischer Lage, Bewölkung und Jahreszeit. In Mitteleuropa liegt sie im Winter bei etwa 0,5–2 kWh/m²/Tag und im Sommer bei 4–5,5 kWh/m²/Tag. Viele tropische Regionen erhalten ganzjährig durchschnittlich 5–7 kWh/m²/Tag.

Diese Variabilität ist ein wichtiger Faktor bei der Auslegung von PV-Systemen.

Geometrie von Erde, Sonne und Kollektor

Die Erde umkreist die Sonne mit einer Achsenneigung von 23,5 Grad. Diese Neigung ist für die Jahreszeiten verantwortlich. Die Intensität der Sonnenstrahlung hängt vom Einfallswinkel ab. Deshalb ändert sich die nutzbare Solarstrahlung im Jahresverlauf. Für die Ausrichtung eines Solarmoduls ist dieser Winkel entscheidend.

PV-Zellen, Module und Arrays

Wenn Licht auf die aktive Oberfläche einer Solarzelle fällt, werden Elektronen angeregt. Bei ausreichender Anregung entsteht eine Spannungsdifferenz, die Strom durch einen angeschlossenen Verbraucher treiben kann.

Moderne kommerzielle PV-Zellen bestehen hauptsächlich aus Silizium – entweder monokristallin, multikristallin oder amorph. Andere Materialien wie Kupfer-Indium-Diselenid oder Cadmium-Tellurid werden weiterentwickelt, um Kosten zu senken und Wirkungsgrade zu steigern.

Eine monokristalline Siliziumzelle wird aus einer dünnen Scheibe eines hochreinen Siliziumkristalls hergestellt. Die Zellen werden in Reihe und parallel geschaltet, um die gewünschte Spannung und Stromstärke zu erreichen. Mehrere Zellen werden zu einem **Modul** zusammengefasst, mehrere Module zu einem **Array** (Solargenerator).

Typische Modulgrößen liegen bei etwa 50 Wp und liefern Gleichstrom mit 12 V (z. B. zum Batterieladen).

• • Drei Haupttypen von Modulen:**

- **Monokristalline Module** – höchster Wirkungsgrad (ca. 15–22 %) - **Multikristalline Module** – etwas günstiger, Wirkungsgrad ca. 14–18 % - **Amorphe (Dünnschicht-)Module** – niedrigerer Wirkungsgrad (6–10 %), aber günstiger in der Herstellung

Kostenentwicklung

Die Kosten für PV-Module werden üblicherweise in **Peak-Watt (Wp)** angegeben. Durch technologische Fortschritte und Massenproduktion sind die Preise in den letzten Jahren stark gesunken.

Abbildung 4: Preisentwicklung von PV-Modulen

Solar-PV-Systeme

PV-Systeme werden am häufigsten als **Inselanlagen** (Off-Grid) eingesetzt. Sie können Verbraucher direkt versorgen (z. B. Wasserpumpen) oder mit Batterien kombiniert werden, um Strom auch nachts oder bei schlechtem Wetter verfügbar zu machen.

Es gibt drei grundlegende Konfigurationen: - Direkte Versorgung eines Verbrauchers (z. B. Pumpe) - System mit Batteriespeicher - Hybridsystem (PV + Wind + Diesel)

Abbildung 5: Häufige Konfigurationen von PV-Systemen

Vorteile der Photovoltaik

- Kein Brennstoffbedarf - Modularer Aufbau – leicht erweiterbar - Hohe Zuverlässigkeit (keine beweglichen Teile) - Geringer Wartungsaufwand - Lange Lebensdauer (Module 20–30 Jahre) - Umweltfreundlich und emissionsfrei - Ideal für netzferne Regionen

Anwendungsbereiche in Entwicklungsländern

1. **Ländliche Elektrifizierung**

  - Beleuchtung von Häusern, Schulen, Moscheen und Gemeinschaftsgebäuden  
  - Straßenbeleuchtung  
  - Mini-Grids für kleine Dörfer

2. **Wasserpumpen und Wasseraufbereitung**

  - Trinkwasserförderung  
  - Bewässerung  
  - Entsalzung von Brackwasser

3. **Gesundheitswesen**

  - Beleuchtung von Gesundheitsstationen  
  - Impfstoffkühlung  
  - Blutkonserven-Kühlung

4. **Kommunikation**

  - Funkrelaisstationen  
  - Ländliche Telefonanlagen  
  - Wetterstationen

5. **Sicherheit und Transport**

  - Warnleuchten, Navigationsbojen, Straßenmarkierungen

Andere Aspekte

• • Herstellung in Entwicklungsländern**

Die Herstellung von PV-Modulen ist technologisch anspruchsvoll und kapitalintensiv. In vielen Ländern gibt es jedoch bereits große Produzenten (z. B. in Indien). Einfache Montagesysteme und Gehäuse können lokal gefertigt werden.

• • Hybridsysteme**

PV kann mit Wind, Diesel oder Biogas kombiniert werden, um eine zuverlässige Stromversorgung auch bei schlechtem Wetter zu gewährleisten.

• • Solarlaternen**

Eine besonders erfolgreiche Anwendung sind Solarlaternen, die Kerosinlampen ersetzen und in vielen Entwicklungsländern bereits weit verbreitet sind.

Quellen und weiterführende Literatur

Dieser Howtopedia-Beitrag basiert auf dem Practical Action Technical Brief „Solar Photovoltaic Energy“.

Weiterführende Literatur: - H.P. Garg, D. Gouri, R. Gupta: Renewable Energy Technologies - S. Karekezi, T. Ranja: Renewable Energy Technologies in Africa - J. Twidell, T. Weir: Renewable Energy Resources

Nützliche Adressen

Practical Action The Schumacher Centre for Technology & Development, Bourton on Dunsmore, RUGBY, CV23 9QZ, United Kingdom Tel.: +44 (0) 1926 634400 E-Mail: practicalaction@practicalaction.org.uk Web: www.practicalaction.org