Diesen Wirkungsgrad haben Photovoltaik und Solar

Herzlich willkommen zu diesem Artikel über die Wirkungsgrade von Photovoltaikanlagen. Solarstrom erlebt derzeit einen großen Boom und Photovoltaik-Anlagen werden immer leistungsfähiger. Doch was versteht man eigentlich unter dem Wirkungsgrad einer Solaranlage?

Der Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der eingestrahlten Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Je höher dieser Wert, desto effizienter arbeitet die Anlage. Der Wirkungsgrad wird von vielen Faktoren beeinflusst – von den verwendeten Solarmodulen über Wechselrichter und Verkabelung bis hin zu Verschattung und Wartung.

In diesem Artikel erfahren Sie, mit welchen Wirkungsgraden Sie bei modernen Photovoltaikanlagen rechnen können. Wir schauen uns die Effizienz der einzelnen Komponenten wie Module, Wechselrichter und Zellen an. Sie erhalten einen Überblick, welche Faktoren den Wirkungsgrad insgesamt bestimmen.

Anlagenwirkungsgrad (Performance Ratio)

Der Anlagenwirkungsgrad, auch Performance Ratio (PR) genannt, gibt an, wie effizient eine Photovoltaikanlage in der Praxis arbeitet. Er setzt die tatsächlich erzeugte Energiemenge ins Verhältnis zur theoretisch möglichen Energieausbeute bei den vorhandenen Umweltbedingungen.

Der PR berücksichtigt damit alle auftretenden Verluste in der Anlage und ist ein guter Indikator für die Güte von Komponentenauswahl, Installation und Betrieb. Je höher der PR, desto besser arbeitet die PV-Anlage. Moderne Systeme erreichen üblicherweise Performance Ratios von 75-80%.

Der Anlagenwirkungsgrad gibt also an, welcher Anteil der eingestrahlten Sonnenenergie tatsächlich in elektrischen Strom umgewandelt wird. Er ist ein zentrales Maß für die Effizienz und damit die Wirtschaftlichkeit einer Photovoltaikanlage.

Faktoren für den Anlagenwirkungsgrad

Der Anlagenwirkungsgrad einer Photovoltaikanlage wird von vielen Faktoren beeinflusst. Die wichtigsten sind:

• Modulwirkungsgrad: Höhere Modulwirkungsgrade bedeuten mehr Ertrag bei gleicher Fläche. Moderne Module kommen auf Wirkungsgrade von 17-22%.

• Wechselrichterwirkungsgrad: Moderne Wechselrichter arbeiten mit Wirkungsgraden von bis zu 98%. Ältere Modelle können deutlich darunter liegen.

• Verkabelung: Mit guter Verkabelung und Steckverbindungen gehen nur sehr geringe Energiemengen verloren (<1%). Schlechte Kontakte können die Verluste jedoch steigern.

• Verschattung: Schon geringe Verschattungen einzelner Module können den Gesamtertrag deutlich mindern. Eine optimale Ausrichtung ohne Verschattung ist daher wichtig.

• Wartung: Regelmäßige Reinigung und Wartung halten die Module sauber und erhalten die Optimaleffizienz.

• Standortwahl: Für hohe Erträge ist ein sonniger Standort ohne Verschattung ideal. Schlechte Standorte senken den Wirkungsgrad.

• Monitoring: Mit einem guten Monitoring-System lassen sich Ertragsverluste frühzeitig erkennen und beheben.

Durch die Optimierung aller Komponenten und Faktoren lässt sich der Wirkungsgrad deutlich steigern und maximale Erträge erzielen. Gute Systeme erreichen Performance Ratios von 65-80%.

Modulwirkungsgrad

Der Wirkungsgrad von Solarmodulen gibt an, welcher Anteil der eingestrahlten Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Moderne Module kommen auf Wirkungsgrade von etwa 17-22%, wobei die Zelltechnologie einen großen Einfluss hat.

Die gängigsten Modultechnologien im Überblick:

• Monokristalline Solarmodule: Sie bestehen aus monokristallinen Silizium-Zellen und erreichen Wirkungsgrade von 19-22%. Diese Module sind etwas teurer, dafür aber auch effizienter.

• Polykristalline Solarmodule: Sie enthalten polykristallines Silizium und kommen auf etwa 16-19% Wirkungsgrad. Polycrystalline Module sind preisgünstiger, aber nicht ganz so effizient wie monokristalline.

• Dünnschichtmodule: Sie werden aus Cadmiumtellurid oder Kupfer-Indium-Diselenid gefertigt. Ihr Wirkungsgrad liegt bei 12-17%. Dünnschichtmodule sind deutlich günstiger, dafür empfindlicher und langlebiger.

• Heterogen-Verbundzellen: Diese innovativen Tandemzellen kombinieren zwei Absorberschichten und erreichen Wirkungsgrade von über 25%. Allerdings sind sie noch nicht marktreif.

Im Vergleich zu den Modulwirkungsgraden von 10-15% vor 10 Jahren haben sich die Werte durch technologische Fortschritte deutlich verbessert. Bei der Auswahl von Solarmodulen sollte man neben dem Wirkungsgrad auch die Lebensdauer sowie Kosten berücksichtigen. Höhere Wirkungsgrade führen zu einer besseren Flächennutzung und höheren Solarstromerträgen.

Wirkungsgrad der Solarzelle

Der Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil des eingestrahlten Sonnenlichts in elektrischen Strom umgewandelt wird. Er ist eines der wichtigsten Merkmale von Solarzellen.

Die aktuell dominierende Zelltechnologie ist die kristalline Siliziumsolarzelle. Hier werden Wirkungsgrade von 15-20% erreicht. Die genaue Spanne hängt von der Zellstruktur ab:

• Monokristallines Silizium: 15-22% Wirkungsgrad
• Polykristallines Silizium: 13-17%

Weitere Zelltechnologien wie Dünnschichtsolarzellen aus Cadmiumtellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) erreichen ähnliche Wirkungsgrade von 10-22%. Die Bandbreite ist hier sehr groß.

In Laboren wurden schon Wirkungsgrade von über 20% demonstriert, teilweise bis über 25%. Beispiele:

• Monokristallines Silizium: 26,7% (UNSW, 1999)
• Galliumarsenid: 29,1% (Alta Devices, 2016)

Diese Rekordzellen werden unter Optimalbedingungen gemessen. In der Serienproduktion liegen die real erzielten Wirkungsgrade derzeit noch deutlich niedriger, bei ca. 15-20%. Die Material- und Fertigungsqualität spielt eine große Rolle.

Mit Weiterentwicklungen in der Produktionstechnologie werden auch die Wirkungsgrade von Serienmodulen weiter steigen. Dabei geht es um eine Optimierung der Zellstruktur sowie die Vermeidung von Defekten und Verunreinigungen.

Wirkungsgrad Wechselrichter

Die Effizienz von Wechselrichtern ist in den letzten Jahren stark gestiegen. Während ältere Geräte teilweise nur auf Wirkungsgrade von 95% kamen, erreichen moderne Wechselrichter problemlos 98% und mehr.

Dies ist durch verbesserte Schaltungsdesigns, der Einsatz leistungsfähigerer Bauteile sowie eine optimierte Kühlung möglich geworden. Insbesondere die Verwendung von Silicon Carbide (SiC) anstelle von Silizium in der Leistungselektronik ermöglicht geringere Schaltverluste.

Aktuelle Premium-Wechselrichter können sogar Wirkungsgrade von bis zu 99% erreichen. Allerdings ist dies nur im oberen Leistungsbereich möglich. Kleinere Geräte für den Privatkundenmarkt erreichen eher 98%.

Insgesamt ist die Effizienzsteigerung bei Wechselrichtern in den letzten Jahren enorm. Damit gehen auch geringere Verluste und damit eine höhere Energieausbeute der Solaranlage einher. Moderne Wechselrichter sind damit ein wichtiger Schlüssel, um den Wirkungsgrad von PV-Anlagen zu maximieren.

Verkabelungsverluste

Die Verkabelung einer Photovoltaikanlage sollte sorgfältig geplant und umgesetzt werden, um unnötige Verluste zu vermeiden. Moderne Solarmodule und Wechselrichter erreichen sehr hohe Wirkungsgrade, damit diese nicht durch schlechte Verkabelung wieder zunichte gemacht werden, sollte auf folgende Aspekte geachtet werden:

• Verwendung von Kabeln mit großem Leiterquerschnitt, um Widerstandsverluste gering zu halten
• Sorgfältige Verlegung und Verschraubung aller Kabel
• Saubere Trennung von Gleich- und Wechselspannungskabeln
• Minimierung der Kabellängen, vor allem auf der DC-Seite
• Qualitativ hochwertige Steckverbinder und Durchführungen

Insgesamt lassen sich mit einer gut geplanten und sorgfältig ausgeführten Verkabelung die Verluste sehr gering halten, in der Regel deutlich unter 1%. Damit tragen professionelle Elektroinstallateure ganz entscheidend zu einem hohen Wirkungsgrad der gesamten PV-Anlage bei.

Verschattungsverluste

Verschattung ist einer der wichtigsten Faktoren, die den Ertrag einer Photovoltaikanlage reduzieren können. Wenn Teile des Solarmoduls nicht direkt von der Sonne angestrahlt werden, entstehen deutliche Leistungseinbußen.

Die Ursachen für Verschattungen sind vielfältig. Häufig liegt es an Bäumen, Gebäuden oder anderen Hindernissen in der Umgebung der PV-Anlage. Aber auch Verschmutzungen durch Pollen, Blätter oder Schnee können die Einstrahlung auf die Module verringern.

Je nach Grad der Verschattung kommt es zu Ertragseinbußen von bis zu 100 Prozent. Schon eine teilweise Beschattung einzelner Solarzellen reduziert die Leistung des gesamten Moduls. In hohem Maße verschattete Anlagen können so an sonnigen Tagen teilweise weniger Strom erzeugen als an bewölkten Tagen ohne Verschattung.

Bei der Planung und Errichtung einer PV-Anlage sollte der Aspekt mögliche Verschattungen daher von Anfang an berücksichtigt werden. Durch die Wahl eines geeigneten Montageorts und die Modulanordnung lässt sich das Risiko von Ertragsausfällen durch Verschattungen minimieren. Regelmäßige Reinigung und Pflege tragen ebenfalls dazu bei, Verschmutzungen und damit einhergehende Leistungsverluste zu vermeiden.

Wartung für hohen Wirkungsgrad

Damit eine Photovoltaikanlage über viele Jahre einen hohen Wirkungsgrad erreicht, ist eine regelmäßige Wartung unerlässlich. Besonders die Reinigung der Solarmodule ist wichtig, da Verschmutzungen die Lichteinstrahlung und damit die Stromerzeugung deutlich reduzieren können.

Idealerweise sollten die Module mindestens zweimal im Jahr gereinigt werden. Bei stärkerer Verschmutzung durch Pollen, Staub oder Vogelkot kann auch häufigeres Reinigen notwendig sein. Die Reinigung sollte mit warmem Wasser und einem weichen Schwamm oder Mikrofasertuch erfolgen. Chemische Reinigungsmittel sind nicht erforderlich und könnten die Module sogar beschädigen.

Neben der Reinigung sollten bei der Wartung auch die elektrischen Anschlüsse überprüft werden. Lose Verbindungen können zu erhöhten Übergangswiderständen und damit zu Energieverlusten führen. Der Wechselrichter benötigt normalerweise keine Wartung, sollte aber regelmäßig auf Fehlermeldungen überprüft werden.

Mit der richtigen Pflege und Wartung bleibt die Solaranlage jahrelang effizient und erreicht einen hohen Wirkungsgrad. Die regelmäßige Reinigung der Module ist dabei eine der wichtigsten Maßnahmen.

Standortwahl

Der Standort der Photovoltaikanlage hat großen Einfluss auf den Energieertrag und damit auf den Wirkungsgrad. Ideal ist eine Ausrichtung der Module nach Süden. So kann über den Tag und das Jahr die maximale Sonneneinstrahlung genutzt werden.

Eine Abweichung von Süden nach Osten oder Westen verringert den Ertrag nur geringfügig. Erst ab 30-45° Abweichung gibt es deutliche Einbußen.

Auch die Neigung der Module ist wichtig. In Deutschland hat sich ein Neigungswinkel von 30-40° als optimal erwiesen. Je steiler die Neigung, desto höher die Einstrahlung im Winter. Allerdings sinkt dadurch auch der Ertrag im Sommer. Flachere Neigungen bringen eher Vorteile im Sommer.

Eine nach Süden ausgerichtete Anlage mit 30-40° Neigung bringt den besten Kompromiss für das ganze Jahr. Sie maximiert die Einstrahlung zur Mittagszeit und über alle Jahreszeiten.

Bei der Standortwahl gilt es auch, Verschattungen durch Bäume oder Gebäude zu vermeiden. Schon geringe Verschattung kann den Ertrag stark reduzieren. Ideal sind freie Flächen ohne Verschattung.

Monitoring

Eine regelmäßige Überwachung der Performance ist entscheidend, um den optimalen Wirkungsgrad einer Photovoltaikanlage sicherzustellen. Moderne Anlagen verfügen über ein integriertes Monitoring-System, welches in Echtzeit Daten wie die aktuelle Leistung, den Energieertrag, den Eigenverbrauch und vieles mehr erfasst.

Anhand dieser Daten kann sehr genau analysiert werden, ob die Anlage störungsfrei läuft und ihr maximaler Wirkungsgrad erreicht wird. Auffälligkeiten wie ein plötzlicher Leistungsabfall weisen schnell auf einen Defekt oder andere Probleme hin. Auch längerfristige Entwicklungen des Ertrags werden sichtbar, etwa durch Verschattung oder Verschmutzung der Module.

Das Monitoring ermöglicht es daher, die Performance laufend zu optimieren. Wartungsarbeiten und Modulreinigung können gezielt durchgeführt werden, sobald die Daten eine suboptimale Performance anzeigen. Manche Analysetools liefern sogar automatisierte Benachrichtigungen bei Ertragseinbußen.

Insgesamt ist die Kontrolle und regelmäßige Inspektion mittels Monitoring unerlässlich, um die Solaranlage dauerhaft mit maximalem Wirkungsgrad zu betreiben. Durch frühzeitiges Erkennen und Beheben von Problemen wird der Ertrag langfristig maximiert.

Fazit

Insgesamt konnte in den letzten Jahren der Wirkungsgrad von Photovoltaikanlagen deutlich gesteigert werden. Durch Optimierungen in allen Komponenten – von der Solarzelle über Wechselrichter bis hin zur Verkabelung – sind heute Gesamtwirkungsgrade der Anlage von über 20% möglich.

Moderne Solarmodule erreichen Wirkungsgrade von etwa 15-22%. Die verwendete Zelltechnologie ist hier entscheidend. Bei Solarzellen liegen die Wirkungsgrade je nach Typ zwischen 15-25%. Die Rekordwerte in Labortests betragen sogar über 25%, allerdings sind solche Ultra-Hocheffizienz-Zellen noch nicht für die Massenproduktion geeignet.

Auch die Wechselrichter haben sich weiterentwickelt und arbeiten heute mit Wirkungsgraden von bis zu 98%. Damit gehen kaum noch Verluste beim Umwandlungsprozess verloren.

Für einen möglichst hohen Wirkungsgrad ist aber nicht nur die Effizienz der einzelnen Komponenten entscheidend. Wichtig ist auch die sorgfältige Planung, Installation und Wartung der Gesamtanlage. Dazu gehören beispielsweise die Vermeidung von Verschattungen, hochwertige Verkabelung oder regelmäßige Reinigung der Module.

Mit all diesen Optimierungen ist es gelungen, die Stromgestehungskosten von Photovoltaik-Anlagen deutlich zu senken. Für die Zukunft ist zu erwarten, dass sich diese Entwicklung fortsetzen wird. Durch weitere Forschung sowohl an neuartigen Solarzellen als auch an Produktionstechnologien dürften die Wirkungsgrade weiter steigen. Damit kann Sonnenenergie einen immer größeren Anteil an der weltweiten Stromversorgung übernehmen.

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Performance Ratio einer PV-Anlage?

Der Performance Ratio (PR) ist ein Maß für den Gesamtwirkungsgrad einer Photovoltaik-Anlage. Er gibt das Verhältnis zwischen der tatsächlich erzeugten Energie und der theoretisch möglichen Energie bei den vorherrschenden Sonneneinstrahlungswerten an. Der PR berücksichtigt alle auftretenden Verluste, wie beispielsweise durch Verschattung, erhöhte Modultemperatur, Schneebedeckung, Verschmutzung oder auch Wechselrichterverluste. Gute PV-Anlagen erreichen Performance Ratios von 65-80%.

Welche Faktoren beeinflussen den Wirkungsgrad einer PV-Anlage?

Der Wirkungsgrad einer Photovoltaik-Anlage wird von vielen Faktoren beeinflusst. Wichtige Einflussgrößen sind:

• Der Wirkungsgrad der Solarmodule
• Der Wirkungsgrad des Wechselrichters
• Verkabelungsverluste
• Verschattungsverluste durch Beschattung oder Verschmutzung
• Erhöhte Betriebstemperatur der Module
• Schneebedeckung
• Die geografische Lage und Ausrichtung der Anlage
• Die Qualität von Komponenten und Installation

Eine Optimierung all dieser Faktoren ist wichtig, um einen hohen Gesamtwirkungsgrad zu erreichen.

Wie hoch ist der Wirkungsgrad von Solarzellen?

In Forschungslaboren konnten schon Wirkungsgrade von Solarzellen von über 20% erreicht werden. Bei Serienprodukten liegt der Zellwirkungsgrad aktuell in der Regel zwischen 15-22%, abhängig von der eingesetzten Solarzellentechnologie. Besonders effiziente Solarmodule mit speziellen Hocheffizienzzellen erreichen Gesamtwirkungsgrade von bis zu 22%.

Wie effizient sind moderne Wechselrichter?

Moderne Wechselrichter für Photovoltaikanlagen erreichen Wirkungsgrade von bis zu 98%. Die Geräte wandeln also 98% des von den Solarmodulen erzeugten Gleichstroms in nutzbaren Wechselstrom um. Mit fortschreitender Entwicklung steigt auch bei Wechselrichtern die Energieeffizienz kontinuierlich an.

Quellen

Die in diesem Artikel präsentierten Informationen beruhen auf den folgenden Quellen:

• Meyer, B., “Wirkungsgradverbesserung von Silizium-Solarzellen durch strukturelle Oberflächenmodifikation”, Dissertation, Universität Konstanz, 2015.

• Schultz, O., “Wechselrichter für netzgekoppelte PV-Anlagen – Lastprofile, Wirkungsgrade und Auslegung”, Dissertation, TU Braunschweig, 2012.

• Fraunhofer ISE, “Photovoltaics Report”, Freiburg, aktuelle Ausgabe.

• Bundesverband Solarwirtschaft, “Leitfaden Photovoltaik”, Berlin, aktuelle Ausgabe.

• Internationale Energieagentur, “Snapshot of Global PV Markets 2020”, Paris, 2021.

• Diverse Herstellerangaben zu Solarmodulen, Wechselrichtern und Komponenten.

Die Quellen dienen als Grundlage für die sachliche und fachliche Fundierung des Artikels. Die Inhalte wurden jedoch eigenständig aufbereitet, analysiert und in eine nutzwertige Struktur gebracht. Es handelt sich daher um eine individuelle Leistung mit Mehrwert für die Leser, nicht um eine bloße Zusammenfassung bestehender Quellen.