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Wissenswertes - Solar

Solar / Photovoltaik

 
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Solartechnik
Allgemein
Mit Solartechnik wird die technische Nutzung der Sonnenenergie (oder auch Solarenergie) bezeichnet. Aus der Sonnenstrahlung kann Wrme oder elektrische Energie gewonnen werden.
Quelle: Wikipedia, Auszug aus dem Artikel: Solartechnik. Eine Liste der Autoren finden Sie hier. Lizenz siehe Seitenende.
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Dezentrale Solarenergienutzung
  • Photovoltaik: Umwandlung der Strahlungsenergie der Sonne in elektrische Energie (Solarstrom) mit Solarzellen
  • Solarkollektoren: Erwrmung von Wasser oder anderen Wrmetrgern (Solaranlagen)
  • Solarofen: Kochen mit Sonnenlicht
  • Solar-Stirling: Umwandlung der solarthermischen Energie in mechanische Energie unter Benutzung des Stirlingmotors. Solar-Stirling-Anlagen, die einen Generator betreiben um elektrischen Strom zu produzieren, erreichen mit bis zu 30 % einen besseren Wirkungsgrad als Photovoltaikanlagen.
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Photovoltaik
Unter Photovoltaik oder Fotovoltaik versteht man die direkte Umwandlung von Strahlungsenergie, vornehmlich Sonnenenergie, in elektrische Energie. Sie ist seit 1958 zunchst in der Energieversorgung von Weltraumsatelliten mittels Solarzellen im Einsatz. Mittlerweile wird sie zur Stromerzeugung auf der ganzen Welt eingesetzt und findet Anwendung auf Dachflchen, bei Parkscheinautomaten, an Schallschutzwnden oder auf Freiflchen. Der Name setzt sich aus den Bestandteilen Photos das griechische Wort fr Licht und Volta nach Alessandro Volta, einem Pionier der Elektrotechnik zusammen. Die Photovoltaik gilt als Teilbereich der umfassenderen Solartechnik, die auch andere technische Nutzungen der Sonnenenergie einschliet.
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Geschichte der Photovoltaik
Der photoelektrische Effekt wurde bereits im Jahre 1839 von dem franzsischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel entdeckt. 1876 wiesen William G. Adams und Richard E. Day diesen Effekt auch bei einem Selenkristall nach. 1905 gelang es Albert Einstein den Photoeffekt richtig zu erklren, wofr er 1921 den Nobelpreis fr Physik bekam. Nach vielen weiteren Entdeckungen und Entwicklungen gelang es dann 1954 Daryl Chapin, Calvin Fuller und Gerald Pearson, die ersten Siliziumzellen, mit Wirkungsgraden von ber vier Prozent, zu produzieren, eine Zelle erreichte sogar einen Wirkungsgrad von sechs Prozent. Die erste technische Anwendung wurde Ende der 1950er Jahre mit dem Vanguard I in der Satellitentechnik gefunden. In den 1960er und 1970er Jahren gab es, in erster Linie durch die Nachfrage aus der Raumfahrt, entscheidende Fortschritte in der Entwicklung von Photovoltaikzellen. Ausgelst durch die Energiekrisen in den 1970er Jahren und das gestiegene Umweltbewusstsein wird verstrkt politisch versucht, die Erschlieung dieses Energiewandlers durch technische Fortschritte auch wirtschaftlich interessant zu machen. Fhrend sind hierbei die USA, Japan und auch die Bundesrepublik Deutschland, welche mit gesetzlichen Manahmen wie dem 100.000-Dcher-Programm und dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) erhebliche finanzielle Anreize bietet. Das 100.000-Dcher-Programm lief Mitte 2003 aus und wurde Anfang 2004 durch die nderung beziehungsweise Novellierung des EEG kompensiert. Die Einspeisevergtung wurde entsprechend angehoben. Im Jahr 2005 erreichte die gesamte Nennleistung der in Deutschland installierten Photovoltaik-Anlagen 1 Gigawatt. Bei Arnstein in der Nhe von Wrzburg steht auf dem Gelnde des ehemaligen Weinbauversuchsguts Erlasee die damals grte Photovoltaikanlage der Welt das sogenannte Solarfeld Erlasee mit einer Nennleistung von mehr als 13 Megawatt.
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Technische Beschreibung
Die als Licht und Wrme auf die Erde auftreffende Menge an Sonnenenergie betrgt jhrlich 1,5 1018 kWh; dies entspricht in etwa dem 15.000-fachen des gesamten Primrenergieverbrauchs der Menschheit im Jahre 2006 (1,0 1014 kWh/Jahr). Der Lichtenergieeintrag durch die Sonne betrgt pro Jahr etwa 1,1 1018 kWh. Diese Strahlungsenergie kann prinzipiell aufgefangen und in Elektrizitt umgewandelt werden, ohne dass Nebenprodukte wie Abgase (beispielsweise Kohlendioxid) entstehen. Der Wellenlngenbereich der auftreffenden und wandelbaren elektromagnetischen Strahlung reicht vom kurzwelligen, nicht sichtbaren Ultraviolett (UV) ber den sichtbaren Bereich (Licht) bis weit in den langwelligeren infraroten Bereich (Wrmestrahlung) hinein. Bei der Umwandlung wird der photoelektrische Effekt ausgenutzt. Die Energiewandlung findet mit Hilfe von Solarzellen, die zu so genannten Solarmodulen verbunden werden, in Photovoltaikanlagen statt. Die erzeugte Elektrizitt kann entweder vor Ort genutzt, in Akkumulatoren gespeichert oder in Stromnetze eingespeist werden. Bei Einspeisung der Energie in das ffentliche Stromnetz wird die von den Solarzellen erzeugte Gleichspannung von einem Wechselrichter in Wechselspannung umgewandelt. Mitunter wird eine alleinige Energieversorgung mittels Photovoltaik in Inselsystemen realisiert. Um hier kontinuierlich Energie zur Verfgung zu stellen, muss die Energie gespeichert werden. Ein bekanntes Beispiel fr akkumulatorgepufferte Inselsysteme sind Parkscheinautomaten. Die photovoltaische Energiewandlung ist wegen der Herstellungskosten der Solarmodule im Vergleich zu herkmmlichen Kraftwerken deutlich teurer, wobei allerdings groe Teile der Folgekosten der konventionellen Energiewandlung nicht in die heutigen Energiepreise mit eingehen. Das stark schwankende Strahlungsangebot erschwert den Einsatz der Photovoltaik. Die Strahlungsenergie schwankt vorhersehbar tages- und jahreszeitlich bedingt, sowie tglich abhngig von der Wetterlage. Beispielsweise kann eine fest installierte Solaranlage in Deutschland im Juli einen gegenber dem Dezember bis zu fnfmal hheren Ertrag bringen. Sinnvoll einsetzbar ist die photovoltaische Energiewandlung als ein Baustein in einem Energiemix verschiedener Energiewandlungsprozesse. Ohne die Mglichkeit einer wirtschaftlichen Energiespeicherung im groen Mastab werden hierbei konventionelle Elektrizittswerke nicht vllig zu ersetzen sein. Das Stromeinspeisungsgesetz und insbesondere das Erneuerbare-Energien-Gesetz haben zu einem Boom bei der Errichtung von Photovoltaikanlagen in Deutschland gefhrt. So wurde Ende Juni 2005 die Schwelle von 1.000 MW installierter elektrischer Nennleistung von Photovoltaikanlagen berschritten, das entspricht einem groen konventionellen Kraftwerk und bedeutet eine Verhundertfachung in den letzten zehn Jahren.
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Organische Photovoltaik
Photovoltaik auf Basis von Solarzellen aus organischen Kunststoffen wird als Organische Photovoltaik bezeichnet. Der Wirkungsgrad und die Haltbarkeit der augenblicklich verfgbaren Materialien liegen noch deutlich hinter denen vergleichbarer Zellen auf Siliziumbasis. Jedoch lassen sich aus organischen Materialien bei angestrebt deutlich geringeren Produktionskosten Solarzellen herstellen, die transparent, biegsam und dnn wie Kunststoff-Folien sind und daher wesentlich vielfltiger und breiter einsetzbar wren. So knnten beispielsweise Fenster vollstndig mit organischen Solarzellen beschichtet werden. Aus diesem Grund hat das Bundesministerium fr Bildung und Forschung (BMBF) im Juni 2007 gemeinsam mit Industriepartnern eine Frderinitiative begonnen, um diese Technologie gezielt voranzutreiben und zu dem bestehenden technologischen Vorsprung amerikanischer Startup-Firmen aufzuschlieen. Als Technologien kommen momentan hauptschlich entweder die Grtzel-Zelle oder kunststoffbasierte Zellen zum Einsatz. Whrend bei der Grtzel-Zelle ein Gemisch aus Farbstoffmoleklen zur Lichtsammlung und Titandioxid-Nanopartikeln als Halbleiter zur Stromerzeugung verwendet wird, erfolgt die Lichtsammlung bei kunststoffbasierten Zellen etwa mit Fullerenen in Zusammenwirken mit elektrisch leitfhigen Polymeren.
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Leistung
Die Nennleistung von Photovoltaikanlagen wird hufig in Wp (Wattpeak) beziehungsweise kWp angegeben. peak (engl. Hchstwert, Spitze) bezieht sich auf die Leistung bei Testbedingungen, die dem Alltagsbetrieb nicht direkt entsprechen. Es handelt sich dabei auch nicht um die Leistung der Zelle oder des Moduls bei hchster Sonneneinstrahlung. Die Testbedingungen dienen zur Normierung und zum Vergleich verschiedener Solarzellen oder -module. Die elektrischen Werte der Bauteile unter diesen Bedingungen werden in den Datenblttern angegeben. Es wird bei 25 C Modultemperatur, 1.000 W/m Bestrahlungsstrke und einem Air Mass von 1,5 gemessen. Dies sind die STC-Bedingungen (Standard-Test-Conditions), die als internationaler Standard festgelegt wurden. Knnen diese Bedingungen beim Testen nicht eingehalten werden, so muss aus den gegebenen Testbedingungen die Nennleistung rechnerisch ermittelt werden. Die Bestrahlungsstrke von 1.000 W/m kommt in Mitteleuropa ber ein Jahr gesehen nicht sehr hufig vor (je weiter sdlich, desto hufiger). Im normalen Betrieb haben Solarmodule beziehungsweise die Solarzellen bei dieser Einstrahlung eine wesentlich hhere Betriebstemperatur als die im Test vorgesehenen 25 C und damit auch einen deutlich niedrigeren Wirkungsgrad. Die zu erwartende mittlere Produktion an elektrischer Energie einer jeweils neu errichteten netzgekoppelten Photovoltaik-Anlage in Deutschland steigt seit Jahren mit Verbesserung der Technik kontinuierlich an und liegt derzeit bei sinnvoller Auslegung der Anlage bei Werten um 900-1000 kWh pro kWp und Jahr
(also kWh / (Jahr * kWp)). Dieses entspricht einer Leistungausbeute von 102 bis 114 W/kWp oder einer Ausnutzung der Arbeitsfhigkeit der Solarzelle von 10,2 bis 11,4 Prozent. Fr eine Nennleistung von 1 kW werden Solarzellen mit einer Flche von etwa 8-10 m bentigt. Daraus ergibt sich ein tatschlicher Energieertrag von etwa 90-120kWh pro Quadratmeter und Jahr (entspricht einer mittleren Leistungsabgabe von 10,3 bis 13,7 W/(m a)). Im Vergleich dazu erzielt eine thermische Solaranlage einen jhrlichen Energieertrag von 300 bis 400 kWh pro Quadratmeter (entspricht einer mittleren Leistungsabgabe von 34,2 bis 45,7 W/(m a)). Durch eine Solarthermieanlage kann also etwa die 3,3-fache Menge an Energie zur Verfgung gestellt werden, und dies zu deutlich gnstigeren Kosten. Fr einen Haushalt bietet sich daher an, zustzlich zum Einsatz von Photovoltaik auch eine Solaranlage mit entsprechendem Deckungsgrad zur Warmwasserbereitung und eventuell auch zur Heizungsuntersttzung zu betreiben.
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Wirkungsgrad
Die mit Solarzellen in der Photovoltaik erzielten Wirkungsgrade reichen von wenigen Prozent (beispielsweise etwa 6 Prozent fr Cadmium-Tellurid-Solarmodule) bis hin zu ber 35 Prozent (Konzentrator-Mehrschicht-Laborexemplar). Die Wirkungsgrade marktblicher Solarmodule liegen zwischen 6 Prozent (Dnnschichtmodule) und 17,7 Prozent (monokristalline Module). Der US-amerikanische Hersteller SunPower hat fr das Jahr 2007 monokristalline Module mit einem Wirkungsgrad von 20 Prozent angekndigt. Der Systemwirkungsgrad im Jahresverlauf ergibt sich dann aus der Multiplikation mit der Performance Ratio (PR). In diese flieen die Verluste des Wechselrichters ebenso mit ein wie Abschattungen und Verluste durch hohe Temperaturen. Die PR liegt im Bereich von 0,7 bis 0,85. Obwohl die insgesamt zur Verfgung stehende Sonneneinstrahlung immens hoch erscheint, ist die Photovoltaik aufgrund des bisher niedrigen Wirkungsgrades sehr flchenintensiv. So erzeugt eine Windkraftanlage mit 5 MW Leistung etwa genauso viel Energie wie eine 500 m 500 m (25 ha) groe Solarstromanlage. Trotzdem ist auch heute schon die Leistungsdichte der Photovoltaik hher, da Windkraftanlagen dieser Gre in mehr als 500 Meter Abstand voneinander aufgestellt werden mssen. Allerdings kann die Flche unter und um Windkraftanlagen zustzlich zur Energiegewinnung durch Biomasse genutzt werden. Von Kritikern der Solarstromtechnologie wird der im Vergleich mit einer konventionellen Umwandlung fossiler Energietrger vergleichsweise geringe Wirkungsgrad als Argument gegen die generelle Tauglichkeit der Photovoltaik angefhrt. Bei der Betrachtung des Energie-Wirkungsgrades eines Systems sind aufzuwendende Kosten fr die Primrenergie sowie die bertragungs- und Umwandlungsverluste zu bercksichtigen. Anders als bei klassischer Energieerzeugung steht hier die Sonneneinstrahlung als Primrenergietrger kostenlos zur Verfgung und ein geringer Wirkungsgrad hat auer im Flchenverbrauch keine Auswirkung auf die Umweltbelastung. Gerade die preiswerteren, polykristallinen Module mit vergleichsweise geringem Wirkungsgrad knnen z. B. auf Industrie-Flachdchern ohne Landschaftsverbrauch vergleichsweise einfach mit integrierten Dachabdeckungssystemen verlegt werden, so dass, anders als bei aufgestnderten Anlagen mit hochwertigen monokristallinen Systemen, kein Landschaftsverbrauch entsteht. Auch ist der Energieaufwand zur Herstellung hochwertiger Photovoltaikmodule hher als bei Dnnschichttechnologien mit geringerem Wirkungsgrad. Da der elektrische Strom aus Photovoltaik als schwacher Gleichstrom entsteht, die meisten Energieverbraucher jedoch auf Wechselstrom (z. B. im Haushalt 230 V, 50 Hz) angewiesen sind, entstehen gegenwrtig zustzliche Verluste (meist 3 bis 7 %) bei Umwandlung und bertragung in einem Energieversorgungssystem, das fast ausschlielich fr zentrale Grokraftwerke aufgebaut wurde.
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Potential
Das erreichbare Potential ist sehr hoch: Trotz der scheinbar ungnstigen Bedingungen in Deutschland gengten theoretisch etwa 2 Prozent der Gesamtflche des Landes, um mit heute verfgbarer Technik in der Jahressumme die gleiche elektrische Energie zu ernten, die Deutschland insgesamt pro Jahr bentigt. Der Einwand, die Flche in Mitteleuropa wrde fr einen wesentlichen Anteil von Photovoltaik zur Energieversorgung nicht ausreichen, ist somit nicht haltbar. Die ntige Flche knnte ohne Neuversiegelung ber die Nutzung bisher bebauter Flchen (vor allem Dcher) erreicht werden. Die Photovoltaik kann daher langfristig auch in Deutschland einen erheblichen Beitrag zum Klimaschutz und zur Ressourcenschonung liefern. Die Zahl von 2 Prozent ergibt sich bei einer installierten Leistung von einem kWp pro 10 m Flche, einem jhrlichen Energieertrag von ca. 750 kWh pro kWp, einem Strombedarf Deutschlands von ca. 550 Milliarden kWh (die Grenordnung fr das Jahr 2004 und 2005) und der Gesamtflche Deutschlands von ca. 350.000 km. Solarstrahlungspotential in Europa. Solarstrahlungspotential in Europa. Zunchst erscheint ein solcher Ausbau unter den gegenwrtigen wirtschaftlichen Bedingungen utopisch. Whrend Strom aus konventionellen Energiequellen im Jahresmittel ca. 6 Cent pro Kilowattstunde kostet, wird Solarstrom gem dem Erneuerbare-Energien-Gesetz mit je nach Art und Gre der Anlage - 38 bis 51 Cent pro Kilowattstunde (2007) vergtet. Angesichts weltweit steigender Energiepreise und der jahresweisen Absenkung der Einspeisevergtung fr Solarstrom wird es langfristig zu einer Angleichung bei Kosten der Stromerzeugung kommen. Im Jahr 2005 wurden gem einer Erhebung der Fachzeitschrift Photon 0,26 Prozent der deutschen Stromerzeugung aus Solarenergie gewonnen, allerdings bei starkem Wachstum. Fr das Jahr 2010 gehen verschiedene Prognosen von 0,45 bis 1,0 Prozent aus (Quelle: Verband der Netzbetreiber/Bundesverband Erneuerbare Energien). Im Jahre 2020 werden gem einer Studie des Bundesumweltministeriums 1,5 Prozent des deutschen Stromverbrauchs aus Photovoltaikanlagen gewonnen werden. Auch bei theoretisch hohen Potentialen spielt Solarstrom aktuell und in den nchsten Jahren fr die deutsche Stromerzeugung nur eine relativ kleine Rolle. Allerdings ist durch das zum Wind oftmals gegenlufige Angebotsverhalten der Sonnenenergie der Stromanteil aus Photovoltaik fr einen funktionierenden regenerativen Energiemix sinnvoll. Denn whrend im Sommer die Ertrge aus Wind- und Wasserkraft vergleichsweise niedrig sind, arbeitet die Photovoltaik aufgrund der Sonnenscheindauer mit Gewinn. Bei den obigen Angaben zum Flchenbedarf ist eine eventuell notwendige Zwischenspeicherung der Energie noch nicht bercksichtigt. Geht man davon aus, dass 25 Prozent der Energie sofort verbraucht und 75 Prozent gespeichert werden, wren zustzliche Investitionen erforderlich, da die heutigen Energieversorgungsnetze noch nicht auf einen so hohen Beitrag der erneuerbaren Energien eingestellt sind (siehe auch Windkraft). Ein Anteil der Photovoltaik von bis zu 25 Prozent am Gesamtstrombedarf erscheint aus heutiger Sicht energiepolitisch und volkswirtschaftlich sinnvoll und erstrebenswert. So knnte berschssiger Strom, voraussichtlich ab 2010, auch durch im Fahrzeug integrierte Akkumulatoren und Wechselrichter gespeichert und verbraucht werden, unter Verzicht auf konventionelle Antriebstechnik und dem dadurch bedingten Verlust von groen Teilen des Wirkungsgrads. berschsse aus erneuerbaren Energien knnen z.B. mittels HGU (Hydrogen gas generating unit) und Brennstoffzelle, mobil wie stationr, bedarfsgerecht in Wrme und Strom gewandelt werden. Diese berlegungen knnen langfristig dazu fhren, dass Solarstrom immer mehr Bedeutung gewinnt. Sehr viel besser als in Deutschland ist das weltweite Potential der Photovoltaik. Aufgrund der hohen Solarstrahlungswerte lassen sich in Chile (2.400 kWh/Jahr), Kalifornien (2.150 kWh/Jahr), Australien (2.300 kWh/Jahr) oder Indien (2.200 kWh/Jahr) deutlich gnstigere Stromgestehungskosten erzielen. Hinzu kommt, dass in vielen Entwicklungslndern kein Stromnetz existiert und somit die Photovoltaik eine preisgnstigere Mglichkeit bietet, elektrischen Strom zu erzeugen, als dies mit Dieselgeneratoren mglich ist. Eine aus europischer Sicht interessante Option wre die Erzeugung von Solarstrom in Nordafrika und dessen Transport via Hochspannungsgleichstrombertragung nach Europa. Allerdings sind bei solchen Modellen die notwendigen Investitionen zum Aufbau der gesamten technischen Infrastruktur und die bertragungsverluste angesichts der Entfernung zu bercksichtigen.
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Integration in das Stromnetz
Schwankung des Angebots
Das schwankende Angebot der Photovoltaik wirkt aus Sicht des Stromnetzes nicht anders als schwankender Verbrauch; die im Niederspannungsbereich eingespeiste Photovoltaikleistung stellt sich dabei wie eine Verbrauchsminderung dar. Diese ist, wie die durch den Stromverbraucher verursachte Schwankungen der Last, vorhersehbar. Aufgrund dieser Planbarkeit kann Photovoltaikleistung wie die Windenergie in den Kraftwerksfahrplan des Tageslastgangs einbezogen und ohne zustzlichen Aufwand wie Verbrauchsschwankungen im Mittellastbereich gesteuert werden. Bei einem Ausbau in groem Mastab muss die Photovoltaik mit anderen, gut regelbaren Kraftwerken oder Speichertechnologien kombiniert werden. Hierfr in Frage kommen insbesondere Gaskraftwerke (GuD), Wasserkraftwerke, Pumpspeicherwerke, verteilte Anlagen auf Basis der Kraft-Wrme-Kopplung sowie zuknftig auch Druckluftspeicherkraftwerke, Solarthermische Kraftwerke mit Wrmespeicherung, Speicherung in Akkumulatoren in geparkten Elektrofahrzeugen (Vehicle to Grid) sowie Speicherung in Form von Wasserstoff, in supraleitenden magnetischen Energiespeichern oder in Schwungrdern. Sehr gut geeignet sind auch rein logistische Konzepte wie das Demand Side Management und das Virtuelle Kraftwerk.
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Konformitt zum Verbrauch
Da Strom aus Photovoltaik naturgem tagsber, zu Zeiten hohen Verbrauchs zur Verfgung steht, trgt sie bei sonnigen Bedingungen zur Deckung der Spitzen- und Mittellast bei und ergnzt damit Grundlastkraftwerke. Dieser Effekt kommt besonders bei einer weiteren Zunahme von Klimaanlagen zum Tragen.
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bertragung
Bei einer dezentralen Stromversorgung aus vielen groflchig verteilten Photovoltaikanlagen werden Leitungsverluste aufgrund der geringen Entfernungen zwischen Stromquelle und Endverbraucher verringert. Der erzeugte Strom verlsst den Niederspannungsbereich praktisch nicht, sondern wird dort sofort lokal verbraucht. Zwar speist der Betreiber einer huslichen Photovoltaikanlage den Strom in das Netz ein, da er aber selbst der nchste Verbraucher ist, wird physikalisch der Strom hauptschlich von ihm selbst genutzt und nur der berschssige Anteil zum Nachbarn bertragen. Ein Ausbau der Hochspannungsnetze ist nicht notwendig, sie werden entlastet, dadurch wird gerade im Sommer die Belastung dieser Leitungen durch Erwrmung gemindert.
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Speicherung
Strom einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage wird sofort verbraucht. Eine Zwischenspeicherung ist nicht notwendig, solange die momentane Gesamtleistung aus Photovoltaik nicht hufig ber der momentanen Last im Stromnetz liegt. Die Speicherung ist langfristig trotzdem wnschenswert, um Energie vom Sommer in den Winter verschieben zu knnen, bei den aktuell mglichen Zubauraten aber auf Jahre hinaus nicht zwingend. Der Ausgleich kann auch durch den regenerativen Energiemix mit Windkraft (gegenlufiges Angebotsverhalten), Biogas- und Biomassekraftwerken erfolgen. Zuknftig ist auch die Umwandlung von berschssigem Strom in Wasserstoff via HGU (Hydrogen gas generating unit) denkbar. Dieser knnte zum Betrieb von Kraftfahrzeugen und als Element in einer Wasserstoffwirtschaft verwendet werden. Die Umwandlung in Wasserstoff knnte auch eingesetzt werden, um Energie aus sonnenreichen Lndern in sonnenrmere Lnder zu transportieren, hier steht aber auch die direkte bertragung der elektrischen Energie als Alternative zur Verfgung (s. TREC). Eine andere Mglichkeit ist, die ans Stromnetz angeschlossenen Elektroautos als Energiepuffer zu verwenden. Vorteil wre der hohe Wirkungsgrad, der z.B. zunchst geplanten Lithium-Ionen-Akkus, bzw. der weiterentwickelten Lithium-Polymer- und Lithium-Titanat-Akkumulatoren und die gewaltige Speicherkapazitt (ca. 100-200 kWh/Fahrzeug) bei vielen Millionen Elektrofahrzeugen. Der Einsatz von Photovoltaikanlagen als Insellsung erfordert zwingend die Speicherung, um eine unterbrechungsfreie Stromversorgung zu gewhrleisten. Whrend in Kleinstanlagen, wie etwa ffentlichen Telefonen oder Parkscheinautomaten, die Speicherung in Akkumulatoren zweckmig ist, setzt man bei greren Anlagen (beispielsweise bei Berghtten) auf andere Speicher und Windenergie oder Brennstoffzellen als ergnzende Energiequelle.
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Versorgungssicherheit
Trotz des schwankenden Angebots steht die geplante Leistung aus Photovoltaik deutlich sicherer zur Verfgung als die eines einzigen Grokraftwerks. Ein unvermuteter Ausfall eines solchen groen Stromerzeugers hat im Stromnetz eine strkere Strwirkung als der Ausfall einer einzelnen Photovoltaikanlage. Durch die breite Streuung und die hohe Anzahl der Photovoltaikanlagen (derzeit ca. eine Million) ergibt sich eine, im Vergleich zu einer einzelnen Groanlage, extreme Betriebssicherheit. Um einen ungeplanten Ausfall groer Stromerzeuger abzusichern, muss permanent Reserveleistung bereitgehalten werden, dies ist fr den Anteil Photovoltaikleistung nicht notwendig und spart somit Kosten. Aber auch ein geplanter Stillstand eines Grokraftwerks (z. B. fr eine Revision) muss durch ein anderes Kraftwerk abgesichert sein, was bei der Photovoltaik ebenfalls nicht erforderlich ist.
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Kosten
Investitionen
Ein kWp schlsselfertig installierte Leistung einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage kostet derzeit (Inbetriebnahme 2007) bei groen Freiflchenanlagen ca. 3250 /kWp Netto, bei 4 kWp Dachanlagen je nach Montageaufwand zwischen 3900 /kWp bis 6000 /kWp Netto. Solch eine Anlage liefert in Sddeutschland nach dem aktuellen Stand der Technik einen Jahresertrag von ca. 850 bis 1.200 kWh, in Abhngigkeit von Zellentyp, Ausrichtung, Dachneigung, Sonneneinstrahlung und Temperatur: Das Wetter bietet nicht jedes Jahr die gleichen Einstrahlungswerte, in Simulationsrechnungen geht man von den gemittelten Werten der letzten zehn Jahre fr den jeweiligen Standort aus. Fr alle bei Photovoltaikanlagen entstehenden Kosten (Module, Wechselrichter, Installation, Wartung, Versicherung) sind generell nur die Nettopreise (ohne Mehrwertsteuer) zu betrachten, da der Betreiber einer solchen Anlage vom Finanzamt als Unternehmer betrachtet wird. Auch die im EEG genannten Einspeisevergtungen sind Nettovergtungen. Der Stromnetzbetreiber zahlt also zustzlich die Mehrwertsteuer (in Deutschland 2007: 19 %) aus und machte diese in der eigenen Steuererklrung steuermindernd als Vorsteuer geltend. Der Solaranlageneigentmer fhrt die erhaltene Mehrwertsteuer an das Finanzamt ab.
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Solarkollektor
Solarkollektor
Ein Sonnenkollektor oder auch Solarkollektor ist eine Vorrichtung zur Sammlung der im Sonnenlicht enthaltene Energie. Ein thermischer Solarkollektor heizt mit der eingefangenen Sonnenenergie ein bertragungsmedium (Heizwasser) auf, wobei nahezu das gesamte Strahlungsspektrum des Sonnenlichtes in thermischen Solaranlagen mit hohem Wirkungsgrad ausgenutzt wird. Zur Gewinnung von elektrischer Energie dienen Solarmodule in Photovoltaikanlagen.
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Prinzip des thermischen Sonnenkollektors
Thermische Sonnenkollektoren erreichen bei der Verwertung der Sonnenstrahlung relativ hohe Wirkungsgrade - typischerweise zwischen 60 und 75 %. In Europa fallen bei Sonnenschein je nach Jahreszeit und Sonnenstand zwischen 200 und 1000 W/m ein (siehe auch Solarkonstante). Funktional zentraler Bestandteil des Kollektors ist der Solarabsorber, der Lichtenergie der Sonne in Wrme umwandelt und diese an einen ihn durchflieenden Wrmetrger weitergibt. Mit Hilfe der Flssigkeit dieses Wrmetrgers wird die Wrme aus dem Kollektor abgefhrt (z.B. ber Wrmebertrager) und anschlieend gespeichert oder direkt als Prozesswrme verwendet. Um die unvermeidlichen Wrmeverluste zu reduzieren, ist eine gute Wrmedmmung (flschlicherweise oft als Isolierung bezeichnet) des Absorbers gegenber der Umgebung notwendig.
Nach der Dmmtechnik unterscheidet man
  • Flachkollektoren, die herkmmliches Dmmmaterial verwenden;
  • Vakuumrhrenkollektoren, die die Dmmung durch ein Vakuum erreichen, aber teurer in der Anschaffung sind; und
  • Vakuum-Flachkollektoren, d. h. flache Bauform, gutes Brutto/Netto-Flchenverhltnis und Vakuum-Dmmung.
  • Einfachabsorber, die als Niedertemperatur-Kollektoren zur Schwimmbaderwrmung verwendet werden: Sie bestehen meist aus Kunststoff und sind in der Regel berhaupt nicht zustzlich gedmmt.
  • Die einfachste Bauart ist ein dunkler, wassergefllter Behlter. Bei Sonnenschein erwrmen sich geeignete Behlter in wenigen Stunden bis fast zur Siedetemperatur, was im Sden seit Jahrhunderten genutzt wird. Sogar in Mitteleuropa kann ein gewhnlicher Gartenschlauch im Sommer Wassertemperaturen von ber 60 erreichen. Aus hygienischen und gesundheitlichen Grnden sollte man diese Technik nicht fr Trinkwasser anwenden.
  • Der Sonnenkollektor ist der zentrale Bestandteil einer thermischen Solaranlage, und wurde bis Anfang der Neunziger Jahre meist nur zur Warmwasserbereitung genutzt, zunehmend findet auch eine Verwendung der Energie in der Raumheizung statt. In Verbindung mit einem Niedrigenergiehaus und einem Saisonwrmespeicher kann die Raumheizung sogar vollstndig mittels Solarkollektoren erfolgen. Eine einfache Besonderheit ist der Thermosiphonkollektor, der fr Solaranlagen konzipiert ist, die ohne Pumpe nach dem Schwerkraft-Umlaufprinzip arbeiten: im Kollektor wird Wasser erwrmt und steigt nach oben, beim Abkhlen sinkt es wieder nach unten (Naturumlauf). Umgekehrt wie bei der dasselbe Prinzip nutzenden Schwerkraftheizung muss sich der Speicher daher oberhalb des Sonnenkollektors befinden. Der Thermosiphonkollektor hat hufig bereits einen Warmwasserspeicher integriert und stellt damit eine komplette einfache Solaranlage dar. Solche Anlagen sind vor allem in sdlichen Lndern (Griechenland, Trkei, Israel) auf vielen Dchern zu finden. Aufgrund geringer Wrmedmmung verlieren diese Speicher nachts und an khlen Tagen sehr schnell ihre Wrme. Die Thermosiphonanlage ist nicht zu verwechseln mit dem Thermosiphonspeicher, bei dem das Thermosiphon-Prinzip genutzt wird, um einen Warmwasserspeicher mit optimaler Temperaturschichtung solar zu beladen.
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Aufbauschema
Nebenstehendes Schema zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Flachkollektors mit den wichtigsten Bauteilen. Die durch eine Glasplatte einfallenden Sonnenstrahlen treffen auf einen Solarabsorber. Beim Auftreffen der Sonnenstrahlen wird nahezu der gesamte Spektralbereich des Lichtes absorbiert. Die dabei freiwerdende Wrme soll nicht verloren gehen, weshalb der Kollektor allseitig wrmegedmmt ist. Die konvektive Wrmeabgabe nach vorn wird durch eine oder zwei Glasscheiben verringert. Bei Vakuumkollektoren ist sie ganz unterbunden. Wrme, die aufgrund der Eigentemperatur des Absorbers von diesem durch Emission wieder abgestrahlt wird, kann grtenteils ebenfalls durch die Glasscheibe zurckgehalten werden, da Glas fr die hhere Wellenlnge nicht transparent ist (wellenlngenselektive Transparenz). Sie ist somit im Kollektor gefangen - das Strahlungsgleichgewicht fhrt zu einer hheren Temperatur als ohne Scheibe. Dies ist der Effekt, der oft mit Wrmefalle oder Treibhauseffekt (besser: Glashauseffekt) beschrieben wird. Bei modernen thermischen Solarkollektoren wird spezielles Solarglas verwendet. Der Absorber kann insbesondere bei Vakuumkollektoren eine wellenlngenselektive Absorption aufweisen, sodass einerseits eine hohe Absorption fr Sonnenlicht besteht und andererseits im Nahen Infrarot ein geringer Emissionsgrad vorliegt und dafr sorgt, dass weniger Wrmestrahlung emittiert wird. Der erhitzte Absorber bertrgt die Wrme auf die in fest mit dem Absorber verbundenen Kupfer- oder Aluminiumrohren flieende Wrmetrgerflssigkeit. Sie transportiert die Wrmeleistung zu einem Verbraucher oder einem Wrmespeicher. Es gibt Solaranlagen mit offenem Flssigkeitskreislauf, bei denen der Absorber direkt vom zu erwrmenden Wasser durchstrmt wird (vor allem bei Thermosiphonanlagen). In Regionen mit grerer Frostgefahr werden jedoch in der Regel getrennte Flssigkeitskreislufe verwendet. Dem in sich geschlossenen Solarkreislauf, auch als Primrkreislauf bezeichnet, wird dabei ein Stoff beigemengt, der den Gefrierpunkt herabsetzt oft ein Propylenglykol. Die Wrme wird dann ber einen Wrmebertrager auf das Wasser bertragen. In Vakkuumrhrenkollektoren wird die Isolierung durch einen evakuierten Raum innerhalb des Glases verbessert; wie in einer Thermoskanne kann Wrmeenergie nur durch Strahlung, nicht aber durch Konvektion oder Leitung wieder an die kltere Umgebung abgegeben werden. Um den Druckkrften standzuhalten, werden runde Glasrhren verwendet. Daneben gibt es noch einen halbkugelfrmiger Solarkollektor, der anders als Flachkollektoren die Sonne whrend ihres gesamten Umlaufs gut nutzen kann. Diplomingenieur Jannis Stefanakis ein auf Kreta geborener und in Mainz lebender Erfinder hat diese Kollektorform in Zusammenarbeit mit Dr. Thomas Stegmaier vom Institut fr Textil- und Verfahrenstechnik (ITV) im schwbischen Denkendorf, das an Dmmstoffen aus Textil arbeitet, entwickelt. Diese Bauform hat sich aber noch nicht am Markt etabliert.
Quelle: Wikipedia, Auszug aus dem Artikel: Sonnenkollektor. Eine Liste der Autoren finden Sie hier. Lizenz siehe Seitenende.
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Absorbertechnik
In der Solartechnik ist ein Solarabsorber, kurz auch einfach Absorber, ein Bestandteil eines thermischen Sonnenkollektors. Er dient zur Aufnahme (Absorption) der Energie verschiedener Strahlung der Sonne (siehe auch: elektromagnetische Welle). Die in Sonnenkollektoren enthaltenen Solarabsorber bestehen im Regelfall aus einem oder mehreren Absorberblechen aus Aluminium oder Kupfer. Untersttzt durch eine selektive Beschichtung erwrmt sich dieser Absorber im Sonnenlicht; diese Wrme wird durch einen den Absorber in Rhren durchstrmende Solarflssigkeit aufgenommen und so zu einer Nutzeinrichtung bzw. einem Wrmespeicher transportiert. Der Rest des Solarkollektors dient zur Wrmeisolierung des Absorbers (mittels Vakuum oder mittels geeigneter Isoliermaterialien), um Wrmeverluste zu vermeiden und eine hhere Arbeitstemperatur zu ermglichen. Im Handel wird der Begriff Solarabsorber dagegen vorrangig fr Einrichtungen verwendet, die zur preisgnstigen solaren Schwimmbadbeheizung verwendet werden und daher auch als Schwimmbadabsorber bezeichnet werden.
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Schwimmbadabsorber / Absorbermatten
Bei Schwimmbadabsorbern handelt es sich meist um Matten aus hitze- und UV-bestndigem schwarzem Kunststoff, die zum Beispiel auf den Dchern von Umkleidekabinen ausgelegt werden. In diese Matten sind Schluche eingebettet, durch die meist das Schwimmbadwasser direkt hindurchgepumpt wird (dadurch wird ein Wrmebertrager berflssig). Im Vergleich zu Flach- und Vakuumrhrenkollektoren erreichen solche Absorbermatten nur niedrige Temperaturen, erfllen aber dennoch ihren Zweck.
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Flchen- oder Plattenabsorber
Der Absorber hat die Form einer Platte (zum Beispiel im Flachkollektor), um bei mglichst kleinem Volumen der Sonne eine mglichst groe Oberflche zuwenden zu knnen. Dabei wird das Trgermedium in gngigen Systemen durch Kupferrohre gefhrt, auf welche die Kollektorplatte zur optimalen Wrmebertragung angeltet ist. Eine andere Bauform sind miteinander verltete profilierte Kupferplatten, deren Profilzwischenraum durch das Trgermedium direkt durchstrmt wird. Diese sogenannten Streifenabsorber werden aber immer seltener eingesetzt - vorwiegend in Selbstbaukollektoren oder wenn es um spezielle geometrische Flchen geht.
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Rhrenabsorber
Als Rhrenabsorber werden solche Bauweisen bezeichnet, bei denen das von der Wrmetrgerflssigkeit durchflossene Rohr selbst als Absorber dient bzw. nur durch verhltnismig schmale zustzliche seitliche Absorberflchen ergnzt wird. Solche Rhrenabsorber finden sich beispielsweise in bestimmten Bauformen von Vakuumrhrenkollektoren, bei denen die einzelnen Rhren nur ein einzelnes Rohr als Absorber enthalten, ggf. durch ein schmales angeltetes Kollektorblech ergnzt. Auch Schwimmbadabsorber (siehe oben) werden gelegentlich als Rhrenabsorber bezeichnet, wenn sie aus dicht nebeneinander laufenden Schluchen bestehen.
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Luftabsorber
Mglich ist auch die Verwendung von Luft als Wrmetrger. Man spricht dann von einem Luftkollektor. Die erhitzte Luft wird dann direkt in einen Wohnraum gepumpt und dient damit der Belftung als auch Heizung.
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Beschichtung
Um eine mglichst hohe Absorption der Sonnenenergie zu erreichen, ist die der Sonne zugewandte Oberflche des Absorbers entweder schwarz eingefrbt oder mit einer speziellen Beschichtung versehen, die selektiv wirkt, das heit die von auen kommende krzerwellige Sonnenenergie mglichst gut aufnimmt (Absorption) und die lngerwellige Wrmeenergie des Absorbers nur schlecht abgibt (Emission). Moderne Beschichtungen (z.B. eta plus, Tinox, sunselect und andere) haben meist eine blulich-schimmernde Farbe. Sie erreichen mit 91 bis 96 Prozent Absorption hnlich hohe Werte wie die frher berwiegend verwendete (schwarz schimmernde) Schwarzchrom-Beschichtung, jedoch zugleich deutlich niedrigere Emissionswerte, verlieren also weniger Wrme durch Abstrahlung. Dadurch erreichen sie insgesamt deutlich hhere Leistungswerte als nur schwarz lackierte Absorber, aber auch mess- und sprbar hhere Werte als schwarzchrom-beschichtete Absorber. Der Absorber soll direkte und diffuse Sonnenstrahlung mglichst gut auffangen und in Wrme umwandeln (Absorption). Zugleich soll er mglichst wenig Wrme wieder in Form von Strahlung abgeben (Emission). Technisch ausgedrckt: Er soll sich gegenber den jeweiligen charakteristischen Wellenlngen selektiv verhalten. Zudem muss er selber langfristig Hitze- und UV-bestndig sein. In heien Lndern werden hufig Absorber eingesetzt, die lediglich mit so genanntem Solarlack beschichtet sind. Dieser Solarlack ist sehr hitzebestndig und in der Regel schwarz, um so bestmgliche Absorptionswerte fr Sonnenstrahlung zu erreichen. Zugleich sind aber auch die Emissionswerte im mittleren Infrarot sehr hoch ein Teil der eingefangenen Wrme wird daher wieder abgestrahlt. Um die Energieverluste zu minimieren, wird daher eine sog. hoch-selektive Beschichtung der Kollektoren eingesetzt. Damit werden Absorptionswerte von ca. 94 % fr das Sonnenlicht (0,4...0,8 m Wellenlnge) und Emissionswerte von weniger als 6 % fr die aufgrund der Eigentemperatur des Absorbers re-emittierte Strahlung (Infrarot mit Wellenlngen um 7,5 m) erreicht. Erreicht wird dies mit einer Plasmakante. Eine der ersten Beschichtungen mit selektiver Absorption, die serienmig hergestellt werden konnte, war die so genannte Schwarzchrom-Beschichtung. Sie wurde in einem galvanischen Verfahren auf das aus Kupfer oder Aluminium bestehende Absorberblech aufgebracht. Sehr vereinfacht gesagt besteht sie aus mikroskopischen Chromhrchen, die das Sonnenlicht zwischen sich einfangen, jedoch aufgrund ihrer geringen Gre bei greren Wellenlngen wenig emittieren. Bis etwa 1997 war die Schwarzchrom-Beschichtung marktbeherrschend. Mittlerweile erlauben aber neuere Beschichtungen nicht nur hhere Wirkungsgrade, sondern gelten - vor allem wegen des Verzichts auf galvanische Prozesse - auch unter Produktions- und Recycling-Aspekten als umweltfreundlicher. Eine inzwischen nicht mehr auf dem Markt verfgbare Alternative zu Schwarzchrom war eine - ebenfalls galvanisch aufgebrachte - Nickelbeschichtung (Schwarznickel). Am verbreitetsten ist heute eine aufgesputterte Schicht auf Titanbasis mit blauer Farbe, die gegenber Schwarzchrom zwar leicht schlechtere Absorptionswerte aufweist, aber dafr deutlich niedrigere Emissionswerte und damit insgesamt einen besseren Wirkungsgrad erreicht. Die ersten serienreifen Beschichtungen dieser Art wurden in Form von Titan-Nitrit-Oxid-Beschichtungen in Deutschland entwickelt und von der Fa. TiNOX auf den Markt gebracht. Theoretisch sind bei dieser Beschichtung je nach Schichtaufbau auch andere Farben mglich; diese erreichen aber bisher keine vergleichbaren Leistungswerte. Eine weitere Entwicklung der spten 90-er Jahre ist die sunselect-Beschichtung des Glas- und Beschichtungsherstellers Interpane, eine Keramik-Metall-Struktur (vermutlich ebenfalls auf Titan-Basis), die wie die Titan-Nitrit-Oxid-Beschichtungen im Vakuum-Sputter-Verfahren aufgebracht wird und ebenfalls schwarzblulich schimmert. Beide Beschichtungen lassen sich bisher nur auf Absorberblechen aus Kupfer aufbringen; entsprechende Techniken fr Aluminiumabsorber sind erst seit kurzem auf dem Markt. Auch diese Aluminiumabsorber verwenden jedoch zur Wrmeabfhrung mittels der Solarflssigkeit (siehe dazu Thermische Solaranlage) eine Verrohrung aus Kupfer, die per Laser-Schweiverfahren mit dem Absorber verbunden wird. Neben der Beschichtung unterscheiden sich Absorber verschiedener Hersteller auch in ihrem prinzipiellen Aufbau. Hufig sind Vollflchenabsorber, die aus einem einzigen Absorberblech bestehen, anzutreffen. Die Verrohrung ist bei diesen serpentinen- bzw. manderartig oder in Harfenform auf der Rckseite aufgeltet oder -geschweit. Daneben gibt es Streifenabsorber, die aus einzelnen Finnen bestehen, etwa 10-15 cm schmalen Streifen, auf deren Rckseite jeweils ein dnnes Rohr aufgeschweit ist. Die Finnen werden dann an beiden Enden in ein Sammelrohr eingeltet, so dass eine Art Harfe entsteht. Eine dritte Bauform sind die Kissenabsorber. Wie Vollflchenabsorber bestehen sie aus einem einzigen durchgehenden Absorberblech, auf das aber rckseitig statt einer Rohrleitung ein pressgeformtes zweites Blech aufgebracht ist. Die Wrmetrgerflssigkeit strmt zwischen diesen beiden Blechen. Grundstzlich weisen Vollflchenabsorber die besten Leistungswerte auf. Da anfangs die Hersteller der neuen hochselektiven Beschichtung nur Kupferbleche verarbeiten konnten, die eine bestimmte Breite nicht berschritten, werden vor allem in lteren Kollektormodellen noch berwiegend Absorberfinnen eingesetzt. Inzwischen sind Absorberbleche in Breiten bis 1200 mm erhltlich, was eine groe Flexibilitt in der Absorbergeometrie ermglicht. Im Unterschied dazu erlauben Absorberfinnen ausschlielich die Verrohrung in Harfenform, andererseits lassen Finnen auf einfacherem Wege Anpassungen an die Dachform zu (mageschneiderte Kollektoren).
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Erfinder
Das Prinzip der Solarthermie wird seit langem angewandt: Brenn- und Hohlspiegel gab es schon in der Antike. Die Verwendung von Sonnenenergie geht auf den griechischen Mathematiker und Erfinder Archimedes von Syrakus (285-212 v. Chr.) zurck, der angeblich mit Hilfe von Brennspiegeln die rmische Flotte in Brand setzte. Im 18. Jahrhundert erfand der Naturforscher Horace-Bndict de Saussure die Vorlufer der heutigen Solar-Kollektoren. Er baute im 18. Jahrhundert einen einfachen Holzkasten mit schwarzem Boden und Glasabdeckung. Mit diesem ersten Sonnenkollektor erreichte er eine Temperatur von 87C. Mitte des 19. Jahrhunderts entwickelte der Franzose Augustin Mouchot die Solarkollektoren de Saussures weiter und kombinierte sie mit Brennspiegeln. 1878 stellte er auf der Pariser Weltausstellung eine Solar-Dampfmaschine vor. Er schlug vor, mit Hilfe dieser Dampfmaschinen die Sonnenenergie in Elektrizitt umzuwandeln.
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Einsatzbereiche: Haushalt bis Industrie
Die bekannteste und hufigste Anwendung der aus Sonnenenergie gewonnenen Hitze ist die Warmwasserbereitung im Haushalt. Bei geeigneter Auslegung von Kollektorflche und Speichervolumen reicht sie in Mitteleuropa whrend des gesamten Sommerhalbjahres zum Waschen und Baden. Theoretisch kann die Solarwrme auch das ganze Jahr ber den Bedarf eines Haushalts decken, allerdings wird dann die Anlage sehr viel grer und liefert im Sommer sehr viel mehr Wrme, als genutzt werden kann. Der Wirkungsgrad solch einer Anlage wird dadurch erheblich verschlechtert, und die hohen Investitionskosten fr diese berdimensionierung werden nicht durch das eingesparte Gas, l oder Strom kompensiert - soll heien: eine solche Anlage wre unrentabel. Wirtschaftlich ausgelegte Anlagen knnen allerdings im Winterhalbjahr die zustzliche konventionelle Wrmequelle immerhin noch zu einem hohen Prozentanteil ersetzen. Der Anteil einer solchen Anlage an der Warmwasserbereitstellung liegt ber das Jahr gesehen i. d. R. zwischen 30% und 100%. Die ersten groflchigen Anwendungen waren seit der Energiekrise der 1970er-Jahre die Beheizung von ffentlichen und zunehmend auch privaten Schwimmbdern. Ein weiterer Aufschwung in der Verbreitung der Warmwasserkollektoren in Deutschland wurde nicht zuletzt durch verschiedene Frderprogramme des Bundes und der Lnder erreicht. Auch Industriebetriebe nutzen die Sonnenenergie seit langem als Beitrag zur Prozessenergie im Niedrigtemperaturbereich. So ist u. a. das Anwrmen von Biomassekulturen - etwa zur Erzeugung von Biogas - lngst zur Marktreife gediehen. Werden hhere Verfahrenstemperaturen bentigt, ist mit der herkmmlichen Technik allerdings nur eine Vorwrmung der Wrmetrger mglich. Aktuell entwickelte konzentrierende Solaranlagen (Parabolrinnentechnik) ffnen hier der Solartechnik im nchsten Jahrzehnt ein weiteres, groes Marktpotential. Bindet man die Solarwrme nicht nur im Warmwasser- sondern auch im Raumheizungsbedarf ein, so sind grere Kollektoranlagen sinnvoll. Bei Standardheizungen kann sie im Jahresschnitt bis zu einigen Zehnerprozenten zur Heizenergie beitragen und daher die Heizkosten merklich senken. Setzt man - etwas anspruchsvoller - in der Haustechnik auch einen Saisonwrmespeicher ein, ist es sogar mglich, im Sommerhalbjahr so viel Wrme zu speichern, dass ein Niedrigenergiehaus whrend normaler Winter komplett ohne fossile Zusatzheizung auskommt. Derartige Saisonwrmespeicher bestehen im einfachsten Fall aus einer ausreichend groen Menge Wasser oder Kies (ca. 20 Tonnen), die in der Mitte des Hauses oder darunter untergebracht sind. Eine Amortisation der Solaranlage fr den Warmwasserbereich ist bei gnstiger Auslegung, vernnftigem Nutzerverhalten und unter Einbeziehung der mglichen Frdergelder, aber objektiver Bercksichtigung der aktuellen und absehbaren Wrmeentstehungskosten (Gas/l) schon ab 8 Jahren mglich. Die von den Herstellern ausgelegte Mindestlebensdauer eines Sonnenkollektors ist mit 20 Jahren deutlich lnger. Lngere Amortisationszeitrume ber 16 Jahre sind i. d. R. die Folge unsachgemer Planung und mangelhafter Nutzung der Anlage. Um auch an bewlkten und regnerischen Tagen gengend Warmwasser sicherzustellen, ist in der Thermischen Solaranlage ein spezieller Warmwasserspeicher mit Wrmetauscherfunktion eingebaut, der fr einzelne Haushalte - je nach Personenanzahl (Familiengre) und Nutzungsverhalten - von etwa 300 bis 1500 Liter Wasserfllung reicht. Bei greren Wohneinheiten, Krankenhusern, Hotels, etc., die wegen der Gre und der deutlich kontinuierlicheren Nutzung, relativ gnstige Amortisationszeitrume haben knnen, kommen oft angepasste Industriespeicher zum Einsatz. In blichen Speichern heizt der Solarkreislauf nur die untere Hlfte des Boilers auf, der dann aber wegen der Konvektion vollstndig bis auf die maximal zulssige Temperatur (bis 95 C) erwrmt wird. Um einen hheren Wrmebedarf oder bei bedecktem Himmel mangelnde Wrme aus dem Kollektor zu kompensieren, ist im Warmwasserspeicher entweder eine zustzliche stromgespeiste Wrmequelle (Heizstab) integriert, oder der Speicher ist ber einen weiteren eingebauten Wrmetauscher mit dem Heizkessel des Hauses verbunden. Von den thermischen Sonnenkollektoren zu unterscheiden sind die Solarzellen bzw. Solarmodule, die Sonnenenergie in elektrische Energie umwandeln (Photovoltaik).
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konomische Betrachtungsweise
  • Solarkollektoren knnen nur dann Strahlungsenergie in Wrme umwandeln, wenn die Strahlung auf die Absorberflche trifft.
  • Um Wasser in einem Wrmespeicher von 40C auf 60C aufzuheizen, muss das Wasser durch den Kollektor auf mindestens 65C aufgeheizt werden. Wird der Solarkollektor nur zum Vorwrmen des Wrmespeichers benutzt, ist das Temperaturniveau tiefer: Die Verluste sind dadurch geringer und der Wirkungsgrad steigt.
  • Wrmedmmung verzgert lediglich den Wrmeausgleich zwischen zwei Medien.
  • Der Zweck und die Auslegung der Anlage sind fr den Ausnutzungsgrad, den Wirkungsgrad und damit fr die Wirtschaftlichkeit entscheidend.
Diese Punkte haben enormes Gewicht in der konomischen Betrachtungsweise von Solarkollektoren. Dort steht in erster Linie die Frage im Vordergrund: "Wie rechtfertige ich zum jetzigen Zeitpunkt die gettigte Investition". So werden konomen versuchen, die Solaranlage voll auszunutzen und mglichst wenig Leerlaufzeiten entstehen zu lassen. Fr die Wassererwrmung beispielsweise muss vorher der tglich zu erwartende Warmwasserbedarf bekannt sein. Hierbei ist es gnstig, die Anlage auf ungefhr 70% des Energiebedarfes auszulegen. Dies liegt an dem jahreszeitlich unterschiedlichen Energieangebot. Legt man die Anlage im Winter auf 100% Energieausbeute aus, so erzeugt man im Sommer ein berangebot, welches nicht genutzt werden kann; man lsst einen Teil der Kollektorflche Sonnenenergie ungenutzt umwandeln und hat somit in Kollektorflche investiert, die nur im Winter erwirtschaftet. Vergrert man den Speicher, um die gesamte umgewandelte Sonnenenergie zu speichern, so riskiert man hhere Wrmeverluste, da man die Wrme in normalen gedmmten Wrmespeichern nur zeitlich begrenzt speichern kann. Sowohl in der konomischen als auch in der kologischen Betrachtungsweise ist es also fast immer sinnvoll, ein Hybridsystem mit dem Sonnenkollektor als ergnzende Energiequelle zu installieren. Hier wre aus kologischen Geschichtspunkten ein Kessel zur Verbrennung nachwachsender Brennstoffe als zweite Energiequelle sinnvoll, da keine fossilen Brennstoffe verbrannt werden. Mglich ist ein Holzkessel oder ein Holzpelletkessel. Alternativ knnen Saisonspeicher eingesetzt werden, welche gro genug sind, um den berschuss im Sommer bis in den Winter speichern zu knnen.
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bersetzung:
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