Die Kraft der Sonne
Die Kraft der Sonne

Die Sonne ist die Grundlage aller Lebensprozesse auf der Erde. Außer der Kernenergie und der Erdwärme sind alle heute gebräuchlichen Energiearten eine direkte oder indirekte Nutzung der Sonnenenergie.

Bei fossilen Brennstoffen wie z.B. Öl und Gas, oder bei Biomasse wie Holz, handelt es sich um seit Millionen Jahren gespeicherte Sonnenenergie. Da diese Energiequellen in naher Zukunft aufgebraucht sein werden, muß die Menschheit möglichst bald über neue Energiequellen verfügen.

Hier liegt es nahe, die Sonnenenergie zu nutzen. Jährlich trifft etwa das 20.000fache der benötigten Weltjahresenergie in Form von Sonnenenergie auf die Erdoberfläche.

Das bedeutet, daß täglich 50 mal mehr Energie von der Sonne auf die Erde gestrahlt wird, als die Menschheit in einem Jahr verbraucht. Das ist nur ein 0,5 Milliardstel der gesamten von der Sonne abgegebenen Energie. Eine der interessantesten Methoden die Sonnenenergie direkt zu nutzen, ist die Erzeugung von elektrischer Energie mittels Solarzellen. Diese Technik gibt es seit etwa 30 Jahren.

Die Sonne ist eine glühende Gaskugel mit einem Durchmesser von 1,39 Millionen km. Zum Vergleich: Die Erde hat einen Durchmesser von 12760 km. Der Durchmesser der Sonne ist damit 109 mal größer, als der der Erde. Die Entfernung zwischen Sonne und Erde beträgt 150 Millionen km. Das Licht benötigt acht Minuten um diese Entfernung zurückzulegen.

Die Sonne besteht zu 75% aus Wasserstoff, zu 23% aus Helium und zu 2% aus anderen Elementen. Auf ihrer Oberfläche herrschen Temperaturen von ca. 5700 °C. Bei der ständigen Kernfusion werden Wasserstoffatome in Helium umgewandelt. Die dabei frei werdende Energie wird als Licht- und Wärmestrahlung an den Weltraum abgegeben. In jeder Sekunde werden vier Millionen Tonnen Material in Energie umgewandelt.

Die Sonnenstrahlung
Die Sonnenstrahlung setzt sich aus Strahlungen verschiedener Wellenlängen bzw. Frequenzen zusammen. Diese sind für das menschliche Auge nur zum Teil sichtbar. Die sichtbare Strahlung erzeugt das bekannte Regenbogenspektrum. Weiterhin gibt es Infrarot- (IR)- und Ultraviolett- (UV)- Strahlung.
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Addiert man diese Leistungen, so erhält man die sogenannte Solarkonstante=1353 W/m². Auf der Erdoberfläche beträgt die Maximalleistung der Sonneneinstrahlung noch etwa 1000 W/m².

Bedingungen auf der Erde
Auf der Erde wird zwischen zwei verschiedenen Maßstäben für die Sonnenstrahlung unterschieden:

• die Anzahl der Sonnenscheinstunden pro Tag, Monat und Jahr
• die Globalstrahlung

Eine Sonnenscheinstunde ist definiert als eine Stunde direkter Strahlung von mindestens 200 W/m². Direkte Strahlung ist diejenige Strahlung, die Schatten wirft. In Deutschland beträgt die Sonnenscheindauer etwa 1400 bis 2000 Stunden pro Jahr. Diese Zahlen schwanken je nach Ort erheblich. Für photovoltaische Systeme ist aber nicht nur direkte Sonnenstrahlung nutzbar, sondern auch diffuse Strahlung. Aus der Addition dieser beiden Größen ergibt sich die Globalstrahlung .

Die diffuse Strahlung setzt sich aus der Reflexionsstrahlung und der Himmelsstrahlung zusammen.

Schaltungsmöglichkeiten

Da die Ausgangsspannung einzelner Solarzellen normalerweise zu niedrig ist um Verbraucher zu betreiben, schaltet man ausreichend viele Einzelzellen zu Modulen zusammen. Hier besteht sowohl die Möglichkeit der Reihen- als auch der Parallelschaltung. Durch Parallelschalten von Solarzellen addieren sich die einzelnen Ströme zum Gesamtstrom. Die parallel geschalteten Solarzellen sollten alle die gleichen physikalischen Parameter haben. In der Praxis ist das Parallelschalten nicht sehr verbreitet, da eine einzelne Solarzelle bereits einen Strom von über 4 A liefern kann.

Fast immer werden Solarzellen bei der Verschaltung zu Modulen in Reihe geschaltet. Eine einzelne Solarzelle liefert unter Last eine Spannung von etwa 0,45 V. Es ist üblich, Module aus 36, 54 und 108 Solarzellen zusammenzusetzen. Diese liefern dann unter Last Spannungen von 17 V, 25 V und 50 V. Diese Spannungen eignen sich auch um gängige Akkumulatoren zu laden.

Wie bereits erwähnt, werden Solarzellen in der Regel in Reihe zu Modulen zusammen geschaltet. Unter der Voraussetzung, daß die verwendeten Solarzellen weitgehend gleiche elektrische Parameter haben, und daß die Module sauber sind sowie gleichmäßig bestrahlt werden, trägt jede einzelne Zelle zu gleichen Teilen zur Gesamtleistung des Moduls bei.

Wechselrichter
In den vorangegangenen Blockschaltbildern sind jeweils Wechselrichter erforderlich. Sie spielen in photovoltaischen Systemen eine bedeutende Rolle. Sofern man die Versorgung eines Hausstromnetzes mit Energie aus Solarzellen anstrebt, müssen Wechselrichter eingesetzt werden. In Hausnetzen ist Wechselstrom üblich, aber Solarzellen erzeugen ausschließlich Gleichstrom. In der Photovoltaik haben Wechselrichter die Aufgabe, aus dem vom Solargenerator erzeugten Gleichstrom einen im Idealfall sinusförmigen Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hz zu erzeugen.

In der Vergangenheit wurde eine Reihe sehr unterschiedlicher Bauarten von Wechselrichtern entwickelt. Im Rahmen dieser Arbeit soll hier nur kurz auf zwei mögliche Bauarten eingegangen werden. Es lassen sich grundsätzlich folgende Anforderungen an Wechselrichter festlegen:

• Sie sollen immer optimal an die Solarmodule angepaßt sein. Angestrebt wird der Betrieb der Solargeneratoren im Maximum-Power-Point (MPP).
• Sie sollen möglichst verlustfrei arbeiten, also einen möglichst hohen Wirkungsgrad haben. Hier ergeben sich häufig Probleme, denn Wechselrichter müssen in vielen Fällen große Leistungsbereiche abdecken und auch im Teillastbereich mit einem möglichst guten Wirkungsgrad arbeiten.
• Für den Netzparallelbetrieb müssen sie die Bedingungen der Energieversorgungs-unternehmen (EVU) erfüllen.

Man unterscheidet selbstgeführte und netzgeführte Wechselrichter. Selbstgeführte Wechselrichter erzeugen die Frequenz ihrer Ausgangsspannung selbst. Netzgeführte Wechselrichter dagegen übernehmen die Netzfrequenz bzw. werden von ihr gesteuert. Es liegt auf der Hand, daß netzgeführte Wechselrichter nur für Systeme mit Netzankopplung in Frage kommen. Im Inselbetrieb steht kein Netz zur Verfügung, folglich können dort nur selbstgeführte Wechselrichter eingesetzt werden.

Wechselrichter unterscheiden sich auch bezüglich ihrer möglichen Eingangsspannungen stark. Diese kann im Bereich von 10 V bis 30 V für kleine Wechselrichter und im Bereich von 350 V bis 600 V für größere Systeme liegen. Mit den kleinen Wechselrichtern ist es möglich ein bis zwei gängige Solarmodule zu betreiben. Die größeren Wechselrichter erfordern schon wegen der hohen Eingangsspannung die Reihenschaltung mehrerer Module. Sie finden Verwendung in Systemen im kW-Bereich.

Es ist nun aber keineswegs so, daß Anlagen mit einer Nennleistung von einigen kW immer nur einen, dafür aber leistungsstarken Wechselrichter haben. Es gibt eher einen Trend zu mehreren kleinen Wechselrichtern. Der Einsatz von vielen kleinen Wechselrichtern, die jeweils nur mit wenigen Solarmodulen zusammengeschaltet sind, unterstreicht die Modularität photovoltaischer Systeme. Voraussetzung für einen hohen Systemwirkungsgrad ist die optimale Anpassung der Wechselrichter an die Solarmodule, am besten wäre immer der Betrieb im Maximum-Power-Point. Diese Anpassung läßt sich leichter vornehmen, wenn Solarmodule und Wechselrichter als Einheit konzipiert werden. Ein weiterer Vorteil der Modularität besteht in der einfachen Erweiterbarkeit eines solchen Systems. Hinsichtlich des Preises ergeben sich natürlich ebenfalls Vorteile, wenn gewisse "Standardkombinationen" von Solarmodulen und Wechselrichtern in großer Zahl auf dem Markt verfügbar sind.