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24-10-2012 | Bauphysik | Schwerpunkt | Article

Solarthermie und/oder Photovoltaik?

Author: Annette Galinski

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Zur Nutzung solarer Energie stehen unterschiedliche Systeme zur Verfügung. Während solarthermische Anlagen Wärmenergie für Trinkwasser und Heizung produzieren, liefern Photovoltaikanlagen Strom. Wie funktionieren diese Systeme und welchen Ertrag bringen sie ein?

Sonnenenergie nutzen

Bereits vor Tausenden von Jahren haben Menschen die Energie der Sonne für sich genutzt. In der Antike um 800 v. Chr. beispielsweise wurden über einen einfachen Solarspiegel die Lichtstrahlen der Sonne umgelenkt und damit Räume erhellt sowie Wasser erwärmt.  

Solarthermie

Die Solarthermie nutzt das Naturgesetz des photothermischen Effekts, d. h. kurzwellige Strahlung wandelt sich bei der Absorption zu langwelliger Wärmestrahlung. Die Energie der Sonnenstrahlung wird dabei zu thermischer Energie. Das Herzstück der Anlage ist der Kollektor mit einem selektiv beschichteten Absorber. Um den größtmöglichen Absorptionsgrad zu erzielen, sind diese Oberflächen idealerweise dunkelblau bis schwarz. Als Wärmeträgermedium dient meist ein Wasser-Glykol-Gemisch, das durch die Rohrleitungen zwischen Kollektor und Warmwasserspeicher zirkuliert. 

Als Kollektortypen stehen zur Verfügung:

  • Flachkollektor,
  • Vakuum-Flachkollektor,
  • Luftkollektor und
  • Vakuum-Röhrenkollektor. 

Der meistverwendete Kollektortyp ist der Flachkollektor. Hier wird der Absorber auf der sonnenabgewandten Seite mit einer Wärmedämmung versehen, die die thermischen Verluste minimiert. Auf der sonnenzugewandten Seite befindet sich eine transparente und reflexionsarme Abdeckung mit einem hohem Energiedurchlassgrad. Die in unseren Breiten jährlich erzeugte Energie schwankt bei Flachkollektoren je nach Fabrikat zwischen 300 und 550 kWh pro m² Kollektorfläche.

Deutlich höher liegt der Energieertrag (und auch der Preis) bei Vakuum-Röhrenkollektoren: 500 bis 800 kWh pro m² Kollektorfläche. Solarkollektoren sind auf eine Lebensdauer von 20 bis 30 Jahren ausgelegt. 

Photovoltaik

Unter dem Begriff Photovoltaik (PV) versteht man die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie mittels Solarzellen. Eine PV-Anlage zur Umwandlung der Energie und Nutzung bzw. Einspeisung besteht aus folgenden Komponenten: PV-Module, Verkabelung, Wechselrichter und Einspeisezähler. Das PV-Modul als Kern der Anlage setzt sich aus einzelnen verschalteten Solarzellen zusammen, die sich nach ihrer Struktur und den verwendeten Basismaterialien in verschiedene Kategorien einteilen: 

  • Kristalline Siliziumzellen (mono- oder polykristallin)

  • Dünnschichtsolarzellen (Silizium oder Verbindungshalbleiter)

  • Nanosolarzellen ((an)organische Halbleiter). 

In den Solarzellen (meist aus Silizium), werden unter Zufuhr von Licht oder Wärme positive und negative Ladungsträger freigesetzt und so Gleichstrom erzeugt, der direkt Motoren antreiben oder Akkus aufladen kann. Soll die Sonnenenergie auch zum Betrieb von Verbrauchern mit 230 Volt Wechselspannung genutzt oder ins öffentliche Netz eingespeist werden, kommt der Wechselrichter zum Einsatz und bezeichnet sich als netzgekoppelte PV-Anlage. Dem gegenüber stehen netzunabhängige PV-Anlagen – sogenannte Inselanlagen -, die für autarke Bereiche wie Ferienhäuser, Berghütten oder abseits gelegene Infrastruktureinrichtungen eignen. 

In den letzten Jahren wurde die Technik rasant weiterentwickelt, sodass inzwischen vielfältige Produkte auf dem Markt sind. Wesentliche Unterschiede liegen dabei im Bereich der PV-Zellen, der Modulart und der Befestigung. 

Eine PV-Anlage mit einer Spitzenleistung von 1 kW Peak (1 kWp) produziert bei der durchschnittlichen Sonneneinstrahlung in Deutschland rund 1.000 kWh Strom pro Jahr und benötigt eine Fläche von maximal 10 Quadratmetern (je nach System). 

Kosten, Leistung und Ertrag

Die Kosten einer Solaranlage bilden zusammen mit den Leistungsdaten und der zu erwartenden Einspeisevergütung die zentralen Entscheidungskriterien für eine Investition in Solarthermie bzw. Photovoltaik. Als Grundlage der Nennleistung der Solaranlage wird die Größe der Dachfläche und die Art des Daches herangezogen. Da bei Flachdächern eine Aufständerung notwendig ist, können weniger Module verbaut werden. Die Einspeisevergütung wird monatlich geändert und hängt von der Anzahl der in Deutschland installierten Anlagen ab.

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