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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Photovoltaik-Elemente. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen Geräte zur direkten Umwandlung von Licht oder Sonnenenergie in Elektrizität werden Fotozellen genannt (auf Englisch Photovoltaik, aus dem griechischen Fotos – Licht und dem Namen der Einheit der elektromotorischen Kraft – Volt). Die Umwandlung von Sonnenlicht in Strom erfolgt in Photovoltaikzellen aus einem Halbleitermaterial wie Silizium, die bei Sonneneinstrahlung einen elektrischen Strom erzeugen.
Durch die Verbindung von Photovoltaikzellen zu Modulen und diese wiederum untereinander ist der Bau großer Photovoltaikanlagen möglich. Die bisher größte Anlage dieser Art ist die 5-Megawatt-Anlage Carris Plain im US-Bundesstaat Kalifornien. Der Wirkungsgrad von Photovoltaikanlagen liegt derzeit bei etwa 10 %, einzelne Photovoltaikzellen können jedoch einen Wirkungsgrad von 20 % und mehr erreichen. Geschichte Die Geschichte der Photovoltaikzellen reicht bis ins Jahr 1839 zurück, als der französische Physiker Edmond Becquerel den photovoltaischen Effekt entdeckte. Es folgten weitere Entdeckungen:
Photovoltaikmarkt Die aktuelle Marktlage für Photovoltaikzellen zeichnet sich durch ein relativ stabiles Wachstum von etwa 20 % pro Jahr aus, die Produktionsmengen von Photozellen bleiben jedoch recht gering. Die weltweite Modulproduktion betrug 1998 etwa 125 MW, während der Preis von 50 US-Dollar/Watt im Jahr 1 auf 1976 US-Dollar/Watt im Jahr 5 sank. Allerdings ist eine Kilowattstunde Strom, der durch eine Photovoltaikanlage erzeugt wird, immer noch drei- bis zehnmal teurer als herkömmlicher Strom ( je nach Standort und Art der Anlage). Somit besetzt der Solarzellenmarkt immer noch eine kleine Nische in der Weltwirtschaft. In den Marktsegmenten, in denen Solarzellen konkurrenzfähig sind, beispielsweise in autonomen Systemen abseits des Stromnetzes, wächst sie jedoch weiterhin stetig. In vielen Regionen der Welt sind Fortschritte spürbar. Die japanische Regierung investiert jährlich 250 Millionen US-Dollar, um die Produktionskapazität von 40 MW (1997) auf 190 MW (2000) zu erhöhen. Die europäischen Länder verfolgen ihre eigenen Programme, angetrieben von der Notwendigkeit der Energieunabhängigkeit und Umweltaspekten. Diese Programme haben in Kombination mit Umweltthemen wie dem Klimawandel das Potenzial, die Entwicklung dieser Branche erheblich zu beschleunigen. Shell Solar hat die größte Solarzellenanlage Deutschlands mit einer Jahresleistung von 10 MW gebaut, die auf 25 MW gesteigert werden soll. Die Kosten für den Bau der Anlage betragen 50 Millionen Deutsche Mark. Vorteile Hohe Zuverlässigkeit Photovoltaikzellen wurden für den Einsatz im Weltraum entwickelt, wo Reparaturen entweder zu teuer oder unmöglich sind. Bisher sind Photovoltaikzellen die Energiequelle für fast alle Satelliten in der Erdumlaufbahn, da sie störungsfrei arbeiten und nahezu wartungsfrei sind. Niedrige Betriebskosten Solarzellen werden mit kostenlosem Brennstoff betrieben – Sonnenenergie. Da sie keine beweglichen Teile haben, sind sie wartungsarm. Kostengünstige Photovoltaikanlagen sind eine ideale Stromquelle für Kommunikationsstationen in den Bergen, Navigationsbojen auf See und andere Verbraucher, die weit entfernt von Stromleitungen liegen. Umweltfreundlich Da Photovoltaikanlagen keinen Brennstoff verbrennen und keine beweglichen Teile haben, sind sie leise und sauber. Diese Funktion ist äußerst nützlich, wenn Dieselgeneratoren und Petroleumlampen die einzige Alternative zur Licht- und Stromgewinnung sind. Modularität Die Photovoltaikanlage kann auf jede beliebige Größe gebracht werden. Der Besitzer einer solchen Anlage kann diese erhöhen oder verringern, wenn sich sein Strombedarf ändert. Wenn der Energieverbrauch und die finanziellen Möglichkeiten steigen, kann der Hausbesitzer alle paar Jahre Module hinzufügen. Mithilfe mobiler Pumpsysteme können Landwirte Nutztiere mit Trinkwasser versorgen. Niedrige Baukosten Photovoltaikanlagen befinden sich in der Regel in der Nähe des Verbrauchers, wodurch Stromleitungen nicht wie beim Anschluss an Stromleitungen über weite Strecken gezogen werden müssen. Darüber hinaus ist kein Abwärtstransformator erforderlich. Weniger Kabel bedeuten geringere Kosten und eine kürzere Installationszeit. Die Kosten für Strom, der von einer Photovoltaikanlage erzeugt wird Viele kleine Photovoltaikanlagen, die ein paar Glühbirnen und einen Fernseher mit Strom versorgen, sind deutlich günstiger als die Alternative, die Stromleitung zu verlängern, Einwegbatterien auszutauschen und zu entsorgen oder einen Dieselgenerator zu verwenden. Die Kosten für Strom, der in großen Anlagen erzeugt wird, die ein Wohngebäude mit Strom versorgen können, werden in den Kosten für eine kWh ausgedrückt. Dies hängt von den Anschaffungskosten des Systems, den Bedingungen des Darlehens (zur Rückzahlung der Anschaffungskosten), den Betriebskosten des Systems, seiner erwarteten Lebensdauer und der Gesamteffizienz ab. Bei typischen Kreditzinsen und einer durchschnittlichen Lebensdauer lagen die Kosten für Solarstrom in den USA im Jahr 1998 zwischen 20 und 50 Cent pro kWh. PV-Anlagenbereich Die gängigsten Module (kristallines Silizium) erzeugen 100-120 Watt pro Quadratmeter (W/m2). Somit produziert ein Modul von einem Quadratmeter genug Strom, um eine 100-Watt-Glühbirne zu betreiben. Im industriellen Maßstab könnte eine Photovoltaikanlage auf einem quadratischen Grundstück mit einer Seitenlänge von etwa 160 km die gesamten Vereinigten Staaten mit Strom versorgen. Die beste Lösung besteht jedoch darin, die Photovoltaikmodule auf Gebäudedächern zu platzieren oder in Fassadenwände zu integrieren. Dies ist eine günstigere Variante, da dadurch Baumaterial eingespart wird.
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