Anwendung von Photovoltaik

Die Solar-PV ist eine Energiequelle, die Strom aus erneuerbaren Quellen erzeugt, der direkt aus der Sonnenstrahlung von einem Halbleiter-Gerät namens Photovoltaikzelle gewonnen wird. Diese Art von Energie wird hauptsächlich zur Erzeugung von Strom in großem Umfang über Verteilungsnetze verwendet, ermöglicht aber auch die Versorgung unzähliger Anwendungen und autonomer Geräte sowie die Versorgung von Berghütten oder isolierten Häusern aus dem Stromnetz. Aufgrund der wachsenden Nachfrage nach erneuerbaren Energien ist die Herstellung von Solarzellen und Photovoltaikanlagen in den letzten Jahren stark vorangekommen. Sie begannen mit der Massenproduktion im Jahr 2000, als Umweltaktivisten aus Deutschland und Eurosolar die Finanzierung für die Schaffung von zehn Millionen Solardächern sicherten.

Die photovoltaische Energie emittiert während ihres Betriebs keine Verschmutzung, was dazu beiträgt, die Emission von Treibhausgasen zu vermeiden. Sein Hauptnachteil ist, dass seine Produktion von der Sonnenstrahlung abhängt. Wenn also die Zelle nicht senkrecht zur Sonne ausgerichtet ist, verliert man zwischen 10-25% der einfallenden Energie. Infolgedessen wurde die Verwendung von Solar-Trackern in Netzwerkverbindungsanlagen popularisiert, um die Energieproduktion zu maximieren. Die Produktion wird auch durch widrige Witterungsbedingungen beeinflusst, wie z. B. fehlende Sonne, Wolken oder Schmutz, der sich auf den Platten ablagert. Dies bedeutet, dass es zur Gewährleistung der Stromversorgung erforderlich ist, diese Energie durch andere überschaubare Energiequellen wie Kraftwerke, die auf der Verbrennung fossiler Brennstoffe, Wasserkraft oder Kernenergie basieren, zu ergänzen.

Dank des technologischen Fortschritts, der Raffinesse und der Größenvorteile sind die Kosten für die photovoltaische Solarenergie seit dem Bau der ersten kommerziellen Solarzellen stetig gesunken, was die Effizienz der Stromerzeugung erhöht wachsende Anzahl von geographischen Regionen, Netzwerkparität zu erreichen. Derzeit liegen die Kosten für den in Solaranlagen erzeugten Strom in Europa, China, Indien, Südafrika und den Vereinigten Staaten zwischen 0,05-0,10 $ / kWh. Im Jahr 2015 wurden neue Rekorde bei Projekten in den Vereinigten Arabischen Emiraten (0,0584 $ / kWh), Peru (0,048 $ / kWh) und Mexiko (0,048 $ / kWh) erreicht. Im Mai 2016 erreichte eine Solarauktion in Dubai einen Preis von 0,03 $ / kWh.

Anwendungen der photovoltaischen Solarenergie

Die großindustrielle Produktion von Photovoltaik-Modulen begann in den 1980er Jahren, und unter ihren vielen Anwendungen kann hervorgehoben werden:

Telekommunikation und Signalgebung
Photovoltaische Solarenergie ist ideal für Telekommunikationsanwendungen, einschließlich derer, die zum Beispiel lokale Stationstelefonie, Antennen von Radio und Fernsehen, Relaisstationen, Mikrowellen und andere elektronische Kommunikationsverbindungen finden. Dies liegt daran, dass in den meisten Telekommunikationsanwendungen Speicherbatterien verwendet werden und die elektrische Installation normalerweise in Gleichstrom (DC) ausgeführt wird. In hügeligem und bergigem Gelände können Radio- und Fernsehsignale durch hügeliges Gelände gestört oder reflektiert werden. An diesen Orten werden Niederleistungssender (LPT) installiert, um das Signal unter der lokalen Bevölkerung zu empfangen und erneut zu übertragen.

Photovoltaik-Zellen werden auch für die Stromversorgung von Notkommunikationssystemen verwendet, zum Beispiel für SOS-Notrufsäulen auf Straßen, für Eisenbahnsignale, für Luftschutzbaken, Wetterstationen oder Überwachungssysteme für Umwelt- und Qualitätsdaten. Wasser.

Isolierte Geräte
Die Verringerung des Energieverbrauchs der integrierten Schaltkreise ermöglichte in den späten 1970er Jahren die Verwendung von Solarzellen als Stromquelle in Taschenrechnern, wie dem Royal Solar, Sharp EL-8026 oder Teal Photon.

Auch andere ortsfeste Vorrichtungen, die photovoltaische Energie verwenden, haben ihre Verwendung in den letzten Jahrzehnten an Orten gesehen, an denen die Kosten für die Verbindung mit dem elektrischen Netzwerk oder die Verwendung von Einwegbatterien unerschwinglich teuer sind. Zu diesen Anwendungen gehören beispielsweise Sonnenlampen, Wasserpumpen, Parkuhren, Notruftelefone, Müllverdichter, Signale für temporäre oder permanente Verkehrsladestationen oder Fernüberwachungssysteme.

Ländliche Elektrifizierung
In isolierten Umgebungen, in denen nur wenig Strom benötigt wird und der Zugang zum Netzwerk schwierig ist, werden Photovoltaikmodule seit Jahrzehnten als wirtschaftliche Alternative eingesetzt. Um die Bedeutung dieser Möglichkeit zu verstehen, sollte man sich vor Augen halten, dass etwa ein Viertel der Weltbevölkerung immer noch keinen Zugang zu elektrischer Energie hat.

In Entwicklungsländern befinden sich viele Dörfer in entlegenen Gebieten, einige Kilometer vom nächsten Stromnetz entfernt. Daher wird zunehmend Photovoltaik in Häuser oder medizinische Einrichtungen in ländlichen Gebieten integriert. In abgelegenen Teilen Indiens beispielsweise hat ein Programm für ländliche Beleuchtung die Beleuchtung mit LED-Lampen, die mit Sonnenenergie betrieben werden, ersetzt, um Kerosinlampen zu ersetzen. Der Preis für Solarlampen entsprach ungefähr den Kosten für die Lieferung von Kerosin für einige Monate. Kuba und andere lateinamerikanische Länder arbeiten an der Bereitstellung von photovoltaischer Energie in Gebieten, die weit von der konventionellen Stromversorgung entfernt sind. Dies sind Bereiche, in denen die sozialen und wirtschaftlichen Vorteile für die lokale Bevölkerung einen hervorragenden Grund für die Installation von Fotovoltaikanlagen bieten, obwohl diese Art von Initiativen normalerweise auf spezifische humanitäre Anstrengungen beschränkt sind.

Pumpsysteme
PV wird auch dazu verwendet, Anlagen zu pumpen, die für Bewässerung, Trinkwasser in ländlichen Gebieten und Viehwasser oder Systementsalzung von Wasser pumpen.

Photovoltaik-Pumpensysteme (wie die mit Windkraft betriebenen) sind sehr nützlich, wenn es nicht möglich ist, auf das allgemeine Stromnetz zuzugreifen, oder ein zu hoher Preis ist. Ihre Kosten sind aufgrund ihrer niedrigeren Betriebs- und Wartungskosten im Allgemeinen billiger und sie haben eine geringere Umweltbelastung als Pumpsysteme, die von Verbrennungsmotoren angetrieben werden, die auch eine geringere Zuverlässigkeit aufweisen.

Die verwendeten Pumpen können entweder Wechselstrom (AC) oder Gleichstrom (DC) sein. Normalerweise werden DC-Motoren für kleine und mittlere Anwendungen bis zu 3 kW Leistung verwendet, während für größere Anwendungen AC-Motoren verwendet werden, die an einen Wechselrichter gekoppelt sind, der den Gleichstrom von den Photovoltaik-Modulen für seine Verwendung transformiert. Dadurch können Anlagen von 0,15 kW bis über 55 kW Leistung dimensioniert werden, die zur Versorgung komplexer Bewässerungssysteme oder zur Wasserspeicherung genutzt werden können.

Hybrid-Solar-Diesel-Systeme
Aufgrund der sinkenden Kosten für photovoltaische Solarenergie wird auch der Einsatz von hybriden Solar-Diesel-Systemen ausgebaut, die diese Energie mit Dieselgeneratoren kombinieren, um Strom kontinuierlich und stabil zu erzeugen. Diese Arten von Anlagen sind normalerweise mit Zusatzeinrichtungen wie Batterien und speziellen Steuerungssystemen ausgestattet, um jederzeit die Stabilität der Stromversorgung des Systems zu gewährleisten.

Aufgrund ihrer Wirtschaftlichkeit (der Transport von Diesel zur Verbrauchsstelle ist in der Regel teuer) werden in vielen Fällen alte Generatoren durch Photovoltaik ersetzt, während die neuen Hybridanlagen so ausgelegt sind, dass sie die Solarressourcen jederzeit nutzen können ist verfügbar, minimiert den Einsatz von Generatoren und reduziert somit die Umweltauswirkungen der Stromerzeugung in abgelegenen Gemeinden und Anlagen, die nicht an das Stromnetz angeschlossen sind. Ein Beispiel dafür sind die Bergbauunternehmen, deren Betriebe normalerweise in offenen Feldern liegen, weit entfernt von großen Ballungszentren. In diesen Fällen ermöglicht die kombinierte Nutzung von Photovoltaik eine deutliche Reduzierung der Abhängigkeit von Dieselkraftstoff, wodurch Energiekosteneinsparungen von bis zu 70% möglich sind.

Diese Art von Systemen kann auch in Kombination mit anderen Quellen der Erzeugung von erneuerbarer Energie, wie beispielsweise der Windkraft, verwendet werden.

Transport und Seeschifffahrt
Obwohl die Photovoltaik im Verkehrswesen immer noch nicht weit verbreitet ist, wird sie zunehmend zur Bereitstellung von Hilfsenergie in Schiffen und Autos eingesetzt. Einige Fahrzeuge sind mit einer Klimaanlage ausgestattet, die mit Photovoltaik-Modulen betrieben wird, um die Innentemperatur an heißen Tagen zu begrenzen, während andere Hybridprototypen ihre Batterien aufladen, ohne dass sie an das Stromnetz angeschlossen werden müssen. Die praktische Fähigkeit, solarbetriebene Fahrzeuge sowie Boote und Flugzeuge zu konstruieren und herzustellen, wurde als der praktikabelste Straßentransport für die Photovoltaik angesehen.

Solar Impulse ist ein Projekt zur Entwicklung eines Flugzeugs, das ausschließlich mit photovoltaischer Solarenergie angetrieben wird. Der Prototyp kann tagsüber von den Solarzellen, die seine Flügel bedecken, angetrieben werden, während er gleichzeitig die Batterien auflädt, die ihn während der Nacht in der Luft halten.

Solarenergie wird auch häufig in Leuchttürmen, Bojen und Seenavigationsbaken, Freizeitfahrzeugen, Ladesystemen für elektrische Akkumulatoren von Schiffen und Kathodenschutzsystemen verwendet. Das Aufladen von Elektrofahrzeugen wird immer wichtiger. 94

Photovoltaik in Gebäuden integriert
Viele Photovoltaikanlagen befinden sich häufig in Gebäuden: Sie befinden sich in der Regel auf einem vorhandenen Dach oder sind in Elemente der hauseigenen Struktur wie Oberlichter, Oberlichter oder Fassaden integriert.

Alternativ kann eine Photovoltaikanlage auch physisch getrennt von dem Gebäude angeordnet sein, aber mit der elektrischen Installation davon verbunden sein, um Energie bereitzustellen. Im Jahr 2010 waren mehr als 80% der bis dahin in Deutschland betriebenen 9000 MW Photovoltaik auf Dächern installiert.

Die gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV) wird zunehmend als Haupt- oder Sekundärquelle für elektrische Energie in neuen Wohn- und Industriegebäuden und sogar in anderen architektonischen Elementen, wie beispielsweise Brücken, verwendet. Dachziegel mit integrierten Photovoltaikzellen sind bei dieser Art der Integration ebenfalls üblich.

Laut einer 2011 veröffentlichten Studie hat der Einsatz von Thermografie gezeigt, dass Sonnenkollektoren, sofern dort ein offener Spalt vorhanden ist, durch den Luft zwischen den Paneelen und dem Dach zirkulieren kann, tagsüber eine passive Kühlung der Gebäude bewirken und auch helfen Behalte die Hitze, die während der Nacht angesammelt wird.

Photovoltaik-Verbindung zum Netzwerk
Eine der Hauptanwendungen der photovoltaischen Solarenergie, die in den letzten Jahren entwickelt wurde, besteht aus Kraftwerken, die an das Stromnetz angeschlossen sind, sowie photovoltaischen Eigenverbrauchsanlagen, die im Allgemeinen von geringerer Leistung sind, aber auch an das Stromnetz angeschlossen sind.

Photovoltaikanlagen
Eine Photovoltaik-Anlage oder Solar-PV-Anlage ist ein Stromsystem, das dazu dient, mittels Photovoltaik solaren Strom zu erzeugen. Es besteht aus einer Anordnung mehrerer Komponenten, einschließlich Sonnenkollektoren zur Absorption und direkten Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität, einem Solarwechselrichter zur Änderung des elektrischen Stroms von Gleichstrom zu Wechselstrom sowie Montage, Verkabelung und anderem elektrischen Zubehör. PV-Anlagen reichen von kleinen, dachintegrierten oder gebäudeintegrierten Anlagen mit Leistungen von wenigen bis mehreren zehn Kilowatt bis hin zu Großkraftwerken mit mehreren hundert Megawatt Leistung. Heutzutage sind die meisten PV-Systeme netzgekoppelt, während Stand-Alone-Systeme nur einen kleinen Teil des Marktes ausmachen.

Auf dem Dach und Gebäude integrierte Systeme
Photovoltaikanlagen werden oft mit Gebäuden assoziiert: entweder integriert in sie, auf ihnen montiert oder in der Nähe auf dem Boden montiert. Rooftop-PV-Anlagen werden meist in bestehenden Gebäuden nachgerüstet, meist auf der bestehenden Dachkonstruktion oder an bestehenden Wänden. Alternativ kann eine Anordnung getrennt von dem Gebäude angeordnet sein, aber durch ein Kabel verbunden sein, um die Stromversorgung für das Gebäude zu liefern. Gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV) wird zunehmend als neue Haupt- oder Nebenstromquelle in das Dach oder die Wände neuer Wohn- und Industriegebäude eingebaut. Manchmal werden auch Dachziegel mit integrierten PV-Zellen verwendet. Wenn es eine offene Lücke gibt, in der Luft zirkulieren kann, können auf dem Dach montierte Sonnenkollektoren tagsüber eine passive Kühlwirkung auf Gebäude ausüben und die angesammelte Wärme auch nachts speichern. Typischerweise haben Wohndachsysteme kleine Kapazitäten von etwa 5-10 kW, während kommerzielle Aufdachsysteme oft mehrere hundert Kilowatt betragen. Obwohl Aufdachanlagen wesentlich kleiner sind als Freiflächenkraftwerke, decken sie den größten Teil der weltweit installierten Kapazität ab.

Konzentrator Photovoltaik
Concentrator photovoltaics (CPV) ist eine Photovoltaik-Technologie, die im Gegensatz zu herkömmlichen Flachplatten-PV-Systemen Linsen und gebogene Spiegel verwendet, um das Sonnenlicht auf kleine, aber hocheffiziente Multi-Junction-Solarzellen (MJ) zu fokussieren. Darüber hinaus verwenden CPV-Systeme oft Solar-Tracker und manchmal ein Kühlsystem, um ihre Effizienz weiter zu erhöhen. Die laufende Forschung und Entwicklung verbessert ihre Wettbewerbsfähigkeit im Bereich der Kraftwerke und in Gebieten mit hoher Sonneneinstrahlung rasant.

Photovoltaik-Hybrid-Solarkollektor
Photovoltaik-Hybrid-Solarkollektoren (PVT) sind Systeme, die Sonnenstrahlung in thermische und elektrische Energie umwandeln. Diese Systeme kombinieren eine Solar-PV-Zelle, die Sonnenlicht in Elektrizität umwandelt, mit einem Solarthermie-Kollektor, der die verbleibende Energie aufnimmt und die Abwärme des PV-Moduls abführt. Die Erfassung von Elektrizität und Wärme ermöglicht diesen Geräten eine höhere Exergie und ist somit insgesamt energieeffizienter als Solar- oder Solarthermie allein.

Kraftwerke
Auf der ganzen Welt wurden viele Solarparks im Versorgungsmaßstab errichtet. Ab 2015 ist der Solar Star mit 579 Megawatt (MWAC) der weltweit größte Photovoltaik-Kraftwerk, gefolgt von der Desert Sunlight Solar Farm und der Topaz Solar Farm, beide mit einer Kapazität von 550 MWAC, gebaut von der US-Firma First Solar, mit CdTe-Modulen eine Dünnschicht-PV-Technologie. Alle drei Kraftwerke befinden sich in der kalifornischen Wüste. Viele Solarparks auf der ganzen Welt sind in die Landwirtschaft integriert, und einige nutzen innovative Solar-Tracking-Systeme, die dem täglichen Sonnenlauf folgen, um mehr Strom zu erzeugen als herkömmliche stationäre Systeme. Beim Betrieb der Kraftwerke fallen keine Brennstoffkosten oder Emissionen an.

Ländliche Elektrifizierung
Entwicklungsländer, in denen viele Dörfer oft mehr als fünf Kilometer vom Netz entfernt sind, nutzen zunehmend Photovoltaik. An abgelegenen Orten in Indien hat ein ländliches Beleuchtungsprogramm eine solarbetriebene LED-Beleuchtung zur Verfügung gestellt, um Kerosinlampen zu ersetzen. Die mit Solarenergie betriebenen Lampen wurden etwa zu einem Preis von einigen Monaten Kerosin verkauft. Kuba arbeitet daran, Solarstrom für netzferne Gebiete bereitzustellen. Zu den komplexeren Anwendungen der netzfernen Solarenergienutzung gehören 3D-Drucker. RepRap 3D-Drucker werden mit Photovoltaik-Technologie solarbetrieben, was eine verteilte Fertigung für nachhaltige Entwicklung ermöglicht. Dies sind Bereiche, in denen die sozialen Kosten und Vorteile für Solaranlagen sehr gut sind, obwohl die mangelnde Rentabilität solche Bemühungen auf humanitäre Anstrengungen beschränkt hat. Im Jahr 1995 wurde jedoch festgestellt, dass solare ländliche Elektrifizierungsprojekte wegen ungünstiger Wirtschaftslage, fehlender technischer Unterstützung und Hinterlassenschaften hinter dem Nord-Süd-Technologietransfer nur schwer aufrechtzuerhalten waren.

Eigenständige Systeme
Bis vor etwa einem Jahrzehnt wurde PV häufig zur Stromversorgung von Rechnern und neuartigen Geräten verwendet. Verbesserungen bei integrierten Schaltungen und leistungsschwachen Flüssigkristallanzeigen ermöglichen es, solche Geräte für mehrere Jahre zwischen Batteriewechseln zu betreiben, wodurch der PV-Einsatz seltener wird. Im Gegensatz dazu haben solarbetriebene ortsfeste Vorrichtungen in letzter Zeit zunehmend an Orten Verwendung gefunden, an denen beträchtliche Verbindungskosten die Netzleistung zu teuer machen. Zu diesen Anwendungen gehören Solarlampen, Wasserpumpen, Parkuhren, Notruftelefone, Müllverdichter, temporäre Verkehrszeichen, Ladestationen sowie Fernwachsposten und -signale.

Floatovoltaik
Im Mai 2008 hat das Weingut Far Niente in Oakville, Kalifornien, das weltweit erste „Float-Photovoltaik-System“ entwickelt, indem es 994 Photovoltaik-Solarmodule auf 130 Pontons installierte und diese auf dem Bewässerungsteich des Weinguts schwemmte. Das schwimmende System erzeugt etwa 477 kW Spitzenleistung und kann in Kombination mit einer Reihe von Zellen, die sich neben dem Teich befinden, den Stromverbrauch der Weinkellerei vollständig ausgleichen. Der Hauptvorteil eines floatovoltaic Systems ist, dass es die Notwendigkeit vermeidet, wertvolle Landfläche zu opfern, die für einen anderen Zweck verwendet werden könnte. Im Falle der Far Niente Winery konnten durch das schwimmende System drei Viertel eines Acres gerettet werden, die für ein landgestütztes System erforderlich gewesen wären. Diese Landfläche kann stattdessen für die Landwirtschaft genutzt werden. Ein weiterer Vorteil eines floatovoltaic Systems ist, dass die Paneele bei einer niedrigeren Temperatur als an Land gehalten werden, was zu einer höheren Effizienz der Umwandlung von Sonnenenergie führt. Die schwimmenden Paneele reduzieren auch den Wasserverlust durch Verdunstung und hemmen das Algenwachstum.

Im Transport
PV wurde traditionell für elektrische Energie im Weltraum verwendet. PV wird nur selten zur Bereitstellung von Antriebsenergie in Transportanwendungen verwendet, wird aber zunehmend zur Bereitstellung von Hilfsenergie in Booten und Autos verwendet. Einige Autos sind mit einer solarbetriebenen Klimaanlage ausgestattet, um die Innentemperatur an heißen Tagen zu begrenzen. Ein in sich abgeschlossenes Solarfahrzeug hätte eine begrenzte Leistung und einen begrenzten Nutzen, aber ein solar geladenes Elektrofahrzeug ermöglicht die Nutzung von Solarenergie für den Transport. Solarbetriebene Autos, Boote und Flugzeuge wurden demonstriert, wobei die praktischsten und wahrscheinlichsten davon Solarautos sind. Das Schweizer Solarflugzeug Solar Impulse 2 hat den längsten Nonstop-Soloflug der Geschichte absolviert und plant für 2015 die erste solarbetriebene Flugzeugumrundung des Globus.

Telekommunikation und Signalgebung
Solar-PV-Strom eignet sich ideal für Telekommunikationsanwendungen wie lokale Telefonzentrale, Radio- und Fernsehsendungen, Mikrowellen und andere Formen elektronischer Kommunikationsverbindungen. Dies liegt daran, dass in den meisten Telekommunikationsanwendungen Speicherbatterien bereits verwendet werden und das elektrische System im Wesentlichen Gleichstrom ist. In hügeligem und bergigem Gelände können Radio- und Fernsehsignale möglicherweise nicht ankommen, da sie aufgrund von hügeligem Gelände blockiert oder zurückgeworfen werden. An diesen Standorten sind Niederleistungssender (LPT) installiert, um das Signal für die lokale Bevölkerung zu empfangen und erneut zu übertragen.

Raumfahrzeuganwendungen
Sonnenkollektoren auf Raumfahrzeugen sind normalerweise die einzige Energiequelle, um die Sensoren, aktive Heizung und Kühlung und Kommunikation zu betreiben. Eine Batterie speichert diese Energie für den Einsatz, wenn sich die Solarmodule im Schatten befinden. In einigen wird der Strom auch für den elektrischen Vortrieb von Raumfahrzeugen verwendet. Raumfahrzeuge waren eine der frühesten Anwendungen der Photovoltaik, beginnend mit den Silizium-Solarzellen, die auf dem Satelliten Vanguard 1 verwendet wurden, der 1958 von den USA auf den Markt gebracht wurde. Seitdem wurde Solarenergie für Missionen von der MESSENGER-Sonde bis zum Mercury eingesetzt weit draußen im Sonnensystem wie die Juno-Sonde zu Jupiter. Das größte im All geflogene Solarsystem ist das Bordnetz der Internationalen Raumstation. Um die pro Kilogramm erzeugte Leistung zu erhöhen, verwenden typische Raumfahrzeug-Solarmodule teure, hocheffiziente und dicht gepackte rechteckige Mehrfachsolarzellen aus Galliumarsenid (GaAs) und anderen Halbleitermaterialien.

Spezielle Energiesysteme
Photovoltaik kann auch als Energieumwandlungsvorrichtung für Objekte bei erhöhten Temperaturen und mit bevorzugten Strahlungsemissivitäten, wie heterogenen Brennkammern, eingebaut werden.

Vorteile
Die 122 PW Sonnenlicht, die die Erdoberfläche erreichen, sind reichlich vorhanden – fast 10.000 mal mehr als das 13 TW Äquivalent der durchschnittlichen Energie, die 2005 von Menschen verbraucht wurde. Diese Fülle führt zu der Vermutung, dass es nicht mehr lange dauern wird, bis Solarenergie zur primären Energiequelle der Welt wird. Darüber hinaus weist die Solarstromerzeugung unter den erneuerbaren Energien die höchste Leistungsdichte (globaler Mittelwert von 170 W / m2) auf.

Die Solarenergie ist während der Nutzung nicht verschmutzungsfrei und kann so die Umweltverschmutzung verringern, wenn sie andere Energiequellen ersetzt. Zum Beispiel schätzte das MIT, dass 52.000 Menschen pro Jahr in den USA vorzeitig an der Verschmutzung durch Kohlekraftwerke sterben, und alle bis auf einen dieser Todesfälle könnten daran gehindert werden, PV als Ersatz für Kohle zu verwenden. Die Endabfälle und Emissionen der Produktion sind über die bestehenden Umweltschutzmaßnahmen kontrollierbar. End-of-Use-Recycling-Technologien sind in Entwicklung und es werden Richtlinien erstellt, die das Recycling von Herstellern fördern.

PV-Anlagen können nach ihrer ersten Inbetriebnahme 100 Jahre oder mehr mit wenig Wartung oder Eingriff arbeiten, so dass nach den anfänglichen Kapitalkosten für den Bau eines Solarkraftwerks die Betriebskosten im Vergleich zu bestehenden Energietechnologien extrem niedrig sind.

Netzgekoppelter Solarstrom kann vor Ort genutzt werden, wodurch Übertragungs- / Verteilungsverluste reduziert werden (Übertragungsverluste in den USA betrugen 1995 ca. 7,2%).

Im Vergleich zu fossilen und nuklearen Energiequellen wurde nur sehr wenig Forschungsgeld in die Entwicklung von Solarzellen investiert, so dass ein erheblicher Spielraum für Verbesserungen besteht. Nichtsdestoweniger haben experimentelle hocheffiziente Solarzellen bereits einen Wirkungsgrad von über 40% im Falle konzentrierender Solarzellen und die Effizienz steigt schnell an, während die Massenproduktionskosten schnell fallen.

In einigen Staaten der Vereinigten Staaten kann ein Großteil der Investition in ein Haus-montiertes System verloren gehen, wenn sich der Hauseigentümer bewegt und der Käufer weniger Wert auf das System legt als der Verkäufer. Die Stadt Berkeley hat eine innovative Finanzierungsmethode entwickelt, um diese Einschränkung aufzuheben, indem eine Steuerbescheinigung hinzugefügt wird, die zusammen mit der Wohnung übertragen wird, um die Sonnenkollektoren zu bezahlen. Jetzt bekannt als PACE, Property Assessed Clean Energy, haben 30 US-Staaten diese Lösung dupliziert.

Es gibt Beweise, zumindest in Kalifornien, dass die Anwesenheit eines auf dem Haus montierten Sonnensystems tatsächlich den Wert eines Hauses erhöhen kann. Laut einer im April 2011 vom Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory veröffentlichten Studie mit dem Titel Eine Analyse der Auswirkungen von Photovoltaik-Energiesystemen in Wohngebäuden auf die Verkaufspreise in Kalifornien:

Die Studie belegt, dass Haushalte mit PV-Anlagen in Kalifornien einen höheren Preis haben als vergleichbare Haushalte ohne PV-Systeme. Genauer gesagt liegen die Schätzungen für durchschnittliche PV-Prämien zwischen etwa 3,9 und 6,4 US-Dollar pro installiertem Watt (DC) unter einer großen Anzahl verschiedener Modellspezifikationen, wobei die meisten Modelle in der Nähe von 5,5 US-Dollar / Watt zusammenlaufen. Dieser Wert entspricht einer Prämie von etwa 17.000 USD für ein relativ neues 3.100-Watt-PV-System (die durchschnittliche Größe der PV-Systeme in der Studie).
Einschränkungen

Auswirkungen auf das Stromnetz
Mit den steigenden Niveaus der Dachphotovoltaiksysteme wird der Energiefluß 2-way. Wenn es mehr lokale Erzeugung als Verbrauch gibt, wird Strom ins Netz exportiert. Das Stromnetz ist jedoch traditionell nicht auf den 2-Wege-Energietransfer ausgelegt. Daher können einige technische Probleme auftreten. Zum Beispiel gab es in Queensland, Australien, bis Ende 2017 mehr als 30% der Haushalte mit PV auf dem Dach. Die berühmte kalifornische 2020-Enten-Kurve erscheint ab 2015 für viele Gemeinden sehr häufig. Ein Überspannungsproblem kann auftreten, wenn der Strom von diesen PV-Haushalten zurück zum Netzwerk fließt. Es gibt Lösungen, um das Problem der Überspannung zu bewältigen, wie zum Beispiel Regulierung des PV-Wechselrichter-Leistungsfaktors, neue Spannungs- und Energiesteuergeräte auf der Stromverteiler-Ebene, Neuleitung der Elektrizitätsleitungen, Nachfrageseite usw. Es gibt oft Einschränkungen und Kosten diese Lösungen.

Auswirkungen auf das Stromabrechnungsmanagement und die Energieinvestitionen
Es gibt keinen Königsweg bei der Strom- oder Energienachfrage und beim Rechnungsmanagement, da Kunden (Standorte) unterschiedliche spezifische Situationen haben, z. B. unterschiedliche Komfort- / Komfortbedürfnisse, unterschiedliche Stromtarife oder unterschiedliche Nutzungsmuster. Der Stromtarif kann einige Elemente enthalten, wie etwa den täglichen Zugang und die Zählergebühr, die Energiegebühr (basierend auf kWh, MWh) oder die Spitzenlast (z. B. ein Preis für den höchsten Energieverbrauch von 30 Minuten pro Monat). PV ist eine vielversprechende Option zur Senkung der Energiekosten, wenn der Strompreis relativ hoch ist und kontinuierlich steigt, wie in Australien und Deutschland. Für Standorte mit einer Spitzennachfrage kann die PV jedoch weniger attraktiv sein, wenn der Spitzenbedarf meist am späten Nachmittag bis zum frühen Abend auftritt, z. B. in Wohngemeinschaften. Insgesamt sind Energieinvestitionen weitgehend eine wirtschaftliche Entscheidung, und es ist besser, Investitionsentscheidungen zu treffen, die auf einer systematischen Bewertung der Optionen in den Bereichen Betriebsverbesserung, Energieeffizienz, Erzeugung vor Ort und Energiespeicherung beruhen.

Umwelteinflüsse

Produktion
Die Umweltauswirkungen der Siliziumtechnologie und Dünnschichttechnologie sind typisch für die Halbleiterfertigung mit den damit verbundenen chemischen und energieintensiven Schritten. Die Herstellung von hochreinem Silizium in der Siliziumtechnologie ist aufgrund des hohen Energieverbrauchs und der Menge an Sekundärstoffen entscheidend. Für 1 kg Reinstsilizium werden bis zu 19 kg Sekundärstoffe produziert. Da Reinstsilicium überwiegend von Subunternehmern hergestellt wird, ist die Auswahl der Lieferanten in Bezug auf Umweltaspekte entscheidend für die Umweltleistung eines Moduls.

In der Dünnschichttechnologie ist die Reinigung der Prozesskammern ein heikles Thema. Hier sind teilweise die Schadstoffe Stickstofftrifluorid und Schwefelhexafluorid eingesetzt. Bei der Verwendung von Schwermetallen wie der CdTe-Technologie wird mit einer kurzen Energierücklaufzeit auf der Lebenszyklus-Basis argumentiert.

Betrieb
Das Bayerische Landesamt für Umwelt hat 2011 bestätigt, dass CdTe-Solarmodule im Brandfall keine Gefahr für Mensch und Umwelt darstellen.

Aufgrund der absoluten Emissionsfreiheit im Betrieb hat die Photovoltaik sehr geringe externe Kosten. Wenn diese für die Stromerzeugung aus Kohle und Braunkohle etwa 6 bis 8 ct / kWh betragen, betragen sie für Photovoltaikanlagen nur etwa 1 ct / kWh (Jahr 2000). Zu diesem Ergebnis kommt ein Gutachten des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt und des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung. Zum Vergleich ist der dort ebenfalls erwähnte Wert von 0,18 ct / kWh externer Kosten für solarthermische Kraftwerke zu nennen.

Treibhausgasbilanz
Auch wenn kein Betrieb selbst in CO 2e-Emissionen besteht, können Photovoltaikanlagen noch nicht CO 2e erzeugt, transportiert und montiert -frei sein. Je nach Technologie und Standort liegen die berechneten CO 2e-Emissionen von Photovoltaikanlagen im Jahr 2013 zwischen 10,5 und 50 g CO 2e / kWh, mit Durchschnittswerten zwischen 35 und 45 g CO 2e / kWh. Eine aktuelle Studie aus dem Jahr 2015 ergab Durchschnittswerte von 29,2 g / kWh. Diese Emissionen entstehen durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe, insbesondere bei der Produktion von Solaranlagen. Mit dem weiteren Ausbau der erneuerbaren Energien im Rahmen der globalen Transformation zu nachhaltigen Energiequellen wird sich die Treibhausgasbilanz somit automatisch verbessern. Auch abnehmende Emissionen resultieren aus der technologischen Lernkurve. Historisch gesehen sind die Emissionen pro Verdoppelung der installierten Kapazität um 14% gesunken (Stand 2015).

Nach einem umfassenden Vergleich der Ruhr-Universität Bochum von 2007 lag der CO 2 -Emissionen in der Photovoltaik noch bei 50-100 g / kWh, wobei vor allem die eingesetzten Module und der Standort entscheidend waren. Zum Vergleich: 750 bis 1.200 g / kWh für Kohlekraftwerke, 400-550 g / kWh für GuD-Kraftwerke, 10-40 g / kWh für Windenergie und Wasserkraft und 10-30 g / kWh für Kernenergie (ohne Endlagerung) und Solarthermie in Afrika mit 10-14 g / kWh.

Energetische Amortisation
Die Amortisationszeit der photovoltaischen Energie ist der Zeitraum, in dem die Photovoltaikanlage während ihres gesamten Lebenszyklus die gleiche Menge an Energie geliefert hat; für Herstellung, Transport, Bau, Betrieb und Demontage oder Recycling.

Es liegt derzeit (Stand 2013) zwischen 0,75 und 3,5 Jahren, je nach Standort und Photovoltaik-Technologie. CdTe-Module erreichten die besten Ergebnisse bei 0,75-2,1 Jahren, während Module aus amorphem Silizium 1,8-3,5 Jahre über dem Durchschnitt lagen. Mono- und multikristalline Systeme sowie auf CIS basierende Anlagen waren etwa 1,5 bis 2,7 Jahre alt. Die Lebensdauer der Studie wurde für Module auf Basis von kristallinen Siliziumzellen mit 30 Jahren und für Dünnschichtmodule von 20 bis 25 Jahren angenommen, während die Lebensdauer der Wechselrichter mit 15 Jahren angenommen wurde. Bis 2020 wird eine Energierücklaufzeit von 0,5 Jahren oder weniger für südeuropäische kristalline Siliziumanlagen als erreichbar angesehen.

In Deutschland wird der Energiebedarf für die Herstellung einer Photovoltaikanlage in etwa zwei Jahren in Solarzellen zurückgewonnen. Der Erntefaktor liegt bei typischen deutschen Bestrahlungsbedingungen bei mindestens 10, eine weitere Verbesserung ist wahrscheinlich. Die Lebensdauer wird auf 20 bis 30 Jahre geschätzt. Auf Seiten der Hersteller erhalten die Module in der Regel Leistungsgarantien für 25 Jahre. Der energieintensive Teil der Solarzellen kann 4 bis 5 mal wiederverwendet werden.

Landverbrauch
PV-Anlagen werden überwiegend auf bestehenden Dächern und Verkehrsflächen errichtet, was nicht zu einem zusätzlichen Platzbedarf führt. Außenanlagen in Form von Solarparks nehmen dagegen zusätzlichen Raum auf, oft bereits vorkontaminierte Bereiche wie z. B. Konversionsflächen (aus militärischer, wirtschaftlicher, verkehrstechnischer oder Wohnnutzung), Gebiete entlang von Autobahnen und Bahnstrecken (in 110 m Streifen), Gebiete, die als Gewerbe- oder Industriegebiet ausgewiesen sind oder versiegelte Gebiete (früher Deponien, Parkplätze, etc .) werden verwendet. Wenn Photovoltaikanlagen auf landwirtschaftlichen Flächen errichtet werden, die derzeit in Deutschland nicht gefördert werden, kann ein Nutzungskonkurrent entstehen. Zu berücksichtigen ist jedoch, dass Solarparks im Vergleich zur Bioenergiegewinnung auf der gleichen Fläche einen deutlich höheren Energieertrag aufweisen. Solarparks liefern etwa 25 bis 65 mal so viel Strom pro Flächeneinheit wie Energiepflanzen.

Recycling von PV-Modulen
Bisher ist die einzige Recyclinganlage (spezialisierte Pilotanlage) für kristalline Photovoltaikmodule in Europa in Freiberg, Sachsen. Die Sunicon GmbH (vormals Solar Material), eine Tochtergesellschaft der SolarWorld, hat 2008 eine massenbasierte Recyclingrate für Module von durchschnittlich 75% erreicht. 1200 Tonnen pro Jahr. Die Abfallmenge von PV-Modulen in der EU lag 2008 bei 3.500 Tonnen pro Jahr. Aufgrund der weitgehenden Automatisierung wird eine Kapazität von ca. 20.000 Tonnen pro Jahr sind geplant.

Um ein freiwilliges, EU-weites, bundesweites System für das Recycling aufzubauen, gründete die Solarindustrie 2007 eine Gemeinschaftsinitiative, die Association PV CYCLE. Bis zum Jahr 2030 werden in der EU schätzungsweise 130.000 Tonnen veraltete Module pro Jahr erwartet. Als Reaktion auf die insgesamt unbefriedigende Entwicklung wurden seit dem 24. Januar 2012 auch Solarmodule einer Novelle der Elektroschrott-Richtlinie unterworfen. Für die PV-Industrie sieht die Novelle vor, dass 85 Prozent der verkauften Solarmodule gesammelt und zu 80 Prozent recycelt werden müssen. Bis 2014 sollten alle EU-27-Mitgliedstaaten die Verordnung in nationales Recht umsetzen. Ziel ist es, die Produzenten für die Bereitstellung von Recyclingstrukturen zu sensibilisieren. Die Trennung der Module von anderen elektrischen Geräten ist bevorzugt. Bestehende Sammel- und Recyclingstrukturen werden ebenfalls erweitert.