Photovoltaik (PV) ist ein Begriff, der die Umwandlung von Licht in Elektrizität unter Verwendung von halbleitenden Materialien, die den photovoltaischen Effekt zeigen, umfasst, ein Phänomen, das in Physik, Photochemie und Elektrochemie studiert wird.

Ein typisches photovoltaisches System verwendet Sonnenkollektoren, die jeweils eine Anzahl von Solarzellen umfassen, die elektrische Energie erzeugen. PV-Anlagen können am Boden, am Dach oder an der Wand montiert werden. Die Halterung kann fest sein, oder verwenden Sie einen Solartracker, um der Sonne über den Himmel zu folgen.

Solare PV hat spezifische Vorteile als Energiequelle: einmal installiert, erzeugt ihr Betrieb keine Verschmutzung und keine Treibhausgasemissionen, sie zeigt einfache Skalierbarkeit in Bezug auf den Energiebedarf und Silizium hat eine große Verfügbarkeit in der Erdkruste.

PV-Anlagen haben den großen Nachteil, dass die Leistungsabgabe bei direkter Sonneneinstrahlung am besten ist, so dass etwa 10-25% verloren gehen, wenn kein Nachführsystem verwendet wird. Staub, Wolken und andere Hindernisse in der Atmosphäre verringern ebenfalls die Leistungsabgabe. Ein weiteres wichtiges Thema ist die Konzentration der Produktion in den Stunden, die der Haupteinstrahlung entsprechen, die in der Regel nicht den Bedarfsspitzen in den menschlichen Aktivitätszyklen entsprechen. Sofern sich die gegenwärtigen gesellschaftlichen Konsummuster und die elektrischen Netze nicht an dieses Szenario anpassen, muss Strom für die spätere Nutzung gespeichert oder durch andere Energiequellen, in der Regel Kohlenwasserstoffe, ergänzt werden.

Photovoltaikanlagen werden seit langem in spezialisierten Anwendungen eingesetzt, und seit den 1990er Jahren sind alleinstehende und netzgekoppelte PV-Anlagen im Einsatz. Sie wurden erstmals im Jahr 2000 massenproduziert, als deutsche Umweltschützer und die Eurosolar-Organisation Regierungsmittel für ein Zehntausend-Dach-Programm erhielten.

Fortschritte in der Technologie und im Produktionsmaßstab haben in jedem Fall die Kosten gesenkt, die Zuverlässigkeit erhöht und die Effizienz von Photovoltaikanlagen erhöht. Net Metering und finanzielle Anreize, wie z. B. bevorzugte Einspeisetarife für solar erzeugten Strom, haben Solar-PV-Anlagen in vielen Ländern unterstützt. Mehr als 100 Länder verwenden jetzt Solar PV.

Nach Wasser- und Windkraft ist PV die dritte erneuerbare Energiequelle in Bezug auf die globale Kapazität. Ende 2016 stieg die weltweit installierte PV-Kapazität auf über 300 Gigawatt (GW) und deckt damit rund zwei Prozent des weltweiten Strombedarfs. China, gefolgt von Japan und den Vereinigten Staaten, ist der am schnellsten wachsende Markt, während Deutschland weiterhin der weltweit größte Produzent ist. Die Photovoltaik liefert sieben Prozent des jährlichen inländischen Stromverbrauchs. Mit derzeitiger Technologie (Stand 2013) erreicht die Photovoltaik in Südeuropa in 1,5 Jahren und in Nordeuropa 2,5 Jahre Energie.

Erneuerbarkeit
Je nach Art der betrachteten photovoltaischen Zelle ist die erneuerbare Natur dieser Energie teilweise fraglich, da die Herstellung von photovoltaischen Modulen Energie benötigt, deren Ursprung derzeit im Wesentlichen nicht erneuerbar ist. Tatsächlich haben die Länder, in denen fast alle weltweit installierten Photovoltaikmodule hergestellt werden (China, USA, Japan, Indien), alle Energiebilanzen, die massiv von nicht erneuerbaren Energien dominiert werden; So bezieht beispielsweise China, das 80% der in Europa installierten Panels produziert 3, 86% seiner Energie aus nicht erneuerbaren Quellen.

Die Energierückflussrate von Photovoltaikanlagen hat sich dank sukzessiver technologischer Fortschritte verbessert. Abhängig von den Technologien produziert eine Photovoltaikanlage während des gesamten Betriebs 20 bis 40 Mal mehr Energie (Primäräquivalent) als bei der Herstellung 5.

Technische Grundlagen
Zur Energieumwandlung wird der photoelektrische Effekt von Solarzellen genutzt, die mit sogenannten Solarmodulen verbunden sind. Der erzeugte Strom kann direkt genutzt, in Akkumulatoren gespeichert oder in Stromnetze eingespeist werden. Vor der Einspeisung in Wechselstrom – Netze wird Gleichstrom eines Umrichters umgewandelt. Das System der Solarmodule und der anderen Komponenten (Wechselrichter, Stromleitung) wird Photovoltaik-System oder Solargenerator genannt.

Nennleistung und Ausbeute
Die Nennleistung von Photovoltaikanlagen wird oft in der Schreibweise W p (Watt Peak) oder kW p angegeben und bezieht sich auf die Leistung unter Testbedingungen, die in etwa der maximalen Sonneneinstrahlung in Deutschland entsprechen. Die Testbedingungen dienen dazu, verschiedene Solarmodule zu standardisieren und zu vergleichen. Die elektrischen Werte der Komponenten sind in Datenblättern angegeben. Es wird bei 25 ° C Modultemperatur, 1000 W / m² Bestrahlungsstärke und einer Luftmasse (abgekürzt AM) von 1,5 gemessen. Diese Standardtestbedingungen (normalerweise abgekürzt STC, Standardtestbedingungen) wurden als internationale Standards festgelegt. Können diese Bedingungen während der Prüfung nicht erfüllt werden, ist die Nennleistung aus den gegebenen Prüfbedingungen rechnerisch zu ermitteln.

Zum Vergleich: Die Strahlungsintensität der Sonne im erdnahen Raum (Sonnenkonstante) beträgt durchschnittlich 1367 W / m². (Auf dem Boden kommen etwa 75% dieser Energie bei klarem Wetter an.)

Maßgeblich für die Dimensionierung und Amortisation einer Photovoltaikanlage ist neben der Spitzenleistung vor allem der Jahresertrag, also die Menge an erzeugter elektrischer Energie. Die Strahlungsenergie schwankt täglich, saisonal und wetterbedingt. In Deutschland beispielsweise kann eine Solaranlage in Deutschland im Dezember bis Dezember zehn Mal so viel Ertrag haben wie im Dezember. Täglich aktualisierte Feed-In-Daten mit hoher zeitlicher Auflösung sind für die Jahre ab 2011 im Internet frei zugänglich.

Der Ertrag pro Jahr wird in Wattstunden (Wh) oder Kilowattstunden (kWh) gemessen. Die Lage und Ausrichtung der Module sowie die Verschattung haben einen wesentlichen Einfluss auf den Ertrag, wobei Dachneigungen von 30-40 ° und eine Ausrichtung nach Süden den höchsten Ertrag in Mitteleuropa liefern. Bei maximaler Sonnenhöhe (Mittagssonne) sollte in Deutschland bei einer festen Anlage (ohne Nachführung) die optimale Neigung nach Süden des Landes etwa 32 ° betragen, im Norden etwa 37 Grad. In der Praxis empfiehlt sich ein etwas höherer Neigungswinkel, da dann zweimal am Tag (morgens und nachmittags) und zweimal im Jahr (im Mai und Juli) das System optimal ausgerichtet ist. In offenen Raumsystemen werden daher solche Ausrichtungen normalerweise gewählt. Obwohl die über das Jahr verteilte mittlere Sonnenhöhe und damit die theoretisch optimale Steigung für jeden Breitengrad exakt berechnet werden kann, ist die tatsächliche Strahlung aufgrund unterschiedlicher, meist terrainabhängiger Faktoren (z. B. Beschattung oder besondere lokale Witterungsverhältnisse) entlang eines Breitengrads unterschiedlich. Da die pflanzenabhängige Wirksamkeit in Bezug auf den Einfallswinkel unterschiedlich ist, muss die optimale Orientierung jeweils standort- und pflanzenbezogen bestimmt werden. In diesen energetischen Untersuchungen wird die ortsabhängige Globalstrahlung bestimmt, die neben direkter Sonneneinstrahlung auch diffuse Strahlung, die auf Streuung (z. B. Wolken) oder Reflexion (z. B. nahe Hauswände oder Boden) einwirkt, umfasst.

Der spezifische Ertrag ist definiert als Wattstunden pro installierter Nennleistung (Wh / W p oder kWh / kWp) pro Periode und ermöglicht den einfachen Vergleich von Systemen verschiedener Größen. In Deutschland ist mit einer optimal ausgerichteten fest installierten Anlage pro 1 kWp Modulfläche ein jährlicher Ertrag von ca. 1.000 kWh zu erwarten, wobei die Werte zwischen ca. 900 kWh in Norddeutschland und 1150 kWh in Süddeutschland schwanken.

Montagesysteme für Dächer

Aufdach mit Photovoltaikanlage für Strom und Sonnenkollektoren zur Warmwasserbereitung
Die Montagesysteme unterscheiden zwischen Aufdachsystemen und Indachsystemen. In einem Aufdachsystem für geneigte Dächer wird die Photovoltaikanlage mittels eines Montagerahmens auf dem Dach montiert. Diese Art der Installation wird am häufigsten gewählt, da sie für bestehende Dächer am einfachsten zu implementieren ist.

In einem Indachsystem wird eine Photovoltaik-Anlage in die Dachhaut integriert und übernimmt deren Funktionen wie Dachabdichtung und Wetterschutz. Vorteilhaft an solchen Systemen sind das optisch ansprechende Aussehen und das Einsparen einer Dacheindeckung, so dass die höheren Montagekosten oft ausgeglichen werden können.

Die Aufdachanlage eignet sich für Ziegeldächer und Blechdächer, Schieferdächer oder Wellplatten. Ist die Dachneigung zu flach, können spezielle Haken dies teilweise kompensieren. Die Installation eines Aufdachsystems ist in der Regel einfacher und kostengünstiger als ein Indachsystem. Ein Aufdachsystem sorgt auch für eine ausreichende Belüftung der Solarmodule. Die Befestigungsmaterialien müssen wetterfest sein.

Das Indachsystem eignet sich für Dachrenovierungen und Neubauten, ist aber nicht auf allen Dächern möglich. Ziegeldächer erlauben keine Indachmontage, Blechdächer oder Bitumendächer. Die Form des Daches ist auch entscheidend. Die Indachmontage eignet sich nur für ausreichend große Schrägdächer mit günstiger Sonnenausrichtung. Im Allgemeinen erfordern Indachsysteme größere Neigungswinkel als Dachsysteme, um eine ausreichende Regenwasserableitung zu ermöglichen. Indachsysteme bilden mit den übrigen geschlossenen Flächen eine geschlossene Dachfläche und sind daher ästhetisch ansprechend. Ein Indachsystem hat zudem eine höhere mechanische Stabilität gegen Schnee- und Windlasten. Die Kühlung der Module ist jedoch weniger effizient als die Aufdachanlage, was die Leistung und die Ausbeute ein wenig reduziert. Eine um 1 ° C höhere Temperatur reduziert die Modulleistung um ca. 0,5%.

Effizienz
Der elektrische Wirkungsgrad (auch Umwandlungseffizienz genannt) trägt zur Auswahl einer Photovoltaikanlage bei. Die effizientesten Solarmodule sind jedoch typischerweise die teuersten und sind möglicherweise nicht im Handel erhältlich. Daher wird die Auswahl auch durch Kosteneffizienz und andere Faktoren bestimmt.

Die elektrische Effizienz einer PV-Zelle ist eine physikalische Eigenschaft, die angibt, wie viel elektrische Energie eine Zelle für eine gegebene Einstrahlung erzeugen kann. Der Grundausdruck für den maximalen Wirkungsgrad einer Photovoltaikzelle ist gegeben durch das Verhältnis von Ausgangsleistung zu einfallender Solarleistung (Strahlungsflusszeitfläche)

Der Wirkungsgrad wird unter idealen Laborbedingungen gemessen und repräsentiert die maximal erreichbare Effizienz des PV-Materials. Der tatsächliche Wirkungsgrad wird durch die Ausgangsspannung, den Strom, die Sperrschichttemperatur, die Lichtintensität und das Spektrum beeinflusst.

Der effizienteste Solarzellentyp ist eine Multi-Junction-Konzentrator-Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 46,0%, die vom Fraunhofer ISE im Dezember 2014 produziert wurde. Die höchsten ohne Konzentration erzielten Wirkungsgrade beinhalten ein Material der Sharp Corporation mit einem proprietären Triple von 35,8% -Junction Fertigungstechnologie im Jahr 2009 und Boeing Spectrolab (40,7% auch mit einem Drei-Schicht-Design). Das US-amerikanische Unternehmen SunPower produziert Zellen mit einem Wirkungsgrad von 21,5% und liegt damit deutlich über dem Marktdurchschnitt von 12-18%.

Herstellung
Insgesamt ist der Herstellungsprozess von Solar-Photovoltaik einfach, da er nicht den Höhepunkt vieler komplexer oder beweglicher Teile erfordert. Aufgrund der Festkörpereigenschaft von PV-Systemen haben sie oft eine relativ lange Lebensdauer von 10 bis 30 Jahren. Um die elektrische Leistung einer PV-Anlage zu erhöhen, muss der Hersteller einfach mehr Photovoltaik-Komponenten hinzufügen, und deshalb sind Skaleneffekte für die Hersteller wichtig, da die Kosten mit steigender Leistung sinken.

Während viele Arten von PV-Systemen als effektiv bekannt sind, machte kristallines Silizium PV im Jahr 2013 rund 90% der weltweiten Produktion von PV aus. Die Herstellung von Silizium-PV-Systemen hat mehrere Schritte. Zuerst wird Polysilizium aus abgebautem Quarz bis zu seiner Reinheit (Halbleiterqualität) verarbeitet. Dies wird geschmolzen, wenn kleine Mengen Bor, ein Element der Gruppe III, hinzugefügt werden, um einen p-Typ-Halbleiter herzustellen, der reich an Elektronenlöchern ist. Typischerweise wird unter Verwendung eines Impfkristalls ein Block dieser Lösung aus dem flüssigen polykristallinen Kristall gezüchtet. Der Barren kann auch in eine Form gegossen werden. Wafer aus diesem Halbleitermaterial werden mit Drahtsägen aus dem Volumenmaterial geschnitten und durchlaufen dann eine Oberflächenätzung, bevor sie gereinigt werden. Als nächstes werden die Wafer in einen Phosphordampfabscheidungsofen gebracht, der eine sehr dünne Phosphorschicht, ein Element der Gruppe V, aufbringt, das eine halbleitende Oberfläche vom n-Typ erzeugt. Um die Energieverluste zu reduzieren, wird der Oberfläche eine Antireflexbeschichtung und elektrische Kontakte hinzugefügt. Nach der Fertigstellung der Zelle werden die Zellen über eine elektrische Schaltung entsprechend der spezifischen Anwendung verbunden und für den Versand und die Installation vorbereitet.

Kristalline Silizium-Photovoltaik ist nur eine Art von PV, und während sie die Mehrheit der derzeit produzierten Solarzellen darstellt, gibt es viele neue und vielversprechende Technologien, die das Potenzial haben, für zukünftige Energiebedürfnisse skaliert zu werden.

Eine andere neuere Technologie, Dünnschicht-PV, wird hergestellt, indem halbleitende Schichten auf dem Substrat im Vakuum abgeschieden werden. Das Substrat besteht oft aus Glas oder rostfreiem Stahl, und diese halbleitenden Schichten bestehen aus vielen Arten von Materialien, einschließlich Cadmiumtellurid (CdTe), Kupferindiumdiselenid (CIS), Kupferindiumgalliumdiselenid (CIGS) und amorphem Silicium (a-Si ). Nach dem Abscheiden auf dem Substrat werden die halbleitenden Schichten getrennt und durch Laserkristallbildung elektrisch verbunden. Die Dünnschichtphotovoltaik macht heute aufgrund der verringerten Materialanforderungen und Kosten für die Herstellung von Dünnschichtmodulen im Vergleich zu Siliziumwafern etwa 20% der Gesamtproduktion von PV aus.

Andere aufstrebende PV-Technologien umfassen organische, farbstoffsensibilisierte, Quantenpunkt- und Perowskit-Photovoltaik. OPVs fallen in die Dünnfilmkategorie der Herstellung und arbeiten typischerweise um den 12% -Effizienzbereich herum, der niedriger ist als der typischerweise von siliziumbasierten PVs beobachtete 12-21%. Da organische Photovoltaik eine sehr hohe Reinheit erfordert und relativ reaktiv ist, müssen sie eingekapselt werden, was die Herstellungskosten erheblich erhöht und bedeutet, dass sie für eine großtechnische Herstellung nicht durchführbar sind. Farbstoffsensibilisierte PVs haben eine ähnliche Effizienz wie OPVs, sind aber wesentlich einfacher herzustellen. Diese farbstoffsensibilisierte Photovoltaik weist jedoch Lagerprobleme auf, da der flüssige Elektrolyt toxisch ist und möglicherweise die in der Zelle verwendeten Kunststoffe durchdringen kann. Quantenpunktsolarzellen sind quantenpunktsensibilisierte DSSCs und werden in Lösung verarbeitet, was bedeutet, dass sie potentiell skalierbar sind, jedoch erreichen sie derzeit einen Spitzenwert von 12%. Perowskit-Solarzellen sind ein sehr effizienter Sonnenenergiekonverter und haben ausgezeichnete photoelektrische Eigenschaften für photovoltaische Zwecke, aber sie sind teuer und schwierig herzustellen.

Anwendungen

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

Verschmutzung und Energie in der Produktion
PV ist eine bekannte Methode zur Erzeugung sauberer, emissionsfreier Elektrizität. PV-Anlagen bestehen häufig aus PV-Modulen und Wechselrichtern (Wechsel von Gleichstrom zu Wechselstrom). PV-Module bestehen hauptsächlich aus PV-Zellen, was keinen wesentlichen Unterschied zum Material für die Herstellung von Computerchips darstellt. Der Prozess der Herstellung von PV-Zellen (Computerchips) ist energieintensiv und beinhaltet hochgiftige und umweltgiftige Chemikalien. Weltweit produzieren nur wenige PV-Fabriken PV-Module mit Energie aus PV. Diese Maßnahme reduziert den CO2-Fußabdruck während des Herstellungsprozesses erheblich. Die Handhabung der im Herstellungsprozess verwendeten Chemikalien unterliegt den lokalen Gesetzen und Vorschriften der Fabriken.

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.