Alles zum Wirkungsgrad bei Photovoltaik

Wer sich für Photovoltaik (PV) interessiert und die Anschaffung einer Solaranlage plant, möchte unter anderem wissen, wie viel Ertrag die Solarmodule pro m² erwirtschaften können. In den Produktdatenblättern finden sich Angaben zur Nennleistung, zum Wirkungsgrad und zum Jahresertrag. Da kann es Laien schwer fallen, den Durchblick zu behalten. Dieser Beitrag hilft mit allen nötigen Erläuterungen aus.

Wofür steht der Solarenergie-Wirkungsgrad?

Der Wirkungsgrad spielt in der Photovoltaik eine wichtige Rolle für den Ertrag einer Solaranlage. Er gibt an, wie viel von der Sonnenenergie tatsächlich in Strom umgewandelt wird. Der Wirkungsgrad lässt sich sowohl für einzelne Solarzellen sowie Solarmodule als auch für eine gesamte Photovoltaikanlage berechnen. Angegeben wird er in Prozent. Ein Wirkungsgrad von 10 % bedeutet, dass 1 m² Modulfläche bei senkrechtem Lichteinfall eine elektrische Leistung von etwa 100 W erzeugt. Je höher der Wert ausfällt, desto effizienter arbeitet das System.

Der Gesamtwirkungsgrad der PV-Anlage wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst, etwa von:

• der Solarzellentechnologie
• der Bauweise und Größe der Module
• der Länge und dem Querschnitt der Leitungen
• dem Wechselrichter

Der Wirkungsgrad der gesamten PV-Anlage liegt also notwendigerweise immer unter dem Wirkungsgrad der einzelnen Solarmodule.

Solarzellentechnologie und Bauart der Solarmodule

Eine entscheidende Rolle für den Gesamtwirkungsgrad einer PV-Anlage spielt die eingesetzte Solarzellentechnologie. Aber auch die Bauart (Verschaltung der Zellen) und die Größe der Solarmodule haben Einfluss auf die Effizienz.

Die besten Werte erzielen derzeit Dickschichtmodule auf der Basis von monokristallinem Silizium. Sie sind jedoch aufwendig in der Herstellung, was sich auf die Anschaffungskosten niederschlägt. Günstiger sind Dünnschichtmodule, die allerdings geringere Wirkungsgrade aufweisen. Eine vielversprechende Technologie, die sich derzeit noch in der Entwicklung befindet, sind sogenannte Tandem- bzw. Hybrid-Solarzellen. Bei ihnen werden unterschiedliche Materialien miteinander kombiniert, wodurch sich unterschiedliche Teile des Lichtspektrums zur Photovoltaik nutzen lassen und somit mehr Strahlungsenergie in elektrische Energie umgewandelt wird.

Mit zunehmendem Alter sinkt der Wirkungsgrad von Solarmodulen, wodurch auch die Effizienz der Photovoltaikanlage sinkt. Im Laufe der Gesamtlebenszeit heutiger PV-Anlagen sinkt die Effizienz zwischen 10 und 15 %. Viele Hersteller geben aus diesem Grund auch Garantien (für 20 oder sogar mehr Jahre), bei denen die Wirkungsgrad-Versprechen je nach Betriebszeit gestaffelt sind.

Steht nur eine geringe Dachfläche zur Verfügung, sind Module mit einem vergleichsweise hohen Wirkungsgrad umso ratsamer. Bei einer großen Dachfläche können günstigere Module mit einem geringeren Wirkungsgrad eine Alternative sein.

Verluste durch Verkabelung und Wechselrichter

In die Berechnung des Gesamtwirkungsgrads fließen bei der Solarenergieerzeugung zudem die Verluste ein, welche die Verkabelung und die Umwandlung in Wechselstrom mit sich bringen. Wichtig ist, dass die vom Hersteller angegebenen Leitungsquerschnitte nicht unterschritten werden. In der Praxis ist der Effizienzverlust aufgrund Verkabelung praktisch außer Acht zu lassen.

Einen größeren Einfluss hat der Wechselrichter der Photovoltaikanlage. Moderne Einheiten bringen es heute auf Wirkungsgrade zwischen 96 und 98 %. Um Energieverluste zu reduzieren, empfiehlt es sich, den Wechselrichter möglichst nah am Einspeisepunkt zu platzieren.

Die Nennleistung einer PV-Anlage

Eine weitere wichtige Vergleichsgröße neben dem Wirkungsgrad ist die Nennleistung (auch: elektrische Leistung) von Solarmodulen. Dabei handelt es sich um einen Spitzenwert, der unter standardisierten Laborbedingungen gemessen wird. Die Maßeinheit für die elektrische Leistungsfähigkeit ist Watt-Peak (Wp) bzw. Kilowatt-Peak (kWp).

Die Gesamtleistung einer Photovoltaikanlage ergibt sich, indem man die Leistung eines einzelnen Moduls mit der Anzahl der verbauten Module gleicher Art multipliziert. Ein Beispiel: Werden 10 Module mit einer Nennleistung von 320 Wp verbaut, beträgt die Anlagenleistung 3.200 Wp bzw. 3,2 kWp. Wirkungsgradverluste sind hierbei nicht berücksichtigt.

Bei den meteorologischen Bedingungen in Deutschland können pro kWp einer Anlage jährlich 900 bis 1.100 kWh Solarstrom erzeugt werden. Im Süden ist der Ertrag etwas höher, im Norden etwas niedriger. Für potenzielle Nutzer ist dabei auch die Frage interessant, wie viel kWp eine Photovoltaikanlage mit der zur Verfügung stehenden Modulfläche erreicht. Die Leistung hängt dabei von der Art der Solarzellen ab. Bei Dickschichtmodulen mit monokristallinen Zellen benötigt man für 1 kWp eine Fläche von ca. 6 m², bei Dünnschichtmodulen sind es rund 10 m².

Wie viel Strom produziert eine Photovoltaikanlage in der Praxis?

Hersteller ermitteln Wirkungsgrad und Nennleistung von PV-Anlagen unter idealen Bedingungen. Die tatsächliche Leistung im Betrieb wird in kW angegeben. Wie viel kW eine Photovoltaikanlage pro m² Modulfläche tatsächlich liefert, hängt zum einen vom Sonnenstand und zum anderen vom Wetter ab. Im Verlauf eines Tages ändert sich die Leistung also fortlaufend.

Zudem wirken sich die Ausrichtung der PV-Anlage und mögliche Verschattungen auf die Leistung aus. Auch schmale Schatten, die von Leitungen oder Antennen geworfen werden, können die Gesamtleistung mindern – vor allem, wenn die Module in Reihe geschaltet sind.

Um den Ertrag einer Photovoltaikanlage in kWh zu ermitteln, wird ihre Leistung mit der Zahl an Sonnenstunden multipliziert. Eine Solaranlage mit 10 kW Leistung erbringt in drei Stunden bei sonnigem Wetter einen Ertrag von 30 kWh.

Der Solarstromertrag einer konkreten (geplanten) Anlage kann leicht über Photovoltaik-Rechner ermittelt werden. Berechnungsgrundlage sind auch meteorologische Sonnenstrahlungsdaten, die eine realistische Prognose erlauben. Aufschlussreich ist auch ein Blick auf die bundesweiten Solarstromerträge der letzten Jahre.