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Wie berechnet sich der Wirkungsgrad, was ist ein Kilowattpeak?

1 kW-Peak bezeichnet eigentlich die Nennleistung eines Photovoltaikmoduls unter günstigen Bedingungen und ist ein Äquivalent für die benötigte Modulfläche um 1000 Watt Strom zu erzeugen. Der Wert wird unter Laborbedingungen ermittelt und dient eigentlich dazu verschiedene Module untereinander vergleichen zu können. Aus dem Wert lässt sich auch der Wirkungsgrad ableiten. Dieser hängt von der verwendeten Solarzellentechnik ab. Mono- und Polykristalline Siliziumzellen erreichen Wirkungsgrade von ca. 15 %, Dünnschichtmodule dagegen nur von ca. 10 %. Je höher der Wirkungsgrad ist, desto weniger Modulfläche wird für einen KW-Peak benötigt.

Beispiel:
Für die Ermittlung des Wirkungsgrads wird auf ein Modul mit 1,65 m² Fläche bei 25 °C Modultemperatur 1000 Watt Strahlungsenergie abgegeben. Davon wird nur ein Teil in elektrische Energie umgewandelt. Für die Berechnung nehmen wir an, dass 220 Watt erzeugt werden.

Der Wirkungsgrad errechnet sich aus der erzeugten Menge Strom je Quadratmeter:

1000 Watt Einstrahlung erzeugt 133 Watt Strom/m² à Wirkungsgrad = 13,3 %.

1 kW-Peak errechnet sich aus der benötigten Modulfläche um 1000 Watt zu
erzeugen:
1000 Watt / 220 Watt = 4,54 (Module a 1,65 m²)
4,54 * 1,65 m² = 7,5 m² (1 kW-Peak)

Die von den Herstellern angegebenen Werte werden unter Laborbedingungen ermittelt und dienen der Vergleichbarkeit der Module untereinander. In der Regel werden in der Realität geringere Strommengen erzeugt. Zum Beispiel sinkt bei Poly- und Monokristallinen Siliziumzellen der Wirkungsgrad mit steigender Temperatur. Also wird gerade in den strahlungsreichen Sommermonaten die Effizienz gemindert, da in dieser Zeit häufig Modultemperaturen weit jenseits der im Labor eingestellten 25 °C erreicht werden. Bei Dünnschichtmodulen tritt dieser Effekt in geringerem Maße auf.

Optimale Modulneigung und -ausrichtung

Für die solare Nutzung von Dächern ist eine Südausrichtung optimal. Auch um bis zu 50° von der Südausrichtung abweichende Flächen bringen bei optimaler Neigung noch bis zu 95% Ertrag. Danach nimmt die Eignung jedoch schnell ab. Auf ungünstig ausgerichteten Flächen empfiehlt sich die Nutzung von Dünnschichtzellen, da diese diffuses Licht besser nutzen können als kristalline Module. Sollten sie vor der Entscheidung stehen, ob sie ein Westdach oder ein Ostdach mit einer Anlage belegen, ist das nach Westen ausgerichtete Dach zu bevorzugen. Zwar ist die Einstrahlungsmenge auf beiden Dächern theoretisch gleich, beim Ostdach besteht jedoch die Gefahr, dass durch Frühnebel Ertragsminderungen auftreten.

Photovoltaik:
Bei Anlagen zur Stromgewinnung ist eine Dachneigung knapp über 30° optimal. Dadurch werden im Gesamtjahresverlauf die größten Strommengen produziert. Theoretisch sind bei Südausrichtung Neigungen von 10 bis 50° sehr gut geeignet. Bei wenig geneigten Modulen ist jedoch der zurückgehende Selbstreinigungseffekt zu berücksichtigen. Unter 20° nimmt er stark ab und unter 10° ist er praktisch nicht mehr vorhanden. Auf Dauer schlägt sich das in geringerer Stromproduktion oder höheren Reinigungskosten nieder.

Solarthermie:
Bei der Wärmeerzeugung sind steilere Anstellwinkel in der Regel besser, es muss aber differenziert werden: Möchte man Solarthermie zur Warmwasserbereitung nutzen liegt die ideale Modulneigung zwischen 30 und 50°, soll die Gebäudeheizung unterstützt werden, liegt der optimale Neigungswinkel zwischen 45 und 70°. Generell gilt: Je steiler der Anstellwinkel, desto mehr Wärmeenergie wird im Winter und desto weniger wird im Sommer produziert. Da Warmwasser das ganze Jahr benötigt wird ist ein flacherer Winkel insgesamt günstiger als bei der Heizungsunterstützung, die nur im Winterhalbjahr zum Tragen kommt. Bei der Solarthermie ist es also weniger wichtig über das Jahr die maximale Sonneneinstrahlung nutzen zu können sondern zum richtigen Zeitpunkt. Daher wird in der Potenzialkarte auch nicht die nutzbare Einstrahlungsmenge angegeben.

Mindestgröße

Photovoltaik:
Für die Installation von einem Kilowatt-Peak sind ca. 7,5 m² Modulfläche notwendig wenn kristalline Zellen verwendet werden. Bei Dünnschichtmodulen wird mit ca. 10 m² ein Kilowatt-Peak erreicht. Als Mindestgröße für die Eignung eines Daches wurden 20 m² gewählt.

Solarthermie:
Solarthermiemodule sind in der Regel 2,5 m² groß und können bei der Warmwasserbereitung 150 Liter erwärmen. Dies würde für einen 2 Personen Haushalt ausreichen. In der Regel werden jedoch mindestens zwei Module benötigt weshalb die Mindestgröße auf 5 m² installierbare Modulfläche festgelegt wurde. Möchte man die Solarthermie zur Heizungsunterstützung nutzen, ist eine weitaus größere Modulfläche notwendig. Der Modulflächenbedarf liegt bei Flachkollektoren bei ca. 1 m² je 10 m² Wohnfläche und bei Vakuumröhrenkollektoren bei ca. 0,6 m² je 10 m² Wohnfläche. Bitte beachten sie dies bei der Planung.