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Funktion & Installation von Photovoltaik

Unter Photovoltaik (abgekürzt PV) wird die Umwandlung von Lichtenergie mittels Solarzellen in elektrische Energie verstanden. Die PV-Anlage kann dabei direkt am Gebäude (auf der Dachfläche) angebracht oder in die Fassade integriert werden. Neben der Anbringung auf Gebäuden können Anlagen auch auf der freien Fläche installiert werden.

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Die verschiedenen Typen von Solarzellen

abgeändert aus: Solarleitfaden der Stadt Wien, Abteilung Energieplanung, 2021    

Charakteristisch ist die Kristallstruktur, die ein bläuliches, eisblumenartiges Erscheinungsbild erzeugt. Die polykristallinen Zellen sind zwar etwas günstiger als die monokristallinen, weisen dabei aber auch einen etwas geringeren Wirkungsgrad auf. Mittlerweile erreichen polykristalline Module im Labor laut Bundesverband Photovoltaic Austria einen Wirkungsgrad von über 23%. Aufgrund der geringeren Kosten dominierte diese Zelle den Photovoltaikmarkt für viele Jahre und wurde häufig für Photovoltaik-Anlagen auf großer Fläche eingesetzt. Ein Vorteil der polykristallinen Zellen sind die meist geringeren Leistungsverluste über die Lebensdauer. Da heute die Herstellung dieses Zellentyps seltener geworden ist, wird er mittlerweile auch weniger oft verbaut.

Monokristalline Solarzellen werden im Vergleich zu polykristallinen Solarzellen aus einem einzelnen Siliziumkristall gezogen und haben dadurch einen höheren Wirkungsgrad. Die schwarze, einheitliche Optik ist bei Kund*innen meist beliebter. Sie gelten als sehr effiziente Solarzellen bei direkter Sonneneinstrahlung und insbesondere auch bei Schwachlicht und benötigen für denselben Ertrag weniger Fläche als polykristalline Solarzellen, was meist die vorrangige Ursache für deren Einsatz im urbanen Raum ist. Auch ist ihre Blendwirkung geringer. Monokristalline Zellen haben unter Laborbedingungen laut Bundesverband Photovoltaic Austria bereits Wirkungsgrade von über 26% und werden aufgrund von geringer werdenden Kosten und der höheren Effizienzen immer häufiger eingesetzt.

Bei Dünnschicht-Zellen gibt es verschiedene Aufbauten und Materialkompositionen. Gemeinsam haben diese Zellen jedoch ihr Herstellungsverfahren und ihre Schichtdicken (im μm-Bereich), die durch das Aufdampfen des Materials hergestellt werden. Um ein breites Spektrum an eingestrahlter Energie nutzen zu können, werden verschiedene Materialien miteinander kombiniert. Der größte Vorteil der Dünnschicht-Module ist ihre Flexibilität, ihr geringes Gewicht sowie der sehr breite Einsatzbereich, von aufrollbaren Flächen auf Rucksäcken bis hin zu Großflächenanlagen. Dünnschicht-Module haben in der Regel allerdings einen geringeren Wirkungsgrad (im Bereich von 14% – 23%) als andere Solarzellen und benötigen deshalb für denselben Ertrag mehr Fläche.

Abseits von den Standard-Zellen gibt es auch Sonderanfertigungen, wie beispielsweise farbige Solarzellen, bedruckte oder gelochte Zellen (um Sonnenlicht durch die PV-Zelle zu lassen). Veränderungen der Zelle nehmen dabei aber auch Einfluss auf den Ertrag. So ist beim Einsatz von farbigem Glas mit einer Reduktion des Energiegewinns von 10 % bis 30 % zu rechnen.

Installationsmöglichkeiten von Photovoltaikanlagen

Folgende Möglichkeiten, die PV-Module anzubringen, stehen mittlerweile zur Verfügung. Laufend kommen neue Anwendungen dazu. Die Sonnenstromtechnologie ist dadurch in der Stadt sehr vielseitig einsetzbar und dem Gestaltungsspielraum sind dabei kaum Grenzen gesetzt.

Es gibt im Wesentlichen drei Anbringungsmöglichkeiten für Photovoltaik-Module:

  • Direkte Anbringung der Photovoltaik-Module am Dach
  • Integration der Photovoltaik-Module in das Bauwerk, beispielsweise als Ersatz des Daches/der Fassade, als Verschattungselement, als Absturzsicherung etc.
  • In der Freifläche, mit Doppelnutzung, beispielsweise als Carport, Parkplatzüberdachung oder im landwirtschaftlichen Bereich (“Agro-PV”)

Je nach Dachneigung werden die Photovoltaik-Module entweder parallel zur Dachfläche montiert oder aufgeständert. Bei einer Dachneigung von 20 bis 50 Grad werden die Photovoltaik-Module in der Regel parallel zur Dachfläche montiert. Bei Flachdächern bzw. nur leicht geneigten Dächern ist die Sonnenstromausbeute größer, wenn die Photovoltaik-Module in einem Winkel von 15 bis 35 Grad angebracht werden. Damit werden die Module bei Regen gesäubert und auch Schnee kann abrutschen. Bei Schrägdächern wird die Photovoltaik-Anlage fest mit der Dachkonstruktion verankert. Bei Photovoltaik-Anlagen am Dach und in der Fassade (siehe Text unten) ist auf eine ausreichende Hinterlüftung und damit Kühlung zu achten. Der Abstand zwischen dem Photovoltaik Modul und dem Dach sollte zwischen 10 und 15 cm sein. Durch eine Ost-West-Ausrichtung der PV-Anlage auf einem Flachdach kann vor allem vor- und nachmittags Strom erzeugt werden.

Aufgrund der großen Flächenpotentiale am Gebäude bietet sich auch die Integration des Photovoltaik-Moduls direkt in die Fassade des Gebäudes an. Die bauwerkintegrierte Photovoltaik (BIPV) ist Bestandteil des Gebäudes und übernimmt damit auch eine Gebäudefunktion. BIPV kann als direkter Fassadenersatz, als Verschattungssystem oder als Überdachung mittels spezialgefertigter Glas-Glas-Module eingesetzt werden. Dabei ersetzen die Module das Dach/die Fassade und übernehmen auch deren Funktionen. Fassadenintegrierte Module, die senkrecht zum Boden stehen, müssen mit Ertragseinbußen von 30 %, gegenüber optimal ausgerichteten Anlagen, rechnen.

Photovoltaik-Anlagen auf der freien Fläche  können auch abseits vom Gebäude betrieben werden, bspw. auf freien Flächen wie Parkplätzen, öffentlichen Plätzen, Wartehäusern und vielen mehr. Damit bieten Photovoltaik-Anlagen auch zahlreiche Mehrfachnutzen, wie Schattenbildung oder Kühlung in Kombination mit Stromproduktion. Z.B. Carports mit integrierten PV-Modulen bieten Wetterschutz und spenden gleichzeitig Schatten und produzieren Strom. Achtung: bei einer überdachten Fläche von mehr als 25 m² handelt es sich bei Überdachungen um Bauwerke mit entsprechender Genehmigungspflicht gemäß Wiener Bauordnung. Nähere Informationen dazu im Verfahrenshandbuch „Anzeige- und Genehmigungspflichten sowie Anforderungen für Photovoltaik-Anlagen und Stromspeicher“

Blendung durch PV-Anlagen

Jedes PV-Modul reflektiert einfallendes Licht. Manche Module mehr manche weniger. Was zuerst merkwürdig klingen mag, lässt sich durch das Abdeckglas erklären, welches ähnlich wie eine Fensterscheibe, bei flachem Einfallswinkel so stark reflektiert, dass es zu Blendung z.B. von Anrainer*innen kommen kann. Daher können von PV-Anlagen, egal welcher Größe, sogenannte Reflexionsemissionen ausgehen, welche die Umwelt beeinflussen. Entscheidend sind dabei die Intensität der Sonnenstrahlung und der Sonnenstand, bzw. der Einfallswinkel auf die Module, sowie die Reflexionseigenschaften des Abdeckglases. Weiters relevant ist auch die Dauer der möglichen Blendwirkung. Bei monokristallinen Modulen ist die Blendwirkung übrigens geringer.

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