Wirkungsgrad

 

Der Wirkungsgrad

 
 

Die entscheidende Größe für Ihren Solarertrag

Der Wirkungsgrad (Formelzeichen: η, “Eta") beschreibt das Verhältnis von

  • zugeführter Energie: Pzu
  • und abgegebener Energie: Pab

bei einem Energiewandler wie der Photovoltaikanlage. Energiewandler sind Vorrichtungen, die eine gegebene Form von Energie in eine andere Form von Energie umwandeln. Z.B. wandelt ein ölverbrennender Motor die im Öl gespeicherte Energie durch Verbrennen in Bewegung eines Achsantriebs um; Glühbirnen wandeln Strom in Licht, eine Photovoltaikanlage wandelt Sonnenlicht in Strom usw.

Die Formel zur Berechnung des Wirkungsgrades lautet (der Wirkungsgrad ist der Anteil der abgegebenen Energie zur zugeführten Energie):

η = Pab/Pzu

Die abgegebene Energie (Wärme, Licht, Motorleistung) wird durch also die zugeführte Energie (in Form von Sonne, Öl, Kraft, Wärme usw.) geteilt. Da ein Energiewandler nicht mehr Energie umwandeln kann, als ihm zuvor zugefügt wurde, kann der Wirkungsgrad niemals größer sein als 1 oder – in anderer Schreibweise – 100% (auf PVS Solarstrom finden Sie für den Wirkungsgrad durchgängig die Schreibweise in Prozent).




Da ein Teil der Energie z.B. durch Reibung oder Wärmeentwicklung verloren geht, liegt der Wirkungsgrad eines Energiewandlers unter 100%. Je höher der Wirkungsgrad ist, umso besser wird die zugefügte Energie in Nutzenergie umgewandelt.

Für alle Materialen gibt es physikalische Begrenzungen des Wirkungsgrads bei der Stromerzeugung. Der maximale theoretische Wirkungsgrad von polykristallinen Siliziumzellen liegt bei 29%.

Beispiele verschiedener Wirkungsgrade

Herkömmliche Glühbirnen haben einen Wirkungsgrad von 3 bis 4 %. Photovoltaikanlagen bzw. Solarzellen in Serienfertigung erreichen derzeit Wirkungsgrade von 11 bis 21%; thermische Solaranlagen (Solarthermie-Anlagen) erreichen Wirkungsgrade zwischen 25% und 40%. Experimentelle Solarzellen, die noch nicht in Serienfertigung angeboten werden können, erreichen bis zu rund 42%.

Nach Solarzellen-Typen

In der Photovoltaik gilt es zwischen stabilem Wirkungsgrad und anfänglichem Wirkungsgrad zu unterscheiden. Besonders bei Dünnschicht-Solarzellen nimmt der Wirkungsgrad in den ersten drei bis sechs Monaten nach Inbetriebnahme der Anlage um bis zu 40% ab (vgl. Degradation). Nach dieser initialen Phase stabilisiert der Wirkungsgrad sich und unterliegt nur noch einer geringen Degradation (durchschnittlich ca. 10% in 20 Jahren).

Dieser (verhältnismäßig) stabile Wirkungsgrad ist im Folgenden gemeint – sowohl, was Versuche mit Solarzellen verschiedener Material- und Bauart in Laborversuchen, als auch was die Leistung industriell gefertigter Photovoltaikanlagen gleicher Bauart betrifft.

Die entscheidende Größe für Ihren Solarertrag

Der Wirkungsgrad (Formelzeichen: η, “Eta") beschreibt das Verhältnis von

  • zugeführter Energie: Pzu
  • und abgegebener Energie: Pab

bei einem Energiewandler wie der Photovoltaikanlage. Energiewandler sind Vorrichtungen, die eine gegebene Form von Energie in eine andere Form von Energie umwandeln. Z.B. wandelt ein ölverbrennender Motor die im Öl gespeicherte Energie durch Verbrennen in Bewegung eines Achsantriebs um; Glühbirnen wandeln Strom in Licht, eine Photovoltaikanlage wandelt Sonnenlicht in Strom usw.

Die Formel zur Berechnung des Wirkungsgrades lautet (der Wirkungsgrad ist der Anteil der abgegebenen Energie zur zugeführten Energie):

η = Pab/Pzu

Die abgegebene Energie (Wärme, Licht, Motorleistung) wird durch also die zugeführte Energie (in Form von Sonne, Öl, Kraft, Wärme usw.) geteilt. Da ein Energiewandler nicht mehr Energie umwandeln kann, als ihm zuvor zugefügt wurde, kann der Wirkungsgrad niemals größer sein als 1 oder – in anderer Schreibweise – 100% (auf PVS Solarstrom finden Sie für den Wirkungsgrad durchgängig die Schreibweise in Prozent).




Da ein Teil der Energie z.B. durch Reibung oder Wärmeentwicklung verloren geht, liegt der Wirkungsgrad eines Energiewandlers unter 100%. Je höher der Wirkungsgrad ist, umso besser wird die zugefügte Energie in Nutzenergie umgewandelt.

Für alle Materialen gibt es physikalische Begrenzungen des Wirkungsgrads bei der Stromerzeugung. Der maximale theoretische Wirkungsgrad von polykristallinen Siliziumzellen liegt bei 29%.

Beispiele verschiedener Wirkungsgrade

Herkömmliche Glühbirnen haben einen Wirkungsgrad von 3 bis 4 %. Photovoltaikanlagen bzw. Solarzellen in Serienfertigung erreichen derzeit Wirkungsgrade von 11 bis 21%; thermische Solaranlagen (Solarthermie-Anlagen) erreichen Wirkungsgrade zwischen 25% und 40%. Experimentelle Solarzellen, die noch nicht in Serienfertigung angeboten werden können, erreichen bis zu rund 42%.

Nach Solarzellen-Typen

In der Photovoltaik gilt es zwischen stabilem Wirkungsgrad und anfänglichem Wirkungsgrad zu unterscheiden. Besonders bei Dünnschicht-Solarzellen nimmt der Wirkungsgrad in den ersten drei bis sechs Monaten nach Inbetriebnahme der Anlage um bis zu 40% ab (vgl. Degradation). Nach dieser initialen Phase stabilisiert der Wirkungsgrad sich und unterliegt nur noch einer geringen Degradation (durchschnittlich ca. 10% in 20 Jahren).

Dieser (verhältnismäßig) stabile Wirkungsgrad ist im Folgenden gemeint – sowohl, was Versuche mit Solarzellen verschiedener Material- und Bauart in Laborversuchen, als auch was die Leistung industriell gefertigter Photovoltaikanlagen gleicher Bauart betrifft.

Die entscheidende Größe für Ihren Solarertrag

Der Wirkungsgrad (Formelzeichen: η, “Eta") beschreibt das Verhältnis von

  • zugeführter Energie: Pzu
  • und abgegebener Energie: Pab

bei einem Energiewandler wie der Photovoltaikanlage. Energiewandler sind Vorrichtungen, die eine gegebene Form von Energie in eine andere Form von Energie umwandeln. Z.B. wandelt ein ölverbrennender Motor die im Öl gespeicherte Energie durch Verbrennen in Bewegung eines Achsantriebs um; Glühbirnen wandeln Strom in Licht, eine Photovoltaikanlage wandelt Sonnenlicht in Strom usw.

Die Formel zur Berechnung des Wirkungsgrades lautet (der Wirkungsgrad ist der Anteil der abgegebenen Energie zur zugeführten Energie):

η = Pab/Pzu

Die abgegebene Energie (Wärme, Licht, Motorleistung) wird durch also die zugeführte Energie (in Form von Sonne, Öl, Kraft, Wärme usw.) geteilt. Da ein Energiewandler nicht mehr Energie umwandeln kann, als ihm zuvor zugefügt wurde, kann der Wirkungsgrad niemals größer sein als 1 oder – in anderer Schreibweise – 100% (auf PVS Solarstrom finden Sie für den Wirkungsgrad durchgängig die Schreibweise in Prozent).




Da ein Teil der Energie z.B. durch Reibung oder Wärmeentwicklung verloren geht, liegt der Wirkungsgrad eines Energiewandlers unter 100%. Je höher der Wirkungsgrad ist, umso besser wird die zugefügte Energie in Nutzenergie umgewandelt.

Für alle Materialen gibt es physikalische Begrenzungen des Wirkungsgrads bei der Stromerzeugung. Der maximale theoretische Wirkungsgrad von polykristallinen Siliziumzellen liegt bei 29%.

Beispiele verschiedener Wirkungsgrade

Herkömmliche Glühbirnen haben einen Wirkungsgrad von 3 bis 4 %. Photovoltaikanlagen bzw. Solarzellen in Serienfertigung erreichen derzeit Wirkungsgrade von 11 bis 21%; thermische Solaranlagen (Solarthermie-Anlagen) erreichen Wirkungsgrade zwischen 25% und 40%. Experimentelle Solarzellen, die noch nicht in Serienfertigung angeboten werden können, erreichen bis zu rund 42%.

Nach Solarzellen-Typen

In der Photovoltaik gilt es zwischen stabilem Wirkungsgrad und anfänglichem Wirkungsgrad zu unterscheiden. Besonders bei Dünnschicht-Solarzellen nimmt der Wirkungsgrad in den ersten drei bis sechs Monaten nach Inbetriebnahme der Anlage um bis zu 40% ab (vgl. Degradation). Nach dieser initialen Phase stabilisiert der Wirkungsgrad sich und unterliegt nur noch einer geringen Degradation (durchschnittlich ca. 10% in 20 Jahren).

Dieser (verhältnismäßig) stabile Wirkungsgrad ist im Folgenden gemeint – sowohl, was Versuche mit Solarzellen verschiedener Material- und Bauart in Laborversuchen, als auch was die Leistung industriell gefertigter Photovoltaikanlagen gleicher Bauart betrifft.

 
Solarzellen Wirkungsgrad
bei Laborversuchen
Wirkungsgrad
in der Produktion
polykristallines Silizium
(Dickschicht)
20-22% 21%
polykristallines Silizium
mit Perowskit
26,6%
monokristallines Silizium
(Dickschicht)
ca. 25% 19-22%
amorphes Silizium
(Dünnschicht)
15% 7-9%
Tandemzelle
(Dünnschicht)
41-30% 25-30%
Indiumphosphid
(in Mehrfachzelle)
41,1%  – 
Galliumarsenid
(Einschicht)
34% 16-20%
Galliumarsenid
(Mehrschicht)
37% 21-25%
Cadmiumtellurid
(Dünnschicht)
ab 30% 8-10%
CIS/CIGS
(Dünnschicht)
19-21% 9-14%

Wirkungsgrad und Ertrag

Der Ertrag einer Photovoltaikanlage hängt neben dem nominellen Wirkungsgrad der Module ab

  • zum einen von ihrer Temperatur,
  • zum anderen von ihrer Ausrichtung zur Sonne.

Temperatur der Solarzelle

Gelegentlich wird behauptet, Mitteleuropa sei wegen der geringeren Solareinstrahlung für Photovoltaikanlagen wenig geeignet. Jedoch greift dies zu kurz. Für den Wirkungsgrad der Solarzelle spielt ihre Temperatur eine erhebliche Rolle – je niedriger die Temperatur, desto besser.
Durch den Stromfluss erhöht sich die Temperatur einer Solaranlage aber selbst an kalten Wintertagen schnell auf 25° C oder mehr (was übrigens den Schneeabrutsch begünstigt); im Sommer kann sie in Deutschland bei Normalbetrieb bis zu 70° C heiß werden. So kann die Ausbeute der Solarzellen an einem kühlen, aber sonnigen Februartag gelegentlich höher sein als an einem heißen Hochsommertag – obwohl die Sonne im Februar niedriger steht, die Solareinstrahlung schwächer und die Sonnenscheinstunden kürzer sind. So erklärt es sich, dass eine Photovoltaikanlage auf einem mitteleuropäischen Dach in ihrem Ertrag Anlagen am Äquator trotz der geringeren Solareinstrahlung kaum nachstehen.

Ausrichtung der Solarzelle

Treffen die Sonnenstrahlen senkrecht auf die Solarzelle auf, ist die Wirkung am größten. Leichte Abweichungen fallen allerdings so wenig ins Gewicht, dass eine exakte Nachführung der Photovoltaikanlage, die dem Stand der Sonne folgt, sich nur unter bestimmten Bedingungen lohnt.

Den höchsten Wirkungsgrad erreichen Solarzellen bei perfekter Ausrichtung nach Süden und optimaler Neigung der Photovoltaikanlage.
Die für den Wirkungsgrad optimale Neigung hängt, abhängig von der Solareinstrahlung, von den Gegenheiten ab.
Eine Schneehütte beispielsweise muss vor allem im Winter mit Energie versorgt werden, wenn die Sonne niedrig steht. Der Aufstellwinkel der Photovoltaikanlage sollte im Winter daher höher sein als im Sommer. Den optimalen Wirkungsgrad erreichen Solarzellen deshalb im Winter bei einem Winkel von 55°.
Die Photovoltaikanlage eines Wochenend-Häuschens am See, das vor allem im Sommer genutzt wird, sollte hingegen eine Neigung von etwa 27° aufweisen, um in den Monaten mit hoher Solareinstrahlung den optimalen Wirkungsgrad der Solarzellen zu erreichen.
Die meisten Anlagen aber werden übers ganze Jahr hin genutzt und sollten der Solareinstrahlung sowohl im Winter als auch im Sommer optimal entsprechen – die beste Neigung von Photovoltaikanlagen liegt in diesem Fall bei gut 30°.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung

Solarzellen Wirkungsgrad
bei Laborversuchen
Wirkungsgrad
in der Produktion
polykristallines Silizium
(Dickschicht)
20-22% 21%
polykristallines Silizium
mit Perowskit
26,6%
monokristallines Silizium
(Dickschicht)
ca. 25% 19-22%
amorphes Silizium
(Dünnschicht)
15% 7-9%
Tandemzelle
(Dünnschicht)
41-30% 25-30%
Indiumphosphid
(in Mehrfachzelle)
41,1%  – 
Galliumarsenid
(Einschicht)
34% 16-20%
Galliumarsenid
(Mehrschicht)
37% 21-25%
Cadmiumtellurid
(Dünnschicht)
ab 30% 8-10%
CIS/CIGS
(Dünnschicht)
19-21% 9-14%

Wirkungsgrad und Ertrag

Der Ertrag einer Photovoltaikanlage hängt neben dem nominellen Wirkungsgrad der Module ab

  • zum einen von ihrer Temperatur,
  • zum anderen von ihrer Ausrichtung zur Sonne.

Temperatur der Solarzelle

Gelegentlich wird behauptet, Mitteleuropa sei wegen der geringeren Solareinstrahlung für Photovoltaikanlagen wenig geeignet. Jedoch greift dies zu kurz. Für den Wirkungsgrad der Solarzelle spielt ihre Temperatur eine erhebliche Rolle – je niedriger die Temperatur, desto besser.
Durch den Stromfluss erhöht sich die Temperatur einer Solaranlage aber selbst an kalten Wintertagen schnell auf 25° C oder mehr (was übrigens den Schneeabrutsch begünstigt); im Sommer kann sie in Deutschland bei Normalbetrieb bis zu 70° C heiß werden. So kann die Ausbeute der Solarzellen an einem kühlen, aber sonnigen Februartag gelegentlich höher sein als an einem heißen Hochsommertag – obwohl die Sonne im Februar niedriger steht, die Solareinstrahlung schwächer und die Sonnenscheinstunden kürzer sind. So erklärt es sich, dass eine Photovoltaikanlage auf einem mitteleuropäischen Dach in ihrem Ertrag Anlagen am Äquator trotz der geringeren Solareinstrahlung kaum nachstehen.

Ausrichtung der Solarzelle

Treffen die Sonnenstrahlen senkrecht auf die Solarzelle auf, ist die Wirkung am größten. Leichte Abweichungen fallen allerdings so wenig ins Gewicht, dass eine exakte Nachführung der Photovoltaikanlage, die dem Stand der Sonne folgt, sich nur unter bestimmten Bedingungen lohnt.

Den höchsten Wirkungsgrad erreichen Solarzellen bei perfekter Ausrichtung nach Süden und optimaler Neigung der Photovoltaikanlage.
Die für den Wirkungsgrad optimale Neigung hängt, abhängig von der Solareinstrahlung, von den Gegenheiten ab.
Eine Schneehütte beispielsweise muss vor allem im Winter mit Energie versorgt werden, wenn die Sonne niedrig steht. Der Aufstellwinkel der Photovoltaikanlage sollte im Winter daher höher sein als im Sommer. Den optimalen Wirkungsgrad erreichen Solarzellen deshalb im Winter bei einem Winkel von 55°.
Die Photovoltaikanlage eines Wochenend-Häuschens am See, das vor allem im Sommer genutzt wird, sollte hingegen eine Neigung von etwa 27° aufweisen, um in den Monaten mit hoher Solareinstrahlung den optimalen Wirkungsgrad der Solarzellen zu erreichen.
Die meisten Anlagen aber werden übers ganze Jahr hin genutzt und sollten der Solareinstrahlung sowohl im Winter als auch im Sommer optimal entsprechen – die beste Neigung von Photovoltaikanlagen liegt in diesem Fall bei gut 30°.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung

Solarzellen Wirkungsgrad
bei Laborversuchen
Wirkungsgrad
in der Produktion
polykristallines Silizium
(Dickschicht)
20-22% 21%
polykristallines Silizium
mit Perowskit
26,6%
monokristallines Silizium
(Dickschicht)
ca. 25% 19-22%
amorphes Silizium
(Dünnschicht)
15% 7-9%
Tandemzelle
(Dünnschicht)
41-30% 25-30%
Indiumphosphid
(in Mehrfachzelle)
41,1%  – 
Galliumarsenid
(Einschicht)
34% 16-20%
Galliumarsenid
(Mehrschicht)
37% 21-25%
Cadmiumtellurid
(Dünnschicht)
ab 30% 8-10%
CIS/CIGS
(Dünnschicht)
19-21% 9-14%

Wirkungsgrad und Ertrag

Der Ertrag einer Photovoltaikanlage hängt neben dem nominellen Wirkungsgrad der Module ab

  • zum einen von ihrer Temperatur,
  • zum anderen von ihrer Ausrichtung zur Sonne.

Temperatur der Solarzelle

Gelegentlich wird behauptet, Mitteleuropa sei wegen der geringeren Solareinstrahlung für Photovoltaikanlagen wenig geeignet. Jedoch greift dies zu kurz. Für den Wirkungsgrad der Solarzelle spielt ihre Temperatur eine erhebliche Rolle – je niedriger die Temperatur, desto besser.
Durch den Stromfluss erhöht sich die Temperatur einer Solaranlage aber selbst an kalten Wintertagen schnell auf 25° C oder mehr (was übrigens den Schneeabrutsch begünstigt); im Sommer kann sie in Deutschland bei Normalbetrieb bis zu 70° C heiß werden. So kann die Ausbeute der Solarzellen an einem kühlen, aber sonnigen Februartag gelegentlich höher sein als an einem heißen Hochsommertag – obwohl die Sonne im Februar niedriger steht, die Solareinstrahlung schwächer und die Sonnenscheinstunden kürzer sind. So erklärt es sich, dass eine Photovoltaikanlage auf einem mitteleuropäischen Dach in ihrem Ertrag Anlagen am Äquator trotz der geringeren Solareinstrahlung kaum nachstehen.

Ausrichtung der Solarzelle

Treffen die Sonnenstrahlen senkrecht auf die Solarzelle auf, ist die Wirkung am größten. Leichte Abweichungen fallen allerdings so wenig ins Gewicht, dass eine exakte Nachführung der Photovoltaikanlage, die dem Stand der Sonne folgt, sich nur unter bestimmten Bedingungen lohnt.

Den höchsten Wirkungsgrad erreichen Solarzellen bei perfekter Ausrichtung nach Süden und optimaler Neigung der Photovoltaikanlage.
Die für den Wirkungsgrad optimale Neigung hängt, abhängig von der Solareinstrahlung, von den Gegenheiten ab.
Eine Schneehütte beispielsweise muss vor allem im Winter mit Energie versorgt werden, wenn die Sonne niedrig steht. Der Aufstellwinkel der Photovoltaikanlage sollte im Winter daher höher sein als im Sommer. Den optimalen Wirkungsgrad erreichen Solarzellen deshalb im Winter bei einem Winkel von 55°.
Die Photovoltaikanlage eines Wochenend-Häuschens am See, das vor allem im Sommer genutzt wird, sollte hingegen eine Neigung von etwa 27° aufweisen, um in den Monaten mit hoher Solareinstrahlung den optimalen Wirkungsgrad der Solarzellen zu erreichen.
Die meisten Anlagen aber werden übers ganze Jahr hin genutzt und sollten der Solareinstrahlung sowohl im Winter als auch im Sommer optimal entsprechen – die beste Neigung von Photovoltaikanlagen liegt in diesem Fall bei gut 30°.

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung