Die Sonne ist der ultimative Energielieferant. Die Entwicklung des Marktes für erneuerbare Energien basiert zu einem großen Teil auf dieser Tatsache. Die meisten der derzeit verwendeten grünen Technologien nutzen entweder direkt oder indirekt Solarenergie. Zu den indirekten solaren Energiequellen gehören Wind, Niedrigtemperatur-Geothermie (die in Erdwärmepumpensystemen verwendet wird), Gezeiten- und Wellenkraftwerke, die entweder weit verbreitet (Wind), gut etabliert (Niedrigtemperatur-Geothermie) oder in der Entwicklung (Gezeiten- und Wellenkraft) sind.
Direkte solare Energiequellen bestehen aus Sonnenstrahlen, die die Atmosphäre erreichen. Sie können von zwei verschiedenen Technologien genutzt werden: Solarphotovoltaik (auch als Solar-PV bekannt) und solarthermische Systeme. In diesem Artikel werden wir uns anschauen, wie sie funktionieren und worin die Unterschiede zwischen ihnen liegen.
Wenn Sie darüber nachdenken, in Solarenergie zu investieren, ist es wichtig, die Unterschiede zwischen Solarphotovoltaik und solarthermischen Systemen zu verstehen. Sobald Sie ein klares Verständnis davon haben, wie jedes System funktioniert, sind Sie besser in der Lage, eine informierte Entscheidung darüber zu treffen, welches für Ihr Zuhause am besten geeignet ist.
Technologie
Der Kernunterschied zwischen Solar-PV und solarthermischer Energie liegt in ihren Arbeitsprinzipien. Solar-PV basiert auf dem photovoltaischen Effekt, bei dem ein Photon (die grundlegende Einheit des Lichts), das auf eine Oberfläche aus einem speziellen Material trifft, das Freisetzen eines Elektrons bewirkt. Solarthermik hingegen nutzt Sonnenlicht, um eine Flüssigkeit (je nach Anwendung kann es Wasser oder eine andere Flüssigkeit sein) zu erhitzen.
Der photovoltaische Effekt tritt nur in einer begrenzten Anzahl von Materialien auf, sogenannten Halbleitern (wie Silizium – monokristallin, polykristallin und amorph – und Cadmiumtellurid), die nach bestimmten chemischen Verfahren die Erzeugung eines elektrischen Stroms ermöglichen, wenn sie dem Licht ausgesetzt sind. Diese Halbleiter werden zu dünnen Schichten geformt, die das Kernstück von Solarzellen bilden, den grundlegenden Bestandteil eines Solar-PV-Systems, das einen Gleichstrom erzeugt.
Solarzellen sind in größere Strukturen integriert, die als Solarmodule bezeichnet werden, in denen die gewünschten Werte von Strom und Spannung erreicht werden können. Für netzgekoppelte Systeme (die einen großen Teil des Marktes ausmachen) ist der Einsatz eines Wechselrichters erforderlich, um den von den Zellen erzeugten Gleichstrom in den in das Netz verwendeten Wechselstrom umzuwandeln.
Das Arbeitsprinzip von solarthermischen Systemen ist weitaus weniger anspruchsvoll, aber genauso nützlich für die Erzeugung von nutzbarer Energie wie der photovoltaische Effekt. Es besteht darin, dass Wasser (oder andere Flüssigkeiten) direkt durch Sonnenlicht erhitzt wird. Diese Energieumwandlung erfolgt in verschiedenen Vorrichtungen, abhängig von der Temperatur, bei der die Arbeitsflüssigkeit erhitzt wird.
Niedrig- und mitteltemperaturige Kollektoren können Flachkollektoren oder Vakuumröhren sein. Hochtemperaturkollektoren bestehen aus konzentrierten Solarsystemen wie parabolischen Rinnen, Fresnel-Reflektoren, Dish-Stirling und Solartürmen.
Verwendung
In Bezug auf die Verwendung dieser Technologien ist der erste Schritt, kleine Haushaltssolarsysteme von Kraftwerken zu trennen, sowohl bei PV als auch bei thermischen Systemen. Die Nutzung im Haushalt wird im Folgenden besprochen.
Was die Kraftwerke betrifft, so haben PV- und thermische Systeme die Erzeugung von Elektrizität als Ziel. Während PV-Systeme diese Elektrizität direkt aus Solarenergie erzeugen, heizen thermische Systeme eine Flüssigkeit (Wasser, Öl, Dämpfe, Luft usw.) auf, die einen Dampfmotor, eine Gasturbine oder Ähnliches antreibt. Diese Elektrizität wird an das Netz übertragen, als Wechselstrom und mit dem erforderlichen Spannungswert.
Bei photovoltaischen Kraftwerken liegt die Kapazität der größten Anlagen über 500 MW, während die Kapazität der größten thermischen Kraftwerke unter 400 MW liegt. Beide Typen erleben in vielen Teilen der Welt ein rasches Wachstum, mit vielen Anlagen im Bau und weiteren geplanten.
Residentielle PV-Anlagen erzeugen Gleichstrom direkt aus Solarenergie. Es gibt zwei Arten von residentiellen PV-Systemen: netzgekoppelte und “netzunabhängige” oder “standalone” Systeme. Erstere bieten die Möglichkeit, das Netz zu speisen (was durch wirtschaftliche Anreize gefördert wird) durch einen Wechselrichter. Letztere sind ausschließlich für den Eigenverbrauch (Beleuchtung, Heizung, Warmwasserbereitung usw.) bestimmt und erfordern den Einsatz von Batteriebänken, um den Verbrauch von der Erzeugung zu trennen.
Die Hauptverwendung von solarthermischen Systemen im Wohnbereich ist die Warmwasserbereitung. Sie arbeiten in der Regel in Kombination mit Zentralheizungssystemen (Gas oder Heizöl), die zu arbeiten beginnen, wenn die Temperatur im Wassertank unter einen bestimmten Wert fällt. So können in diesen Systemen warmes Wasser auch in kühlen Klimazonen das ganze Jahr über bereitgestellt werden. Alternativ können thermodynamische Systeme das Wasser mit Hilfe eines eingebauten Kompressors erhitzen, wenn das gesamte Wasser aufgebraucht ist. Auf diese Weise kann ein System geschaffen werden, das unabhängig von fossilen Brennstoffen arbeitet. Solarthermische Systeme können auch für Heizzwecke eingesetzt werden (dies ist in Ländern wie Schweden relativ verbreitet).
Vor- und Nachteile
Einige der wichtigsten Vorteile von Solar-PV sind:
- In Bezug auf Kraftwerke ist das Design von PV-Anlagen wesentlich einfacher als das von thermischen Anlagen. Eine PV-Kraftanlage besteht aus vielen parallel und in Serie geschalteten Solarmodulen. Die Stromerzeugung mit solarthermischer Technologie hingegen erfordert die Übertragung von Energie von einer heißen Flüssigkeit auf einen Generator. Dies hat zu unterschiedlichen und komplexen Designs geführt, von denen einige oben erwähnt wurden.
- In kleinerem Maßstab sind private PV-Systeme vielseitiger als thermische Systeme, da sie viele Geräte mit Strom versorgen können (Solarthermie ist auf Heizung von Räumen und Wasser beschränkt). Außerdem haben sie eine längere Lebensdauer.
Einige der herausragenden Vorteile solarthermischer Systeme sind:
- Die Möglichkeit, die erzeugte Energie zu speichern, da thermische Kraftwerke Solarenergie nicht direkt in Elektrizität umwandeln und private thermische Systeme immer einen Wassertank enthalten, in dem Wärme gespeichert werden kann. PV-Systeme hingegen leiden unter einer inhärenten Unbeständigkeit aufgrund von Sonnenlichtmustern. Die Speicherung von Elektrizität wird normalerweise nicht in Betracht gezogen, da sie mit Energieverlusten einhergeht und daher ineffizient ist. Dies führt zu einer gleichmäßigeren und zuverlässigeren Stromversorgung durch thermische Kraftwerke.
- Die solarthermische Technologie für den privaten Gebrauch ist viel weniger kompliziert als die Solar-PV-Technologie. Es ist wichtig zu beachten, dass sich die Energieerzeugung für den Wohngebrauch je nach Art des Systems unterscheidet. Thermische Systeme erzeugen Wärme, während PV-Systeme Elektrizität erzeugen. Thermische Kollektoren sind auch platzsparender.
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