Grundlagen


Leistung


Die Leistung P (von englisch power) ist der Quotient aus verrichteter Arbeit ΔW und der dazu benötigten Zeit Δt. Also ist P=ΔW/Δt. Die Einheit der Leistung ist das Watt. 1 Watt = 1 Joule/1 Sekunde.

Ein Beispiel: Ein Kran und ein Mensch sollen je 250kg Ziegel auf ein Dach bringen. Wer verrichtet mehr Arbeit? Antwort: Beide verrichten an den Ziegeln die gleiche Arbeit! Da der Kran die gleiche Arbeit jedoch in einer viel kürzeren Zeit bewältigt sagt man: Er hat mehr Leistung! Siehe Formel: Gleiche Arbeit geteilt durch eine kürzere Zeit ergibt mehr Leistung. Oder anders ausgedrückt mit mehr Leistung kann man in der gleichen Zeit mehr Arbeit verrichten, bzw. Energie umwandeln. Jedem ist klar, der Kran hat mehr Leistung als ein Mensch. Kran: z.B. 100000 Watt (100kW) / Mensch 100 Watt (0.1kW)

Die elektrische Leistung P berechnet sich aus der Spannung U mal dem Strom I (P=U·I). Falls sich jetzt jemand fragt, wo ist denn da die Zeit geblieben? Nun der elektrische Strom I in Ampere wird definiert als Ladungsträgertransport (z.B. Elektronen) pro Zeiteinheit: I=ΔQ/Δt. Somit haben wir P=U·(ΔQ/Δt). Jetzt wäre noch zu klären, wo den in dieser "elektrischen" Formel die Arbeit steckt. Ohne eine weitere Formel hinschreiben zu wollen: "Die Spannung U übt eine Kraft F auf die Ladungsträger Q aus". Sie werden von einem Pol zum andern Pol gegen den Widerstand (Verbraucher) bewegt, und somit wird Arbeit verrichtet.

Watt Peak (gesprochen: Watt piek) ist eine im Bereich Photovoltaik gebräuchliche Bezeichnung für die elektrische Leistung von Solarzellen. Gebräuchlich sind auch Vielfache wie Megawatt peak. Als Abkürzungen werden Wp, kWp oder MWp verwendet. Der Begriff setzt sich aus der Einheit Watt und dem englischen Wort "peak" für Spitze zusammen.

Über den Zusatz peak hinter der Leistung gibt der Hersteller von Solarzellen an, wie er die Leistung ermittelt hat. Die Leistung von Solarzellen hängt nämlich von vielen Faktoren ab. Zum Beispiel Winkel zur Sonne oder Streuung und Absorption in der Atmosphäre.

Gibt der Hersteller seine Leistung in Wp an, so hat er folgende Standard-Testbedingungen zur Ermittlung seiner Solarzellenleistung benutzt:

  • Zellentemperatur = 25 °C
  • Bestrahlungsstärke = 1000 W/m²
  • Sonnenlichtspektrum gemäß AM = 1,5      AM -> englisch Airmass (Luftmasse)

Mit der Angabe einer standardisierten Leistung (Watt peak) lassen sich Solarmodule untereinander vergleichen!

Arbeit und Energie


Energie muss man bezahlen! Arbeit (Formelzeichen W von englisch work) ist ein Begriff der klassischen Mechanik. Gespeicherte Energie kann Arbeit verrichten, also zum Beispiel Lampen leuchten lassen (Energie in einer Batterie gespeichert), ein Auto bewegen (Energie im Kraftstoff gespeichert) oder die Generatoren eines Kraftwerks bewegen (Energie in der "Höhe" des Wassers gespeichert - potentielle Energie / Lageenergie). Arbeit ist Leistung mal Zeit. Das weiß jeder der für seine tägliche Arbeit, bei der er für gewisse Zeit eine Leistung erbringt, bezahlt wird. Der Physiker misst die Arbeit, bzw. die Energie in Joule (J), Ws (Watt mal Sekunke) oder Nm (Newton mal Meter). Hat man größere Energiemengen anzugeben wird daraus kWh (kilo Watt mal Stunde). Wie man am "Newton" schon sieht, spielt hier die Kraft F eine Rolle, die letztendlich längs eines Weges (mechanische) Arbeit verrichtet.

Arbeit und Energie haben die gleiche Einheit. Man kann auch sagen: Die Arbeit entspricht der Energiemenge, die auf ein anderes System übertragen oder in eine andere Energieform umgewandelt wird. Um Wasser eine höhere Lageenergie zu geben, muss Arbeit verrichtet werden. Das Wasser muss angehoben bzw. in die Höhe gepumpt werden. Die Energieerhöhung des Wassers ist gleich groß, wie die an Ihm dazu verrichtete Arbeit.

Unsere Solaranlage erzeugt elektrische Energie E=U·I·Δt, also die Leistung P=U·I mal der Zeit Δt. Das kann man sich gut vorstellen, den die Anlage erzeugt eine elektrische Spannung U, die einen elektrischen Strom I für eine gewisse Zeit Δt fließen lässt. Solange eben die Sonne scheint! Diese Energie E kann an einem anderen Ort Arbeit W verrichten. Wenn eine Stunde die Sonne scheint, kann die Hausfrau nebenan mit unserer Leistung von 3000 Watt (3kW) eine Stunde lang auf einer Herdplatte mit einer Leistung von 3KW kochen, und hat somit Ihre Küchenarbeit erfolgreich verrichtet. An uns muss Sie somit den Preis für 3000 Watt Leistung, die wir Ihr zur Verfügung gestellt haben, mal 1 Stunde bezahlen. Also z.B. 3kWh mal 0.30 Cent/kWh gleich 0,9 Euro. Dies wird über Ihren Energiezähler (Stromzähler) im Keller gemessen. Zählen deutet hier auf die Zeit hin. Denn zählen dauert!

Am Energiemessgerät im Keller liegt dieselbe Spannung U=230 Volt an, wie am Ausgang des Wechselrichters unserer Solaranlage. Es fließt die gleiche Menge Strom I=13 Ampere hindurch, die unserer Solaranlage abgibt. Die Zeitspanne Δt=1 Stunde die unsere Solaranlage den Strom liefern muss ist auch dieselbe. P=230 Volt · 13 Ampere = 3000 Watt. E=3000 Watt · 1h = 3000 Wh = 3 kWh.

Übrigens:

1PS = 735 Watt
1PS mal 1 Stunde = 0.735 kWh

Energiespeicherung


Aber was tun, wenn mal keine Sonne scheint, oder unsere Energie gerade nicht benötigt wird? Das Speichern elektrischer Energie ist nach wie vor ein Problem. Um große Mengen elektrischer Energie zu speichern, benötigt man große Anlagen. Die elektrische Energie wird dabei in eine gut speicherbare Energieform umgewandelt. Es wird mit unserer Energie zum Beispiel Wasser von einem See im Tal auf einen höher gelegenen Speichersee gepumpt. Diese Arbeitverrichten die Generatoren in einem Pumpspeicherkraftwerk, die, wenn sie gerade nicht gebraucht werden, als Motoren für die Pumpen arbeiten. Muss irgendwo Arbeit verrichtet werden, kann die im Wasser gespeicherte "Höhenenergie" wieder in elektrische Energie umgewandelt werden: Einfach das Wasser ablassen und durch die Turbinen der Generatoren leiten.

Eine weitere Möglichkeit wäre, mit der Energie unserer Solaranlage Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten und diese beiden Elemente zu speichern. Wird Energie benötigt, kann aus Wasserstoff und Sauerstoff mittels Generatoren wieder elektrische Energie erzeugt werden. (Knallgasreaktion -> Motor/Turbine -> Generator)

Pressemiteilung Siemes zur Energiespeicherung mittels Wasserstoff.

Wirkungsgrad


Der Wirkungsgrad ist allgemein das Verhältnis von abgegebener Leistung (Pab= Nutzleistung) zu zugeführter Leistung (Pzu). Die dabei entstehende Differenz von zugeführter und abgegebener Leistung bezeichnet man als Verluste oder genauer Verlustleistung. Der Wirkungsgrad wird mit Eta bezeichnet. Er ist eine dimensionslose Größe und hat einen Wert zwischen 0 und 1 oder, in Prozent ausgedrückt, zwischen 0 und 100 %. Eta = Pab/Pzu.

Hat ein Solarmodul zum Beispiel einen Wirkungsgrad von 20% wird nur 20% der einfallenden Strahlungsleistung in elektrische Leistung umgewandelt.

Hat ein Wechselrichter zum Beispiel einen Wirkungsgrad von 95%, so gehen bei der Transformation, von Gleichstrom in Wechselstrom, 5% der Energie in Form von Wärme verloren. Der Wechselrichter kann somit an seinem Ausgang nur eine Leistung bereitstellen, die 5% kleiner ist als jene, die ihm am Eingang durch die Solarmodule zur Verfügung gestellt wird.

Eine PV-Anlage mit 1 qm Fläche liefert bei 1000 W Bestrahlungsstärke am Modul 200 W (20% Wirkungsgrad) und nach dem Wechselrichter nur noch 190 W (95% Wirkungsgrad), die dann ins Netz eingespeist werden.

Solaranlage


Eine Solaranlage ist allgemein eine technische Anlage zur Umwandlung von Sonnenenergie in eine andere Energieform. Auf dieser Seite werden die Begriffe "Solaranlage" und "PV-Anlage" parallel verwendet. Jedoch ist auch eine solarthermische Anlage eine Solaranlage.

PV-Anlage


Eine Photovoltaikanlage, auch PV-Anlage genannt, ist eine Solarstromanlage, in der mittels Solarzellen ein Teil der Sonnenstrahlung in elektrische Energie umgewandelt wird.

Solarthermische Anlage


Als thermische Solaranlagen werden Solaranlagen bezeichnet, welche die Sonneneinstrahlung in Wärme umwandeln (Solarthermie). Die gewonnene Wärme wird hierbei meistens zur Brauchwassererwärmung (Spül-, Dusch- und Badewasser) und für die Beheizung der Wohnräume eingesetzt.

Solarzelle


Eine Solarzelle oder photovoltaische Zelle ist ein elektrisches Bauelement, das kurzwellige Strahlungsenergie, in der Regel Sonnenlicht, direkt in elektrische Energie umwandelt.

Solarmodul


Ein Solarmodul oder Photovoltaikmodul wandelt das Licht der Sonne direkt in elektrische Energie um. Das Modul besteht aus vielen Solarzellen, die in Serie oder parallel verschalten sind.

Wechselrichter


Ein Wechselrichter (auch Inverter) ist ein elektrisches Gerät, das Gleichspannung in Wechselspannung bzw. Gleichstrom in einen Wechselstrom umrichtet. Angewendet werden Wechselrichter dort, wo ein elektrischer Verbraucher Wechselspannung zum Betrieb benötigt, aber nur eine Gleichspannungsquelle, wie zum Beispiel eine Autobatterie, zur Verfügung steht, oder dort, wo die Leistung einer Gleichspannungsquelle in das Wechsel- bzw. Drehstromnetz eingespeist werden soll.