Photovoltaikanlage


Eine Photovoltaikanlage besteht aus mehreren Komponenten. Die aus mehreren in Reihe geschalteten Solarzellen aufgebauten Solarmodule empfangen und wandeln die Lichtenergie der Sonne in elektrische Energie in Form von Gleichstrom um. Die Empfängerfläche bildet entweder das Solarmodul selbst oder aber ein optisches System, bei dem Spiegel oder Linsensysteme die Strahlung auf die Solarzellen umleiten und konzentrieren. Eine Konzentration (z. B. mit einer Fresnellinse) findet statt, wenn die Strahlung auf einer Fläche eingesammelt wird, die größer als die Empfängerfläche ist. Dann muss der Spiegel oder das Linsensystem den Strahlengang so ändern, dass die eingefangene Strahlung auf die Empfängerfläche gebündelt wird. Hierbei ist zwar, bei heutigem Stand der Linsentechnik, eine Nachführung nach dem Sonnenstand nötig, es ist jedoch weniger des teureren Halbleitermaterials nötig, als ohne solche Lichtbündelung. Einige Forschungsteams arbeiten bereits daran, die Linsen so zu konstruieren, dass eine Nachführung nach dem Sonnenstand nicht mehr nötig ist.

Die Solarzelle dient als Wandler der Strahlungsenergie durch Ausnutzung des photovoltaischen Effektes. Aufgrund der geringen elektrischen Spannung einer einzelnen Solarzelle (ca. 0,5 Volt) werden mehrere Zellen zu Solarmodulen zusammengefasst. Der Solargenerator besteht aus einem oder mehreren solcher Module.

Die elektrische Energie wird über Kabel dem restlichen System zugeführt. Sie kann dort entweder gespeichert (Inselanlage) oder aber in ein elektrisches Netz, zum Beispiel das öffentliche Stromnetz, eingespeist werden (Hybridanlage, netzgekoppelte Anlage). Abhängig von der Verwendung der Energie besteht der weitere Teil der PV-Anlage aus verschiedenen Komponenten.

Die einzelnen Komponenten einer PV-Anlage müssen entsprechend dem vorliegenden Lastprofil der elektrischen Verbraucher und der jeweils notwendigen Energiespeicher oder der Netzgegebenheiten aufeinander abgestimmt sein, um einen hohen Energieertrag zu gewährleisten.


Netzgekoppelte Anlage

Eine netzgekoppelte Anlage ist an einem großen eigenständigen Netz (typischerweise am öffentlichen Stromnetz) angeschlossen und speist die elektrische Energie dort ein. Diesen Betrieb nennt man auch Netzparallelbetrieb.

Die Einspeisung der Solarenergie in das Stromnetz erfordert nicht nur die Wandlung des Gleichstroms in Wechselstrom durch einen Wechselrichter, sondern dessen Synchronisation. Solche Wechselrichter nennt man netzgeführt. Die Anlage bzw. der netzgeführte Wechselrichter muss weiterhin die Aufnahmefähigkeit des Netzes überwachen, sodass keine Überspannungen entstehen.

In einigen Europäischen Ländern wird auf der Netzseite eine so genannte ENS benötigt, die den Wechselrichter bei einer unkontrollierten Inselbildung abschaltet. Eine ENS ist nur ausreichend bei Anlagen bis zu einer Nennleistung von 30 kWp. Für Leistungen über 30 kWp ist eine Frequenz- und Spannungsüberwachung mit allpoliger Abschaltung vorgeschrieben.



Der Wechselrichter hat bestimmte Eingangskenngrößen auf der Gleichstromseite, die durch gezielte Verschaltung der Solarmodule zu einzelnen Strängen und eine eventuelle Parallelschaltung der Stränge erreicht werden. In vielen Fällen ist hierzu eine Unterverteilung nötig, die Generatoranschlusskasten oder auch Photovoltaikverteiler genannt wird. Von der Gleichstromseite aus gesehen vor dem Wechselrichter wird eine Freischaltstelle eingebaut, die oft in den Photovoltaikverteiler integriert ist. Sie dient der Trennung des Wechselrichters vom Solargenerator.

Vom Wechselrichter in Richtung öffentliches Stromnetz gibt es ebenfalls einen Schalter, so dass der Wechselrichter zum Beispiel zu Wartungsarbeiten sowohl gleichstrom- als auch wechselstromseitig freigeschaltet werden kann. Die Wechselstromseite führt in der Regel über einen Energiezähler in das öffentliche Netz. Mit Hilfe des Zählers wird die Vergütung mit dem örtlichen Netzbetreiber geregelt.

Ertrag einer Solarstromanlage

Blick in das Gebäude der Akademie Mont Cenis, mit der zur Bauzeit größten gebäudeintegrierten Photovoltaikanlage

In Deutschland kann ein mittlerer Energieertrag von etwa 650 bis 1150 kWh pro kWpeak (kWp) installierter Leistung der Anlage und Jahr erwartet werden. Kilowatt peak beschreibt die Nennleistung der Anlage bei maximaler bzw. idealer Sonneneinstrahlung, die jedoch nur selten erreicht wird.

Vor allem in den letzten sonnenreichen Jahren gab es in Süddeutschland durchaus Erträge über 1200 kWh pro Jahr und installiertem kWpeak. Betrachtungen zum Flächenbedarf von Photovoltaikanlagen sind im Kapitel „Potenzial“ des Artikels Photovoltaik zu finden.

Insbesondere die höheren Werte sind jedoch nur in guten Lagen (vorwiegend Süddeutschland beziehungsweise Gebirgslagen) bei Freiflächen- und Dachanlagen zu erzielen. Je nach den lokalen Klimaverhältnissen kann der Wert auch etwas darüber oder darunter liegen und von Jahr zu Jahr abhängig vom Wetter bis zu 20 Prozent von den Vorjahresergebnissen abweichen. Auch eine Verschattung von Modulen oder auch nur Teilen von Modulen zum Beispiel durch Fahnenmasten, Bäume, Nachbarbebauung oder ähnliches kann zu erheblichen Ertragseinbußen führen. Weitere Verluste liegen in der Verkabelung, zu dünne Querschnitte oder lange Kabelstrecken mindern den Ertrag einer Anlage deutlich. Man kann fertig installierte Strings mit Hilfe von sogenannten Kennlinien-Messgeräten oder -Analysatoren (TRI-KA, PVPM) messen. Teilweise sind die Erträge von Anlagen im Internet direkt einzusehen (siehe Weblinks). Des Weiteren gibt es zahlreiche Hersteller von PV-Simulationsprogrammen, die Erträge vor der Anlagenmontage berechnen können.

Der Gesamtwirkungsgrad einer Anlage ist abhängig von den verwendeten Komponenten. Die Kernkomponenten bilden dabei die Solarzellen und die Wechselrichter. Speziell letztere haben mit dem durch staatliche Förderung (EEG) verstärkten Ausbau der Photovoltaik Verbesserungen im Wirkungsgrad und in der Zuverlässigkeit erfahren.