Photovoltaik: Funktionsweise, Technik und Installation / 3 Technik der Photovoltaik-Anlage (Woraus besteht eine PV-Anlage?)

Eine Photovoltaik-Anlage besteht neben den Solarmodulen, die in ihrer Gesamtheit den Solargenerator bilden, aus dem Wechselrichter, der Verkabelung, optional dem Speichermedium und einigen Instrumenten und Systemen, mit denen die Stromerzeugung geregelt und gemessen sowie die Anlage überwacht und geschützt wird. Alle diese Komponenten müssen aufeinander abgestimmt sein, damit ein optimales Ergebnis erzielt werden kann.

Aber nicht alle diese Komponenten kommen bei jeder PV-Anlage zum Einsatz. Grundsätzlich müssen Inselanlagen (mit oder ohne Speichertechnik) und netzgekoppelte Anlagen (mit oder ohne Speichertechnik) unterschieden werden. Einige Komponenten werden bei beiden Systemen eingesetzt, andere sind für Inselanlagen und netzgekoppelte Anlagen unterschiedlich.

3.1 PV-Anlagen

3.1.1 Netzgekoppelte Anlage

Bei der netzgekoppelten Anlage laufen die Stränge (strings) des Solargenerators im Generatoranschlusskasten zusammen und werden zur Gleichstromhauptleitung, die bis zum Wechselrichter führt. Der Gleichstrom wird dort zu Wechselstrom gewandelt und die Wechselstromhauptleitung führt bis zum Einspeisepunkt. Dort wird durch den Einspeisezähler gemessen, wie viel Strom ins Netz eingespeist und wie viel selbst verbraucht wird. Diese Messung ist die Grundlage für die Abrechnung mit dem Netzbetreiber. Anlagen können allerdings als Nulleinspeise-Anlage betrieben werden, wenn eine Einspeisung nicht möglich oder erwünscht ist, solange die erzeugte Energie zu 100 % selbst verbraucht wird. Um dies zu optimieren, kann optional mit einem Speichermedium ein Überschuss an Solarstrom tagsüber gespeichert werden, um diesen dann über Nacht zu nutzen (siehe Abb. 1). Im Unterschied dazu ermittelt der Ertragszähler (Erzeugungszähler) den gesamten von der PV-Anlage produzierten Strom.

Abb. 1: Die Komponenten einer netzgekoppelten PV-Anlage; Quelle: Anondi GmbH, Solaranlage-Ratgeber.de.

3.1.2 Inselanlage

Bei der Inselanlage werden die häufig parallel geschalteten Stränge (strings) ebenfalls im Solargenerator zusammengeführt. Von dort führt das Solarkabel bis zum Generatoranschlusskasten mit den Sicherungen und oftmals auch dem Hauptschalter. Wenn die PV-Anlage für den Verbrauch von Gleichstrom (12 Volt) und Wechselstrom (230 Volt) ausgelegt werden soll, wird ein Laderegler dazwischengeschaltet, um Tiefent- oder Überladungen des Speichermediums (Energiespeicher) zu verhindern. Der Energiespeicher speichert den Solarstrom und gibt ihn an den Verbraucher ab, wenn kein Solarstrom produziert werden kann, aber Energie benötigt wird. Wenn mit der PV-Anlage auch das Wechselstrom-Hausnetz versorgt werden soll, wird wie bei der netzgekoppelten Anlage ein Insel-Wechselrichter dazwischengeschaltet (siehe Abb. 2).

Abb. 2: Schematischer Aufbau einer Inselanlage; Quelle: Anondi GmbH, Solaranlage-Ratgeber.de.

3.2 Modularten

Je nach Herstellungstechnik der Halbleiter gibt es unterschiedliche Solarzellen und daraus folgend sehr viele unterschiedliche Module.^[1] Sie können zu Modultypen zusammengefasst werden, die sich in Material, Fertigung, Wirkungsgrad und Preis unterscheiden.

Hinweis

Wirkungsgrad

Der (elektrische) Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis von erzeugter beziehungsweise abgegebener elektrischer Leistung und einfallender Lichtleistung. Er misst also, wie viel Lichtenergie unter Laborbedingungen in elektrische Energie umgewandelt wird. Der Wirkungsgrad eines PV-Moduls ist darum stets etwas niedriger als der von einzelnen Solarzellen, weil selbst eine hochentspiegelte, lichtdurchlässige Abdeckung das auftreffende Sonnenlicht zum Teil reflektiert, sodass es nicht in vollem Umfang zu den Solarzellen hindurchdringt. Der Wirkungsgrad bezieht sich immer auf die Flächenleistung, er beziffert nicht die Stromausbeute in Relation zur jeweiligen Modulleistung.

Die folgenden fünf PV-Modultypen werden derzeit mit unterschiedlicher Häufigkeit verbaut:

• Monokristalline und polykristalline PV-Module,
• Dünnschicht-PV-Module mit amorphem Silizium (a-Si) oder mit Cadmium-Tellurid (CdTe) und
• CIGS-PV-Module.

[1] Siehe auch Gutmann, PV-Anlage: Funktionsweise und Aufbau von PV-Modulen.

3.2.1 Kristalline Solarmodule

Kristalline Solarmodule mit aktuell 320 bis 340 W werden aus dem Halbleitermaterial Silizium hergestellt. Die Flächenleistung liegt bei etwa 5 bis 7 m²/kWp.

• Polykristalline Solarmodule

  Insbesondere polykristalline Solarmodule sind einfach und günstig herzustellen. Sie basieren auf einer erprobten Technik, haben eine lange Lebensdauer und sind nur wenig störanfällig. Sie haben einen höheren Flächenbedarf (7 bis 10 m²/kWp) und ein hohes Gewicht pro Quadratmeter. Einbußen entstehen bei diffusem Licht, hohen Temperaturen und durch die sog. Korngrenzen an den einzelnen Wafern. Daher liegt der Wirkungsgrad polykristalliner Solarzellen nur bei 12 bis 16 %.

• Monokristalline Solarmodule

  Monokristalline PV-Module haben mit bis zu 20 % den höchsten Wirkungsgrad, da durch die einheitliche Kristallorientierung die Korngrenzen im Wafer entfallen. Dem hohen Wirkungsgrad steht allerdings der hohe Energieverbrauch gegenüber, der bei der Produktion der Siliziumkristalle anfällt. Monok...