Photovoltaikanlage - Funktionsweise und Aufbau

Mit Hilfe von Photovoltaik wird die Strahlungsenergie des Sonnenlichts in nutzbaren Strom umgewandelt. Dazu wird ein Wechselrichter benötigt sowie das passende Montagegestell.  Erhalten Sie hier einen Überblick über die Komponenten einer Photovoltaikanlage. 

Photovoltaikanlage oder Solaranlage?

Häufig werden Photovoltaikanalgen als Solaranlagen bezeichnet. Dieser Begriff ist unspezifisch, da zu den Solaranlagen Photovoltaikanlagen als auch Solarthermie Anlagen zählen.  In beiden Fällen werden wird die Energie der Sonne aufgefangen und umgewandelt. Der Unterschied besteht darin, dass Photovoltaikanlagen das Sonnenlicht in Strom umwandeln. Solarthermie Anlagen gewinnen aus dem Sonnenlicht Wärme, um damit Heiz- und Brauchwasser zu erhitzen.

Komponenten der Photovoltaikanlage

Die Grundlage einer Photovoltaikanlage bilden Photovoltaikmodule, welche das Sonnenlicht in Strom umwandeln. Die Solarmodule werden mithilfe eines Montagesystems auf dem Dach befestigt.  Solarkabel transportieren den erzeugten Strom ins Haus. Der Wechselrichter wandelt den erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom. Viele Photovoltaikanlagen verfügen über einen zusätzlichen Einspeisezähler, welcher die ins Netz eingespeiste Strommenge erfasst. Bei Bedarf kann die Photovoltaikanlage auch mit einem Stromspeicher  ausgerüstet werden. Dieser speichert den Strom, der im Haus gerade nicht genutzt wird  und stellt ihn dann zur Verfügung, wenn die Anlage weniger Strom produziert, als für den Eigenbedarf nötig.

Photovoltaikmodule

Die Photovoltaikzellen (Solarzellen) wandeln Sonnenlicht in Strom. Dieser Strom wird im Haushalt verbraucht, ins öffentliche Netz gegen eine Vergütung eingespeist oder für den späteren Gebrauch in einem Batteriesystem gespeichert.

Solarmodule mit ihren Solarzellen werden oft mit Solarkollektoren gleichgesetzt. Während Solarzellen Strom erzeugen, wird in Sonnenkollektoren Wärme durch die Kraft der Sonne erzeugt.

Das wichtigste Element einer Solarzelle ist ein Halbleiter, der bei 90 % der hergestellten Solarmodule aus Silizium besteht.  Dieses chemische Element findet sich in großen Mengen auf der Erdoberfläche und ist. Z. B. in Sand oder Mineral zu finden. Eine Solarzelle besteht aus zwei Schichten aus

Silizium, an deren Grenzflächen sich ein elektrisches Feld bildet. Zwischen Metallkontakten, die sich jeweils an den Siliziumschichten befinden, fließt bei Lichteinstrahlung elektrischer Strom.

Unterscheidung
Monokristallin oder  polykristalline Photovoltaikmodule 

Monokristalline Solarzellen

Monokristalline Module sind dunkelblau bis schwarz und haben eine glatte und ebene Oberfläche. Sie werden aus einem einzelnen reinen Siliziumkristall geformt und anschließend in dünne Scheiben geschnitten. Die einzelnen Solarzellen werden miteinander zu Solarmodulen verschaltet. Durch die aufwändige Herstellung dieser monokristallinen Solarzellen sind die Anschaffungskosten vergleichsweise teuer.  Etwa ein Drittel aller Photovoltaikanlagen werden mit monokristallinen Modulen verbaut, die Tendenz ist steigend.  Der Wirkungsgrad, das ist der Anteil der Sonneneinstrahlung, der über die jeweilige Zelle aufgenommen werden kann, liegt bei monokristallinen Modulen bei 14 bis 20%. Das ist der höchste Wirkungsgrad im Vergleich zu polykristallinen Modulen oder Dünnschichttechnologie.  Monokristalline Module weisen ein besseres Schwachlichtverhalten auf und erzielen bei schlechtem Wetter einen höheren Ertrag.  Haben Sie lediglich eine begrenzte Dachfläche zur Verfügung, empfiehlt sich daher die Wahl von monokristallinen Modulen. Trotz des erhöhten Modulpreises sind monokristalline Module hier sinnvoll. Denn mit jeder zusätzlich selbsterzeugten kWh erhöht sich der Eigenverbrauch und die Stromkosten werden deutlich reduziert.  Dies kompensiert langfristig den höheren Anschaffungspreis.

• dunkelblau, schwarz
• höchste Wirkungsgrad, dadurch wird weniger Dachfläche benötigt
• sehr gutes Schwachlichtverhalten
• preisintensiver

Polykristalline Photovoltaikmodule

Polykristalline Photovoltaikmodule sind meist blau glitzernd und werden aus Polysilizium hergestellt. Dieses Aussehen ist durch die unterschiedliche Ausrichtung der Siliziumkristalle in der Solarzelle bedingt. Dieser Solarzellentyp kann auch in den Farbtönen grau, golden oder grün hergestellt werden. Dies führt allerdings zur niedrigeren Energieausbeute, daher sind die Solarzellen in der Regel blau. Polykristalline Solarzellen wiegen in der Regel weniger als monokristalline Solarzellen. Da weniger Abfälle in der Produktion entstehen, sind diese polykristallinen Module etwas preiswerter als monokristalline Module.  Die polykristallinen Module eignen sich sehr für große Photovoltaikanlagen.  Der Wirkungsgrad der polykristallinen Module liegt bei ca. 12% bis 16%. Polykristalline Module verlieren über ihre Lebenszeit weniger Leistung. Bei großen Dachflächen werden meist polykristalline Module eingesetzt. Hier spielt der Faktor „verfügbare Fläche“ keine Rolle und die gleiche Leistung kann mit einer größeren Anzahl kostengünstiger Module erreicht werden.

• blau schimmernd
• verlieren über Lebenszeit weniger Leistung
• günstiges Preis- Leistungsverhältnis

Dünnschichtmodule

In der Dünnschichttechnologie wird der Halbleiter nur aufgedampft oder aufgesprüht. Diese Schicht ist sehr dünn. Die Solarzellen sind daher kleiner. Die Lebensdauer ist geringer als bei mono- oder kristallinen Solarmodulen. Der Marktanteil liegt bei ca. 10%. Der Wirkungsgrad der Dünnschichtzellen liegt bei etwa 6% - 10%.

Montagesystem

Zur Befestigung von Photovoltaikmodulen kommen unterschiedliche Montagesysteme zu Einsatz. Bekannte deutsche Hersteller von Montagesystemen sind Schletter und IBC.

Arten von Montagesystemen

• Aufach-Montagesystem für normale Hausdächer mit Ziegeleindeckung
• Indach-Montagesystem – Modul wird in die Dachoberfläche integriert
• Flachdach-Montagesystem – Module werden im Winkel von 10 bis 20 Grad auf Flachdächern errichtet – in Süd- oder Ost-West Ausrichtung
• Freiland-Montagesystem für Freilandanlagen

Verkabelung

Die Kabel einer Solaranlage verbinden die Photovoltaikmodule untereinander.  Anschließend transportieren die Solarkabel zum Wechselrichter und von dort aus in die Verbraucher im Haus, an den Solarstromspeicher (wenn vorhanden) und in das öffentliche Netz. Es werden immer spezielle, zertifizierte Solarkabel verwendet, denn die Kabel sind der Witterung ausgesetzt.

Wechselrichter

Wechselrichter haben die Funktion, den in den Photovoltaikmodulen produzierten Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln. Dies ist nötig, da das öffentliche Stromnetz mit Wechselstrom betrieben wird. Außerdem übernehmen die modernen Wechselrichter von heute zahlreiche weitere  Funktionen, wie etwa die Optimierung der Leistung der Photovoltaikmodule. Hierzu wählt der Wechselrichter stets die Kombination aus Strom und Spannung, bei der eine maximale Leistung abgegriffen wird  (MPP – Maximum Power Point). Ferner können die Wechselrichter mittlerweile die Photovoltaikanlage auf die erforderliche Netzfrequenz abstimmen. Bei einem starken Anstieg oder Abfall der Netzfrequenz übernimmt der Wechselrichter eine Schutzfunktion und trennt die Anlage vom Netz.  Auch das sog. Monitoring ist mittlerweile in vielen Wechselrichtern integriert. Sofern ein Internetanschluss vorhanden ist, können die Erträge der Anlage von überall eingesehen werden. So können Fehler der Anlage schnell  erkannt werden.

verschiedenen Zähler 

Einspeisezähler

Der Einspeisezähler misst die Strommenge, die aus der Photovoltaikanlage ins Netz gespeist wird. Das ist wichtig, da der Anlagenbetreiber pro erzeugter Kilowattstunde (kWh) eine feste Einspeisevergütung erhält. Der geeichte Einspeisezähler (Stromzähler) muss in jedes Haus, das eine Photovoltaikanlage hat, eingebaut werden. Neben der Erfassung des eingespeisten Stroms als Basis für die Abrechnung zwischen Energieversorger und Photovoltaik-Anlagenbetreiber dient dieser Zähler auch als Überwachung der Funktions- und Leistungsfähigkeit der Photovoltaikanlage. Der Einspeisezähler ist in der Regel vom örtlichen Netzbetreiber gegen eine jährliche Gebühr (ca. 25,00 – 30,00 EUR) erhältlich.

Bezugszähler (Verbrauchszähler)

Die vom Kunden beim Energieversorger eingekaufte elektrische Energie wird vom Bezugszähler gemessen und ist in jedem Haushalt bereits vorhanden. Der alte Haushaltszähler (Ferraris-Zähler) wird zunehmend durch einen elektronischen Stromzähler ersetzt.  Mittlerweile bieten diese Bezugszähler die Möglichkeit einer automatischen Fernablesung. Die Verbrauchssignale werden über das Stromnetz, Telefonleitungen, Internet oder Mobilfunk übertragen.  Sie werden auch als intelligente Stromzähler (Smart Meter) bezeichnet.

Eigenverbrauchszähler (Ertragszähler)

Möchte der Betreiber der Photovoltaikanlage nicht mehr den gesamten Strom in das Netz einspeisen, sondern einen Teil des Stroms selbst verbrauchen, ist es empfehlenswert, einen Eigenverbrauchszähler zu installieren.  So wird der Anteil des erzeugten  Stroms,  der selbst verbraucht wird, ermittelt.  Im Gegensatz zum Einspeisezähler misst der Ertragszähler den gesamten von der Photovoltaikanlage produzierten Strom und nicht nur den Anteil, der in das Netz eingespeist wird. Dadurch kann der Anteil des selbst verbrauchten Solastroms ermittelt werden.  Er verfügt in der Regel über eine Rücklaufsperre, um den (geringen) Eigenverbrauch des Wechselrichters zu berücksichtigen. Der Ertragszähler verbleibt immer im Eigentum des Photovoltaikanlagenbetreibers. Zunehmend werden die Einspeisezähler und Bezugszähler durch Zweirichtungszähler ersetzt.

Zweirichtungszähler (Smart Meter) 

Der Zweirichtungszähler (auch Zwei-Wege-Zähler) ist ein intelligenter Stromzähler, der digitale Daten empfängt und sendet und in ein Kommunikationsnetz eingebunden ist. Seit 2017 sind Unternehmen mit einem Stromverbrauch von mehr als 6000 kWh verpflichtet, ein Smart Meter zu installieren. Ab 2020 müssen dann auch Privathaushalte mit einem Verbrauch von mehr als 6000 kWh ein Mart Meter einbauen. Ein Zweirichtungszähler bringt den Vorteil, dass die Stromflüsse in Echtzeit an den Wechselrichter übertragen werden können. Aus Gründen der Netzstabilität dürfen laut Gesetz nur 70% der Höchstleitung einer Photovoltaikanlage eingespeist werden. Ohne  den Zweirichtungszähler muss der Wechselrichter daher auf 70% seiner Leistung abgeregelt werden. Mithilfe eines Smart Meters und einer intelligenten Steuerung der Stromflüsse können jedoch bis zu 100% der Leistung der Photovoltaikanlage ausgeschöpft werden.

Stromspeicher

Nicht jede Photovoltaikanlage verfügt über einen Stromspeicher. Der Einbau eines Stromspeichers erhöht den Eigenverbrauch an Solarstrom und somit die Wirtschaftlichkeit der Photovoltaikanlage.  Die meisten Verbraucher nutzen den Strom in den Morgen- oder in den Abendstunden.  Da die Photovoltaikanlage nur bei Tageslicht du insbesondere mittags den Strom erzeugt, ist es sinnvoll, den überschüssig erzeugten Strom zu speichern. Der Speicher stellt den Strom dann zur Verfügung, wenn der aktuell erzeugte Strom aus der Photovoltaikanlage nicht ausreicht.

Zusammengefasst:

Die verschiedenen Arten von Photovoltaikmodulen unterscheiden sich durch Preis, Gewicht und Wirkungsgrad. Letztendlich spielt der persönliche Geschmack sowie die Art und Farbe des vorhanden Daches eine Rolle, je nachdem, ob einem blau oder schwarz besser gefällt. Mittlerweile gibt es Module, die komplett schwarz sind, der silberne Rahmen also durch einen schwarzen ersetzt wurde und auch die Folie nicht mehr weiß, sondern schwarz ist.  

Sollten Sie also gerade eine Photovoltaikanlage planen, ist der Vergleich der einzelnen Systeme sehr wichtig.

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