Funktionsweise und Aufbau einer Photovoltaikanlage

Wie funktioniert eine Photovoltaik-Anlage? Das Thema „Photovoltaik“ ist nicht mehr wegzudenken, denn es gehört zu den wichtigsten Maßnahmen, wenn es um die Erreichung unserer Klimaziele geht. In diesem Blogbeitrag möchten wir aber einmal weiter vorne ansetzen und erläutern, wie eine solche Anlage überhaupt funktioniert.

Der Aufbau:

Eine Photovoltaik-Anlage besteht aus verschiedenen Komponenten, die zusammenarbeiten, um Strom aus Sonnenlicht zu erzeugen. Die Hauptkomponenten sind das PV-Modul, der Wechselrichter, die Verkabelung, der Messverteilung sowie das Montagesytem.  Die wichtigste Komponente zur Erzeugung der solaren Energie sind die Solarzellen, die Bestandteil des PV-Moduls sind. 

Die Solarzelle:

Solarzellen bestehen aus Halbleitermaterialien, wie Silizium, die durch Wärme- und Lichtzufuhr elektrisch leitfähig werden. Grund für die Verwendung von Silizium ist dessen hohe Verfügbarkeit und Umweltverträglichkeit. Die Spannung, die eine Siliziumzelle liefert, liegt zwischen 0,5-0,7 Volt.

Das PV-Modul:

Da eine einzelne Solarzelle natürlich nicht ausreicht, um ein Unternehmen oder Wohnhaus mit Strom zu versorgen, werden in einem PV-Modul mehrere Solarzellen über elektrische Leiterbahnen in Reihe geschalten. Um die Solarzellen gegen äußere Einflüsse, wie Witterung, mechanische Beanspruchung oder Korrosion zu schützen, werden sie zu einem versiegelten Verbund zusammengefügt und mit einem transparenten Kunststoff, einer Verbundsfolie und einem Sicherheitsglas bedeckt. Ein Aluminiumrahmen umrahmt und hält das gesamte Konstrukt zusammen. Die Rückseite der Module ist mit einer Anschlussdose versehen, in der die Leiterbahnen zusammengeführt werden.

Um einen Stromfluss bzw. elektrische Ladung entstehen zu lassen, werden die Schichten durch Zugabe chemischer Elemente positiv (P-Typ) und negativ (N-Typ) geladen. Wenn Sonnenlicht auf die Zellen trifft, werden Elektronen im N-Typ-Material freigesetzt und bewegen sich in Richtung des P-Typ-Materials. Auf ihrem Weg durch das Material erzeugen sie einen Stromfluss, den sogenannten Gleichstrom (DC). Dieser Strom kann so noch nicht in Unternehmen oder Haushalten für die Energieversorgung genutzt werden. Dazu ist die Zwischenschaltung eines Wechselrichters notwendig.

Die Leistung, die sich aus Strom und Spannung ergibt, ist zusätzlich von der Umgebungstemparatur abhängig. Hier spricht man vom sogenannten „Temperaturkoeffizient“. Er liegt bei circa -0,4 Prozent pro einem Grad Celsius. Das bedeutet, dass die Modulleistung mit jedem zusätzlichen Grad Celsius um 0,4 Prozent abnimmt. Besonders leistungsfähig sind die Solarmodule also bei guter Sonneinstrahlung und kühler Umgebungstemperatur.

Unterschiede PV-Module:

Es gibt verschiedene Arten von PV-Modulen, darunter kristalline Module (monokristallin und polykristallin) sowie Dünnschichtmodule. Kristalline Module bestehen aus einem einzigen Kristall oder mehreren Kristallen aus Silizium. Sie haben in der Regel eine höhere Effizienz als Dünnschichtmodule, sind jedoch teurer in der Herstellung. Dünnschichtmodule bestehen aus mehreren Schichten unterschiedlicher Materialien und sind vielseitiger und anpassungsfähiger in Form und Größe.

Die Wechselrichter:

Wechselrichter wandeln den Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) um. Sie stellen sicher, dass die Stromspannung und -frequenz den Anforderungen des Stromnetzes entsprechen. Der Aufbau eines Wechselrichters für eine PV-Anlage besteht aus mehreren Komponenten, darunter:

1. Eingangsschaltung: Diese Schaltung empfängt den Gleichstrom von den Solarmodulen und führt ihn dem Wechselrichter zu.
2. Gleichrichterschaltung: In dieser Schaltung wird der Gleichstrom von den Solarmodulen in pulsierenden Gleichstrom umgewandelt.
3. Zwischenkreisschaltung: Diese Schaltung speichert den pulsierenden Gleichstrom und glättet ihn, um eine konstante Gleichspannung zu erzeugen.
4. Wechselrichterschaltung: Hier wird die konstante Gleichspannung in Wechselstrom umgewandelt, der in das Stromnetz eingespeist oder direkt genutzt werden kann.
5. Ausgangsschaltung: Diese Schaltung regelt die Ausgangsspannung und -frequenz des Wechselrichters, um sicherzustellen, dass der Strom für den jeweiligen Verwendungszweck geeignet ist.

Moderne Wechselrichter für PV-Anlagen sind oft mit zusätzlichen Funktionen ausgestattet, wie z.B. Überwachungssysteme, die die Leistung der Solarmodule überwachen und Fehler erkennen können. Einige Wechselrichter haben auch integrierte Batteriespeichersysteme, die überschüssige Energie speichern können, um sie später zu nutzen, wenn die Solarmodule nicht genug Strom erzeugen.

Die Verkabelung von Solaranlagen:

Die Verkabelung wird verwendet, um die PV-Module mit dem Wechselrichter zu verbinden und den erzeugten Strom vom Wechselrichter zum Stromnetz oder zur Batterie zu transportieren. Es ist wichtig, dass die Verkabelung von Experten durchgeführt wird, um Sicherheitsvorschriften einzuhalten und Leistungsverluste gering zu halten. 

Die Verkabelung von Photovoltaikanlagen umfasst folgende Kabel:

1. Solarkabel: Dies ist das Kabel, das vom Solarmodul zum Wechselrichter führt. Es muss UV-beständig und feuchtigkeitsresistent sein, um den Witterungsbedingungen standzuhalten.
2. Wechselstromkabel: Dies ist das Kabel, das vom Wechselrichter zum Stromnetz führt. Es muss den Anforderungen des elektrischen Systems entsprechen, einschließlich der systemabhängigen Stromstärke sowie z.B. der Leitungslänge.
3. Überspannungsschutz: Ein Überspannungsschutz wird verwendet, um die Anlage vor Schäden durch Blitzeinschläge oder Spannungsspitzen zu schützen.

Der Stromzähler:

Ein Stromzähler wird in der Regel installiert, um den Stromfluss zu überwachen, der in das Stromnetz eingespeist oder aus diesem entnommen wird. Dies ermöglicht es dem Eigentümer der Anlage, die Menge an Strom zu verfolgen, die er erzeugt und verbraucht.

Es gibt verschiedene Arten von Stromzählern, einschließlich:

1. Elektronische Zähler: Diese Zähler verwenden elektronische Bauteile, um den Stromverbrauch zu messen. Sie sind in der Regel genauer als mechanische Zähler und bieten zusätzliche Funktionen wie Zeitsteuerung und Netzwerküberwachung.
2. Mechanische Zähler: Diese Zähler verwenden bewegliche Teile, um den Stromverbrauch zu messen. Sie sind zuverlässig und einfach zu bedienen, aber weniger genau als elektronische Zähler.
3. Smart Meter: Dies sind spezielle elektronische Zähler, die mit einem Kommunikationsmodul ausgestattet sind, um die Übertragung von Verbrauchsdaten an den Energieversorger zu erleichtern. Smart Meter ermöglichen auch eine bessere Überwachung des Stromverbrauchs und können dabei helfen, den Energieverbrauch zu optimieren.

Die Installation und Wartung von Stromzählern unterliegt den Vorschriften der lokalen Regulierungsbehörden. 

Das Montagesystem:

Das Montagesystem ist verantwortlich für die Befestigung der PV-Module auf dem Dach oder auf dem Boden. Die Wahl des richtigen Montagesystems hängt von verschiedenen Faktoren ab, einschließlich der Art der Dach- oder Gebäudestruktur, der Art der Solarmodule und der geografischen Lage der Anlage. Es gibt verschiedene Arten von Montagesystemen für PV-Anlagen, einschließlich:

1. Schrägdachmontage: Die Solarmodule werden in der Regel auf Montageschienen befestigt, die auf dem Dach installiert werden. Diese Schienen können auf verschiedene Arten an der Dachstruktur befestigt werden, je nach Material und Dachneigung.
2. Flachdachmontage: Bei dieser Methode werden Solarmodule auf einem Gestell montiert, das auf dem flachen Dach installiert wird. Das Gestell kann in verschiedenen Neigungen installiert werden, um die optimale Ausrichtung der Solarmodule zu gewährleisten. Um die Module vor dem Windsog zu schützen, werden sie mittels Ballaststeinen beschwert. Die Montage erfolgt ohne Dachdurchdringung.
3. Fassadenmontage: Diese Methode beinhaltet die Montage von Solarmodulen an einer senkrechten Wand. Die Solarmodule werden auf einer strukturellen Unterstützung montiert, die an der Wand befestigt wird.
4. Freistehende Montage: Diese Methode wird verwendet, wenn keine geeignete Dach- oder Gebäudestruktur vorhanden ist. Die Solarmodule werden auf einem freistehenden Gestell oder einer Struktur montiert, die auf einem Fundament verankert ist.

Unabhängig von der gewählten Montagemethode ist es wichtig, dass das Montagesystem robust und langlebig ist, um den Solarmodulen eine sichere und stabile Plattform zu bieten. Zudem sollte das Montagesystem so konzipiert sein, dass es den spezifischen Anforderungen des Standorts entspricht, einschließlich der Witterungsbedingungen, der Tragfähigkeit der Dachstruktur und der Ausrichtung der Solarmodule.

PV-Batteriespeicher:

Einige Photovoltaik-Anlagen verfügen über einen Batteriespeicher, der überschüssigen Strom speichern kann, der tagsüber erzeugt wird und in Zeiten mit wenig Sonnenschein oder bei Stromausfällen verwendet werden kann. Dieser kann dazu beitragen den Eigenverbrauch eines Unternehmens zu optimieren und die Wirtschaftlichkeit zu steigern. Neben der Eigenverbrauchsoptimierung kann ein Speicher zum peak shaving (Lastspitzenkappung) sowie zur Notstromversorgung genutzt werden. Ob sich ein Speicher lohnt, hängt von verschiedenen Faktoren ab, die mit einem Fachexperten besprochen werden sollten.

Gerne beraten wir Sie als 360°-Ansprechpartner zu Ihrer individuellen Photovoltaikanlage. Gemeinsam ermitteln wir das für Sie passende Betreibermodell und richten uns in der Komponentenauswahl nach Ihren Wünschen.