PV-Anlage Guide – alles, was Sie über Photovoltaikanlagen wissen sollten

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Alles, was Sie über Photovoltaikanlagen wissen müssen – von der Funktion über die Geschichte aus der Raumfahrt bis hin zur Planung Ihrer eigenen Photovoltaikanlage (PV-Anlage).

Was macht eine Photovoltaikanlage?

Eine Photovoltaikanlage wandelt das einfallende Sonnenlicht in Strom um. Ihre wichtigsten Komponenten sind Solarmodule, in denen Solarzellen in Reihe oder parallelgeschaltet sind. Diese Solarmodule leisten die Umwandlung der Sonneneinstrahlung in elektrischen Strom.

Der kleine aber feine Unterschied zwischen einer Photovoltaik- und Solaranlagen

Die Begriffe Photovoltaikanlage und Solaranlage werden inkorrekter Weise oft synonym verwendet. Eine Solaranlage ist eine Anlage, die Sonnenenergie in eine andere Energieart – aber nicht unbedingt in Strom – umwandelt. Neben der Photovoltaikanlage ist die Solarthermieanlage damit eine weitere, die unter den Begriff Solaranlage fällt. Letztere wandelt Sonnenenergie in Wärme um, die dann zum Heizen oder für die Warmwasserbereitung nutzbar ist.

Wie funktioniert eine Solarzelle?

Die zentralen Bauteile einer Photovoltaikanlage sind die Solarmodule mit ihren Solarzellen. Die Zellen bestehen aus Halbleitermaterial. Treffen die winzigen Photonenteilchen des Sonnenlichts auf dieses Material, lösen sie einen Stromfluss aus. So wird die Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt, genauer gesagt: in Strom, wie wir ihn alle täglich nutzen. Dieser Vorgang wird als photoelektrischer Prozess bezeichnet. Der so entstehende Strom ist ein Gleichstrom. Er kann entweder direkt verbraucht, in einer Batterie gespeichert oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Weil aber die meisten elektrischen Geräte und auch das Stromnetz Wechselstrom benötigen, muss dieser Gleichstrom noch mit Hilfe von sogenannten Wechselrichtern in Wechselstrom umgewandelt werden. Da die Sonnenstrahlung – unabhängig von ihrer Nutzung – immer vorhanden ist, gehört der Solarstrom zu den Erneuerbaren Energien (auch als regenerative Energien bezeichnet).

Geschichte: Vom Weltall über den Taschenrechner aufs Dach

Die ersten Solarzellen kommen aus dem aufregenden Bereich der Raumfahrt. In den 1950er Jahren setzte man sie in der Satellitentechnik ein, um Strom zu generieren. Sie wurden aus Silizium hergestellt und hatten einen Wirkungsgrad von 10 %. Auf der Erde fanden sie erstmals in den Belichtungsmessern von Fotografen Anwendung. Bis in die 1970er Jahre setzte man Solarzellen aber hauptsächlich im Weltall ein.

Umdenken in der Energiegewinnung

Durch die schwere Ölkrise 1973-74 und die tragischen Unfälle mit Kernkraftreaktoren in Harrisburg und Tschernobyl fand ein Umdenken in der Energiegewinnung statt. Erneuerbare Energien rückten erstmals stärker in den Vordergrund und die Nutzung von Solarzellen auf der Erde stand plötzlich zur Diskussion. Das führte in den 1980er Jahren zu einem verstärkten Investment in die Forschung und Entwicklung von Solarzellen auf der ganzen Welt.

Aufgrund der Bemühungen von damals bis heute, hat sich der Wirkungsgrad der Silizium-Solarzellen fast verdoppelt. Während die ersten Solarzellen noch für Taschenrechner und andere Kleingeräte eingesetzt wurden, haben sie heute einen ständig steigenden Anteil von aktuell 7,4 % an der gesamten Stromproduktion in Deutschland.

Statistik: Anteil der Photovoltaik an der Bruttostromerzeugung in Deutschland in den Jahren 2002 bis 2019 | Statista
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Was Sie brauchen: Komponenten der Photovoltaikanlage

  • PV Montagesystem
  • Solarmodule mit ihren Solarzellen
  • Solar Wechselrichter
  • Stromspeicher
  • Kabel & Stecker
  • Zweirichtungszähler

Ohne PV Montagesystem kein fester, sicherer Halt

Bei den PV Montagesystemen wird zwischen Auf-Dach- bzw. In-Dach-Systemen und Klemm– bzw. Einlegesystemen unterschieden. Außerdem gibt es entsprechende Systeme für Flachdächer und für das Freiland. (s. Anwendungsbereiche). Bei den Auf-Dach-Systemen stehen für jeden Dachbelag passende Lösungen zur Verfügung – z. B. für Ziegel, Trapezblech, Stehfalzblech oder Wellethernit.

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Solarmodule: Eine Einheit aus ganz vielen kleinen Zellen

Solarmodule setzen sich aus mehreren Solarzellen zusammen. Diese basieren meist auf dem Element Silizium. Weitere Halbleitermaterialien, die für die Herstellung von Solarzellen verwendet werden, sind Cadmium-Tellurid (CdTe) und Gallium-Arsenid (GaAs). Eine interessante Entwicklung aus neuerer Zeit sind Tandem-Solarzellen, die aus unterschiedlichen Halbleitern kombiniert sind.

Die Silizium-Solarzellen sind entweder polykristallin oder monokristallin. Die monokristallinen Solarzellen bestehen aus einem einzelnen Silizium-Kristall. Sie sind teurer und schwieriger herzustellen, haben aber einen besseren Wirkungsgrad von bis zu 20 % und mehr. Polykristalline Solarzellen bestehen aus mehreren Silizium-Kristallen. Sie sind billiger und einfacher herzustellen, haben aber mit 12 % bis 16 % einen deutlich geringeren Wirkungsgrad als die monokristallinen Zellen.

Eine weitere häufig verwendete Solarzellen-Art sind Dünnschichtzellen. In der Herstellung wird das Halbleitermaterial auf einen Träger aufgedampft oder aufgesprüht. Dieser Träger kann aus Metall, Kunststoff oder Glas bestehen. Als Halbleiter dient oft amorphes Silizium, Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) oder Cadmium-Tellurid. Diese Solarzellen sind günstig in der Herstellung, haben aber mit 4 % bis 10 % einen weitaus schlechteren Wirkungsgrad als die anderen Zellen.

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Solar Wechselrichter machen aus Gleichstrom Wechselstrom

Der Solar Wechselrichter, auch Inverter genannt, wandelt die Gleichspannung der PV-Anlage in Wechselspannung. Wechselrichter gibt es für netzgebundene Anlagen und für Insel-Anlagen, außerdem unterscheidet man sie nach der maximalen Anzahl vernetzter Module.

Eine Insel-Anlage ist eine PV-Anlage, die nicht an das öffentliche Stromnetz angeschlossen ist. Sie kommt beispielsweise als Hausanlage in entlegenen Gegenden, als Gartenanlage oder als Anlage in einem Wohnmobil vor. Eine Insel-Anlage ist immer mit einer Batterie ausgestattet, aus der der Wechselrichter den Strom bezieht. Der Eingang des Insel-Wechselrichters wird also mit der Batterie verbunden, der Ausgang mit dem Verbraucher. Verschiedene Endverbraucher benötigen aber unterschiedliche Spannungen. Daher wird die Ausgangsspannung durch den Wechselrichter geregelt. Beim Kauf eines Inselwechselrichters müssen Sie darauf achten, dass die maximale Ausgangsspannung für den geplanten Einsatz beim Kunden hinreichend groß ist.

An einen Modulwechselrichter kann genau ein Solarmodul angeschlossen werden. Bei mehreren Modulen müssen also auch mehrere Modulwechselrichter verwendet werden. Dies ist sinnvoll, wenn die einzelnen Module stark unterschiedliche Leistungen erbringen und unterschiedlich ausgerichtet sind. Verwendung finden sie hauptsächlich in kleinen Anlagen.

In einem String-Wechselrichter laufen einer oder mehrere Stränge (strings) von Solarmodulen zusammen. Wegen ihres guten Preis-Leistungs-Verhältnisses sind sie für kleine und mittlere Anlagen sehr beliebt.

Multistring-Wechselrichter werden hauptsächlich in größeren Anlagen eingesetzt. In ihnen laufen mehrere Strings zusammen. Mehrere MPP-Tracker sorgen dafür, dass jeder String immer im optimalen Arbeitspunkt bleibt. MPP = Maximum Power Point.

In Großanlagen gibt es Zentralwechselrichter. Sie sind dann sinnvoll, wenn eine große Anzahl von Strings gleich ausgerichtet ist und die gleiche Neigung aufweisen.

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Mit einem Stromspeicher zahlt sich die Anlage richtig aus

Bei Insel-Anlagen dienen Stromspeicher dazu, den Nutzer von der aktuellen Sonneneinstrahlung unabhängig zu machen. Diese Stromspeicher sind in der Regel Akkumulatoren, kurz Akkus genannt. Früher wurden sie hauptsächlich als Blei-Akkus hergestellt, mittlerweile sind Lithium-Titanat-Akkus wegen ihres besseren Wirkungsgrads weiter verbreitet.

Bei netzgebundenen Anlagen dienen Stromspeicher dazu, den Anteil des Strom-Eigenverbrauchs zu erhöhen. Je höher der Eigenverbrauch ist, desto wirtschaftlicher ist die PV-Anlage, da die Einspeisevergütung mittlerweile vergleichsweise gering ist.

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Kabel und Stecker für die richtigen Verbindungen bei PV-Anlagen

Photovoltaik Kabel und Stecker bilden die Verbindung zwischen den Solarmodulen und den anderen Komponenten der PV-Anlage. Sie sollten von erstklassiger Qualität und witterungsbeständig sein. Eine der ersten Steckverbindersysteme für Solaranlagen kamen vom Unternehmen Multi-Contact, das mittlerweile zum Konzern Stäubli Electrical Connectors gehört. Der Name findet sich aber weiterhin, unter anderem in den beliebten Systemen MC3 und MC4.

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Zweirichtungszähler für den Überblick

Bei einer netzgebundenen PV-Anlage ist es gut zu wissen, wie viel Strom Sie in das öffentliche Netz einspeisen. Um das zu messen, gibt es sogenannte Einspeisezähler. Andererseits beziehen Sie in der Regel auch zusätzlichen Strom aus dem Netz. Diesen misst der Bezugszähler. Statt zwei einzelne Zähler zu verwenden, ist es ratsam, einen Zweirichtungszähler zu verwenden, den Netzbetreiber in der Regel vermieten.

Photovoltaikanlagen und ihr Einsatz

Das Solardach für mehr Unabhängigkeit vom Netz

Man unterscheidet zwischen Auf-Dach-Systemen und In-Dach-Systemen. Bei den Auf-Dach-Systemen werden die Solarmodule mit Hilfe eines Montagegestells auf das Hausdach montiert. Dabei lässt sich bei Schrägdächern auch der Neigungswinkel leicht optimieren. Gleichzeitig ist es die einfachste und häufigste Art eine PV-Anlage zu installieren. Verschiedene Gestelle sind speziell auf Blechdächer, Ziegeldächer, Schieferdächer und Dächer aus Wellblechplatten abgestimmt. Ein weiterer Vorteil ist die gute Hinterlüftung der Solarmodule. Wichtig ist, auf die Witterungsbeständigkeit der Befestigungsmaterialien zu achten. Flachdächer haben üblicherweise keinen oder nur einen geringen Neigungswinkel. Daher sollten die Solarmodule durch das Montagesystem um mindestens 6° angewinkelt werden. Üblich ist dabei eine Neigung von bis zu 13°.

Bei einem In-Dach-System ersetzen die Solarmodule die Dachziegel. Das sieht einerseits besser aus und andererseits ist die Anlage so witterungsbeständiger. Allerdings ist die Montage aufwendiger und teurer. Auch die Kühlung der Solarmodule ist dabei aufwendiger als bei einer Auf-Dach-Anlage und verringert den Wirkungsgrad um ca. 0,5 %. In-Dach-Systeme eignen sich nur für Ziegeldächer, die als Schrägdächer mit relativ großer Neigung ausgeführt sind, da der Wirkungsgrad sonst stark beeinträchtigt ist. Bei Blech- oder Bitumen-Dächern ist diese Lösung nicht möglich.

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Mini-Anlagen für Carport, Garage, Fassade und Satelliten

Eine Mini-PV-Anlage benötigt nur ein bis zwei Quadratmeter Fläche. Damit ist sie ideal geeignet für einen Carport, die Fassade oder ein Gartenhaus. Sie produzieren mit einer solch kleinen Anlage je nach verwendeten Solarmodulen bis zu 600 W elektrische Leistung. Die einzige technische Bedingung besteht darin, dass das jeweilige Dach oder die Fassade stabil genug sein muss, um das Gewicht der Solarmodule plus Montagesystem zu tragen. Allerdings brauchen Sie in einigen Bundesländern für eine PV-Anlage auf dem Carport oder der Garage eine Genehmigung. Erkundigen sie sich rechtzeitig vor dem Kauf der PV-Anlage bei dem für Sie zuständigen Bauamt. Den so produzierten Strom können Sie zum Aufladen Ihres Elektro-Autos, Ihres Hybrid-Plug-Ins oder Ähnlichem nutzen. Natürlich können Sie den Strom auch im Haushalt verwenden und so Ihre Stromrechnung reduzieren. Den gesamten Strom für einen Haushalt können Sie auf so einer kleinen Fläche alle