Photovoltaik-Technik
Mithilfe von Photovoltaik-Technik (auch: PV-Technik) wird Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt. Diese Energie kann genutzt, eingespeist oder gespeichert werden. Eine Photovoltaikanlage besteht dabei aus mehreren Komponenten und die Ertragswerte werden durch eine Vielzahl an Faktoren beeinflusst. In diesem Artikel erfahren Sie, wie Solaranlagen aufgebaut sind, wie sie funktionieren, welche Kennzahlen relevant sind und wie man die Sonnenenergie zudem nutzen kann.
Inhalt:
- Welche Komponenten umfasst eine Photovoltaikanlage?
- Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage?
- Was sind die wichtigsten Kennzahlen einer Photovoltaikanlage?
- Welche Arten von Photovoltaikanlagen gibt es?
- Wie kann die erzeugte Energie verwendet werden?
Welche Komponenten umfasst eine Photovoltaikanlage?
Hauptaufgabe von PV-Anlagen ist es, Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln, doch aus welchen Komponenten besteht eine Photovoltaik-Anlage überhaupt? Dafür sind gewisse Bestandteile und Komponenten notwendig. Diese sind:
- Solarzellen, die zu Solarmodulen zusammengeschlossen werden
- Wechselrichter, mit dem der erzeugte Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt wird
- Zählerkasten, um zu ermitteln, wie viel photovoltaischer Strom man selbst verbraucht oder ins öffentliche Stromnetz eingespeist.
Der hauptsächliche Bestandteil einer Photovoltaik-Anlage und der dazugehörigen Photovoltaik-Technik sind die Solarmodule. Alle Module zusammen bilden den Solargenerator. Da man den von der Solaranlage erzeugte Gleichstrom nicht direkt nutzen kann, muss man ihn zuvor in Wechselstrom umwandeln. Diese Umwandlung wird dabei vom sogenannten Wechselrichter vorgenommen. Der erzeugte Strom wird mithilfe eines Solarkabels von den Solarmodulen zum Wechselrichter geleitet.
Außerdem benötigt man bestimmte Komponenten zur Sicherheit. Dazu zählen beispielsweise Freischalter für Servicearbeiten, Notabschaltungsvorrichtungen für den Brandfall, Sicherungen und Blitzschutzeinrichtungen. Um den Ertrag messen zu können, schließt man einen Einspeisezähler an, beziehungsweise benötigt man bei Eigennutzung des Stroms zusätzlich noch einen Eigenverbrauchszähler. Sollen Teile der Energie für die spätere Eigennutzung gespeichert werden, wird zusätzlich noch ein Energiespeicher mit der Anlage gekoppelt.
Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage?
Eine Solarzelle besteht aus zwei Siliziumschichten, die unterschiedlich dotiert sind. Die obere Schicht ist negativ dotiert, das heißt, es besteht ein Überschuss an negativen Ladungsträgern. Die untere Schicht ist dabei positiv dotiert, das bedeutet, hier herrscht ein Überschuss an positiven Ladungsträgern. Zwischen diesen beiden Schichten liegt der sogenannte p-n-Übergang. An diesem Übergang fließt bei Lichteinstrahlung durch die Sonne ein Gleichstrom, dessen Spannung über Kontakte abgenommen wird. Eine Photovoltaikanlage besteht aus mehreren Solarmodulen, die alle nach dem gleichen Prinzip Gleichstrom erzeugen. Der photoelektrische Effekt sorgt dafür, dass Sonnenlicht in Gleichstrom umgewandelt wird.
Was sind die wichtigsten Kennzahlen einer Photovoltaikanlage?
Der Ertrag einer Photovoltaik-Anlage wird von einer Vielzahl unterschiedlicher Faktoren beeinflusst. Gleichzeitig gibt es verschiedene Messwerte und Kennzahlen, mit denen man den Ertrag und die Leistung einer Solaranlage und der dazugehörigen Photovoltaik-Technik bewerten kann. Wir stellen Ihnen im Folgenden die Wichtigsten vor:
Nennleistung
Die Nennleistung einer Photovoltaik-Anlage ist die Leistung bei idealen Testbedingungen, also der maximale Stromertrag. Die Nennleistung wird dabei in Watt Peak (Wp) oder kWp angegeben, wobei Peak das Kennzeichen für den Spitzenwert ist. Durch die standardisierten Testbedingungen können Solarmodule verglichen und normiert werden. Die Testbedingungen entsprechen einem international anerkannten Standard (STC-Standard Test Conditions).
Ertrag
Wenn die Rede vom Ertrag einer Photovoltaikanlage ist, ist damit häufig der Jahresertrag gemeint. Der Jahresertrag wird in Kilowattstunden gemessen. In Deutschland liegt bei einer optimal ausgerichteten, festinstallierten Solaranlage der Jahresertrag bei etwa 1.000kWh pro kWp installierter Nennleistung.
Ausrichtung
Der Standort und die Ausrichtung der Solaranlage spielen eine große Rolle für den Ertrag. Den besten Ertrag haben Solaranlagen, wenn sie nach Süden zeigen und eine Neigung zwischen 30 und 35 Grad aufweisen. Schattenfall von umliegenden Gebäuden und Bäumen sollte vermieden werden.
Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis zwischen der erzeugten elektrischen Leistung und der eingestrahlten Lichtleistung. Er gibt daher an, wie viel Prozent des einfallenden Sonnenlichts von den Solarmodulen in elektrischen Strom umgewandelt werden kann. Je höher der Wirkungsgrad ist, desto kleiner muss die Fläche für die Anlage ausfallen und desto mehr Ertrag kann man mit der zur Verfügung stehenden Fläche erzielen.
Verschmutzung
Solaranlagen sollte man im Rahmen der Photovoltaik-Technik von Verschmutzungen befreien, um Ertragsverluste zu vermeiden und die reibungslose Funktionsfähigkeit der Anlage zu gewährleisten. Es können sich mit der Zeit unterschiedliche Stoffe auf den Solarmodulen absetzen. Blätter, klebrige Sekrete von Läusen, Pollen und Samen, Ruß, Sand, Staub, Algen, Moose und Vogelkot sind Beispiele für Verschmutzungen von Photovoltaikanlagen.
Welche Arten von Photovoltaikanlagen gibt es?
Photovoltaikanlagen können auf einem Hausdach mithilfe einer Aufdach-Montage oder einer Indach-Montage befestigt werden. Außerdem kann man Solaranlagen Technik als Freiflächen-Montage oder als Inselanlage errichten.
- Aufdach-Montage: Bei der Aufdach-Montage montiert man die Photovoltaikanlage mit einem Montagegestell auf dem Hausdach. Der Vorteil dieser Befestigungsart liegt darin, dass sie vor allem auch für schon bestehende Dächer einfach umsetzbar ist.
- Indach-Montage: Die Indach-Montage sieht eine Integration des Solarsystems in die Dachhaut vor. Die Photovoltaikanlage übernimmt dann die Funktionen des Dachs hinsichtlich des Wetterschutzes. Der Vorteil ist die ansprechende Optik und die Einsparung der Dachdeckung. Das Indach-System eignet sich vor allem bei Dachsanierungen und Neubauten, ist jedoch nicht bei allen Dächern möglich.
- Freiflächen-Systeme: Freiflächenanlagen werden entweder mit einer Festaufständerung oder mit Trackingsystemen befestigt. Bei der Festaufständerung verändert man den Winkel der Module nach der Montage nicht mehr. Die Module werden mithilfe eines Stahl- oder Aluminiumgestells im Boden verankert. Trackingsysteme hingegen folgen dem Sonnenverlauf. Dadurch erhöht sich der Ertrag, doch auch die Instandhaltungskosten steigen.
- Inselanlage: Die Inselanlage ist nicht an das öffentliche Stromnetz angebunden und findet nur für die Eigennutzung Verwendung. Sie unterschiedet sich bezüglich der Komponenten der Photovoltaik Technik von netzgekoppelten Anlagen.
Wie kann man die erzeugte Energie von Photovoltaik-Technik verwenden?
Die erzeugte Energie kann entweder direkt genutzt, in das Netz eingespeist oder gespeichert werden. Private und gewerbliche Investoren, die PV-Anlagen auf ihren eigenen Dächern betreiben, nutzen den Strom in der Regel auch für den Eigenbedarf und speisen den Rest der Energie in das Netz ein. Zunehmend nimmt die Speicherung von überschüssiger Energie zur späteren Nutzung zu. Für die Speicherung der Energie benötigt man zusätzlich zur restlichen Solarenergie-Technik einen Akku. Für die Einspeisung des Solarstroms in ein Stromnetz gibt es vom Netzbetreiber eine entsprechende Vergütung. Die Höhe der Vergütung ist gesetzlich festgeschrieben.
