Photovoltaik

Photovoltaik (Kurzform: PV) ist die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom. Der über eine Photovoltaik-Anlage erzeugte Strom wird vorwiegend direkt ins öffentliche Netz eingespeist, kann aber auch für isolierte Anwendungsbereiche zur Verfügung stehen, z.B. Aufladung von Batterien.

Das Prinzip einer Photovoltaik-Anlage: die Solarzellen im Verbund

Die Solarzelle ist die Kernkomponente und kleinsten Einheite einer Photovoltaik-Anlage. Mehrere Solarzellen bilden ein Solarmodul, die die auf sie treffende Sonnenstrahlung in Strom umwandelt, wobei zwischen Ober- und Unterseite der Zellen eine Gleichspannung aufgebaut wird.

Eine einzelne Solarzelle hat eine Größe zwischen 10 und 15 qcm und besteht hauptsächlich aus Silizium, einem Element, das in der Natur sehr häufig vorkommt. Handelsübliche Solarzellen erreichen einen Wirkungsgrad von bis zu 17-20% %, d. h. auf einem Quadratmeter werden bis zu 170 bzw. 200 Wh (Watt/Stunde) erzeugt.

Die Gesamtleistung einer Photovoltaik-Anlage wird in kWp (Kilowatt peak) gemessen (peak = engl. für „Spitzenleistung“). Eine durchschnittliche Photovoltaik-Anlage mit 1 kWp Leistung erspart der Umwelt jährlich bis zu 500 kg Kohlendioxyd und andere Schadstoffe.

Komponenten einer Photovoltaik-Anlage:

• Solarmodule in Reihen- und Parallelschaltung mit Montagegestell zur Montage auf dem Dach oder der Fassade
• Generatoranschlusskasten (mit Schutztechnik)
• Gleichstromverkabelung
• DC-Hauptschalter
• Wechselrichter zur Aufbereitung des Solarstroms in Netzqualität (Gleichstrom wird in Wechselstrom umgewandelt
• Wechselstromverkabelung
• Wechselstromzähler bzw. Einspeise- und Bezugszähler zur Erfassung des Stromertrags
• Sicherheitskomponenten zur elektrischen Absicherung der Anlage

Solarmodultypen

Monokristalline Module

Durch den reineren Siliziumgehalt der Zellen ist der Wirkungsgrad bei den monokristallinen besonders hoch. Für die gleiche Leistung werden ca. 15 % weniger Fläche beansprucht als bei anderen Moduletypen. Auch die Zellspannung ist leicht höher. Monokristalline Module erreichen derzeit eine Lebensdauer von über 30 Jahren, die Leistungsgarantien der Hersteller reichen über 20 Jahre. Die Zellen monokristalliner Module sind gewöhnlich schwarz.

Polykristalline Module

Polykristalline Module besitzen einen etwas geringeren Siliziumgehalt, sind jedoch umweltverträglicher zu produzieren. Sie haben daher einen geringeren Wirkungsgrad, benötigen also mehr Fläche pro Leistung. Weil der Wattpreis oftmals geringer ausfällt, werden mit ihnen dennoch auch große Anlagen realisiert. In Lebensdauer und Zuverlässigkeit stehen polykristalline Module den anderen in nichts nach. Die Zellen besitzen zumeist eine bläuliche Farbe mit einem Flittereffekt.

Amorphe Module (Dünschichtmodule)

Bei der Herstellung amorpher Module kommen verschiedene chemische Elemente zum Einsatz. Die ursprüngliche Leistung nimmt in den ersten 1.000 Betriebsstunden stark ab. Diese Degradation ist aber bei den Leistungsangaben schon berücksichtigt, weshalb amorphe Module im Auslieferzustand eine höhere Leistung haben, die nach der Alterung jedoch stabil bleibt. Aufgrund der neuen Dünnschichttechnik können amorphe Module heutzutage extrem preisgünstig und gleichzeitig umwelt- freundlich gefertigt werden. In den meisten Kleinanwendungen (Taschenrechner, Uhren etc.) wird bevorzugt diese Technik verwandt, doch man realisiert vermehrt auch große Anlagen. Die Lebensdauer wird heute ähnlich den Silizium-Modulen angesetzt. Optisch fällt meist ein homogenes rot-schwarzes, leicht transparentes Erscheinungsbild auf. Mit den z. T. erheblich günstigeren amorphen Modulen kommt man auf einen besonders lohnenden Wattpreis. Dagegen spricht auf Kostenseite jedoch der erhöhte Montageaufwand und der größere Gestellbedarf, was sich aber durch geschickte Auswahl der Trägersysteme nahezu vermeiden läßt.

Wechselrichter

Ein Wechselrichter ist ein elektrisches Gerät, das Gleichspannung in Wechselspannung umwandelt. So kann Solarstrom ins öffentliche Netz eingespeist werden, wo er wie herkömmlicher Strom für alle elektrischen Anwendungen zur Verfügung steht. Die durchschnittlichen Wirkungsgrade bewegen sich zwischen 93 und 98 %. Um einen optimalen Wirkungsgrad zu erreichen, ist auf eine ideale Auslegung des Wechselrichters für die benötigte Leistung zu achten. Je nach PV-Anlagetyp und -auslegung kommen entweder Inselwechselrichter oder Netzeinspeisewechselrichter zum Einsatz. Diese wiederum unterteilen sich in zwei verschiedene Varianten:

Stringwechselrichter

Stringwechselrichter sind die am meisten verwendeten Wechselrichter in der Photovoltaik und überzeugen mit einem sehr guten Preis-Leistungs-Verhältnis. Sie weisen höhere Spannungen als Modulwechselrichter auf aber auch etwas höhere Verluste.

Zentralwechselrichter

Zentralwechselrichter sind große Wechselrichter, die meistens in einem eigenen Raum untergebracht sind. Der Wirkungsgrad dieser Geräte ist besonders hoch, jedoch benötigen sie viel Platz und sind verhältnismäßig teuer, weshalb sie im Allgemeinen nur bei großen Photovoltaik-Anlagen zum Einsatz kommen.

Anlagentypen

In fester Beziehung - die netzgekoppelte Anlage

Die einfachste und wirtschaftlichste Art, den Strom einer Photovoltaik-Anlage zu nutzen, bietet das netzgekoppelte System. Der von den Modulen erzeugte Gleichstrom wird vom Wechselrichter auf 230 V Wechselspannung transformiert und vollständig in das öffentliche Netz eingespeist. Die für das Haus benötigte Energie wird dabei weiterhin vom gewählten Energieversorger bezogen. Je nach Modultyp, Wechselrichterkombination, Standort und Ausrichtung erzeugt eine 1,0 KWp-Anlage in Deutschland jährlich zwischen 650 und 1150 kWh Strom. Durch die Einspeiseerlöse, Abschreibung und evtl. zusätzliche Förderung erzeugen Sie nicht nur wirklich sauberen Strom, sondern bekommen im Laufe der Jahre Ihren Einsatz zurück und erwirtschaften danach sogar Gewinne.

Hauptkomponenten einer netzgekoppelten Anlage:

1. PV-Anlage (Mehrere PV-Module in Reihen- und Parallelschaltung mit Montagegestell)
2. Generatoranschlusskasten (mit Schutztechnik)
3. Gleichstromverkabelung
4. DC-Hauptschalter
5. Wechselrichter
6. Wechselstromverkabelung
7. Zählerschrank mit Stromkreisverteilung, Bezugs- und Einspeisezähler und Hausanschluss

Oder allein stehend - die Inselanlage

Diese in Fachkreisen auch als autark bezeichnete Anlage findet man vornehmlich an Objekten, die keine Netzstromversorgung vorweisen, z. B. auf Campingplätzen oder in Gartenhäusern oder in Gegenden ohne Infrastruktur. Hier steht die Eigenversorgung des Betreibers der Anlage im Vordergrund. Mit Hilfe von Speicherbatterien bieten Inselanlagen die Möglichkeit, den eigenen Strombedarf zu decken. Durch die momentane Einspeisevergütung, die weit über dem normalen Abnahmepreis liegt, macht es jedoch wenig Sinn, die erzeugte Energie zu speichern und bei Bedarf abzurufen. Eine Inselanlage ist dadurch wirklich nur für Objekte sinnvoll, die nicht ans öffentliche Stromnetz angebunden sind.

Hauptkomponenten Inselanlage:

1. PV-Generator (ein oder mehrere PV-Module, meist in Parallelschaltung)
2. Laderegler
3. Akkumulator (Akku)
4. Verbraucher