Photovoltaikanlage: Aufbau und Funktionsweise

• Photovoltaik-Generator (mehrere Photovoltaik-Module in Reihen- und Parallelschaltung mit Montagegestell), in den Photovoltaikmodulen befinden sich die Solarzellen, in denen der Strom erzeugt wird.
• Generatoranschlusskasten (mit Schutztechnik)
• Gleichstromverkabelung
• DC-Hauptschalter

• Wechselrichter
• Wechselstromverkabelung
• Zählerschrank mit Stromkreisverteilung, Bezugs- und Einspeisezähler, Stromzähler für Eigenstromnutzung und Hausanschluss

Die Technik einer Photovoltaikanlage – was steckt dahinter?

Die Solarzelle

Das Herzstück einer Solaranlage auf dem Dach sind die Photovoltaikmodule (PV-Module). Diese Solarmodule bestehen aus einer Vielzahl von Solarzellen (ca. 36 – 72 Solarzellen pro Solarmodul) und erzeugen bei Sonneneinstrahlung ohne irgendwelche technischen Umwege einen Gleichstrom. Die in der Praxis am meisten verwendeten Solarzellen bestehen überwiegend aus Silizium. Das Silizium wird auf der Welt aus ganz normalem Sand gewonnen und steht damit für diese Technik beinahe in unbegrenzter Menge zur Verfügung.

Nicht nur bei strahlend schönem und wolkenfreiem Himmel produziert eine Solaranlage Strom, auch bei bedecktem Himmel wird Strom produziert.

Eine Solarzelle besteht i.d.R. aus zwei aufeinander liegenden Schichten aus Silizium. Meistens bestehen diese Schichten aus kristallinem Silizium. An den Enden der Solarzellen befinden sich metallische Kontakte. Wenn nun Sonnenlicht auf die Solarzelle fällt, nehmen Elektronen in der Solarzelle die Energie aus den elektromagnetischen Wellen der Sonne auf, lösen sich aus dem Kristallgitter des Siliziums und stehen als zusätzliche Ladungsträger zur Verfügung. Dabei entsteht ein Gleichstrom der über einen Wechselrichter in unseren haushaltsüblichen Wechselstrom transformiert und genutzt werden kann

Der Wechselrichter einer Photovoltaikanlage ist das Bindeglied zwischen dem Photovoltaik-Generator und Wechselstromnetz bzw. Wechselstromverbraucher. Seine grundlegende Aufgabe ist es, den vom Photovoltaik-Generator erzeugten solaren Gleichstrom in Wechselstrom umzuformen. Dabei muss die Einspeisung an die Frequenz und Höhe der Spannung des Stromnetzes angepasst werden. Der Wechselrichter der Solaranlage gleicht Spannungsspitzen aus und reguliert den Stromfluss so, dass i.d.R. keine Probleme bei der Einspeisung ins Stromnetz auftreten und ein sehr hoher Wirkungsgrad (in der Praxis 97 – 99%) erzielt wird.

Bei netzgekoppelten Photovoltaik-Systemen ist der Wechselrichter mit dem öffentlichen Stromnetz direkt oder über das Hausnetz verbunden. Die Einspeisung des erzeugten Stroms erfolgt bei direkter Verbindung an das öffentliche Netz. Bei der Koppelung über das Hausnetz wird der mit Hilfe der Photovoltaikanlage erzeugte Strom erst im Haus verbraucht. Überschüsse aus der Solarstromproduktion werden gegebenenfalls in das öffentliche Stromnetz eingespeist.

Solarwechselrichter erfüllen folgende Funktion:

• Umwandlung des vom Photovoltaik-Generator erzeugten Gleichstroms in einen netzkonformen Wechselstrom
• Anpassung des Arbeitspunktes des Wechselrichters an den MPP des Photovoltaik-Generators
• Betriebsdatenerfassung und Signalisierung (z.B. Anzeige, Datenspeicherung, Datenübertragung)
• DC- und AC-Schutzeinrichtung (z.B. Verpolungsschutz, Überspannungs- und Überlastungsschutz, Überwachungs- und Schutzeinrichtungen zur Einhaltung der VDEW-Richtlinien für Energieerzeugungsanlagen)
• Netzüberwachung, ggf. Netzmanagement

In der Praxis wird zwischen Wechselrichtern „mit“ oder „ohne“ Transformator unterschieden.

Der Wechselrichter erzeugt Wechselstrom zur Einspeisung ins Stromnetz

Im Idealfall wird über ein Kupferkabel dieser Gleichstrom zum sogenannten „Wechselrichter“ geleitet. Der Wechselrichter trägt seinen Namen von der Funktion: Im Wechselrichter einer Photovoltaikanlage wird der Gleichstrom von den Solarmodulen durch Spulen und Magnete geleitet und ein Wechselstrom erzeugt. Mit Hilfe der Elektronik im Wechselrichter wird der haushaltsübliche Strom, 230 Volt mit 50 – 60 Herz erzeugt und ins öffentliche Netz eingespeist. Je nach Konfiguration einer Photovoltaikanlage kann der erzeugte Strom auch vor Ort vom Betreiber / Besitzer genutzt werden. Durch das EEG („Erneuerbare-Energien-Gesetz“) wird dieser „private Eigenverbrauch des erzeugten Stroms“ besonders vergütet und kann sich je nach Ausgangssituation des Besitzers einer Photovoltaikanlage rechnen.

Voraussetzungen und Dimensionierung einer Photovoltaikanlage

Um es gleich ganz deutlich zu sagen, die Sonneneinstrahlung in Deutschland ist so hoch, dass sich die Installation einer Photovoltaikanlage auf einem Dach an vielen Stellen lohnt. Der Grund dafür liegt beim EEG, das eine Vergütung des erzeugten Stroms zu festen Preisen garantiert. Somit können Sie mit einer günstigen PV-Anlage auch Dachflächen nutzen, bei denen der Ausnutzungsgrad der täglichen Sonneneinstrahlung nicht optimal ist.

Ertragswerteberechnung und Dimensionierung Ihrer Solaranlage können Sie davon ausgehen, dass Sie mit einer Solarkollektorfläche von 8 – 10 m² 1 kWp erzeugen können. Damit Ihre Solaranlage wirtschaftlich ist, sollte die für eine Photovoltaikanlage zur Verfügung gestellte Dachfläche mindestens 25 – 30 m² betragen.

Optimale Ausrichtung einer Photovoltaikanlage

Optimal rechnet sich eine Photovoltaikanlage auf (Haus) Dächern, die nach Süden ausgerichtet ist und eine Neigung von 30 Grad aufweist. Bei dieser Konstellation kann der höchste Energieertrag erzeugt werden. Sollte das Dach in eine andere Richtung zur Sonne stehen, verringert sich der zu erwartende Energieertrag. Standorte, die nach Norden ausgerichtet sind, erzeugen i.d.R. schlechte Energieerträge.

Nutzung des Stroms einer Photovoltaikanlage

Sie können den durch Ihre Photovoltaikanlage erzeugten Strom in das örtliche Stromnetz einspeisen. Das wird dank Einspeisevergütung gesondert entlohnt und kann sich für den Besitzer einer Solaranlage durchaus rechnen. Sie können den erzeugten Strom aber auch selbst nutzen. Dies bietet sich in Kombination mit einer Luftwärmepumpe besonders gut an.

Auf dem Dach eines privaten Haushaltes finden sich i.d.R. Photovoltaikanlagen mit einer Leistung von ca. 2 – 8 Kilowatt peak (kWp). Der kWp Wert beschreibt den Wert, den eine Photovoltaikanlage maximal leisten kann. So hat eine Solaranlagen mit einer 20 m² großen Solarmodulfläche eine jährliche Leistung von 1.500 – 2.500 kWh Solarstrom. Damit produziert so eine Photovoltaikanlage mehr als 50 % des Jahresverbrauches einer vierköpfigen Familie.

Die tatsächliche Leistung einer Photovoltaikanlage auf dem Dach eines privaten Haushaltes ist abhängig von der Jahreszeit, der Tageszeit, den Wetterbedingungen und der Ausrichtung der Solarmodule zur Sonne. Ein weiterer leistungsbestimmender Faktor ist die (teilweise) Verschattung der Solaranlage, z.B. durch Bäume oder aber auch durch Antennen usw.

Die häufigste Montage einer Photovoltaikanlage auf einem Dach ist die Aufdachmontage. Während flache Dächer dem Planer einer Photovoltaik-Anlage gewisse Freiheit lassen, geben schräge Dächer in der Regel die Ausrichtung und Neigung für die Photovoltaik – Module fest vor.

Bei der Aufdachmontage einer Photovoltaikanlage werden die Solarmodule mit einer Metallunterkonstruktion oberhalb der bestehenden Dacheindeckung montiert. Die Dacheindeckung bleibt dabei erhalten und behält ihre wasserableitende Funktion. Bei Nachrüstung auf bestehenden Dächern ist die Aufdachmontage in der Regel die kostengünstigere Variante, denn der Montage- und Materialaufwand ist geringer.

Die Metallkonstruktion für die Aufnahme der Solarmodule setzt sich aus drei Hauptbestandteilen zusammen: der Dachbefestigung, den Tragschienen und der Modulbefestigung. Mit Hilfe der Dachbefestigung wird das Schienensystem durch die Dachdeckung hindurch an der Dachkonstruktion verankert oder direkt an der Dachdeckung befestigt. Die Module werden mit systemspezifischen Befestigungselementen auf der Tragschiene befestigt.

Flachdächer bieten ein großes Potential für die Installation einer Photovoltaikanlage. Es sind im Prinzip ungenutzte Flächen, die sich sehr gut für die Aufstellung einer Solaranlage eignen. Sie lassen auch für die Planung des Generators gewisse Freiheiten: oft kann die Ausrichtung der Solarmodule genau nach Süden gewählt und der Neigungswinkel optimal eingestellt werden.

Hier ist es besonders wichtig, dass im Vorfeld sichergestellt wird, dass die Funktionsfähigkeit des Daches während der Lebensdauer der Photovoltaikanlage gewährleistet ist.

Bei der Montage einer Solaranlage auf einem Flachdach werden die Photovoltaikmodule, ähnlich der Aufdachmontage, auf schrägen Dächern, mit einer Metallunterkonstruktion über der bestehenden Dachhaut montiert.