PV-Anlage - Was ist eine Photovoltaikanlage?

PV-Anlage am Dach eines Hauses
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Aktualisiert am 08.02.2015
Eine Photovoltaikanlage, kurz auch PV-Anlage genannt, ist eine Solarstromanlage, die Energie der Sonne, also einen Teil der Sonneneinstrahlung, direkt in elektrische Energie umwandelt. Dieser Artikel erklärt in Grundzügen zum einen die theoretische Grundlage einer PV-Anlage, die Photovoltaik, sowie den heutigen Aufbau einer Photovoltaikanlage.

Die Geschichte der Photovoltaik

  • Antoine-Henri Becquerel (1852-1908)
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    © diybook | Der französische Physiker Antoine-Henri Becquerel (1852-1908) gilt nicht nur als einer der Entdecker von Radioaktivität,…
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Die Idee, die Sonne als Energielieferant zu nutzen, ist wahrlich nicht neu. Schon 1839 entdeckte der französische Physiker Becquerel die Voraussetzung für heutige PV-Anlagen, den Photoelektrischen Effekt. 100 Jahre später stellte Ohl bei Versuchen an Silizium fest, dass durch die Beleuchtung des Materials mit Licht Strom erzeugt werden kann. Es dauerte dann aber noch ein paar Jahre, bis es 1954 gelang, erste Siliziumsolarzellen zu produzieren. Die Technik wurde seitdem stetig verfeinert, so dass die heute üblichen Siliziumzellen einen fünfmal höheren Wirkungsgrad  (rund 20%) als die ersten Modelle erreichen. Neben Siliziumzellen existieren aber noch viele weitere Solarzellen-Designs, die allerdings bisher keine kommerzielle Verwendung in PV-Anlagen finden.

Das Funktionsprinzip von Solarzellen

  • Photoelektrischer Effekt
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    © diybook | Der Photoelektrische Effekt beschreibt, dass Elektronen durch Einstrahlung von Licht auf ein höheres Energieniveau gehoben…
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Verantwortlich für das Funktionieren von Solarzellen ist der innere photoelektrische Effekt. Dieser zeichnet dafür verantwortlich, dass in Halbleitern, wenn sie von der Sonne bestrahlt werden, ein Teil der Energie dazu aufgewendet wird, Elektronen auf ein höheres Energieniveau zu heben. Diese höher energetischen Elektronen stehen dann wiederum für den Stromtransport zur Verfügung. Eine geschickte Anordnung der Halbleitermaterialien, kombiniert mit einer optimalen Bauform, sorgt dann für den nötigen Stromfluss. Die Spannung der einzelnen Solarzellen liegt bei ca. 0,5 V. Die Solarzelle ist somit der kleinste funktionelle Bestandteil einer PV-Anlage.

Von der Zelle zum Modul

  • PV-Modul
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    © diybook | Das Photovoltaikmodul besteht meist aus 60 in Serie geschaltenen Solarzellen, die durch 3 Bypass-Dioden vor Beschädigungen…
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Werden viele dieser Zellen kombiniert, so wird von einem Solarmodul gesprochen. Typischerweise werden 60 Solarzellen zu einem Modul vereint. Bei einer Spannung von 0,5 V je Zelle entsteht dabei die übliche Arbeitsspannung von 30 V je Modul. In typischen PV-Anlagen liefern diese Module etwa 8 A Gleichstrom (DC). Daraus resultiert eine Leistung von ca. 240 Wp.

Zusätzlich zu den 60 Zellen werden in den Modulen drei Bypass-Dioden eingebaut. Je Diode werden dabei 20 Solarzellen überbrückt. Bei diesen Dioden handelt es sich um eine wichtige Schutzeinrichtung, die eine Beschädigung der Zellen bei Verschattung verhindert. Mehr dazu aber im Artikel Die Auswirkungen der Verschattung von Solarmodulen.

Vom Modul zum String - Das Herz der PV-Anlage

Es steht außer Frage, dass die Photovoltaik-Module einen wesentlichen Bestandteil einer PV-Anlage darstellen. Für die Versorgung eines Haushaltes ist ein PV-Modul allerdings zu wenig. Daher werden diese wieder in Reihe geschalten und zu sogenannten Strings verbunden. Die gesamte Einheit aller Solarmodule wird dann auch Solarstromgenerator genannt. Die bei einer solchen Verschaltung zulässige Höchstspannung liegt derzeit bei 1000 V. Eine Erhöhung dieser Grenze wurde bereits angedacht, erfordert allerdings noch eine Menge gesetzlicher Änderungen. 

Der Wechselrichter als Getriebe einer PV-Anlage

  • Wechselrichter einer PV-Anlage
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    © diybook | Der Wechselrichter ist die zentrale Stelle von sowohl netzgekoppelten als auch isolierten PV-Anlagen. Er formt den vom…
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Der Solarstromgenerator liefert nun Gleichstrom mit einer Leistung entsprechend der Anzahl installierter Module. Phantastisch! Das Problem ist allerdings, dass die meisten Geräte im Haushalt nicht mit Gleichstrom, sondern mit 250 V Wechselstrom betrieben werden. Abhilfe schafft der Wechselrichter. Das ist ein weiterer Bestandteil der PV-Anlage. Der Wechselrichter wandelt den vom Solarstromgenerator gelieferten Gleichstrom in den allseits bekannten Wechselstrom mit 230 V Spannung um. Oftmals übernimmt der Wechselrichter dabei aber nicht nur die Stromumwandlung, sondern versucht auch durch ein Trial & Error-System die optimale Ausbeute sicherzustellen (MPP-Tracking).

Auch sorgt der Wechselrichter dafür, dass bereits erzeugter, aber nicht verbrauchter Strom in das öffentliche Netz eingespeist werden kann.  Je nach Anlagengröße und zuständigem Energieversorger müssen dazu ein- oder mehrphasige Wechselrichter verwendet werden.

Sicherheit, Optimierung und Speicherung

  • Sicherheit muss sein
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    © diybook | Der Überspannungsschutz gehört zu den verpflichtenden Schutzeinrichtungen einer PV-Anlage.
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Zusätzlich zu den PV-Modulen und dem Wechselrichter sollte bzw. muss eine PV-Anlage einen Überspannungsschutz aufweisen und in den bestehenden Blitzschutz integriert werden.

Optionales Zubehör einer PV-Anlage sind Speichervorrichtungen und Optimierungssysteme sowie Energiemanagement-Systeme.

Optimierungssysteme

Leistungseinbußen am Solarmodul durch starke Temperaturschwankungen, Teilverschattungen oder Verschmutzungen können durch Optimierungssysteme zwar nicht verhindert werden. Allerdings kann der negative Effekt auf die gesamte PV-Anlage im Zaum gehalten werden. 

  • Moduloptimierungssystem
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    © diybook | Eines von vielen verschiedenen Systemen am Markt, das eine nahezu verlustfreie Optimierung der PV-Module verspricht. Gerade bei…
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Hintergrund hierfür ist, dass sich die Beeinträchtigung eines einzelnen Moduls überproportional auf die anderen Module auswirkt. Ein einzelnes beeinträchtigtes Modul einer PV-Anlage kann also die gesamte Anlage lahmlegen. Vergleichbar ist das mit einem Gartenschlauch – denn ist dieser an irgendeiner Stelle abgedrückt, kommt am Ende weniger Wasser raus. Als Optimierungssysteme stehen verschiedene entweder modulnahe oder modulferne Systeme zur Verfügung. Welche es gibt und wie diese funktionieren, beschreibt der Artikel Optimierungssysteme im Überblick.

Speichervorrichtungen

Ist eine Speichervorrichtung Voraussetzung für PV-Anlagen ohne Netzanschluss - sogenannte Inselanlagen -, finden sie auch bei netzgekoppelten Anlagen Verwendung. Denn mit Hilfe von Speichersystemen kann der Eigenverbrauch auf bis zu 80% gesteigert werden. Gerne werden diese mit Energiemanagement-Systemen gekoppelt. Der Artikel Photovoltaik Eigenverbrauch gibt dabei Aufschluss über die hohe Rentabilität des Eigenverbrauchs.

Energiemanagement-Systeme

Intelligente Energiemanagement-Systeme regeln den Einsatz von Haushaltsgeräten nahezu selbständig. Je nach verfügbarem Stromangebot starten sie die Waschmaschine bzw. den Geschirrspüler oder regeln das Aufheizen des Warmwassers. Eines der besten Management-Systeme ist allerdings der Mensch, auch wenn er dafür alte Gewohnheiten abstellen muss. 

Die PV-Anlage

Zusammengefasst besteht also eine PV-Anlage aus einer Vielzahl von in Reihe geschaltenen  Solarmodulen, die mit einem Wechselrichter verbunden werden. Erstere erzeugen abhängig von der Sonneneinstrahlung eine gewisse Menge Gleichstrom. Dieser Gleichstrom wird dann in Letzerem in einen für uns im Haushalt nutzbaren Wechselstrom umgewandelt. Ergänzungen wie Speichersysteme und Moduloptimierungen runden das Ganze ab und machen Photovoltaikanlagen, gerade bei steigenden Stromkosten, zu einer nicht nur im ökologischen Sinn lohnenswerten Alternative zur fossilen Energiegewinnung.

Eine Photovoltaikanlage, kurz auch PV-Anlage genannt, ist eine Solarstromanlage, die Energie der Sonne, also einen Teil der Sonneneinstrahlung, direkt in elektrische Energie umwandelt. Dieser Artikel erklärt in Grundzügen zum einen die theoretische Grundlage einer PV-Anlage, die Photovoltaik, sowie den heutigen Aufbau einer Photovoltaikanlage.
  • Antoine-Henri Becquerel (1852-1908)
    © diybook | Der französische Physiker Antoine-Henri Becquerel (1852-1908) gilt nicht nur als einer der Entdecker von Radioaktivität, sondern legte auch den Grundstein für die Entdeckung des Photoelektrischen Effekts.
  • Photoelektrischer Effekt
    © diybook | Der Photoelektrische Effekt beschreibt, dass Elektronen durch Einstrahlung von Licht auf ein höheres Energieniveau gehoben werden, sodass sie als freie Elektronen für einen Stromtransport zur Verfügung stehen.
  • PV-Modul
    © diybook | Das Photovoltaikmodul besteht meist aus 60 in Serie geschaltenen Solarzellen, die durch 3 Bypass-Dioden vor Beschädigungen geschützt werden.
  • Wechselrichter einer PV-Anlage
    © diybook | Der Wechselrichter ist die zentrale Stelle von sowohl netzgekoppelten als auch isolierten PV-Anlagen. Er formt den vom Solargenerator erzeugten Gleichstrom in einen im Haushalt nutzbaren Wechselstrom um.
  • Sicherheit muss sein
    © diybook | Der Überspannungsschutz gehört zu den verpflichtenden Schutzeinrichtungen einer PV-Anlage.
  • Moduloptimierungssystem
    © diybook | Eines von vielen verschiedenen Systemen am Markt, das eine nahezu verlustfreie Optimierung der PV-Module verspricht. Gerade bei in Kauf genommenen Verschattungen ein Muss.
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