Funktionsweise einer Photovoltaikanlage

In Deutschland gewinnt Photovoltaik zunehmend an Bedeutung. In diesem Artikel erklären wir die Funktionsweise und die verschiedenen Bestandteile einer Photovoltaikanlage.

Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage?

Ein Photovoltaiksystem nutzt die Energie des Sonnenlichts, um elektrischen Strom zu erzeugen. Es setzt sich hauptsächlich aus Solarmodulen zusammen, welche Solarzellen enthalten. Diese Solarzellen wandeln die Sonnenstrahlung durch die Bewegung von Elektronen in Gleichstrom um. Anschließend wandelt ein Wechselrichter den Gleichstrom in Wechselstrom um, der dann im Haushalt verwendet werden kann.

Die Funktionsweise eines Photovoltaiksystems ist allerdings detaillierter, als es auf den ersten Blick erscheinen mag. Es besteht aus mehreren Schlüsselkomponenten, die für eine effiziente Leistung unerlässlich sind.

Welche Komponenten werden zur Stromerzeugung benötigt?

Die Errichtung einer Photovoltaikanlage erfordert lediglich einige Schlüsselkomponenten.

• Solarmodule

• Solarkabel

• Solarzähler und Einspeisezähler

• Wechselrichter

Optional können auch Stromspeicher und Energiemanager integriert werden. Im Folgenden werden die einzelnen Komponenten näher erläutert.

Solarmodule und Solarzellen

Photovoltaikmodule umfassen Solarzellen, welche Lichtenergie in elektrischen Strom umwandeln. Diese Solarzellen sind in Reihe geschaltet, um ihre Spannung zu addieren. Üblicherweise bestehen Solarmodule aus 60 oder 72 Zellen oder alternativ aus 120 bis 144 Halbzellen. Ihre Leistung erstreckt sich von 300 bis 450 Wp, wobei mittlerweile auch Solarmodule mit einer Leistung von über 600 Wp auf dem Markt verfügbar sind.

Solarzellen bestehen hauptsächlich aus Silizium, einem Halbleitermaterial mit ausgeprägten photovoltaischen Eigenschaften. Wenn Sonnenlicht auf die Solarzelle trifft, werden Elektronen angeregt, wodurch Strom erzeugt wird. Diese Zelle setzt sich aus zwei unterschiedlich dotierten Schichten zusammen:

• Die obere Schicht, bekannt als n-dotierte Schicht, enthält Silizium und Phosphor. Silizium hat vier Elektronen, während Phosphor fünf Elektronen besitzt. Das zusätzliche Elektron in dieser Schicht ist frei.

• Die untere Schicht besteht aus p-dotiertem Silizium mit Bor. Bor hat ein Elektron weniger als Silizium, was zu einem Loch führt.

• Die freien Elektronen aus der n-dotierten Schicht wandern in die p-dotierte Schicht und füllen die Löcher, wodurch eine Grenzschicht aus Boratomen mit vier Elektronen entsteht.

• Durch diese Elektronenwanderung entstehen elektrische Pole: Die obere Schicht wird positiv geladen, während die untere negativ wird. Sonnenlicht löst Elektronen aus den Boratomen der Solarzelle, die dann zum positiven Pol wandern. Dieser Prozess findet in allen Solarzellen statt, die dem Sonnenlicht ausgesetzt sind.

Bei der Montage von Solarmodulen werden die Solarzellen in speziellen Modulen angeordnet, die als Solarmodule, Fotovoltaik Module oder PV Module bezeichnet werden. Diese Module bündeln die erzeugte Energie und leiten sie weiter, um sie für die Stromerzeugung nutzbar zu machen.

Die angeregten Elektronen werden aus der oberen Schicht der Solarzelle abgeleitet. Dies erfolgt über einen elektrischen Leiter, typischerweise ein Metallgitter auf der Rückseite des Solarmoduls. Während die Sonne scheint, bewegen sich zunehmend mehr Elektronen durch die Metallkontakte und werden durch die Solarkabel geleitet.

Am unteren Ende des Solarmoduls befindet sich ein weiterer Metallkontakt, der mit den Solarkabeln verbunden ist. Die Elektronen fließen durch diese Kabel und gelangen zurück in die untere Schicht der Zelle. Durch ihre kontinuierliche Bewegung erzeugen sie eine elektrische Spannung.

Solarkabel

Solarkabel verbinden die einzelnen Module einer Solaranlage miteinander. Sie sind speziell für den Einsatz im Freien konzipiert, wetterfest und UV-beständig, um den Strom sicher zwischen den PV-Modulen zu transportieren. Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, diese Kabel zu verbinden oder zu schalten, was sich auf die Stromspannung, Stromstärke und Gesamtleistung auswirkt:

• Bei der Reihenschaltung werden die Solarmodule in einer Reihe geschaltet, wobei das positive Kabel mit dem negativen Kabel verbunden wird. Dadurch addiert sich die Spannung aller Module, während die Stromstärke konstant bleibt. Am Ende sind das erste und das letzte Modul jeweils mit einem Kabel verbunden, das zum Wechselrichter führt. Diese Methode ist am weitesten verbreitet und erfordert weniger Kabel.
  

• Bei der Parallelschaltung werden die negativen Kabel mit anderen negativen Kabeln und die positiven Kabel mit anderen positiven Kabeln verbunden. Dadurch wird der Strom erhöht, während die Spannung der Module gleich bleibt. Am Ende sind immer noch zwei Kabel vorhanden, die mit dem Wechselrichter verbunden sind. Ein Vorteil dieser Methode ist, dass die Verschattung eines Moduls keinen Einfluss auf die Leistung der anderen Module hat. Allerdings erfordert sie eine aufwendigere Kabelverlegung und Installation.
  

Empfohlen wird üblicherweise die Verwendung von Solarkabeln mit einer Dicke von sechs Quadratmillimetern, um eine zuverlässige Stromübertragung zu gewährleisten. Die UV-Beständigkeit der Kabel sorgt dafür, dass sie auch bei längerer Sonneneinstrahlung ihre Qualität behalten und somit die Langlebigkeit der Solaranlage gewährleisten.

Wechselrichter und Solarzähler

Ein Wechselrichter ist entscheidend für die Nutzung des erzeugten Solarstroms im Haushalt. Da Solarstrom als Gleichstrom vorliegt, während Haushalte und das öffentliche Netz Wechselstrom verwenden. Auch bei Wechselrichter gibt es einige Unterschiede, da einige nicht einfach an einen Stromspeicher angeschlossen werden können.

• Gleichstrom fließt kontinuierlich in eine Richtung, von negativ nach positiv, wobei die Stromstärke über die Zeit konstant bleibt.

• Im Gegensatz dazu wechselt bei Wechselstrom der Stromfluss regelmäßig die Richtung. Die Frequenz, gemessen in Hertz (Hz), gibt an, wie oft dieser Wechsel pro Sekunde erfolgt. In Europa beträgt die Standardfrequenz 50 Hz, was bedeutet, dass die Stromrichtung 50 Mal pro Sekunde wechselt.

PV-Wechselrichter erzeugen mithilfe ausgeklügelter Schaltkreise eine sinusförmige Welle für elektronische Geräte. Durch schnelles Öffnen und Schließen von Stromleitungen ändern sie die Stromrichtung. Um eine gleichmäßige Sinuswelle zu erzeugen, wird die Schaltfrequenz in kleinere Segmente mit unterschiedlichen Stromstärken unterteilt.

Moderne Wechselrichter enthalten oft MPPT (Maximum Power Point Tracking), um PV-Anlagen zu überwachen und zu optimieren. Die Anzahl der MPPT variieren, je nach Wechselrichter. Sie regulieren den elektrischen Strom und die Spannung, um die Solaranlage nahe ihres maximalen Leistungspunktes zu betreiben.

Der Solarzähler misst den gesamten Strom, den die Photovoltaikanlage erzeugt. Dies ist entscheidend, um den Ertrag und die Rentabilität der PV-Anlage zu bestimmen. Der Solarzähler wird auf der Gleichstromseite installiert, also vor dem Wechselrichter.

Die Platzierung des Solarzählers auf der Gleichstromseite vor dem Wechselrichter ermöglicht eine genaue Überwachung der erzeugten Energie, bevor sie in Wechselstrom umgewandelt wird, was wichtig ist für die Bewertung der Anlagenleistung und die Abrechnung von Einspeisevergütungen.

Batteriespeicher

Angesichts der steigenden Strompreise rentiert es sich heute oft, überschüssigen Strom zu speichern, anstatt ihn ins Netz einzuspeisen. Zu diesem Zweck wird ein Stromspeicher in die Fotovoltaikanlage integriert. Dies ermöglicht es, den selbst erzeugten Solarstrom außerhalb der Produktionszeiten zu nutzen, was den Eigenverbrauch erhöht und die Rentabilität der Anlage steigert.

Ein Stromspeicher besteht typischerweise aus einer positiven Elektrode (Anode), einer negativen Elektrode (Kathode) und einem Elektrolyten als leitfähige Flüssigkeit, der die beiden Elektroden umgibt. Während die Solaranlage überschüssigen Strom erzeugt, bewegen sich die Elektronen durch den Elektrolyten von der Kathode zur Anode. Die Anode wird dabei vollständig mit Elektronen aufgeladen, welche an der Anode zu Atomen reagieren, wodurch überschüssige Energie in Form chemischer Energie gespeichert wird.

Bei der Entladung wandern die Atome zurück zur Kathode, wo sie wieder in Elektronen umgewandelt werden. Diese Elektronen stehen dann als elektrischer Strom zur Verfügung und werden in den Haushaltsstromkreis eingespeist.

Darüber hinaus können einige Stromspeichersysteme zusätzliche Funktionen bieten, wie beispielsweise die Notstromversorgung im Falle eines Stromausfalls oder die Integration von intelligenten Steuerungsfunktionen, die es ermöglichen, den Stromverbrauch des Haushalts weiter zu optimieren.

Es ist wichtig, bei der Auswahl eines Stromspeichersystems die individuellen Anforderungen und Bedürfnisse des Haushalts zu berücksichtigen, um die bestmögliche Lösung für eine zuverlässige und effiziente Energieversorgung zu finden.

Um die Rentabilität eines Stromspeichers weiter zu steigern, empfiehlt es sich, ihn mit einem Energiemanagementsystem zu kombinieren

Energiemanagement

Die Rolle eines Energiemanagers für PV-Anlagen besteht darin, den Eigenverbrauch von Solarstrom im Haushalt zu maximieren und gleichzeitig die Stromkosten zu minimieren. Das Energiemanagement identifiziert und nutzt potenzielle Energieeinsparungen, indem es Energieflüsse und -quellen erfasst und analysiert, Verbesserungsmöglichkeiten entwickelt, deren Wirtschaftlichkeit bewertet und umsetzt. Die Steuerung der meisten Energiemanagementsysteme erfolgt über eine App oder spezielle Software.

Einspeise- und Verbrauchszähler

Um eine PV-Anlage an das öffentliche Stromnetz anzuschließen, sind in der Regel ein Verbrauchszähler und ein Einspeisezähler erforderlich:

• Der Einspeisezähler misst die Menge an Strom, die in das Netz eingespeist wird.

• Der Verbrauchszähler erfasst hingegen den Stromverbrauch im Haushalt.
  

In vielen Fällen ist der Verbrauchszähler bereits vorhanden. Der Einspeisezähler wird jedoch erst installiert, wenn die PV-Anlage beim Netzbetreiber angemeldet und von ihm freigegeben wird. Moderne Zweirichtungszähler werden häufig eingebaut, da sie sowohl den Verbrauch als auch die Einspeisung erfassen und somit beide Funktionen in einem Gerät vereinen. Der Einbau des Zweirichtungszählers wird meist vom Netzbetreiber übernommen und nicht vom PV Installateur.