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Die Funktionsweise einer Photovoltaikanlage

Die Photovoltaikanlage hat sich längst durchgesetzt. Umweltgedanken, aber auch finanzielle Aspekte, insbesondere angekurbelt durch die Einspeisevergütung für photovoltaisch erzeugten Strom, sorgen dafür, dass immer mehr Menschen sich für eine PV Anlage auf dem eigenen Dach entscheiden.

Hauptaufgabe der Anlagen ist es, Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln. Dafür sind gewisse Bestandteile bei jeder Photovoltaikanlage zu finden. Diese sind:

  • Solarzellen, die zu Solarmodulen zusammengeschlossen werden
  • Wechselrichter, mit dem der erzeugte Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt wird
  • Zählerkasten, mit dessen Hilfe ermittelt wird, wie viel photovoltaischer Strom selbst verbraucht oder ins öffentliche Stromnetz eingespeist wird.

Photovoltaik Funktionsweise im Detail

Solarzelle Die Funktionsweise der Photovoltaik erklärt das Wort an für sich. Ein „Lichteffekt“ führt zu einem Stromfluss, den man sich nützlich macht. Im Detail funktionieren zwar alle Bauformen variabel, eines haben sie gemeinsam: Das natürliche Licht regt im atomaren Maßstab ein Teilchen an. Unter einer Spannung werden diese „Teilchen-Ströme“ an Elektroden gesammelt. Hier entsteht der elektrisch nutzbare Strom in Form einer Gleichspannung.

Mehrere hintereinander, in Reihe, geschaltete Zellen erhöhen die Spannung ähnlich einer Reihe von Batterien, die ebenfalls die Spannung erhöhen. Mehrere Zellen in einem Rahmen werden zu Solarmodulen zusammengefügt. Mithilfe dieser Module, die neben dem Rahmen auch das Schutzglas gegen Witterung aufnimmt, können größere Flächen in konstruktiver Weise belegt und mit Modulen ausgestattet werden.

Die Summe der Module liefern den Strom an den Wechselrichter. Dieser formt aus dem Gleichstrom, dem im europäischen Netz üblichen Wechselstrom mit 50Hz. Dies muss absolut synchron zum Netz erfolgen. Aus diesem Grund besitzen Wechselrichter auch eine Eigenüberwachung, die dem Netzbetreiber garantiert, dass sein Netz und die Strom-Lieferung nach dem Frequenzumformer sich gegenseitig unterstützen. Nur so kann der gewonnene Strom auch genutzt werden. Vor und nach dem Wechselrichter sitzen Sicherungen. Diese dienen dem kontrollierten Abschalten der Spannung. Nur so ist der Personenschutz im Wartungs- und oder Ereignisfall gewährleistet. Die Sicherungen erhalten noch idealerweise eine Fernauslösung. Im Brandfall kann so die Feuerwehr die Spannungsquelle abschalten.

Parallel zur Netzeinspeisung erfolgt über einen Laderegler die Versorgung des Eigennetzes. Das Eigennetz beinhaltet für gewöhnlich die Summe der eigenen Verbraucher und eine oder mehrere Batterien, die den aktuell nicht benötigten Strom speichern. Beide Einspeisungen erfolgen über Zähler aufgrund der unterschiedlichen Vergütung.

Kleine Unterschiede:
Sogenannte Dünnschichtmodule nutzen in den Zellen chemische Potentiale, die entsprechend zueinander verschoben sind. Dickschichtmodule sind große flache Halbleiter, die, wie bereits beschrieben, angeregt durch das Licht (Photonen) sogenannte freie Ladungsträger erzeugen, die mit Hilfe einer intern gerichteten Spannung gemeinsam geführt werden. Somit entsteht ein nutzbarer Strom.

Die Stromerzeugung mit der PV Anlage

Die Stromerzeugung mit der PV Anlage macht sich den Photoeffekt zunutze. Er wurde erstmals zwar schon 1839 von Alexander Edmond Bequerel entdeckt, doch konnte er erst 1905 von Albert Einstein im Rahmen seiner Lichtquantentheorie physikalisch erklärt werden. Heute nutzt die moderne PV Anlage den Photoeffekt, um solaren Strom zu erzeugen.

Dabei macht man sich den Lichteinfall auf den Halbleiter zu Nutze, der die p-n-Übergänge in den Solarzellen mit einem elektrischen Feld versieht. Dieses ist mit Hilfe von Metallkontakten und einem angeschlossenen Verbraucher die Grundlage für das Fließen von zunächst Gleichstrom in der PV Anlage. Daraus resultiert auch der logische Schluss, dass mehr Strom erzeugt werden kann, je mehr Licht auf die Anlage fällt.

Optimale Voraussetzungen für die Anlagenfunktion

Eine PV Anlage soll möglichst viel Strom produzieren. Damit dieses Ziel erreicht wird, müssen auch einige Voraussetzungen erfüllt werden:

  1. Standort
  2. Dachausrichtung
  3. Dachneigung
  4. Einstrahlungswinkel
  5. Leistungsstärke / Wirkungsgrad der Solarmodule

Der Standort kann in den meisten Fällen nur schwerlich beeinflusst werden. Die private Photovoltaikanlage wird in der Regel auf dem eigenen Hausdach errichtet. Dennoch sollte vor der Planung der Anlage berücksichtigt werden, wie viele Sonnenstunden an diesem Standort pro Jahr gegeben sind. Erst dann kann sich zeigen, ob sich die PV Anlage tatsächlich lohnt.

Die Dachausrichtung sollte ebenfalls günstig ausfallen, damit sich die PV Anlage lohnt. Optimal ist eine Dachausrichtung nach Süden. Aber auch Dächer, die nach Südwesten oder Südosten ausgerichtet sind, eignen sich durchaus für eine Photovoltaikanlage. Selbst die volle West- oder Ost-Ausrichtung des Dachs lässt noch ordentliche PV Erträge zu. Nur bei einer Nord-Ausrichtung bringt die Installation einer solchen Anlage nichts mehr.

Die Dachneigung ist ebenfalls entscheidend, da sie über den konkreten Einstrahlungswinkel der Sonne entscheidet. Perfekt sind um 30 Grad geneigte Dächer, wobei geringere und stärkere Neigungen durchaus immer noch ansehnliche Erträge erzielen können. Das Flachdach kann ebenfalls für die PV Anlage genutzt werden, hier muss jedoch für optimale Voraussetzungen mit Aufständerungen gearbeitet werden.

Nicht zuletzt entscheidet genauso die Leistungsstärke bzw. der Wirkungsgrad darüber, wie effektiv die PV Anlage arbeiten kann. Hierbei sollten die verwendeten Solarmodule näher berücksichtigt werden. Monokristalline Solarzellen besitzen den höchsten Wirkungsgrad, sind aber auch vergleichsweise teuer. Polykristalline Solarzellen, die in den weitaus meisten PV Anlagen eingesetzt werden, sind kostengünstiger, bieten aber auch nur einen etwas verringerten Wirkungsgrad. Nicht zuletzt sind die Dünnschichtmodule zu nennen, die zwar ästhetischen Ansprüchen genügen, deren Leistungsgrad an die beiden anderen Solarzellen jedoch nicht heran reicht. Weitere Solarzellen befinden sich derzeit in der Entwicklungsphase. Ihr Wirkungsgrad ist jedoch noch konkurrenzlos.

Anschluss der PV Anlage ans öffentliche Netz

Die klassische PV Anlage ist eine so genannte netzgekoppelte Anlage. Zwar gibt es neben ihr auch noch Inselanlagen, doch ist deren Einsatz stark beschränkt. In den allermeisten Fällen ist es sinnvoller, die Anlage ans öffentliche Netz anzuschließen.

Dafür muss die Anlage entsprechend überprüft werden, der Netzanschluss muss zudem durch einen Fachmann erfolgen. Die Netzanschlussbedingungen, die vom Stromnetzbetreiber vorgegeben werden, müssen ebenfalls eingehalten werden. Dieser besteht zusätzlich oftmals darauf, beim Netzanschluss mit vor Ort zu sein.

Sobald die PV Anlage am Netz ist, fließt Strom, der in dieses eingespeist wird. Dieser Strom muss vom Energieversorger abgenommen und entlohnt werden. Dabei kann auch ein Teil des Stroms direkt vom Anlagenbetreiber genutzt werden. Seit 2009 gab es dafür die Eigenverbrauchsvergütung, die den Anlagenbetreiber gleich doppelt belohnte. Zum einen musste er für den selbst verbrauchten Strom kein Geld zahlen, zum anderen bekam er dafür noch einen Zuschuss.

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