Aufbau Photovoltaik

 

Aufbau Photovoltaik

 
 

Photovoltaikanlagen – vom Generator bis zum Verknüpfungspunkt

Aufbau Photovoltaik

Aufbau Photovoltaik – zum Vergrößern bitte anklicken

So clever sind sie aufgebaut

Der Aufbau von Photovoltaikanlagen ist auf einen einzigen Zweck ausgerichtet: Sonnenlicht in nutz­baren Strom umzuwandeln.
Die Komponenten, aus denen netz­gekoppelte Solarstromanlagen zu­sam­men­ge­setzt sind – teils un­ent­behr­liche, teils optionale Kom­po­nen­ten -, ordnen sich ganz diesem Zweck unter:

  • Auf dem Dach die Solarzellen, die zu PV-Modulen verbunden werden und die das Sonnen­licht in Strom umwandeln.
  • Am Dach die Unterkonstruktion, welche die Solar­module mit der Dachkonstruktion verbindet.
  • Größtenteils unter dem Dach die Verkabelung, über die der gewonnene Solarstrom zum Generatoranschluss­kasten und zum Inverter geleitet wird.
  • Am Übergabepunkt zum Netz das Netzeinspeisegerät, das den Gleichstrom der Solarzellen in nutzbaren Wechselstrom umwandelt.
  • Damit verbunden der Ertrags- bzw. Verbrauchszähler für die Abrechnung mit dem Netzbetreiber.
  • Schließlich noch ggf. ein Solarstromspeicher, der die gewonnene elektrische Energie zum späteren Verbrauch aufbewahrt.



Jetzt kostenlos PV-Anlage berechnen

Umwandlung der Solarenergie in Strom: Solarzellen und Solarmodule

Aufbau von Photovoltaikanlagen: Elektronen-Loch-Paare entstehen

Sonnenstrahlen lösen Elektronen aus dem Siliziumkristallgitter und erzeugen Elektronen-Loch-Paare.
Zum Vergrößern bitte anklicken. – © photovoltaiksolarstrom.com

Das Kernstück im Aufbau von Photovoltaik Anlagen ist die Solarzelle. In ihr wird die Strahlungs­energie der Sonne durch Nutzung des inneren Photoeffekts in elektrische Energie (Strom) umge­wandelt.
Dabei löst das einstrahlende Sonnenlicht mit seiner in Lichtquanten gebündelten Energie einzelne Ladungsträger – die negativ geladenen Elektronen – aus dem Kristall­gitter des Solarzellenmaterials und hebt sie auf ein höheres Energieniveau, sodass sie sich nun frei bewegen können.
Die “gehobenen" Elektronen lassen ebenfalls frei bewegliche Löcher zurück, wodurch ein sogenanntes Elektronen-Loch-Paar entstanden ist (siehe Grafik links).

Um aus diesen Paaren einen Fluss von Elektronen, also elektrischen Strom zu erzeugen, wird dem Material der Solarzelle – meist ist das der Halbleiter Silizium – durch Beigabe von Fremdatomen (Dotierung) eine Raumladungszone eingepflanzt. In dieser Zone baut sich ein elektrisches Feld auf, das für die Umwandlung des Sonnenlichts in Solarstrom entscheidend ist.
Gelangt nämlich ein Elektronen-Loch-Paar in die Raumladungszone, wird es durch das dortige elektrische Feld auseinandergerissen: Das Elektron wandert zu den Vorderseitenkontakten der Solarzelle, das Loch zu den Rückseitenkontakten. Sobald dann ein Verbraucher angeschlossen wird, fließen die Elektron – aus Sonnenlicht ist elektrischer Strom geworden.

Photovoltaikanlagen – vom Generator bis zum Verknüpfungspunkt

Aufbau Photovoltaik

Aufbau Photovoltaik – zum Vergrößern bitte anklicken

So clever sind sie aufgebaut

Der Aufbau von Photovoltaikanlagen ist auf einen einzigen Zweck ausgerichtet: Sonnenlicht in nutz­baren Strom umzuwandeln.
Die Komponenten, aus denen netz­gekoppelte Solarstromanlagen zu­sam­men­ge­setzt sind – teils un­ent­behr­liche, teils optionale Kom­po­nen­ten -, ordnen sich ganz diesem Zweck unter:

  • Auf dem Dach die Solarzellen, die zu PV-Modulen verbunden werden und die das Sonnen­licht in Strom umwandeln.
  • Am Dach die Unterkonstruktion, welche die Solar­module mit der Dachkonstruktion verbindet.
  • Größtenteils unter dem Dach die Verkabelung, über die der gewonnene Solarstrom zum Generatoranschluss­kasten und zum Inverter geleitet wird.
  • Am Übergabepunkt zum Netz das Netzeinspeisegerät, das den Gleichstrom der Solarzellen in nutzbaren Wechselstrom umwandelt.
  • Damit verbunden der Ertrags- bzw. Verbrauchszähler für die Abrechnung mit dem Netzbetreiber.
  • Schließlich noch ggf. ein Solarstromspeicher, der die gewonnene elektrische Energie zum späteren Verbrauch aufbewahrt.



Jetzt kostenlos PV-Anlage berechnen

Umwandlung der Solarenergie in Strom: Solarzellen und Solarmodule

Aufbau von Photovoltaikanlagen: Elektronen-Loch-Paare entstehen

Sonnenstrahlen lösen Elektronen aus dem Siliziumkristallgitter und erzeugen Elektronen-Loch-Paare.
Zum Vergrößern bitte anklicken. – © photovoltaiksolarstrom.com

Das Kernstück im Aufbau von Photovoltaik Anlagen ist die Solarzelle. In ihr wird die Strahlungs­energie der Sonne durch Nutzung des inneren Photoeffekts in elektrische Energie (Strom) umge­wandelt.
Dabei löst das einstrahlende Sonnenlicht mit seiner in Lichtquanten gebündelten Energie einzelne Ladungsträger – die negativ geladenen Elektronen – aus dem Kristall­gitter des Solarzellenmaterials und hebt sie auf ein höheres Energieniveau, sodass sie sich nun frei bewegen können.
Die “gehobenen" Elektronen lassen ebenfalls frei bewegliche Löcher zurück, wodurch ein sogenanntes Elektronen-Loch-Paar entstanden ist (siehe Grafik links).

Um aus diesen Paaren einen Fluss von Elektronen, also elektrischen Strom zu erzeugen, wird dem Material der Solarzelle – meist ist das der Halbleiter Silizium – durch Beigabe von Fremdatomen (Dotierung) eine Raumladungszone eingepflanzt. In dieser Zone baut sich ein elektrisches Feld auf, das für die Umwandlung des Sonnenlichts in Solarstrom entscheidend ist.
Gelangt nämlich ein Elektronen-Loch-Paar in die Raumladungszone, wird es durch das dortige elektrische Feld auseinandergerissen: Das Elektron wandert zu den Vorderseitenkontakten der Solarzelle, das Loch zu den Rückseitenkontakten. Sobald dann ein Verbraucher angeschlossen wird, fließen die Elektron – aus Sonnenlicht ist elektrischer Strom geworden.

Photovoltaikanlagen – vom Generator bis zum Verknüpfungspunkt

Aufbau Photovoltaik

Aufbau Photovoltaik – zum Vergrößern bitte anklicken

So clever sind sie aufgebaut

Der Aufbau von Photovoltaikanlagen ist auf einen einzigen Zweck ausgerichtet: Sonnenlicht in nutz­baren Strom umzuwandeln.
Die Komponenten, aus denen netz­gekoppelte Solarstromanlagen zu­sam­men­ge­setzt sind – teils un­ent­behr­liche, teils optionale Kom­po­nen­ten -, ordnen sich ganz diesem Zweck unter:

  • Auf dem Dach die Solarzellen, die zu PV-Modulen verbunden werden und die das Sonnen­licht in Strom umwandeln.
  • Am Dach die Unterkonstruktion, welche die Solar­module mit der Dachkonstruktion verbindet.
  • Größtenteils unter dem Dach die Verkabelung, über die der gewonnene Solarstrom zum Generatoranschluss­kasten und zum Inverter geleitet wird.
  • Am Übergabepunkt zum Netz das Netzeinspeisegerät, das den Gleichstrom der Solarzellen in nutzbaren Wechselstrom umwandelt.
  • Damit verbunden der Ertrags- bzw. Verbrauchszähler für die Abrechnung mit dem Netzbetreiber.
  • Schließlich noch ggf. ein Solarstromspeicher, der die gewonnene elektrische Energie zum späteren Verbrauch aufbewahrt.



Jetzt kostenlos PV-Anlage berechnen

Umwandlung der Solarenergie in Strom: Solarzellen und Solarmodule

Aufbau von Photovoltaikanlagen: Elektronen-Loch-Paare entstehen

Sonnenstrahlen lösen Elektronen aus dem Siliziumkristallgitter und erzeugen Elektronen-Loch-Paare.
Zum Vergrößern bitte anklicken. – © photovoltaiksolarstrom.com

Das Kernstück im Aufbau von Photovoltaik Anlagen ist die Solarzelle. In ihr wird die Strahlungs­energie der Sonne durch Nutzung des inneren Photoeffekts in elektrische Energie (Strom) umge­wandelt.
Dabei löst das einstrahlende Sonnenlicht mit seiner in Lichtquanten gebündelten Energie einzelne Ladungsträger – die negativ geladenen Elektronen – aus dem Kristall­gitter des Solarzellenmaterials und hebt sie auf ein höheres Energieniveau, sodass sie sich nun frei bewegen können.
Die “gehobenen" Elektronen lassen ebenfalls frei bewegliche Löcher zurück, wodurch ein sogenanntes Elektronen-Loch-Paar entstanden ist (siehe Grafik links).

Um aus diesen Paaren einen Fluss von Elektronen, also elektrischen Strom zu erzeugen, wird dem Material der Solarzelle – meist ist das der Halbleiter Silizium – durch Beigabe von Fremdatomen (Dotierung) eine Raumladungszone eingepflanzt. In dieser Zone baut sich ein elektrisches Feld auf, das für die Umwandlung des Sonnenlichts in Solarstrom entscheidend ist.
Gelangt nämlich ein Elektronen-Loch-Paar in die Raumladungszone, wird es durch das dortige elektrische Feld auseinandergerissen: Das Elektron wandert zu den Vorderseitenkontakten der Solarzelle, das Loch zu den Rückseitenkontakten. Sobald dann ein Verbraucher angeschlossen wird, fließen die Elektron – aus Sonnenlicht ist elektrischer Strom geworden.

 

PV-Module: Motor und Muskeln der PV-Anlage

Damit Solarzellen für die Stromerzeugung auf dem Dach besser handhabbar sind und vor den dort herrschenden Umwelteinflüssen wirksam geschützt werden können, fügt man sie zu Photovoltaikmodulen zusammen. Diese bestehen im Wesentlichen aus:

  • dem Modulrahmen,
  • der Glasabdeckung, welche die Solarzellen mechanisch schützt und dafür sorgt, dass möglichst viel Licht durchdringt,
  • der Laminierung, in welche die einzelnen Zellen eingelassen sind,
  • der Dichtung zwischen Rahmen und Glasabdeckung
  • und der Rückseitenfolie, die als Isolator und Feuchtigkeitsschutz dient.

Um die elektrischen Verluste im PV-System zu minimieren, schließen die Hersteller rund 40 bis 80 einzelne Solarzellen über verzinkte Kupferstreifen in Reihe zusammen. So entstehen ca. 1,3 – 1,7 m² große Solarmodule, die bei einem Wirkungsgrad von etwa 14 bis 21%* unter Standardtestbedingungen – Einstrahlung 1.000 W/m², 25° – eine Nennleistung zwischen 180 und 300 Wattpeak erreichen.

*) Dies sind die Wirkungsgrade von Modulen aus Wafer-Solarzellen, wie sie bei Aufdachanlagen überwiegend eingesetzt werden; Module aus Dünnschichtzellen erreichen heute Wirkungsgrade zwischen 8-15%.

Montage und Gleichstromverkabelung

Im Aufbau von Photovoltaikanlagen folgt nun die Installation der Solarmodule und die Weiterleitung des gewonnen Solarstroms. Bei Aufdachanlagen werden die PV-Module mit Hilfe einer Unterkonstruktion montiert, die in Ausführung und Dimension vor allem von der jeweiligen Dachform, der Dacheindeckung und den örtlichen Schnee- und Windlasten abhängt. Bei Schrägdächern besteht sie in der Hauptsache aus:

Inverter werden genau inspiziert

Im Netzeinspeisegerät wird der
Gleichstrom aus den PV-Modulen in
Wechselstrom umgewandelt –
© Ingo Bartussek/Fotolia.com

Sind die einzelnen Solarmodule auf dem Dach montiert, werden sie zu einem Strang oder mehreren Strängen (Strings) zusammenge­schlossen und im Generatoran­schluss­kasten (GAK) zur Gleichstrom-Hauptleitung verbunden.
Der GAK enthält dabei für die elektrische Sicherheit unverzicht­bare Komponenten wie die Strangsicherung, den Lasttrennschalter oder den Überspannungsableiter (Gewitterschutz). Das von ihm wegführende DC-Hauptkabel bringt den Solarstrom dann zum Wechselrichter, der meist im Keller des Hauses untergebracht ist.

Aufbau von Photovoltaikanlagen – Umwandlung in Wechselstrom

Bevor der solare Gleichstrom schließlich genutzt werden kann, muss er noch – und das möglichst ohne Verluste – in den haushaltsüblichen Wechselstrom umgewandelt werden: Das ist die “Lebensaufgabe" des Wechselrichters (auch als Inverter oder Netzeinspeisegerät bezeichnet). Moderne Inverter schaffen es dabei, mehr als 97% des erzeugten Gleich- in Wechselstrom zu transformieren. Weitere Aufgaben des Netzeinspeisegerät sind zudem:

  • die kontinuierliche Anpassung des Arbeitspunkts der Solarstromanlage (MPP-Tracking), damit die PV-Anlage stets so viel Strom wie möglich produziert;
  • die Überwachung der Stromspannung und der Stromfrequenz, sodass der Solarstrom problemlos ins öffentliche Netz eingespeisten werden kann;
  • die Gewährleistung der elektrischen Sicherheit und
  • die Aufbereitung und Überwachung wesentlicher Betriebs- und Zustandsdaten der Solarstrom-Anlage (Ertrag, Modultemperatur, Performance-Ratio, etc.)

Einspeisung und/oder Speicherung

Am Ausgang des Wechselrichters liegt der Solarstrom damit endlich in der Energieform vor, die im Haushalt genutzt werden kann – nämlich als Wechselstrom. Betreiber netzgekoppelter Aufdachanlagen können die selbst erzeugte Energie nun auf zwei verschiedene Weisen verwenden, zwei Nutzungsarten, die sich auch miteinander kombinieren lassen; sie können sie:

  • gegen eine fixe Einspeisevergütung ins öffentliche Stromnetz einspeisen
  • und/oder selbst verbrauchen.

Die vollständige Einspeisung des Solarstroms war lange die vorrangige Nutzungsform. Im Aufbau von Photovoltaikanlagen muss in diesem Fall – zur Abrechnung der Vergütungszahlung mit dem Netzbetreiber – ein Einspeise- und ein Verbrauchszähler vorgesehen sein.
Auf Grund der stetig steigenden Strompreise und der kontinuierlichen Degression der Einspeisevergütungssätze ist aber mittlerweile ein möglichst hoher Eigenverbrauch zu empfehlen. Dabei kann ohne zusätzliche Stromspeicher – je nach Anlagengröße – ein Eigenverbrauchsanteil von 20-40% erreicht werden.
Die netzgekoppelte PV-Anlagen muss für den Selbstverbrauch mit folgenden zwei Zählern ausgestattet sein: einem Solarstromzähler, der die erzeugte Sonnenstrommenge misst, und einem Zweirichtungszähler, der die eingespeiste und die bezogenen elektrische Energie getrennt voneinander erfasst.

Energiespeicher

Durch die Attraktivität des Eigenverbrauchs werden für den Aufbau von Photovoltaikanlagen gegenwärtig auch Energiespeicher immer interessanter. Denn durch sie lasst sich der Anteil des selbstverbrauchten Stroms je nach Anlagegröße auf 50-90% steigern.
Energiespeichersystem in Form von Blei-Säure- oder Lithium-Ionen-Akkus, die entweder vor oder nach dem Netzeinspeisegerät in die Photovoltaikanlage integriert werden, sind bereits auf dem Markt – und werden ab 1. Mai 2013 großzügig staatlich gefördert.
Ebenfalls großzügig vom Staat gefördert werden Wärmepumpen. Sie entziehen der Umgebung (Erde, Luft, Grundwasser) Wärme und geben diese an anderer Stelle als Heizwärme mit höherer Temperatur wieder ab.
Dafür benötigen Wärmepumpen Energie, in der Regel elektrischen Strom. Die Stromkosten machen den Großteil der Betriebskosten aus: und das prädestiniert Wärmepumpen zur Zusammenarbeit mit PV-Anlagen.
Die Solarstromanlage beliefert die Wärmepumpe mit sauberem und günstigem Strom. Im Gegenzug erhöht der von der Wärmepumpe verbrauchte Strom den lukrativen Eigenverbrauch der Photovoltaik-Anlage. Und die von der Wärmepumpe erzeugte Wärme steigert die Unabhängigkeit von externen Energiezulieferern (Energieversorgern).

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung

PV-Module: Motor und Muskeln der PV-Anlage

Damit Solarzellen für die Stromerzeugung auf dem Dach besser handhabbar sind und vor den dort herrschenden Umwelteinflüssen wirksam geschützt werden können, fügt man sie zu Photovoltaikmodulen zusammen. Diese bestehen im Wesentlichen aus:

  • dem Modulrahmen,
  • der Glasabdeckung, welche die Solarzellen mechanisch schützt und dafür sorgt, dass möglichst viel Licht durchdringt,
  • der Laminierung, in welche die einzelnen Zellen eingelassen sind,
  • der Dichtung zwischen Rahmen und Glasabdeckung
  • und der Rückseitenfolie, die als Isolator und Feuchtigkeitsschutz dient.

Um die elektrischen Verluste im PV-System zu minimieren, schließen die Hersteller rund 40 bis 80 einzelne Solarzellen über verzinkte Kupferstreifen in Reihe zusammen. So entstehen ca. 1,3 – 1,7 m² große Solarmodule, die bei einem Wirkungsgrad von etwa 14 bis 21%* unter Standardtestbedingungen – Einstrahlung 1.000 W/m², 25° – eine Nennleistung zwischen 180 und 300 Wattpeak erreichen.

*) Dies sind die Wirkungsgrade von Modulen aus Wafer-Solarzellen, wie sie bei Aufdachanlagen überwiegend eingesetzt werden; Module aus Dünnschichtzellen erreichen heute Wirkungsgrade zwischen 8-15%.

Montage und Gleichstromverkabelung

Im Aufbau von Photovoltaikanlagen folgt nun die Installation der Solarmodule und die Weiterleitung des gewonnen Solarstroms. Bei Aufdachanlagen werden die PV-Module mit Hilfe einer Unterkonstruktion montiert, die in Ausführung und Dimension vor allem von der jeweiligen Dachform, der Dacheindeckung und den örtlichen Schnee- und Windlasten abhängt. Bei Schrägdächern besteht sie in der Hauptsache aus:

Inverter werden genau inspiziert

Im Netzeinspeisegerät wird der
Gleichstrom aus den PV-Modulen in
Wechselstrom umgewandelt –
© Ingo Bartussek/Fotolia.com

Sind die einzelnen Solarmodule auf dem Dach montiert, werden sie zu einem Strang oder mehreren Strängen (Strings) zusammenge­schlossen und im Generatoran­schluss­kasten (GAK) zur Gleichstrom-Hauptleitung verbunden.
Der GAK enthält dabei für die elektrische Sicherheit unverzicht­bare Komponenten wie die Strangsicherung, den Lasttrennschalter oder den Überspannungsableiter (Gewitterschutz). Das von ihm wegführende DC-Hauptkabel bringt den Solarstrom dann zum Wechselrichter, der meist im Keller des Hauses untergebracht ist.

Aufbau von Photovoltaikanlagen – Umwandlung in Wechselstrom

Bevor der solare Gleichstrom schließlich genutzt werden kann, muss er noch – und das möglichst ohne Verluste – in den haushaltsüblichen Wechselstrom umgewandelt werden: Das ist die “Lebensaufgabe" des Wechselrichters (auch als Inverter oder Netzeinspeisegerät bezeichnet). Moderne Inverter schaffen es dabei, mehr als 97% des erzeugten Gleich- in Wechselstrom zu transformieren. Weitere Aufgaben des Netzeinspeisegerät sind zudem:

  • die kontinuierliche Anpassung des Arbeitspunkts der Solarstromanlage (MPP-Tracking), damit die PV-Anlage stets so viel Strom wie möglich produziert;
  • die Überwachung der Stromspannung und der Stromfrequenz, sodass der Solarstrom problemlos ins öffentliche Netz eingespeisten werden kann;
  • die Gewährleistung der elektrischen Sicherheit und
  • die Aufbereitung und Überwachung wesentlicher Betriebs- und Zustandsdaten der Solarstrom-Anlage (Ertrag, Modultemperatur, Performance-Ratio, etc.)

Einspeisung und/oder Speicherung

Am Ausgang des Wechselrichters liegt der Solarstrom damit endlich in der Energieform vor, die im Haushalt genutzt werden kann – nämlich als Wechselstrom. Betreiber netzgekoppelter Aufdachanlagen können die selbst erzeugte Energie nun auf zwei verschiedene Weisen verwenden, zwei Nutzungsarten, die sich auch miteinander kombinieren lassen; sie können sie:

  • gegen eine fixe Einspeisevergütung ins öffentliche Stromnetz einspeisen
  • und/oder selbst verbrauchen.

Die vollständige Einspeisung des Solarstroms war lange die vorrangige Nutzungsform. Im Aufbau von Photovoltaikanlagen muss in diesem Fall – zur Abrechnung der Vergütungszahlung mit dem Netzbetreiber – ein Einspeise- und ein Verbrauchszähler vorgesehen sein.
Auf Grund der stetig steigenden Strompreise und der kontinuierlichen Degression der Einspeisevergütungssätze ist aber mittlerweile ein möglichst hoher Eigenverbrauch zu empfehlen. Dabei kann ohne zusätzliche Stromspeicher – je nach Anlagengröße – ein Eigenverbrauchsanteil von 20-40% erreicht werden.
Die netzgekoppelte PV-Anlagen muss für den Selbstverbrauch mit folgenden zwei Zählern ausgestattet sein: einem Solarstromzähler, der die erzeugte Sonnenstrommenge misst, und einem Zweirichtungszähler, der die eingespeiste und die bezogenen elektrische Energie getrennt voneinander erfasst.

Energiespeicher

Durch die Attraktivität des Eigenverbrauchs werden für den Aufbau von Photovoltaikanlagen gegenwärtig auch Energiespeicher immer interessanter. Denn durch sie lasst sich der Anteil des selbstverbrauchten Stroms je nach Anlagegröße auf 50-90% steigern.
Energiespeichersystem in Form von Blei-Säure- oder Lithium-Ionen-Akkus, die entweder vor oder nach dem Netzeinspeisegerät in die Photovoltaikanlage integriert werden, sind bereits auf dem Markt – und werden ab 1. Mai 2013 großzügig staatlich gefördert.
Ebenfalls großzügig vom Staat gefördert werden Wärmepumpen. Sie entziehen der Umgebung (Erde, Luft, Grundwasser) Wärme und geben diese an anderer Stelle als Heizwärme mit höherer Temperatur wieder ab.
Dafür benötigen Wärmepumpen Energie, in der Regel elektrischen Strom. Die Stromkosten machen den Großteil der Betriebskosten aus: und das prädestiniert Wärmepumpen zur Zusammenarbeit mit PV-Anlagen.
Die Solarstromanlage beliefert die Wärmepumpe mit sauberem und günstigem Strom. Im Gegenzug erhöht der von der Wärmepumpe verbrauchte Strom den lukrativen Eigenverbrauch der Photovoltaik-Anlage. Und die von der Wärmepumpe erzeugte Wärme steigert die Unabhängigkeit von externen Energiezulieferern (Energieversorgern).

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung

PV-Module: Motor und Muskeln der PV-Anlage

Damit Solarzellen für die Stromerzeugung auf dem Dach besser handhabbar sind und vor den dort herrschenden Umwelteinflüssen wirksam geschützt werden können, fügt man sie zu Photovoltaikmodulen zusammen. Diese bestehen im Wesentlichen aus:

  • dem Modulrahmen,
  • der Glasabdeckung, welche die Solarzellen mechanisch schützt und dafür sorgt, dass möglichst viel Licht durchdringt,
  • der Laminierung, in welche die einzelnen Zellen eingelassen sind,
  • der Dichtung zwischen Rahmen und Glasabdeckung
  • und der Rückseitenfolie, die als Isolator und Feuchtigkeitsschutz dient.

Um die elektrischen Verluste im PV-System zu minimieren, schließen die Hersteller rund 40 bis 80 einzelne Solarzellen über verzinkte Kupferstreifen in Reihe zusammen. So entstehen ca. 1,3 – 1,7 m² große Solarmodule, die bei einem Wirkungsgrad von etwa 14 bis 21%* unter Standardtestbedingungen – Einstrahlung 1.000 W/m², 25° – eine Nennleistung zwischen 180 und 300 Wattpeak erreichen.

*) Dies sind die Wirkungsgrade von Modulen aus Wafer-Solarzellen, wie sie bei Aufdachanlagen überwiegend eingesetzt werden; Module aus Dünnschichtzellen erreichen heute Wirkungsgrade zwischen 8-15%.

Montage und Gleichstromverkabelung

Im Aufbau von Photovoltaikanlagen folgt nun die Installation der Solarmodule und die Weiterleitung des gewonnen Solarstroms. Bei Aufdachanlagen werden die PV-Module mit Hilfe einer Unterkonstruktion montiert, die in Ausführung und Dimension vor allem von der jeweiligen Dachform, der Dacheindeckung und den örtlichen Schnee- und Windlasten abhängt. Bei Schrägdächern besteht sie in der Hauptsache aus:

Inverter werden genau inspiziert

Im Netzeinspeisegerät wird der
Gleichstrom aus den PV-Modulen in
Wechselstrom umgewandelt –
© Ingo Bartussek/Fotolia.com

Sind die einzelnen Solarmodule auf dem Dach montiert, werden sie zu einem Strang oder mehreren Strängen (Strings) zusammenge­schlossen und im Generatoran­schluss­kasten (GAK) zur Gleichstrom-Hauptleitung verbunden.
Der GAK enthält dabei für die elektrische Sicherheit unverzicht­bare Komponenten wie die Strangsicherung, den Lasttrennschalter oder den Überspannungsableiter (Gewitterschutz). Das von ihm wegführende DC-Hauptkabel bringt den Solarstrom dann zum Wechselrichter, der meist im Keller des Hauses untergebracht ist.

Aufbau von Photovoltaikanlagen – Umwandlung in Wechselstrom

Bevor der solare Gleichstrom schließlich genutzt werden kann, muss er noch – und das möglichst ohne Verluste – in den haushaltsüblichen Wechselstrom umgewandelt werden: Das ist die “Lebensaufgabe" des Wechselrichters (auch als Inverter oder Netzeinspeisegerät bezeichnet). Moderne Inverter schaffen es dabei, mehr als 97% des erzeugten Gleich- in Wechselstrom zu transformieren. Weitere Aufgaben des Netzeinspeisegerät sind zudem:

  • die kontinuierliche Anpassung des Arbeitspunkts der Solarstromanlage (MPP-Tracking), damit die PV-Anlage stets so viel Strom wie möglich produziert;
  • die Überwachung der Stromspannung und der Stromfrequenz, sodass der Solarstrom problemlos ins öffentliche Netz eingespeisten werden kann;
  • die Gewährleistung der elektrischen Sicherheit und
  • die Aufbereitung und Überwachung wesentlicher Betriebs- und Zustandsdaten der Solarstrom-Anlage (Ertrag, Modultemperatur, Performance-Ratio, etc.)

Einspeisung und/oder Speicherung

Am Ausgang des Wechselrichters liegt der Solarstrom damit endlich in der Energieform vor, die im Haushalt genutzt werden kann – nämlich als Wechselstrom. Betreiber netzgekoppelter Aufdachanlagen können die selbst erzeugte Energie nun auf zwei verschiedene Weisen verwenden, zwei Nutzungsarten, die sich auch miteinander kombinieren lassen; sie können sie:

  • gegen eine fixe Einspeisevergütung ins öffentliche Stromnetz einspeisen
  • und/oder selbst verbrauchen.

Die vollständige Einspeisung des Solarstroms war lange die vorrangige Nutzungsform. Im Aufbau von Photovoltaikanlagen muss in diesem Fall – zur Abrechnung der Vergütungszahlung mit dem Netzbetreiber – ein Einspeise- und ein Verbrauchszähler vorgesehen sein.
Auf Grund der stetig steigenden Strompreise und der kontinuierlichen Degression der Einspeisevergütungssätze ist aber mittlerweile ein möglichst hoher Eigenverbrauch zu empfehlen. Dabei kann ohne zusätzliche Stromspeicher – je nach Anlagengröße – ein Eigenverbrauchsanteil von 20-40% erreicht werden.
Die netzgekoppelte PV-Anlagen muss für den Selbstverbrauch mit folgenden zwei Zählern ausgestattet sein: einem Solarstromzähler, der die erzeugte Sonnenstrommenge misst, und einem Zweirichtungszähler, der die eingespeiste und die bezogenen elektrische Energie getrennt voneinander erfasst.

Energiespeicher

Durch die Attraktivität des Eigenverbrauchs werden für den Aufbau von Photovoltaikanlagen gegenwärtig auch Energiespeicher immer interessanter. Denn durch sie lasst sich der Anteil des selbstverbrauchten Stroms je nach Anlagegröße auf 50-90% steigern.
Energiespeichersystem in Form von Blei-Säure- oder Lithium-Ionen-Akkus, die entweder vor oder nach dem Netzeinspeisegerät in die Photovoltaikanlage integriert werden, sind bereits auf dem Markt – und werden ab 1. Mai 2013 großzügig staatlich gefördert.
Ebenfalls großzügig vom Staat gefördert werden Wärmepumpen. Sie entziehen der Umgebung (Erde, Luft, Grundwasser) Wärme und geben diese an anderer Stelle als Heizwärme mit höherer Temperatur wieder ab.
Dafür benötigen Wärmepumpen Energie, in der Regel elektrischen Strom. Die Stromkosten machen den Großteil der Betriebskosten aus: und das prädestiniert Wärmepumpen zur Zusammenarbeit mit PV-Anlagen.
Die Solarstromanlage beliefert die Wärmepumpe mit sauberem und günstigem Strom. Im Gegenzug erhöht der von der Wärmepumpe verbrauchte Strom den lukrativen Eigenverbrauch der Photovoltaik-Anlage. Und die von der Wärmepumpe erzeugte Wärme steigert die Unabhängigkeit von externen Energiezulieferern (Energieversorgern).

Solarzellen im Zusammenspiel

Zur individuellen Berechnung