Photovoltaikanlagen - was muss ich wissen?

(30.11.2007) Die Sonne "entsendet" nach Deutschland pro Quadratmeter so viele ihrer Strahlen, wie es dem jährlichen Stromverbrauch einer Person oder dem Energiegehalt von rund 100 Litern Heizöl entspricht. Selbst diffuses Licht kann noch genutzt werden: Licht bzw. Photonen dringen in die Solarzelle ein, wo positive und negative Ladungen erzeugt werden. Diese werden durch den Halbleiter (Diode) getrennt. Die negativen Ladungen fließen zur Vorderseite, die positiven zur Rückseite. Zwischen Vorder- und Rückseite der Solarzelle entsteht eine Spannung von z.B. 0,5 Volt. In einem Photovoltaik-Modul werden viele Solarzellen hintereinander geschaltet und dadurch in der Regel Spannungen in einer Größenordnung von 20 bis 30 Volt erzeugt. Durch eine Reihenschaltung von rund zehn bis 20 Modulen erhält man eine Gleichspannung von über 200 V, welche dann vom Wechselrichter in 220 Volt Wechselspannung umgewandelt wird. Der Wechselstrom wird schließlich über einen Zähler ins öffentliche Netz eingespeist - man nennt dieses netzgekoppelt. Darüber hinaus gibt es Inselanlagen.

Aufbau einer netzgekoppelten Solarstromanlage

Bei der netzgekoppelten Solarstromanlage wird der erzeugte Strom über einen Zähler in das vorhandene Netz eingespeist. Die Hauptkomponenten einer netzgekoppelten Solarstromanlage sind:

1. Solargenerator (Module)
2. Generatoranschlusskasten
3. Gleichstromverkabelung
4. Gleichstromhauptschalter
5. Wechselrichter
6. Wechselstromverkabelung
7. Übergabezähler

Der in den Modulen erzeugte Strom wird über den Generatoranschlusskasten und den Gleichstromhauptschalter zum Wechselrichter geführt. Hier wird der Gleichstrom in Wechselstrom gewandelt. Vom Wechselrichter führt eine Leitung zum Zähler. Dieser erfasst die von der Photovoltaikanlage kommende Leistung, die dann in das Stromnetz eingespeist wird.

Inselanlagen

Vorrangig erfolgt der Einsatz dieser Anlagen in den Entwicklungsländern und abgelegenen kleinen Gebäuden z.B. Wochenendhäusern. Um Zeiten, in denen die Sonnenenergie nicht zur Verfügung steht, zu überbrücken, werden Speicher (Akkumulatoren) eingesetzt. Diese benötigen zusätzlich einen Laderegler.

Solarzellen/Module

Wichtigster Grundstoff für Solarzellen ist heute noch in den meisten Fällen Silizium (vergleiche u.a. mit "Energie aus der Sonne - ganz ohne Silizium" vom 6.9.2006 oder "Fortschritt bei der Herstellung von Farbstoffsolarzellen" vom 31.3.2006). Dies wird aus Sand gewonnen. Aus dem Grundmaterial entstehen dann die heute bekannten Monokristallinen oder polykristallinen Solarzellen. Eine weitere Variante sind Dünnschichtzellen. Hier wird das Material in einer hauchdünnen Schicht auf einen Träger aufgebracht. Dies können flexible Träger oder Glasplatten sein.

Mehrere Solarzellen werden, in Reihenschaltung, zu Modulen zusammengeschaltet. Diese Module können einzeln als Solargenerator genutzt werden, was bei Inselanlagen mit geringem Leistungsbedarf auch durchaus praktiziert wird. In diesem Fall stehen z. B. 12 - 17 V zur Verfügung, durch die sich z. B. 12 V-Gleichstromverbraucher betreiben lassen.

Bei netzgekoppelten Solaranlagen werden mehrere Module in Reihe und parallel geschaltet. Damit ist, beispielsweise durch Reihenschaltung von 25 Modulen, eine Spannung von 300 V realisierbar. Module, die in Reihe geschaltet sind, werden als String bezeichnet. Für eine Leistung eines Solargenerators von 1 KW wird nach einer Daumenformel eine Fläche von ca. 8 - 10 m² benötigt.

Die Auswahl des Montagesystems sollte mit Sorgfalt erfolgen, weil eine mangelhafte Montage die Module und das Dach gefährden können. Die Montage ist sowohl auf dem Dach als auch dachintegriert möglich. Die Kosten für Montagesysteme belaufen sich auf etwa 10% der Gesamtkosten einer Solarstromanlage.

Verschattung

Verschattung wirkt sich bei Solarstromanlagen unter Umständen ganz erheblich aus. Zur Planung einer Solarstromanlage gehört daher immer auch eine Verschattungsanalyse. Bei der Verschattung ist auch erheblich, ob der Schatten sich während der "Hauptertragszeit", also um die Mittagszeit oder vielleicht nur früh am Morgen oder am späten Nachmittag bemerkbar macht.

Wechselrichter

Wechselrichter wandeln Gleichstrom in Wechselstrom um. Immer wenn der Strom in das Netz eingespeist werden soll (netzgekoppelte Solarstromanlage) ist auch ein Wechselrichter erforderlich. Bei größerem Abstand zwischen Solargenerator und Wechselrichter ist besonders darauf zu achten, dass der Leiterquerschnitt der Leitungen vom Solargenerator zum Wechselrichter groß gewählt wird, um Leistungsverluste gering zu halten. Außerdem sollte beachtet werden, dass der Wechselrichter nicht durch direkte Sonneneinstrahlung aufgeheizt werden kann, weil sein Wirkungsgrad dadurch sinkt.

Ertrag

Der Ertrag ist u. a. von der Bestrahlungsstärke am Standort abhängig. Geht man von einem durchschnittlichen Ertrag von 1.000 KWh/KW/a in Deutschland aus, so ergeben sich bei einer 3 KW-Anlage also 3.000 KWh pro Jahr.

Durch das "Erneuerbare-Energien-Gesetz" (EEG) lohnt sich die Stromerzeugung mit Hilfe der Sonne nicht nur ökologisch, sondern auch ökonomisch. Bei einer Aufdachanlage bis 30 Kilowatt (KW) erhält der Betreiber z. B., wenn die Anlage 2007(!) ans Netz ging, 0,4921 Euro je KWh (gleich bleibend für 20 Jahre). Der Betreiber erhält, im o.g. Fall, also jährlich 3.000 x 0, 4921 Euro = 1.181,04 Euro. Die Finanzierung der Anlage kann durch die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) erfolgen (siehe auch Förderprogramme Photovoltaik 2008).

Bei den Ertragsgarantien ist zu beachten, auf welche Leistungsangabe sich die Garantie bezieht. Wird das Modul mit einer Toleranz von ±10% und einer Leistungsgarantie von 90% verkauft, so tritt der Garantiefall erst unterhalb von 81% der Nennleistung ein.

Versicherung

Für eine PV-Anlage sollte immer eine eigenständige Versicherung abgeschlossen werden.

VDE-Bestimmungen

Bei der Errichtung müssen insbesondere die ...

• VDE 0100 "Errichten von Starkstromanlagen mit Nennspannungen bis 1000 V",
• VDE 0105, Teil 100 "Betrieb von elektrischen Anlagen",
• VDE 298 "Verwendung von Kabeln und isolierten Leitungen für Starkstromanlagen",
• VDE 0100, Teil 712 "Photovoltaik-Versorgungssysteme" und die
• VDE 0185 für Fragen des Blitz- und Überspannungsschutzes beachtet werden.