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Grundlagen

Funktionsweise und Aufbau einer Photovoltaikanlage

Mithilfe von Photovoltaik wird die Strahlungsenergie des Sonnenlichts in nutzbaren Strom umgewandelt. Doch wie funktioniert Photovoltaik eigentlich im Detail? Was ist ein Wechselrichter und aus welchen Komponenten besteht eine Photovoltaikanlage? Bevor Sie sich für eine Photovoltaikanlage auf Ihrem Hausdach entscheiden, ist es sinnvoll, einen groben Überblick über Aufbau und Funktion einer Photovoltaikanlage zu gewinnen.

Photovoltaikanlage auf Hausdach

Was passiert in der Solarzelle?

Photoelektrischer Effekt Photovoltaikodul

Eine Solarzelle besteht aus dem Halbleitermaterial Silizium. Eine Eigenschaft von Halbleitern ist die verbesserte Leitfähigkeit bei Energiezufuhr. Bei Photovoltaik ist diese Energiezufuhr Licht. Trifft Sonnenlicht auf die Solarzelle werden Elektronen in der Zelle angeregt, bewegen sich, und wandern über ein Kabel. Eine Bewegung von Elektronen ist gleichbedeutend mit Strom. Der in der Zelle erzeugte Strom wird dann über Stromkabel weiter ins Haus transportiert.

          Funktion einer Solarzelle

Komponenten einer Photovoltaikanlage

Die Grundlage jeder Photovoltaikanlage bilden die Photovoltaikmodule, welche das Sonnenlicht in Strom umwandeln. Die Module werden mithilfe eines Montagesystems am Dach befestigt. Solarkabel transportieren den erzeugten Strom weiter ins Haus. Ein Wechselrichter, wandelt den erzeugten Gleichstrom in netztauglichen Wechselstrom. Viele Anlagen verfügen außerdem über einen zusätzlichen Einspeisezähler, welcher die ins Netz eingespeiste Strommenge erfasst. Bei Bedarf kann eine Photovoltaikanlage auch mit einem Stromspeicher kombiniert werden. Dieser speichert überschüssigen Solarstrom und stellt ihn dann zur Verfügung, wenn die Anlage weniger Strom produziert, als für den Eigenbedarf nötig.

Aufbau Photovoltaikanlage

                                 Aufbau einer Photovoltaikanlage

Das Photovoltaikmodul

Das Photovoltaikmodul ist die wichtigste Einheit einer Photovoltaikanlage. Es besteht aus verbundenen Solarzellen, welche direktes Sonnenlicht in Strom umwandeln. Dieser wird dann über Kabel weiter ins Haus oder ins Stromnetz geleitet.

Man unterscheidet zwischen mono- und polykristallinen Modulen.

Monokristalline Module

  • hoher Wirkungsgrad bis zu 21%
  • höhere Herstellungskosten

Polykristalline Module

  • Wirkungsgrade von 12-16%
  • niedrigere Herstellungskosten

Ein Modul hat eine durchschnittliche Leistung von 250-300 W. Für ein durchschnittliches Einfamilienhaus mit 3-4 Personen benötigt man daher in etwa eine Photovoltaikanlage mit 18 Modulen. Dies entspricht ca. 30m² freier Dachfläche.

Das Montagesystem

Zur Befestigung einer Photovoltaikanlage kommen unterschiedliche Montagesysteme zum Einsatz. Bekannte deutsche Hersteller von Montagesystemen sind Schletter, IBC und Wagner.

Arten von Montagesystemen

  • Aufdach-Montagesysteme
  • Indach-Montagesysteme
  • Flachdach- Montagesysteme
  • Freiland-Montagesysteme

Auf normalen Hausdächern mit Ziegeleindeckung kommen zumeist Aufdach-Montagesysteme zum Einsatz. Hier werden die Module mittels Dachhaken am Dach fixiert.

Bei Indach-Systemen, ist das Modul in die Dachoberfläche integriert. Durch die verbesserte Optik wird auch diese Montageart häufig auf neueren Privatgebäuden verwendet.

Flachdach-Montagesysteme ständern die Module in einem Winkel zwischen 10-20 Grad auf. Die Module haben entweder eine Süd- oder Ost-West-Ausrichtung.

Freiland-Montagesysteme sind für die Befestigung von Photovoltaikmodulen am Boden geeignet.

Die Verkabelung

Die Kabel an einer Solaranlage verbinden die einzelnen Photovoltaikmodule untereinander. Anschließend transportieren Sie den Strom zum Wechselrichter und von dort ins Netz oder zu einzelnen Verbrauchern im Haus. Bis zum Wechselrichter sind Gleichstromkabel nötig. Die Kabel, die die Module untereinander verbinden, sind in der Regel bereits vormontiert. Zum Stromtransport von den Modulen bis zum Wechselrichter verwendet man spezielle zertifizierte Solarkabel. Sie sind der Witterung ausgesetzt und müssen daher hohen Standards entsprechen. Bei den Kabeln hinter dem Wechselrichter handelt es sich um Wechselstromkabel.

Der Wechselrichter

Der Wechselrichter der Photovoltaikanlage hat die Funktion, den in den Photovoltaikmodulen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln. Dies ist nötig, da das Stromnetz mit Wechselstrom betrieben wird. Außerdem übernehmen moderne Wechselrichter zahlreiche weitere Funktionen, wie etwa die Optimierung der Leistung der Photovoltaikmodule. Hierzu wählt Ihr Wechselrichter stets die Kombination aus Strom und Spannung, bei der eine maximale Leistung abgegriffen wird (MPP = Maximum Power Point).

Ferner können moderne Wechselrichter Ihre Anlage auf die erforderliche Netzfrequenz abstimmen. Bei einem starken Anstieg oder Abfall der Netzfrequenz übernimmt der Wechselrichter eine Schutzfunktion und trennt die Anlage vom Netz.

Auch eine Monitoring Funktion ist heutzutage häufig in Wechselrichtern integriert. Durch sie werden Ihre Anlagenerträge regelmäßig überwacht und dokumentiert. Sofern Sie Internetzugang haben, können Sie Ihre Erträge dann von überall aus einsehen. So können Störungen an der Anlage rasch identifiziert werden. Gleichzeitig können Sie die Daten nutzen, um Ihren Eigenverbrauch zu optimieren.

Zählertypen

Der Einspeisezähler misst die Strommenge, die aus der Photovoltaikanlage ins Netz gespeist wird. Dies ist wichtig, da Anlagenbetreiber pro erzeugte kWh eine feste Einspeisevergütung erhalten. Normalerweise ist der Einspeisezähler Eigentum des Netzbetreibers. Der Anlagenbesitzer zahlt diesem im Gegenzug eine Abschlagszahlung. Es ist aber auch möglich, den Zähler selbst zu beschaffen.

Ein Verbrauchszähler ist ohnehin in jedem Haushalt vorhanden. Er zählt die Strommenge, die vom Haushalt aus dem Netz bezogen wird und dient zur Ermittlung der jährlichen Haushaltsstromkosten.

Möchten Sie nicht mehr den gesamten erzeugten Strom ins Netz einspeisen, sondern einen Teil selbst verbrauchen, empfiehlt es sich einen zusätzlichen Eigenverbrauchszähler zu installieren. Nur so können Sie ermitteln, welchen Anteil Ihres erzeugten Photovoltaikstroms Sie bereits selbst verbrauchen.

Ein Smart Meter (oder auch Zwei-Wege-Zähler) ist ein intelligenter Stromzähler, der digitale Daten empfängt und sendet und in ein Kommunikationsnetz eingebunden ist. Seit 2017 sind Unternehmen mit einem Stromverbrauch von über 6000 kWh verpflichtet ein Smart Meter zu installieren. Ab 2020 müssen dann auch Privathaushalte mit einem Verbrauch von über 6000 kWh ein Smart Meter einbauen. Ein Zwei-Wege-Zähler bringt den Vorteil, dass die Stromflüsse in Echtzeit an den Wechselrichter übertragen werden können. Aus Gründen der Netzstabilität dürfen laut Gesetz nur 70% der Höchstleistung einer Photovoltaikanlage eingespeist werden. Ohne den Smart-Meter muss der Wechselrichter daher auf 70% seiner Leistung am Gerät statisch abgeregelt werden. Mithilfe eines Smart-Meters und einer intelligenten Steuerung der Stromflüsse können jedoch bis zu 100% der Leistung Ihrer Anlage ausgeschöpft werden.

Stromspeicher

Nicht jede Photovoltaikanlage verfügt über einen Stromspeicher. Die Integration eines Stromspeichers erhöht jedoch den Eigenverbrauch an Solarstrom und somit die Wirtschaftlichkeit der Photovoltaikanlage.

Die meisten Verbraucher nutzen vor allem morgens und abends Strom. Da Ihre Photovoltaikanlage jedoch nur bei Tageslicht und vor allem mittags Strom erzeugt, ist es sinnvoll, den überschüssig erzeugten Strom zu speichern. Ihr Stromspeicher stellt diesen dann zur Verfügung, wenn der aktuell erzeugte Strom aus Ihrer Photovoltaikanlage nicht ausreicht. In den letzten Jahren sind die Preise für Stromspeicher stark gefallen. Seit 2016 ist es möglich Speicher wirtschaftlich zu betreiben.

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