Photovoltaikanlagen

Seit einigen Jahren erfreuen sich Photovoltaikanlagen oder PV-Anlagen in Deutschland steigender Beliebtheit. Sie produzieren Strom, wenn die Sonne scheint, durch den sogenannten photoelektrischen Effekt . Die Gewinnung von umweltfreundlichem Solarstrom macht sich im Laufe der Zeit nicht nur durch die Ersparnis beim Stromverbrauch bezahlt. Sind diese Anlagen netzgekoppelt, lässt sich dieser durch Sonnenlicht gewonnene Gleichstrom ins öffentliche Stromnetz einspeisen. Im Gegenzug erhält der Betreiber die Photovoltaik Einspeisevergütung.

Funktionsweise und Bestandteile

Zur Erzeugung von Strom benötigen Photovoltaikanlagen einen gesamten Tag Sonnenschein. Eine derartige Anlage besteht in erster Linie aus den Solarzellen, welche Sonnenstrahlung in elektrische Energie umwandeln. Diese Photovoltaikmodule sind in verschiedenen Größen, mit unterschiedlicher Zelltechnik und in unterschiedlicher Optik erhältlich. Für eine funktionierende Anlage sind weiters notwendig: ein Montagesystem, ein Wechselrichter, einen Stromspeicher sowie spezielle Solarkabel, Steckverbindungen, Kabelkanäle und Elektromaterial für den Anschluss an das Hausnetz oder das öffentliche Stromnetz.

Das Montagegestell gibt es für jeden Dachtyp als eine speziell entwickelte Dachbefestigung, die allen Witterungsverhältnissen standhält. Der Wechselrichter wandelt den durch die Sonneneinstrahlung erzeugten Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) für die Nutzung im Haushalt um. Die speziellen Kabel oder Stringleitungen transportieren den Solarstrom vom Dach zum Wechselrichter.

Die Stromspeicher, meist Bleiakkumulatoren, dienen dazu, den tagsüber erzeugten Solarstrom auch in der Nacht nutzen zu können. Sie sichern also nicht nur die Eigenversorgung, sondern erleichtern auch die Steuerung des Verbrauchs zur optimalen Energienutzung.

Solarstromerzeugung

Solarzellen bestehen meist aus zwei Siliziumschichten, die unterschiedlich dotiert, also gezielt Fremdatomen (Bor, Arsen oder Phosphor) verunreinigt sind. Dadurch entsteht eine Schicht mit einem Überschuss an negativen Ladungsträgern und eine Schicht mit einem Überschuss an positiven Ladungsträgern. An der Grenze dieser beiden Schichten fließt dann bei Lichteinstrahlung ein Gleichstrom, wenn die entstehende Spannung über Kontakte abgenommen wird.

Die Photovoltaik ist daher eine direkte Art der Stromerzeugung. Sie funktioniert daher anders als die sogenannten Sonnenkraftwerke oder solarthermischen Kraftwerke, welche über Zwischenschritte Wärmeenergie und mechanische Energie erzeugen. Photovoltaikanlagen erzeugen Strom im niedrigen einstelligen Kilowatt-Bereich der Hausdachanlagen bis hin zu einigen Megawatt über gewerbliche Dachanlagen. Nur Freiflächensolaranlagen können Strom im mehrstelligen Megawatt-Bereich erzeugen.

Einzelne Solarmodule sind in Reihe zu sogenannten Strings verschaltet. Die Solarmodule bestehen wiederum aus einer Reihenschaltung von hermetisch gekapselten Solarzellen. Davon gibt es zwei Arten. Die kristallinen Solarzellen sind einzeln gefertigt und abschließend durch Metallfolien verbunden. Bei Dünnschichtzellen ist die Herstellung der Verbindungen bereits in den Prozessen zur Formierung der Zellen integriert.

Die Reihenschaltung der einzelnen Solarzellen mit einer Spannung von etwa 0,5 Volt in den Modulen und dann die Reihenschaltung der Solarmodule bewirkt eine Addition der Spannung. Aktuelle Solarmodule sind geprüft nach Schutzklasse II und können eine Systemspannung von 1000 Volt erzeugen. Bereits eine einzelne kristalline Solarzelle ist bei maximaler Sonneneinstrahlung mit mehreren Ampere belastbar. Die Reihen (Strings) gleicher Spannung und Charakteristik lassen sich wiederum parallel schalten. So addieren sich auch die Ströme der einzelnen Strings.

Photovoltaik Stromertrag

Für den Ertrag einer Photovoltaikanlage spielen die gewählte Modulart, die Dachneigung, die Ausrichtung sowie die geografischen Gegebenheiten eine Rolle. Monokristalline Solarmodule haben einen höheren Wirkungsgrad als polykristalline Module. Der Standort sollte möglichst nach Süden zeigen und eine Neigung zwischen 30 und 35 Grad aufweisen. Die Praxis hat aber gezeigt, dass auch Ost-, Westdächer und sogar flache Norddächer für Photovoltaikanlagen geeignet sind und gute Erträge liefern können. Ost-West-Dächer haben den Vorteil, dass man auf beiden Dachseiten Solarmodule installieren kann. Hinsichtlich der Geographie sollte man bereits bei der Planung Verschattungen vermeiden, wie etwa von anderen Häusern, Bäumen oder Schornsteinen.

Bei netzfernen Anlagen (Inselsysteme, Inselanlagen) muss man die nicht direkt verwendete Energie zwischenspeichern. Zu viel produzierter Solarstrom, der nicht direkt selbst benötigt ist, lässt sich auch in das öffentliche Stromnetz einspeisen. Dafür gibt es entweder eine Vergütung oder man kann den Strom für die sonnenarmen Monate in der sogenannten Stromcloud lagern. In Deutschland ist die Höhe der Einspeisevergütung über das Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) geregelt. Wer eine derartige netzgekoppelte Anlage möchte, muss überdies das sogenannte Einspeisegesetz aus 2009 verbindlich für Anlagen über 100 Kilowatt einhalten.

Die Planung und Errichtung einer Photovoltaikanlage durch einen professionellen Anbieter ist also in jedem Fall anzuraten. Bei optimaler Dimensionierung und Ausrichtung hat sich die Investition bereits in wenigen Jahren vollständig amortisiert.