In diesem Artikel dreht sich alles um den Aufbau von Photovoltaikanlagen. Nach der Lektüre werden Sie genau verstehen, welche Komponenten für eine leistungsfähige und effiziente Solaranlage unerlässlich sind.
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Aufbau einer Photovoltaikanlage - alle Komponenten im Überblick
Der Aufbau einer Photovoltaikanlage ist einfach erklärt. Sie besteht aus den PV-Modulen zur Stromerzeugung und der passenden Unterkonstruktion. Es wird zudem immer ein Wechselrichter benötigt, der den Strom umwandelt. Sofern der Stromüberschuss ins öffentliche Netz eingespeist werden soll, wird auch ein entsprechender PV-Stromzähler benötigt.
Die Solarmodule
Solarmodule sind Hauptbestandteil jeder Photovoltaikanlage. Sie bestehen aus mehreren Solarzellen, basierend auf dem Halbleitermaterial Silizium. Dabei wird zwischen monokristallinen und polykristallinen Zellen und Dünnschichtzellen unterschieden. Des Weiteren gibt es noch organische und amorphe Solarzellen. Diese beiden Arten sind jedoch nicht weit verbreitet.
Aufbau eines Solarmoduls
Der Aufbau eines Solarmoduls ist einfach. Es besteht aus 60 einzelne Solarzellen (bei Vollzellenmodulen) oder 120 (bei Halbzellenmodulen). Diese Angabe bezieht sich auf Solarmodule mit einer Leistung zwischen 300 Wp (Watt Peak) und 400 Wp. PV-Module mit einer Leistung von 500 Watt Peak sind deutlich größer.
Solarmodule sind in Schichten aufgebaut. Ein Modulrahmen aus Aluminium sorgt dafür, dass alle Schichten eingeschlossen werden. Die oberste Schicht besteht meistens aus Glas oder manchmal auch einer Kunststoffschicht. Diese schützt die Siliziumzellen vor Umwelteinflüssen, lässt aber die Sonnenstrahlen noch durch. Unter dem Glas ist eine Schutzschicht aus Kunststoff, meistens EVA (Ethylen-Vinylacetat Harz). In diese Schutzschicht sind die Solarzellen eingefasst.
Die EVA Schutzschicht kommt auch unter die Solarzellen. Darunter kommt entweder eine zweite Glasschicht oder eine Kunststofffolie. Als Letztes kommt die Rückseitenfolie, auch Backsheet genannt. Diese schützt ebenfalls vor Umwelteinflüssen, insbesondere Feuchtigkeit. Auf der Rückseite, beziehungsweise Unterseite des PV-Moduls befindet sich dann noch die Anschlussdose. Über diese werden die einzelnen Solarmodule zusammen geschlossen.
Aufbau einer Solarzelle
Eine Solarzelle ist ähnlich wie das komplette Modul in Schichten aufgebaut. Hauptbestandteil ist das Halbleitermaterial Silizium (Quarzsand). Silizium hat unter der Zufuhr von Wärme eine erhöhte Leitungsfähigkeit. Es wird gereinigt und erhält so seine typische Kristallstruktur. Es werden immer zwei Siliziumschichten benötigt. Zwischen ihnen liegt eine Grenzschicht für die Elektronenbewegung. Diese bildet ein elektrisches Feld.
Sobald die Photonen im Sonnenlicht auf das Silizium treffen, regt das die Elektronen an. Um diese in unterschiedliche Richtungen zu leiten, ist eine Siliziumschicht positiv und eine negativ. Die positive Schicht enthält Phosphor, die negative Bor. Durch die Elektronenbewegung entsteht elektrischer Strom. Jede Schicht hat einen eigenen Metallkontakt, über den der elektrische Gleichstrom abgeleitet wird.
Der Wechselrichter
Der Wechselrichter wandelt den Gleichstrom in Wechselstrom um. Wechselrichter werden auch als AC/AC Konverter bezeichnet, denn der Wechselrichter verwandelt Gleichstrom in Wechselstrom.
AC ist die Abkürzung für Alternating Current, beziehungsweise Wechselstrom. DC steht für Direct Current, also Gleichstrom.
Die Umwandlung von Gleichstrom zu Wechselstrom ist technisch sehr aufwendig, geht aber rasant. Ein Wechselrichter muss immer auf die Größe der Photovoltaikanlage abgestimmt sein. Früher hat man Wechselrichter gerne unterdimensioniert, um Geld zu sparen. Heute sollte der Wechselrichter mit der Nennleistung ungefähr bei der Gesamtleistung der Module liegen. Da die Leistung nicht immer gleich ist, sind 90% bis 120% der Leistung der Module sinnvoll.
Ein Bestandteil des Wechselrichters sind die MPP-Tracker. MPP steht für Maximum Power Point, an diesem erzielt die PV-Anlage ihre höchste Leistung. MPP-Tracker überwachen ständig die Leistung der Solaranlage. Sie beeinflussen außerdem den Lastwiderstand, in dem sie Stromstärke und Spannung anpassen. So wird gewährleistet, dass die Solaranlage immer nah an ihrem Maximum Power Point läuft.
Moderne Solaranlagen haben immer mehrere MPP Tracker. Das liegt daran, dass zum Beispiel eine Verschattung auf einem Teil des Moduls, den kompletten Modulstring negativ beeinflusst. Ein Tracker erkennt den niedrigen Ertrag auf dem verschatteten Teil und stellt die ganze Anlage niedrig ein. Mehrere Tracker dagegen können die Module unterschiedlich einstellen und so die Leistung maximieren.
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Die Solarkabel
In jedem Solarmodul befinden sich zwei Kabel. Ein Kabel für die Leitung der positiven Elektronen und eins für die Leitung der negativen. Die Solarkabel verbinden die Module miteinander. Hierbei wird immer ein Pluskabel an ein Minuskabel angeschlossen. Das Zusammenschalten mehrerer Module nennt man einen String. Am Anfang und am Ende der Reihe werden die Solarkabel verlängert und bis in den Anschlussraum zum Wechselrichter geführt. Auffällig ist, dass die Gleichstromkabel wesentlich dünner als die Wechselstromkabel sind.
Die Solarkabel werden durch ein leeres Rohr oder einen Kabelkanal geführt. Photovoltaik-Module haben meistens eine Einkerbung im Rahmen, durch die die Kabel gezogen werden können, bevor sie in den Kabelkanal geleitet werden. Es ist nämlich sehr wichtig, dass die Kabel nicht auf dem Dach aufliegen. Dies ist eine Brandgefahr und kann auch zu Feuchtigkeitsschäden führen.
Die PV-Unterkonstruktion
Je nach Art des Daches und der Wahl der Montage gibt es verschiedene PV-Unterkonstruktionen. Bei einem Schrägdach sind es die Indach- und die Aufdach-Montage. Bei der Indach-Montage werden die Solarmodule direkt in die Dachhaut integriert. Sie ersetzen so die Dacheindeckung. Bei einer Aufdach-Photovoltaikanlage werden die Module auf das bestehende Dach aufgesetzt. Dabei wird ein kleiner Abstand zwischen den Modulen und der Dacheindeckung gelassen.
Die Aufdach-Montage ist die häufigste Montageart für Ein- und Mehrfamilienhäuser. Die Unterkonstruktion muss eine sehr hohe Last tragen und zusätzlich dem Wind standhalten. Dafür wird sie in die Dachbalken verankert. Dies geschieht mit sogenannten Dachhaken. Die Dachhaken werden mit mindestens zwei langen Edelstahlschrauben (80 - 120 mm) in die Dachbalken geschraubt.
Auf den Dachhaken werden die Aluminiumschienen mit Befestigungsklammern angebracht. In diese werden die Solarmodule geklemmt. Die Aluminiumschienen werden in der Regel in Reihe verlegt. Ein Verlegen im Kreuzschema ist aber auch möglich.
Bei einem Flachdach werden ebenfalls Dachhaken in die Balken geschraubt, oder aber die Unterkonstruktion wird mit Gewichten beschwert. Damit die Module eine bessere Neigung zur Sonne haben, werden sie mit einem Gestell aufgeständert und dann mit Klemmen befestigt.
Der Solarzähler, der Verbrauchszähler und der Einspeisezähler
Photovoltaikanlagen haben in der Regel zwei separate Stromzähler. Der Solarstromzähler liest ab, wie viel Strom von der PV-Anlage produziert wurde. Der Einspeisezähler gibt an, wie viel Strom ins öffentliche Netz eingespeist wird. Und der Verbrauchszähler zeigt an, wie viel Strom im Haushalt selbst verbraucht wird. Verbrauchszähler und Einspeisezähler werden bei modernen Photovoltaikanlagen häufig in einem Zähler zusammengeführt. Er wird deshalb auch Zweirichtungszähler genannt.
Das Energiemanagement
Ein Energiemanager bzw. Energiemanagementsystem ist eine Kontroll- und Steuereinheit. Zu den Aufgaben gehören:
- den erzeugten Strom im Überblick zu haben
- die Energieflüsse zu steuern
- den Stromverbrauch von Haushaltsgeräten zu überblicken
- die Stromkosten zu senken, indem der Solarstrom effizienter genutzt wird
Energiemanager arbeiten wie Smart Home Systeme. Elektronische Geräte und Steckdosen werden dafür mit einer Software oder Apps ausgestattet, damit sie sich kontrollieren lassen. Den Energiemanager selber kann man dann einfach von dem Tablet oder Smartphone steuern.
Der Stromspeicher
Ein Stromspeicher (auch Batteriespeicher oder PV-Speicher) ist bei einer eigenen Photovoltaikanlage optional. es speichert den Solarstrom, sodass er zu einem späteren Zeitpunkt oder nachts verbraucht werden kann. Dafür werden Lithium-Ionen-Akkus verwendet. Mit einem Speicher erhöht man den Eigenverbrauch des Solarstroms von etwa 30% auf bis zu 70%. Der Solarstrom wird in Form von Gleichstrom gespeichert. Das bedeutet, der Batteriespeicher wird noch vor dem Wechselrichter geschaltet.
Der Smart Meter
Zu einem Stromspeicher gehört immer ein Energy Meter. Die neuen Energy Meter oder auch Smart Meter genannt, sind digitale Stromzähler und Energiemanager in einem. Diese ersetzen die verschiedenen analogen Stromzähler. Man braucht also nur noch ein Gerät. Der Smart Meter steuert außerdem verschiedene Geräte im Haushalt. So kann der eigene Solarstrom effizienter genutzt werden.
Der Energy Meter regelt die Stromflüsse
- In den Stromspeicher
- Aus dem Stromspeicher
- Die Einspeisung ins öffentliche Netz
- Den Bezug aus dem Netz
Um noch effizienter zu sein und die Stromflüsse besser zu steuern, arbeitet der Energy Meter auch mit Wetterprognosen. So kann zu jeder Zeit optimal geplant und geregelt werden, wohin der Strom geleitet werden soll.
Die Wallbox
Photovoltaikanlagen in Verbindung mit E-Autos werden immer beliebter. Allerdings dauert das Aufladen des Elektromobils über die herkömmliche Steckdose sehr lange. Aus diesem Grund gibt es sogenannten Wallboxen.
Eine Wallbox lädt wesentlich schneller und sie verwendet nur die Energie, die auch wirklich vorhanden ist. Das heißt, produziert die PV-Anlage einen Stromüberschuss, wird dieser nicht sofort ins Netz eingespeist, sondern in die Wallbox geleitet. Eine Wallbox erhöht deshalb den Eigenverbrauch, was sehr gut für die Wirtschaftlichkeit der PV-Anlage ist.
Fazit
Der Aufbau von Photovoltaik ist recht einfach. Man benötigt PV-Module zur Stromproduktion und eine passende Unterkonstruktion zu Befestigung auf dem jeweiligen Dach. Da Photovoltaikanlagen Gleichstrom produzieren, benötigt man auch einen Wechselrichter, der den Strom umwandelt. Solarstromzähler und Verbrauchs- und Bezugszähler sind ebenfalls Pflichtbestandteil seitens des Netzbetreibers.
Weitere optionalen Komponenten im Aufbau sind ein Stromspeicher, eine Wallbox zum Erhöhen des Eigenverbrauchs und der Unabhängigkeit vom Netzstrom und ein Energiemanagementsystem zum effizienten Verbrauch des eigenen Stroms.
Die verschiedenen Komponenten gibt es in unterschiedlichen Leistungen und Größen, da eine PV-Anlage immer auf den individuellen Stromverbrauch des Haushalts ausgelegt sein sollte. Lassen Sie sich hier am besten von einem Fachbetrieb beraten. Wenn Sie das folgende Formular ausfüllen, bringen wir Sie kostenlos mit qualifizierten Solarteuren aus Ihrer Region in Verbindung.