Photovoltaikanlagen
Will man mit Sonnenenergie bei wechselhaftem, zu niedrigem oder fehlendem Strahlungsangebot Verbraucher zuverlässig mit Elektroenergie versorgen, sind je nach Anwendungsfall drei typische Arten von Photovoltaikanlagen zu unterscheiden.
Netzunabhängige Anlagen ohne Energiespeicher
Bei dieser einfachsten und kostengünstigsten Ausführung einer Photovoltaikanlage wird der elektrische Verbraucher direkt an das Solarmodul angeschlossen. Daraus ergibt sich, dass der Betrieb des Verbrauchers unmittelbar von der eingestrahlten Sonnenenergie abhängt. Weiterhin muss der Verbraucher elektrisch gut an das verwendete Solarmodul angepasst sein, um überhaupt zu funktionieren.
Netzunabhängige Anlagen mit Energiespeicher
Der Einsatz solcher Anlagen bietet sich beispielsweise zur Stromversorgung von Wochenendhäusern, entlegenen Berghütten, Straßensolarstationen, Parkautomaten, Funknotrufsäulen und Booten an, die nicht an die öffentliche Stromversorgung angeschlossen sind.
Bereits mit einem oder zwei Solarmodulen und einem relativ kleinen Akkumulator lassen sich Grundbedürfnisse, wie eine elektrische Beleuchtung oder der stundenweise Betrieb eines Radio- oder Fernsehgerätes realisieren. Der Gleichstrom des Akkus kann durch Einsatz eines Wechselrichters auch in 230-V-Wechselstrom umgewandelt werden, so dass an der Anlage auch herkömmliche Elektrogeräte angeschlossen werden können.
Netzgekoppelte Anlagen
Für die Planung einer solchen Photovoltaikanlage sollte immer ein Fachmann zu Rate gezogen werden. Er ist in der Lage, die verfügbaren Flächen für die Anlage genau auf ihre Eignung hin zu beurteilen. Des weiteren kann er zu erwartende von Schattenwürfen verursachte Ertragsminderungen durch eine optimierte Anordnung und elektrische Verschaltung der Solarmodule minimieren.
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Für die Belegung mit Solarmodulen kommen alle Dachflächen in Betracht, die südlich, südöstlich oder südwestlich ausgerichtet sind und eine Neigung von etwa 20 bis 60 ° aufweisen. Aufgrund der Vielfalt der möglichen Montagevarianten können die Module auch an Fassaden angebracht oder auf Flachdächern und Freiflächen aufgestellt werden. Sehr wichtig ist in allen Fällen eine weitest gehende Verschattungsfreiheit, da beschattete Solarmodule den Ertrag der Gesamtanlage stark herabsetzen. Bei der Verwendung mono- oder polykristalliner Solarmodule benötigt man ca. 8 bis 10 m² Dachfläche pro Kilowatt. Der durchschnittliche Jahresertrag im Raum Leipzig beträgt etwa 850 kWh pro installiertem kW.
Bei netzgekoppelten Anlagen wird der von den Solarmodulen erzeugte Gleichstrom zunächst mit Hilfe eines oder mehrerer Wechselrichter zur Einspeisung ins öffentliche Stromnetz aufbereitet. Moderne Wechselrichter sind vollautomatisch und wartungsfrei arbeitende elektronische Geräte, die eine sehr reine Wechselspannung von 50 Hz erzeugen. Die so gewandelte Wechselstromenergie wird über einen Energiezähler komplett in das öffentliche Stromnetz eingespeist und nach den gültigen Richtlinien vergütet. Der im Haushalt benötigte Strom wird also nicht direkt von der Photovoltaikanlage bereitgestellt, sondern nach wie vor aus dem Netz bezogen.
Komponenten der Photovoltaikanlage
Die Solarzelle
Solarzellen bestehen aus verschiedenen Halbleitermaterialien. Halbleiter sind Stoffe, die unter Zufuhr von Licht oder Wärme elektrisch leitfähig werden, während sie bei tiefen Temperaturen isolierend wirken.
Über 95 % aller auf der Welt produzierten Solarzellen bestehen aus dem Halbleitermaterial Silizium (Si). Silizium bietet den Vorteil, dass es als zweithäufigstes Element der Erdrinde in ausreichenden Mengen vorhanden und die Verarbeitung des Materials umweltverträglich ist.
| Material | Wirkungsgrad Labor | Wirkungsgrad Praxis |
|---|---|---|
| Monokkistallines Silizium | etwa 24% | 14 bis 17% |
| Polykistallines Silizium | etwa 18% | 13 bis 15% |
| Amorphes Silizium | etwa 13% | 5 bis 8% |
| Kupfer-Indium-Diselenid | etwa 19% | 9 bis 11% |
| Dünnfilm Cadmiumtellurid | etwa 16% | 7 bis 9% |
Zur Herstellung einer Solarzelle wird das Halbleitermaterial »dotiert«. Damit ist das definierte Einbringen von chemischen Elementen gemeint, mit denen man entweder einen positiven Ladungsträgerüberschuß (p-leitende Halbleiterschicht) oder einen negativen Ladungsträgerüberschuß (n-leitende Halbleiterschicht) im Material erzielen kann.
Werden zwei unterschiedlich dotierte Halbleiterschichten zusammengebracht, entsteht an der nur 0,2 μm breiten Grenzschicht ein sogenannter p-n-Übergang. An diesem Übergang baut sich ein inneres elektrisches Feld auf, das zu einer Ladungstrennung der bei Lichteinfall freigesetzten Ladungsträger führt. Über Metallkontakte kann je nach Material eine elektrische Spannung zwischen 0,3 bis 0,5 V, abgegriffen werden. Wird der äußere Kreis geschlossen - das heißt ein elektrischer Verbraucher angeschlossen - fließt ein Gleichstrom.
Siliziumzellen werden als monokristalline, polykristalline und amorphe Zellen hergestellt. Eine durchsichtige Antireflexschicht dient dem Schutz der Zelle und der Verminderung von Reflexionsverlusten an der Zelloberfläche. Sie verleiht der Solarzelle ihre typische blaue bis schwarze Färbung.
Das Solarmodul
Um für die praktische Anwendung höhere Leistungen zu erzielen, werden in der Praxis mehrere Solarzellen parallel und in Reihe zu einem Solarmodul geschalten. Durch Reihenschaltung wird die Spannung erhöht und durch Parallelschaltung der Strom. Auf diese Weise erhält man Solarmodule mit einer Leistung von 15 bis 300 W und einer Spannung von 12 bis 36 V.
Die Vorderseite der Solarmodule besteht aus gehärtetem Spezialglas oder einer biegsamen Spezialfolie. Zur problemlosen Montage haben größere Module einen robusten Aluminiumrahmen.
Der Solarakku
Der Akku dient als Zwischenspeicher für elektrische Energie. Je nach Anwendung stehen sie in verschiedenen Spannungsreihen wie 12 V oder 24 V sowie in verschieden großer Kapazität von 100 bis 300 Ah zur Verfügung. Ein gelförmiger Elektrolyt garantiert, dass der Akku wartungsfrei, auslaufsicher und sofort betriebsbereit ist.
Weitere besondere Kennzeichen für Solarakkus sind:
- Niedrige Selbstentladung
- Überladefestigkeit
- Tiefentladesicherheit
- hohe ladungsfreie Lagerzeiten
- Sehr geringer Kapazitätsverlust bei längeren Schattenzeiten im Solarbetrieb
- Langlebigkeit
- Hohe Zuverlässigkeit auch im teilentladenen Zustand von 50 bis 90 %
- Aufladbarkeit nach Tiefentladung
Der Solarladeregler
Ein Solarladeregler schützt den Akkumulator vor Überladung. Diese tritt üblicherweise ein,
wenn der Ladevorgang nach Vollladung fortgeführt wird. Der Akkumulator beginnt dann zu gasen,
was zu einer Schädigung bis hin zum Defekt der Elektroden führen kann. Weitere Aufgaben des
Ladereglers sind der Schutz vor Tiefentladung sowie die Blockade des Rückstroms.
Sämtliche Funktionen des Ladereglers sorgen für eine längere Haltbarkeit des Akkumulators.
Laderegler werden in verschiedenen Ausführungen angeboten, z.B. mit einer einfachen
LED-Anzeige oder sogar mit einer komfortablen LCD-Anzeige für die wichtigsten Funktionen.
Der Solarwechselrichter
Um die vom Solarmodul erzeugte Gleichspannung Wechselspannung umzuwandeln - z.B. von 12 V in 230 V - sind Wechselrichter notwendig. Sie können je nach Schaltung sowohl für die Erzeugung von einphasigem Wechselstrom, als auch für die Erzeugung von dreiphasigem Wechselstrom (Drehstrom) ausgelegt sein. Der durchschnittliche Wirkungsgrad der Umwandlung beträgt etwa 95 %. Die Höhe des Wirkungsgrades ist unter anderem von der optimalen Anpassung des Wechselrichters an die Leistung der Photovoltaikanlage abhängig. Die im Wechselrichter entstehende Wärme - besonders bei großen, nicht aktiv gekühlten Anlagen - ist unbedingt zu beachten.