Eine Photovoltaikanlage, auch PV-Anlage

Eine Photovoltaikanlage, auch PV-Anlage (bzw. PVA) genannt, ist eine Solarstromanlage, in der mittels Solarzellen ein Teil der Sonnenstrahlung in elektrische Energie umgewandelt wird. Eine größere Solarstromanlage ist ein Solarkraftwerk. Die dabei typische direkte Art der Energiewandlung bezeichnet man als Photovoltaik. Demgegenüber arbeiten andere Sonnenkraftwerke (z. B. solarthermische Kraftwerke) über die Zwischenschritte Wärmeenergie und mechanische Energie.

Photovoltaik Aufbau Solarmodule Photovoltaik

Je nach Anlagengröße und -typ werden die einzelnen Solarmodule in Reihe zu sogenannten Strings verschaltet. Dabei addiert sich die Spannung der einzelnen Module. Gegebenenfalls werden mehrere dieser Strings parallel geschaltet. Eine Parallelschaltung der einzelnen Module findet sich vorwiegend im batteriegestützten Inselbetrieb. Die Solarmodule werden in der Regel auf einer Unterkonstruktion befestigt, welche die Module idealerweise so ausrichtet, dass der höchstmögliche oder eine möglichst gleichbleibender Energieertrag über das Jahr gewährleistet wird (z. B. in Deutschland Richtung Süden und auf circa 30° angewinkelt für höchsten Energieertrag bzw. Richtung Süden und auf circa 55° angewinkelt für gleichbleibendsten Energieertrag über das Jahr). Die Unterkonstruktion kann auch der Sonne nachgeführt (astronomisch, sensorisch) sein, um eine höhere Energieausbeute zu erreichen.

Handelt es sich um eine netzgekoppelte Anlage, wird mit Hilfe eines Wechselrichters der in den Solarmodul(en) entstehende Gleichstrom in Wechselstrom gewandelt und ins Stromnetz eingespeist. Abgesehen von den Umwandlungsverlusten, geschieht dies in der Regel vollständig, solange das Netz in hinreichender Qualität (Spannung/Frequenz) zur Verfügung steht. Eine bedarfsabhängige Einspeisung (Einspeisemanagement) wurde in Deutschland mit der Neufassung des Einspeisegesetzes 2009 verbindlich für Anlagen über 100 kW festgeschrieben.

Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen stellen dem Stromnetz im Normalfall keine Regelleistung zur Verfügung, da grundsätzlich ein Maximum an regenerativer Energie erzeugt werden soll. Allerdings müssen Anlagen ab 100 kW Peakleistung nach §6 EEG in der Lage sein, im Falle von Netzüberlastungen ihre Leistung durch den Netzbetreiber ferngesteuert zu reduzieren. Wechselrichter können bei Bedarf auch Blindleistung in das Netz abgeben bzw. aufnehmen, was von leistungsstärkeren Anlagen, die auf Mittelspannungsebene einspeisen, auch seit Mitte 2010 in der Mittelspannungsrichtlinie gefordert wird. Aufgrund der mittlerweile relevanten Leistung der in Deutschland installierten Photovoltaikanlagen (Stand Anfang 2011: Etwa 17 Gigawatt Peakleistung) wird die Photovoltaik zunehmend stärker in die Netzregelung einbezogen. So ist mit einer entsprechenden Richtlinie für das Niederspannungsnetz noch im Jahr 2011 zu rechnen.

Bei netzfernen Anlagen wird die Energie zwischengespeichert, sofern sie nicht direkt verwendet wird. Das Speichern in Energiespeichern, meist Bleiakkumulatoren, erfordert die Verwendung eines Ladereglers. Um die gespeicherte Energie für konventionelle Elektrogeräte verwenden zu können, wird sie mit Hilfe eines Inselwechselrichters in Wechselstrom umgewandelt.

Solarstromanlage (Insel-Anlage)

Das Wesen einer netz-autarken Solarstromanlage (Insel-Anlage) ist die permanente – oder auch temporäre – Trennung vom öffentlichen Stromnetz. Dies kann aus verschiedenen Gründen nötig sein: Entweder, weil keine Stromversorgung vorhanden ist, oder zur Realisierung eines Backup-Systems, welches bei Stromausfällen im öffentlichen Netz die Verbraucheranlage innerhalb kürzester Zeit von diesem trennt. Mit Hilfe von Akkus und Inselwechselrichtern wird meist innerhalb von Millisekunden ein Inselsystem auf Basis der üblichen Netz-Wechselspannung aufgebaut, um die Versorgung des Haushaltes aufrecht zu erhalten. Solche Backup-Systeme eignen sich aber auch zur Steigerung des Eigenverbrauchs in üblichen netzgekoppelten Solarstromanlagen – tagsüber wird der nicht verbrauchte Strom zunächst zwischengespeichert, um dann später bei Bedarf verbraucht zu werden. Die oben erstgenannten Inselanlagen, welche permanent ohne Netzanbindung betrieben werden, basieren bei kleineren Anwendungen auf einer mit 12 oder 24 Volt Gleichspannung betriebenen Verbraucheranlage. Im Wesentlichen besteht eine solche Anlage aus vier Komponenten: dem Solargenerator, den Ladereglern, den Akkus und den Verbrauchern. Alle diese Komponenten der Anlage sollten dem vorliegenden Lastprofil der elektrischen Verbraucher entsprechend harmonisch aufeinander abgestimmt sein, um einen hohen Nutzungsgrad zu gewährleisten.

Solar Home System Photovoltaikinselsystem..

ist die Bezeichnung für ein einfaches Photovoltaikinselsystem, dessen Hauptzweck meist nur in der Versorgung von einfachen Hütten mit Licht ist. Typische Anlagengrößen sind 50–130 Wp, was meist genug ist, um 12-V-Gleichspannungsenergiesparlampen zu betreiben. Oft werden die Anlagen verwendet, um Handys zu laden oder einen kleinen Fernseher/Radio zu betreiben. Manchmal wird ein solches System auch verwendet, um einen 12- bzw. 24-V-Gleichstromkühlschrank zu betreiben.

Solare Pumpenanlagen direkt-betriebene Solaranlage..

sind meistens direkt-betriebene Solaranlagen, die ohne Batterie auskommen. Die Speicherung übernimmt in diesem Fall ein Wasserhochtank, welcher die Versorgung in der Nacht bzw. bei Schlechtwetter gewährleistet. Bei Bewässerungsanlagen kann meist auch auf den Tank verzichtet werden. Anlagen diesen Typs zeichnen sich durch eine extreme Langlebigkeit (> 20 Jahre) aus. Die verwendeten Gleichstrom-betriebenen Unterwasserpumpen können Förderhöhen bis 250 m erreichen.

Hybridanlage - GSM-Stationen Solar..

sind meist größere Anlagen, welche die Versorgung von kleinen Dörfern, Schulen, Krankenhäusern/-stationen oder GSM-Stationen sicherstellen. Das Kennzeichen einer Hybridanlage ist das Vorhandensein von mehr als einer Energiequelle (z. B. Photovoltaik und Dieselgenerator). Als Energiequellen stehen Sonne, Wasser, Wind, Biomasse, Diesel, … zur Verfügung. Die Zwischenpufferung der Energie übernehmen in der Regel Akkumulatoren (Kurzzeitspeicherung). Für die mittelfristige Speicherung sind beispielsweise die Redox-Flow-Zelle oder Wasserstoff Lösungsansätze.

Prinzipiell stehen zwei Möglichkeiten der elektrischen Kopplung zur Verfügung.

Erstere besteht aus eine Kopplung auf der Gleichstromseite in die alle Erzeuger ihre Energie liefern. Die Photovoltaikanlage mit Hilfe eines Ladereglers, der Dieselgenerator durch ein Ladegerät. Alle weiteren Energieerzeuger (z. B. Windgenerator, Wasserturbine, …) brauchen ihr eigenes Ladegerät um auf der Gleichstromseite ihre Energie bereitzustellen. Ein großer Inselwechselrichter übernimmt die Bereitstellung von Wechselstrom.

Eine weitere Möglichkeit ist die Kopplung auf der Wechselstromseite. In diesem Fall gibt es nur ein Ladegerät, welches die Ladung der Akkumulatoren verwaltet. Alle Energieerzeuger liefern Wechselspannung, welche entweder direkt verbraucht wird oder durch das Ladegerät im Akkumulator gepuffert wird. Bei einem Mangel von Energie erzeugt ein Inselwechselrichter die fehlende Energie für die Verbraucher. Da diese zweite Version der Kopplung Schwierigkeiten der Synchronisierung/Regelung hervorruft, konnte diese erst mit dem Vorhandensein von schnellen Mikrocontrollern verwirklicht werden. Man kann diese Kopplungsart als zweite Generation der Hybridanlagen bezeichnen.

Akkumulatoren zur Speicherung der Energie

Bei Verwendung von Akkumulatoren zur Speicherung der Energie werden Typen verwendet, die eine hohe Zyklenfestigkeit (Ladung und Entladung) aufweisen, sogenannte Solarbatterien. Diese haben einen etwas anderen Aufbau als Starterbatterien, wie sie in Kraftfahrzeugen verwendet werden. Im Vergleich zu allen anderen Akkumulatortypen weist der Bleiakkumulator die geringsten Kosten pro gespeicherter Energieeinheit (kWh) auf.

Bei Verwendung von Akkumulatoren zur Speicherung der Sonnenenergie ist ein Laderegler notwendig. Dessen Hauptzweck besteht darin, den Akkumulator vor Tiefentladung (durch Lastabwurf) sowie vor Überladung zu schützen. Eine Tiefentladung schädigt einen Bleiakkumulator irreversibel.

Zum Betrieb von Wechselstromverbrauchern (z. B. 230-V-Fernseher) wandelt ein Insel-Wechselrichter die Akkuspannung (meist im Bereich 12, 24 oder 48 V Gleichspannung) in Wechselspannung um. Inselwechselrichter gehören zur Gruppe der netzbildenden Anlagen. Das bedeutet, sie erzeugen selbstständig eine Netzspannung (z. B. 230 V, 50 Hz) und stellen Wirk- und Blindleistung zur Verfügung. Netzbildner können nicht mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden werden (Kompetenzverletzung). Zur Netzeinspeisung sind demgegenüber netzgeführte Wechselrichter (Netzfolger) erforderlich.

In Gegenden mit instabiler elektrischer Versorgung durch das öffentliche Netz bietet es sich an, eine normalerweise netzbetriebene Anlage bei Stromausfall mit Solarstrom zu betreiben (als sogenannte Netzersatzanlage) – fällt das Netz aus, so wird die Anlage automatisch oder manuell in den Inselbetrieb umgeschaltet. Diese Umschaltung bedeutet einen kurzzeitigen Netzausfall, um dies zu vermeiden kann man eine unterbrechungsfreie Stromversorgung verwenden.