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Photovoltaikanlage

Solarstromanlage, in der Sonnenstrahlung in elektrische Energie umgewandelt wird
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In einer Photovoltaikanlage (kurz PV-Anlage) bzw. Fotovoltaikanlage, auch Solarstromanlage genannt, findet die Umwandlung von Solarenergie in elektrische Energie statt. Mit diesem Gebiet der Energiewandlung beschäftig sich die Fotovoltaik.

Eine Photovoltaikanlage besteht aus mehreren Komponenten. Der Generator empfängt und wandelt die Lichtenergie in elektrische Energie in Form von Gleichstrom um. Als Empfänger dient entweder die Solarzelle direkt oder aber ein optisches System. Hierbei kommen Spiegel oder Linsensysteme zum Einsatz, die die Strahlung auf die Zellen umleiten und eventuell konzentrieren. Eine Konzentrierung findet statt, wenn die Strahlung auf einer Fläche eingesammelt wird die größer als die Empfängerfläche ist. Dann muss der Spiegel oder das Linsensystem den Strahlengang so ändern, dass die eingefangene Strahlung insgesamt auf die Empfängerfläche trifft. Die Solarzelle dient in jedem Fall als Wandler der Strahlungsenergie durch Ausnutzung des photovoltaischen Effektes. Aufgrund der sehr geringen, pro Solarzelle entstehenden, elektrischen Spannung werden die Solarzellen zu Solarmodulen zusammengestellt. Für einen Generator werden ein oder mehrere Module benötigt. Die Energie wird nun über Kabel dem System zugeführt. Sie kann entweder gespeichert (Inselanlage) oder aber in ein elektrisches Netz, zum Beispiel das öffentliche Stromnetz eingespeist werden (Hybridanlage, netzgekoppelte Anlage). Abhängig von der Verwendung der Energie besteht der weitere Teil der PV-Anlage aus verschiedenen Komponenten.

Die einzelnen Komponenten einer PV-Anlage müssen entsprechend des vorliegenden Lastprofils der elektrischen Verbraucher und der jeweils notwendigen Energiespeicher oder der Netzgegebenheiten exakt aufeinander ausgelegt sein, um einen maximalen Energieertrag zu gewährleisten.

Inselsystem, Inselanlage

Eine Inselanlage hat keine Verbindung zu einem größern (normalerweise dem öffentlichen) Stromnetz. Bei einer photovoltaischen Inselanlage findet die Speicherung meistens in Akkumulatoren statt. Am häufigsten werden Bleiakkumulatoren verwendet. Je nach Konzept kann es nur Gleichstromverbraucher geben, es kann ein Wechselstromnetz betrieben werden, oder es kann auch eine Mischform existieren.

Zur Schonung der Akkus ist ein Laderegler nötig, zur Errichtung eines Wechselstromnetzes benötigt man einen Wechselrichter.

In Gegenden mit unsicherer elektrischer Versorgung durch das öffentliche Netz gibt es auch die Möglichkeit, eine normalerweise netzgekoppelte Anlage zu betreiben - fällt das Netz aus, so geht die Anlage (automatisch oder manuell) in den Inselbetrieb. Hierzu ist ein spezieller Wechselrichter oder aber ein Detektor mit zwei verschiedenen Wechselrichtern notwendig.

Hybridsystem oder -anlage

Bei einem Hybridsystem handelt es sich ebenfalls um eine Inselanlage, wobei zur elektrischen Versorgung mehrere verschiedenartige Generatoren vorhanden sind. So ist zum Beispiel die Kombination einer PV-Anlage mit einem Dieselgenerator und Akkumulatoren eine in der Praxis häufiger vorkommende Kombination. Es können aber auch andere Generatoren wie Windenergieanlagen, Biogas-Anlagen usw. in Kombination mit einer PV-Anlage betrieben werden.

Bei Inselanlagen mit normalerweise begrenzter Energielieferkapazität spielt das Lastmanagment eine entscheidende Rolle. Es dürfen nie zu viele Verbraucher im Netz vorhanden sein, da dieses sonst zusammenbricht (Netzüberlastung, Stromausfall). Ebenso muss aber auch eine Abnahme der generierten Energie sichergestellt sein, da es sonst zum Beispiel zu Spannungsüberhöhungen und damit verbunden zur Zerstörung von elektrischen Verbrauchern kommen kann. Hier kann ein Pufferakku dazu dienen, überschüssige Kapazitäten zu speichern und diese in Zeiten höheren Bedarfs wieder abzugeben.

Inselnetze haben ähnliche Probleme wie große öffentliche Netze, wobei hier häufig nicht die garantierte Versorgungssicherheit für alle angestrebt wird, sondern zum Beispiel in einem Krankenhaus vor allem die wichtigsten Funktionen (Operationssäle, lebenserhaltende Maschinen) sichergestellt sein müssen. Weitere Verbraucher können nach verschiedenen Abwägungen ab- oder zugeschaltet werden. Oft spielen hier auch soziale Probleme eine Rolle (wer wird als erstes vom Netz geschaltet, wenn zu wenig Kapazität zur Verfügung steht).

Netzgekoppelte Anlage

Eine netzgekoppelte Anlage ist an einem großen eigenständigen Netz (typischerweise am öffentlichen Stromnetz) angeschlossen und speist die elektrische Energie dort ein. Diesen Betrieb nennt man auch Netzparallelbetrieb. Die Einspeisung der Solarenergie in ein Netz bedingt normalerweise die Wandlung des Gleichstroms in einen Wechselstrom durch einen Wechselrichter. Der Wechselrichter hat bestimmte Eingangskenngrößen auf der Gleichstromseite, die durch gezielte Verschaltung der Solarmodule zu einzelnen Strängen und eine eventuelle Paralleschaltung der Stränge erreicht werden. In vielen Fällen ist hierzu eine Unterverteilung nötig, die Generatoranschlusskasten oder auch Photovoltaikverteiler genannt wird. Von der Gleichstromseite aus gesehen vor dem Wechselrichter wird eine Freischaltstelle eingebaut (oft in den Photovoltaikverteiler integriert). Sie dient zum Freischalten des Wechselrichters vom Solargenerator. Vom Wechselrichter in Richtung öffentliches Stromnetz gibt es ebenfalls einen Schalter, so dass der Wechselrichter zum Beispiel zu Wartungsarbeiten sowohl gleichstrom- als auch wechselstromseitig freigeschaltet werden kann. Von dort aus geht es im Normalfall durch einen Energiezähler in das öffentliche Netz. Mit Hilfe des Zählers wird die Vergütung mit dem örtlichen Energieversorger geregelt.

In Deutschland wird zur Zeit auf der Netzseite noch eine so genannte ENS benötigt, die den Wechselrichter bei Stromausfall sicher abschaltet.

Eine Ausnahme, die keine Wandlung erfordert ist zum Beispiel die Direkteinspeisung des Solargenerators in ein Straßenbahnbetriebsnetz. Einige wenige Pilotanlagen für eine solche Anwendung sind seit einigen Jahren in der Erprobung. Als Beispiel sei hier die Anlage auf dem Straßenbahndepot in Hannover-Leinhausen genannt.

Ertrag einer Solarstromanlage

In unseren Breitengraden kann man ungefähr einen mittleren Energieertrag von 650 kWh bis hin zu 950 kWh pro kWpeak (Kilowatt peak) installierter Leistung der Anlage und Jahr erwarten. Insbesondere die höheren Werte sind jedoch nur in guten Lagen (vorwiegend Süddeutschland beziehungweise Gebirgslagen) bei Freiflächen- und Dachanlagen zu erzielen. Je nach den lokalen Klimaverhältnissen kann der Wert auch etwas darüber oder darunter liegen und von Jahr zu Jahr abhängig vom Wetter bis zu 20 % von den Vorjahresergebnissen abweichen. Auch eine Verschattung von Modulen oder auch nur Teilen von Modulen zum Beispiel durch Fahnenmasten, Bäume, Nachbarbebauung oder ähnliches kann zu erheblichen Ertragseinbußen führen. Teilweise sind die Erträge von Anlagen im WWW direkt einzusehen (siehe Weblinks).


Sicherheitshinweis:
Auch bei abgeschaltetem Wechselrichter liegt auf der Generatorseite immer noch eine Spannung an (Leerlaufspannung) und bei Kontakt mit leitenden Teilen kann ein Strom fließen, so dass Gefahr für Leib und Leben bestehen kann!

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