Zum Inhalt springen

Photovoltaikanlage

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Dies ist eine alte Version dieser Seite, zuletzt bearbeitet am 12. September 2009 um 09:02 Uhr durch Wolfgang II (Diskussion | Beiträge) (→Hybrid/Minigrid). Sie kann sich erheblich von der aktuellen Version unterscheiden.
Photovoltaikanlage bei Freiberg (Sachsen)
Fachwerkhaus mit Solardach

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

Aufbau

Photovoltaikanlage in Berlin-Adlershof
Polykristalline Solarzelle

Eine Photovoltaikanlage besteht aus mehreren Komponenten. Die aus mehreren in Reihe geschalteten Solarzellen aufgebauten Solarmodule empfangen und wandeln die Lichtenergie der Sonne in elektrische Energie in Form von Gleichstrom um. Die Empfängerfläche bildet entweder das Solarmodul selbst oder aber ein optisches System, bei dem Spiegel oder Linsensysteme die Strahlung auf die Solarzellen umleiten und konzentrieren. Eine Konzentration (z. B. mit einer Fresnellinse) 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 auf die Empfängerfläche gebündelt wird. Hierbei ist zwar, bei heutigem Stand der Linsentechnik, eine Nachführung nach dem Sonnenstand nötig, es ist jedoch weniger des teureren Halbleitermaterials nötig, als ohne solche Lichtbündelung. Einige Forschungsteams arbeiten bereits daran, die Linsen so zu konstruieren, dass eine Nachführung nach dem Sonnenstand nicht mehr nötig ist.

Die Solarzelle dient als Wandler der Strahlungsenergie durch Ausnutzung des photovoltaischen Effektes. Aufgrund der geringen elektrischen Spannung einer einzelnen Solarzelle (ca. 0,5 Volt) werden mehrere Zellen zu Solarmodulen zusammengefasst. Der Solargenerator besteht aus einem oder mehreren solcher Module.

Die elektrische Energie wird über Kabel dem restlichen System zugeführt. Sie kann dort 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 dem vorliegenden Lastprofil der elektrischen Verbraucher und der jeweils notwendigen Energiespeicher oder der Netzgegebenheiten aufeinander abgestimmt sein, um einen hohen Energieertrag zu gewährleisten.

Netzferne Stromversorgung (Inselsystem, Inselanlage)

Solarbetriebener Parkscheinautomat in Hannover

Merkmal einer netzfernen Stromversorgung ist das Fehlen einer Verbindung zu einem übergeordneten Energieverbundnetz (z.B. dem öffentlichen Stromnetz).

Historie

Raumstation ISS mit gut sichtbaren Solarmodulen – fotografiert vom Space Shuttle Discovery während STS-114 (August 2005)

Raumfahrt

Wesentliche Entwicklungsschübe erhielt die Photovoltaik aus der Raumfahrt. Während die ersten künstlichen Erdsatelliten nur Radionuklidbatterien mitführten, wurden schon bald Solarzellen zur Energieversorgung eingesetzt und stellten mit die ersten Anwendungen der Photovoltaik überhaupt dar. Angesicht mangelnder kostengünstigerer Alternativen bei Raumfahrzeugen negierten sich selbst die immensen Kosten am Anfang der Solarmodulentwicklung. Heutzutage ist die Solarzelle in der Raumfahrt mit großen Abstand die wirtschaftlichste Lösung.

Fast alle Satelliten und Raumstationen nutzen Solarzellen für ihre Stromversorgung und für den Betrieb der installierten Instrumente - einzig bei sonnenfernen Missionen werden Isotopenbatterien eingesetzt.

Solarzellen an Raumfahrzeugen sind einer hohen Strahlenbelastung ausgesetzt und erleiden dadurch einen Leistungsverlust (Degradation). Ursache sind die durch hoch-energetische Teilchenstrahlung der kosmischen Strahlung hervorgerufenen Kristalldefekte.

Telegraphenstation

Einen weitere Triebfeder zur Entwicklung stellt die Telekommunikationbranche dar. Die ersten elektrischen Relaisstationen zur Weiterleitung der Morsenachrichten wurden noch mit Bleibatterien realisiert, die zu 48V Gleichspannungssystemen verbunden wurden. Der Austausch der Entladenen Batterien erfolgte mit Fuhrwerken, die oft Wochen unterwegs waren. Die ersten Solarmodule wurden entwickelt um eine 12V Bleibatterie, selbst bei hohen Außentemperaturen sicher zu laden. So entstand das 36-zellige 12V Solarmodul nachdem man festgestellt hat, dass mit 34-zelligen Modulen die Batterie nicht sicher geladen werden konnte. Zur Ladung der Batteriesysteme in Relaisstationen verwendete man vier in Reihe geschaltete Solarmodule. Diese historische Grund liefert die Erklärung, warum auch heute noch 48V-Gleichstromgeräte in der Telekommunikationsindustrie Verwendung findet.


Man kann netzferne Stromversorgungen grob in 4 Kategorien unterteilen:

industrielle Anwendungen

Kennzeichen dieser Anwendungsgruppe von solaren Energieversorgungen ist der sehr genau definierte, meist sehr geringe Energiebedarf. Zu dieser Untergruppierung kann man Parkautomaten, automatische Verkehrsschilder (z.B. auf Autobahnen), solare Verkehrsüberwachungseinrichtungen, solare Trinkwasserversorgungsmessstellen bzw. Schiebereinrichtungen für derselbigen, solare Abwasserüberwachung, solare Hochwassermeldestellen, solar versorgte Telekommunikationseinrichtungen (die Versorgung von Relaisstationen war eine der treibenden Kräfte hinter der Entwicklung der Photovoltaiktechnik) zählen. Ebenso fällt der/die solare Taschenrechner/Uhr, das solare Handyladegerät, ... unter diese Untergruppe. Diese Anlagen sind auch in Gegenden mit höchster Netzdichte wirtschaftlich, da die Kosten für eine Netzerweiterung auch in diesem Fall in keinem Verhältnis zur autarken Versorgung steht.

SHS (Solar Home System)

ist die Bezeichung für ein einfaches Photovoltaikinselsystem, dessen Hauptzweck meist nur in der Versorgung von einfachen Hütten mit Licht ist. Typische Anlagengrössen sind 50 - 130Wp, was meist genug ist, um 12V 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. 24V Gleichstromkühlschrank zu betreiben.

solare Pumpenanlagen

sind meistens direkt-betriebene Solaranlagen, was bedeutet das auf eine Batterie verzichtet wird. 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 dieses Typs zeichnen sich durch eine extreme Langlebigkeit(>20 Jahre) aus, da auf eine Batterie verzichtet wird. Die verwendeten Gleichstrom-betriebenen Unterwasserpumpen können Förderhöhen bis 250m erreichen.

Hybrid/Minigrid

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 Zwischenbufferung der Energie übernehmen in der Regel Batterien (Kurzzeitspeicherung). Für die mittelfristige Speicherung sind die Redox-Flow-Batterie oder Wasserstoff eine Lösung.

Prinzipiell stehen zwei Möglichkeiten der elektrischen Kopplung zur Verfügung.

Erstere besteht aus eine Kopplung auf der Gleichstromseite (Batterieseite) 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 eigens 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 Batterieladegerät, welches die Ladung der Batterien verwaltet. Alle Energieerzeuger liefern AC-Energie, welche entweder direkt verbraucht wird oder durch das Ladegerät in die Batterie gepuffert wird. Bei einem Mangel von Energie erzeugt ein Inselwechselrichter die fehlende Energie für die Verbraucher. Da diese zweite Version der Kopplung enorme 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.

Siehe auch: Hybridkraftwerk Pellworm


Bei Verwendung von Batterien zur Speicherung der Energie werden Typen verwenden, 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 Batterietypen weist die Bleibatterie die geringsten Kosten pro gespeicherter Energieeinheit (kWh) auf.

Bei Verwendung von Batterien zur Speicherung der Sonnenenergie ist ein Laderegler notwendig. Dessen Hauptzweck besteht darin, die Batterie vor Tiefentladung (durch Lastabwurf) sowie vor Überladung zu schützen. Eine Tiefentladung stellt eine irreversibel Schädigung einer Bleibatterie dar.

Zum Betrieb von Wechselstromverbrauchern (z. B. 230V 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. 230V 50Hz) 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 (siehe unten).

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.

Netzgekoppelte Anlage

Schaltungskonzept.
Photovoltaikanlage auf Block 103 in Berlin
Photovoltaikanlage auf der Berliner Genezareth-Kirche

Der Grundgedanke von netzgekoppelten Anlagen war, das der erzeugte Strom sofort genutzt wird. Durch die Verbindung zum einem großen Verbundnetz (z.B. das öffentlichen Stromnetz), konnte sichergestellt werden, das zu jedem Zeitpunkt genügend Verbraucher vorhanden sind, die den Solarstrom nützen. Dadurch kann auf eine Pufferung verzichtet werden. Diese Betriebsart nennt man auch Netzparallelbetrieb.

Mögliche Formen einer Netzeinspeiseanlage

Aufdachanlage

häufigste Anlageform, da das vorhandene Gebäude die Unterkonstruktion für die PV-Anlage übernimmt. Zugleich ermöglicht die Dachneigung eine optimierte Ausrichtung der Anlage, welche sonst durch zusätzliche konstruktive Mittel erreicht werden müsste. Auch war ein Gedanke der Gesetzgebung, die Dachflächen als bereits vorhandene "natürliche" Empfangsflächen zu benützen, ohne das zusätzlicher Flächenbedarf zu generieren.

Freilandanlage

Als eine weitere Form zum Bau einer Photovoltaikanlage besteht in der Möglichkeit ein größeres Gelände dafür zu benützen. Dazu werden die Solarmodule in langen Reihen hintereinander mit Hilfe eine geeigneten Unterkonstruktion platziert. Hierzu eigenen sich besonders Flächen die anderweitige nicht bzw. schlecht genutzt werden konnen (z.B. Deponieflächen verlasse Militärgelände, Brachland, ...). Oft wird dazu eine Gesellschaft gegründet, um das nötige Investitionskapital zu beschaffen. siehe Bürgersolaranlage

Gebäude - integrierte Anlage

bei dieser Anlagenart, ersetzt die Photovoltaikanlage Teile der Gebäudehülle. D.h. die Photovoltaikmodule müssen die gleichen Anforderung genügen, die man auch anderen Elementen der Gebäudehülle fordert(Dichtigkeit, Bruchsicherheit, ...). Da die nötigen Prüfungen für die vorhanden Photovoltaikmodule meist nicht vorliegt, ist ein Einzelnachweis für die geplante Anlage notwendig. Dies führt zu erheblichen Kosten für diesen Anlagentyp. Als Vorteil kann man natürlich auffuhren, das ohnehin benötigte Dach- bzw. Fassadenelemente durch die Photovoltaikanlage ersetzt werden. Auch verspricht eine solche Anlage einen nicht zu unterschätzenden Imagegewinn für das Gebäude.


Für die Einspeisung der Solarenergie in das Stromnetz ist die Wandlung des Gleichstroms in Wechselstrom nötig, sowie eine Synchronisation mit dem vorhanden Netz, was durch einen Wechselrichter geschieht. Diese Wechselrichter nennt man netzgeführt.


In einigen Europäischen Ländern wird auf der Netzseite eine so genannte ENS benötigt, die den Wechselrichter bei einer ungewollten Inselbildung abschaltet. Bei Anlagen mit Leistungen über 30 kWp, kann auf die ENS verzichtet werden, dort genügt eine Frequenz- und Spannungsüberwachung mit allpoliger Abschaltung zur sicheren Trennung von Netz, falls dieses abgeschaltet wird bzw. ausfällt.

Der Wechselrichter hat bestimmte Eingangskenngrößen auf der Gleichstromseite, die durch gezielte Verschaltung der Solarmodule zu einzelnen Strängen und eine eventuelle Parallelschaltung 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, die oft in den Photovoltaikverteiler integriert ist. Sie dient der Trennung 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. Die Wechselstromseite führt in der Regel über einen Energiezähler in das öffentliche Netz. Mit Hilfe des Zählers wird die Vergütung mit dem örtlichen Netzbetreiber geregelt.

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

Blick in das Gebäude der Akademie Mont Cenis, mit der zur Bauzeit größten gebäudeintegrierten Photovoltaikanlage

In Deutschland kann ein mittlerer Energieertrag von etwa 650 bis 1150 kWh pro kWpeak (kWp) installierter Leistung der Anlage und Jahr erwartet werden. Kilowatt peak beschreibt die Nennleistung der Anlage bei maximaler bzw. idealer Sonneneinstrahlung, die jedoch nur selten erreicht wird.
Vor allem in den letzten sonnenreichen Jahren gab es in Süddeutschland durchaus Erträge über 1200 kWh pro Jahr und installiertem kWpeak. Betrachtungen zum Flächenbedarf von Photovoltaikanlagen sind im Kapitel „Potenzial“ des Artikels Photovoltaik zu finden.

Insbesondere die höheren Werte sind jedoch nur in guten Lagen (vorwiegend Süddeutschland beziehungsweise 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 Prozent 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. Weitere Verluste liegen in der Verkabelung, zu dünne Querschnitte oder lange Kabelstrecken mindern den Ertrag einer Anlage deutlich. Man kann fertig installierte Strings mit Hilfe von sogenannten Kennlinien-Messgeräten oder -Analysatoren (TRI-KA, PVPM) messen. Teilweise sind die Erträge von Anlagen im Internet direkt einzusehen (siehe Weblinks). Des Weiteren gibt es zahlreiche Hersteller von PV-Simulationsprogrammen, die Erträge vor der Anlagenmontage berechnen können.

Der Gesamtwirkungsgrad einer Anlage ist abhängig von den verwendeten Komponenten. Die Kernkomponenten bilden dabei die Solarzellen und die Wechselrichter. Speziell letztere haben mit dem durch staatliche Förderung (EEG) verstärkten Ausbau der Photovoltaik Verbesserungen im Wirkungsgrad und in der Zuverlässigkeit erfahren.

Normung

Mit zunehmender Verbreitung der Photovoltaik und Einbindung in bestehende Strukturen und Techniken der Energieversorgung und -verteilung verstärkt sich der Bedarf an allgemeinen Normen und Festlegungen für photovoltaische Komponenten und Systeme.

Die Normen werden bei der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) erarbeitet und vom Europäischen Komitee für Elektrotechnische Normung (CENELEC) als Europäische Norm übernommen. Die DKE implementiert sie in das Deutsche Normenwerk mit z. B. Normprojekten zu: Solarzellen, Solarscheiben, Verifizierung von Simulationsprogrammen (Testdatensätze), Steckverbinder für PV-Systeme, Photovoltaik im Bauwesen, Gesamtwirkungsgrad von Wechselrichtern, Datenblattangaben für Wechselrichter. Außerdem bestehen Normen für die Bereiche: Messverfahren, Anforderungen an die Konstruktion von PV-Produkten, Prüfabläufe für Zulassungsprüfungen, Anforderungen an die elektrische Sicherheit.

Rekorde

Göttelborner PV-Anlage, fotografiert vom Fördergerüst Schacht IV. Im Hintergrund: Kohlekraftwerk Weiher III
  • Das Unternehmen Acciona Energy hat ein Solar-Kraftwerk mit einer Photovoltaik-Spitzenleistung von 46 Megawatt (MW) in Amareleja (Moura, Portugal) in Betrieb genommen. In diese größte Anlage ihrer Art weltweit wurden rund 261 Millionen Euro investiert. [1]
  • Im Dezember 2008 wurde eine 40 Megawatt-Photovoltaikanlage im Energiepark Waldpolenz auf einem ehemaligen Militärflughafen in den Gemeinden Bennewitz und Brandis (bei Leipzig) fertig gestellt. Sie ist damit die drittgrößte Photovoltaik-Anlage der Welt [2]. Das Investitionsvolumen lag bei etwa 130 Mio. Euro.

Siehe auch

Literatur

  • Volker Quaschning: Erneuerbare Energien und Klimaschutz. Hanser Verlag, München, 1. Auflage 2008, ISBN 978-3-446-41444-0
  • H. Häberlin: Photovoltaik - Strom aus Sonnenlicht für Verbundnetz und Inselanlagen VDE Verlag GMBH, Berlin, 1. Auflage 2007, ISBN 978-3-8007-3003-2
  • Volker Quaschning: Regenerative Energiesysteme. Hanser Verlag, München, 5. Auflage 2007, ISBN 3-446-40973-4
  • Ralf Haselhuhn: Photovoltaik - Gebäude liefern Strom. Ein BINE-Informationspaket, TÜV-Verlag, Köln 2004, ISBN 3-8249-0854-9
  • Thomas Seltmann: Photovoltaik: Strom ohne Ende. Solarpraxis-Verlag, Berlin 2005 (erste Auflage 2000 war Solarbuch des Jahres 2002 bei www.solarserver.de, aktualisiert 2004, Ausgabe 2005 vollständig aktualisiert und erweitert), ISBN 3-934595-40-5
  • Ralf Haselhuhn, Claudia Hemmerle et al.: Photovoltaische Anlagen: Leitfaden für Elektriker, Dachdecker, Fachplaner, Architekten und Bauherren. Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie e.V., Berlin 2002, 2. Aufl., ISBN 3-9805738-3-4
  • DIN VDE 0100-712 (VDE 0100-712):2006-06 Errichten von Niederspannungsanlagen -Teil 7-712: Anforderungen für Betriebsstätten, Räume und Anlagen besonderer Art -Solar-Photovoltaik ( PV) Stromversorgungssysteme (IEC 60364-7-712: 2002, modifiziert); Deutsche Übernahme HD 60364-7-712: 2005 + Corrigendum: 2006 VDE-Verlag, Berlin
Commons: Photovoltaic system – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

Quellen

  1. ↑ www.solarserver.de - ACCIONA nimmt größtes Photovoltaik-Kraftwerk der Welt in Portugal in Betrieb
  2. ↑ www.solarserver.de - Deutschlands größte Photovoltaik-Kraftwerke sind komplett am Netz
Abgerufen von „https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Photovoltaikanlage&oldid=64420515“