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Grundlagen der Photovoltaik, Photovoltaikanlagen

In diesem Bereich möchten wir Sie mit den Grundlagen der Photovoltaik, wie Funktionsweise, Wirtschaftlichkeit und möglichen Sonderfällen vertraut machen.

Eine Solaranlage zur Stromerzeugung ( = Photovoltaikanlage) besteht im Allgemeinen aus folgenden Hauptkomponenten:

• Photovoltaik-Generator (mehrere Photovoltaik-Module in Reihen- und Parallelschaltung mit Montagegestell)
• Generatoranschlusskasten (mit Schutztechnik)
• Gleichstromverkabelung
• DC-Hauptschalter
• Wechselrichter
• Wechselstromverkabelung
• Zählerschrank mit Stromkreisverteilung, Bezugs- und Einspeisezähler und Hausanschluss

Sonnenstrahlung + Photovoltaikanlage = ökologische Stromerzeugung

Die Sonne liefert Energie in Form von Strahlungsenergie, durch die Leben auf der Erde erst ermöglicht wird. Diese Sonnenstrahlung entsteht im Inneren der Sonne durch die Verschmelzung von Wasserstoffkerne zu Heliumkerne. Dabei wird auf der Sonne ein Teil der Masse in Strahlungsenergie umgewandelt. Aufgrund der großen Entfernung von Sonne und Erde gelangt nur ein winziger Teil der Sonnenstrahlung auf die Erdoberfläche.

Die mittlere Jahressummen der Globalstrahlung liegen in Deutschland zwischen ca. 940 kWh/m² und 1.200 kWh/m² mit einem deutlichen Nord-/Süd-Anstieg, wobei klimatologisch bedingt auch regionale Unterschiede auftreten können (vgl. Bild 2).

Bild 2: Mittlere Jahressummen der Globalstrahlung in Deutchland, 1981 - 2000 (Quelle:Deutscher Wetterdienst)

Photovoltaik - Module = Energietransformer der Photovoltaikanlage

Es gibt drei gängige Photovoltaik - Modulbezeichnungen, die im Handel benutzt werden. Der allgemeine Begriff "Modul" wird dabei weiter präzisiert, indem bestimmte Eigenschaften des Moduls hervorgehoben werden. Photovoltaik - Module werden dabei in der Regel nach ihren Zellarten bezeichnet:

• Monokristallines Photovoltaik - Modul
• Polykristallines Photovoltaik - Modul
• Dünnschicht Photovoltaik - Modul

Bei kristallinen Standardmodulen handelt es sich meistens um Glas-Folien-Laminate, die in festen Abmessungen und Leistungen angeboten werden. Diese Standardmodule gibt es mit und ohne Aluminiumrahmen. Sie können überall eingesetzt werden wo keine besonderen Anforderungen an Form und Größe der Module gestellt werden, z.B: bei aufgeständerten Photovoltaikanlagen sowie dachparallele Photovoltaikanlagen oder dachintegriert Photovoltaikanlagen montierten.

Wechselrichter einer Photovoltaikanlage

Der Solarwechselrichter ist das Bindeglied zwischen dem Photovoltaik-Generator und Wechselstromnetz bzw. Wechselstromverbraucher. Seine grundlegende Aufgabe ist es, den vom Photovoltaik-Generator erzeugten solaren Gleichstrom in Wechselstrom umzuformen. Dabei muss die Einspeisung an die Frequenz und Höhe der Spannung des Stromnetzes angepasst werden.

Bei netzgekoppelten Photovoltaik-Systemen ist der Wechselrichter mit dem öffentlichen Stromnetz direkt oder über das Hausnetz verbunden. Die Einspeisung des erzeugten Stroms erfolgt bei direkter Verbindung an das öffentliche Netz. Bei der Koppelung über das Hausnetz wird der mit Hilfe der Photovoltaikanlage erzeugte Strom erst im Haus verbraucht. Überschüsse aus der Solarstromproduktion werden gegebenenfalls in das öffentliche Stromnetz eingespeist.

Solarwechselrichter erfüllen folgende Funktion:

• Umwandlung des vom Photovoltaik-Generator erzeugten Gleichstroms in einen netzkonformen Wechselstrom
• Anpassung des Arbeitspunktes des Wechselrichters an den MPP des Photovoltaik-Generators
• Betriebsdatenerfassung und Signalisierung (z.B. Anzeige, Datenspeicherung, Datenübertragung)
• DC- und AC-Schutzeinrichtung (z.B. Verpolungsschutz, Überspannungs- und Überlastungsschutz, Überwachungs- und Schutzeinrichtungen zur Einhaltung der VDEW-Richtlinien für Energieerzeugungsanlagen)
• Netzüberwachung, ggf. Netzmanagement

In der Praxis wird zwichen Wechselrichtern "mit" oder "ohne" Transformator unterschieden.

Die häufigsten Montagearten einer Photovoltaikanlage

Die häufigste Montage einer Photovoltaikanlage auf eiem Dach ist die Aufdachmontage. Während flache Dächer dem Planer einer Photovoltaik-Anlage gewisse Freiheit lassen, geben schräge Dächer in der Regel die Ausrichtung und Neigung für die Photovoltaik - Module fest vor.

Bei der Aufdachmontage einer Photovoltaikanlage werden die Solarmodule mit einer Metallunterkonstruktion oberhalb der bestehenden Dacheindeckung montiert. Die Dacheindeckung bleibt dabei erhalten und behält ihre wasserableitende Funktion. Bei Nachrüstung auf bestehenden Dächern ist die Aufdachmontage in der Regel die kostengünstigere Variante, denn der Montage- und Materialaufwand ist geringer.

Die Metallkonstruktion für die Aufnahme der Solarmodule setzt sich aus drei Hauptbestandteilen zusammen: der Dachbefestigung, den Tragschienen und der Modulbefestigung. Mit Hilfe der Dachbefestigung wird das Schienensystem durch die Dachdeckung hindurch an der Dachkonstruktion verankert oder direkt an der Dachdeckung befestigt. Die Module werden mit systemspezifischen Befestigungselementen auf der Tragschiene befestigt.

Aufständerung einer Photovoltaikanlage

Flachdächer bieten ein großes Potential für die Installation einer Photovoltaikanlage. Es sind im Prinzip ungenutzte Flächen, die sich sehr gut für die Aufstellung einer Solaranlage eignen. Sie lassenauch für die Planung des Generators gewisse Freiheiten: oft kann die Ausrichtung der solarmodule genau nach Süden gewählt und der Neigungswinkel optimal eingestellt werden.

Hier ist es besonders wichtig dass im Vorfeld sichergestellt wird, dass die Funktionsfähigkeit des Daches während der Lebensdauer der Photovoltaikanlage gewährleistet ist.

Bei der Montage einer Solaranlage auf einem Flachdach werden die Photovoltaikmodule, ähnlich der Aufdachmontage auf schrägen Dächern, mit einer Metallunterkonstruktion über der bestehenden Dachhaut montiert.