Funktionsweise einer PV-Anlage

Photovoltaik bezeichnet die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie mittels Solarzellen. Der Umwandlungsvorgang beruht auf dem bereits 1839 von Alexander Becquerel entdeckten Photoeffekt. Unter dem Photoeffekt versteht man die Freisetzung von positiven und negativen Ladungsträgern in einem Festkörper durch Lichteinstrahlung.


Photovoltaik-Anlagen können sowohl netzgekoppelt als auch netzunabhängig konzipiert werden. Netzgekoppelte PV-Anlagen auf Dächern, an Fassaden oder auf der grünen Wiese mit Anschluss an das öffentliche Stromversorgungsnetz leisten einen umweltfreundlichen Beitrag zu unserer Stromversorgung. Einmal installiert, erzeugt eine Solarstromanlage jahrzehntelang elektrische Energie mit der Sonne als zuverlässigster Energiequelle der Welt. Ein wesentlicher Vorteil des Netzparallelbetriebes besteht darin, dass der erzeugte Strom in das Versorgungsnetz des Energieversorgers eingespeist werden kann. Akkumulatoren werden hierbei nicht eingesetzt. Damit entfällt ein erheblicher Material- und Kostenfaktor. Aufgrund des Wirkungsgrades von Akkumulatoren kämen zusätzliche Energieverluste hinzu, während beim Netzparallelbetrieb fast die gesamte Solarenergie bei den Verbrauchern ankommt. Das Netz liefert wie gewohnt die benötigte Energie, auch wenn die Sonne nicht scheint.

Netzunabhängige Photovoltaik-Anlagen – so genannte Inselanlagen – werden hauptsächlich dort eingesetzt, wo eine Versorgung aus dem öffentlichen Netz nicht oder nur mit hohem Aufwand möglich ist.

Eine netzgekoppelte PV-Anlage besteht im wesentlichen aus folgenden Komponenten:
• PV-Generator (mehrere PV-Module in Reihen- und Parallelschaltung mit Montagegestell)
• Generatoranschlusskasten
• Gleich- und Wechselstromverkabelung
• Wechselrichter
• Schutz- und Zähleinrichtungen

Das Photovoltaikmodul
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. 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 Halbleitermaterial erzielen kann. Werden zwei unterschiedlich dotierte Halbleiterschichten gebildet, entsteht an der Grenzschicht ein sogenannter p-n-Übergang.
Um für die unterschiedlichen Anwendungsbereiche geeignete Spannungen bzw. Leistungen bereitstellen zu können, werden einzelne Solarzellen zu größeren Einheiten miteinander verschaltet. Eine Serienschaltung der Zellen hat eine höhere Spannung zur Folge, eine Parallelschaltung einen höheren Strom. Die miteinander verschalteten Solarzellen werden meist in transparentem Ethylen-Vinyl-Acetat eingebettet, mit einem Rahmen aus Aluminium oder Edelstahl versehen und frontseitig transparent mit Glas abgedeckt. Die Kenndaten der Solarmodule beziehen sich auf die Standardtestbedingungen von 1000 W/m2 Sonneneinstrahlung bei 25 °C Zelltemperatur. Die von den Herstellern angegebenen Garantiezeiten sind mit in der Regel 10 Jahren recht hoch und bezeugen den hohen Qualitätsstandard und die hohe Lebenserwartung heutiger Produkte.

Wechselrichter
Zur Einspeisung der von Photovoltaik-Generatoren erzeugten elektrischen Leistung (Gleichgrößen) in das Niederspannungs-Netz, muss diese in Wechsel- bzw. Drehstromgrößen umgeformt werden, wobei für Leistungen bis 5 KW die einphasige Einspeisung zulässig ist. Bei größeren Photovoltaik-Systemen oder bei Ankopplung an das öffentliche Netz wird 220V-Wechselspannung benötigt. Der Wechselrichter wandelt die vom Solargenerator oder der Batterie gelieferte Gleichspannung in diese Wechselspannung um.