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Wie funktio­niert eine Photovoltaikanlage?

Lesezeit: 4 Minuten

Die Nutzung von Sonnen­strahlen zur Strom­her­stel­lung ist eine der nachhal­tigsten Energie­er­zeu­gungs­me­thoden. Folglich spielen Photo­vol­ta­ik­an­lagen, in denen Solar­energie in elektri­sche Energie umgewan­delt wird, eine zentrale Rolle für den Erfolg der Energie­wende. Mit einer eigenen Solar­an­lage lassen sich auch die eigenen Strom­kosten reduzieren – doch wie funktio­nieren PV-Anlagen eigentlich? 

In diesem Blogbei­trag erklären wir Ihnen, wie eine PV-Anlage aufge­baut ist, welche die essen­ti­ellen Bestand­teile der Anlage sind, und wie genau aus Sonnen­strahlen unser Strom entsteht.

Aus welchen Funkti­ons­kom­po­nenten besteht eine Photovoltaikanlage?

Sonnen­licht ist alles, was die Solar­zellen einer Photo­vol­ta­ik­an­lage zur Strom­her­stel­lung benötigen. Doch was passiert, wenn die Solar­zellen die Licht­energie in elektri­sche Energie umgewan­delt haben? Solar­strom entsteht durch: 

Wie funktio­nieren die Solar­mo­dule bei einer Photovoltaikanlage?

Die Solar­mo­dule einer Photo­vol­ta­ik­an­lage bestehen aus mehreren einzelnen Solar­zellen, die mitein­ander in Reihen­schal­tung zusam­men­ge­schaltet sind. Ein Solar­modul ist eine “Platte”, die man auf einem Hausdach sehen kann. Im Schnitt besteht eine Photo­vol­ta­ik­an­lage aus 10 bis 36 Solar­mo­dulen, die in der ertrag­reichsten, d.h. sonnen­reichsten, Ausrich­tung auf dem Dach eines Hauses oder Gewerbes befinden. Die Solar­zellen bestehen aus sogenannten Halblei­t­er­schichten aus Silizium, aus denen Elektronen durch die Sonnen­ein­strah­lung freige­setzt werden und somit elektri­sche Energie erzeugen (photo­vol­ta­i­scher Effekt). Lesen Sie weiter zum Aufbau einer Solar­zelle in unserem Gloss­ar­bei­trag zum Thema. Im Solar­modul wird also das Licht der Sonne also direkt in elektri­sche Energie, genauer in Gleich­strom (DC), umgewan­delt. Dieser Strom ist aller­dings noch nicht im Haushalt oder für die Einspei­sung ins öffent­liche Netz verwendbar und muss zunächst in Wechsel­strom (AC) umgewan­delt werden. Für die Umwand­lung in Wechsel­strom benötigt man einen Wechselrichter. 

Wie funktio­niert ein Solar­an­lagen Wechselrichter?

Der Gleich­strom aus dem Solar­modul wird mittels eines Solar­ka­bels an den Wechsel­richter weiter­ge­leitet und dort zu Wechsel­strom umgewan­delt. Wechsel­richter sind Strom­wandler und stellen die Verbin­dungs­stelle zwischen dem Solar­modul und dem häusli­chen oder öffent­li­chen Strom­netz her. Ohne den Wechsel­richter wäre der Strom aus den Solar­mo­dulen nicht verwendbar – der Wechsel­richter ist daher neben den Solar­mo­dulen der zentrale Bestand­teil einer Photo­vol­ta­ik­an­lage. Wechsel­richter erfüllen je nach Modell, der Größe und des Stand­orts der Anlage verschie­dene andere Funktionen: Sie können beispiels­weise die gesamte Anlage steuern und überwa­chen, Betriebs­daten erfassen oder die Netzein­spei­sung unter­bre­chen und somit das Netz vor Überlas­tung schützen. Wechsel­richter werden im Haus angeschlossen, nach Möglich­keit in kühlen Räumen, da bei der Stromum­wand­lung Wärme entsteht, die an die Umgebung abgegeben wird. 

Welche Arten von Wechsel­rich­tern gibt es?

Der Wechsel­richter ist immer auf die Photo­vol­ta­ik­an­lage zugeschnitten. Man unter­scheidet im Wesent­li­chen zwischen zwei Wechsel­richter-Typen: dem Solar­wech­sel­richter und dem Batte­rie­wech­sel­richter.  Der Solar­wech­sel­richter wandelt, wie oben beschrieben, den Gleich­strom in handels­üb­li­chen Wechsel­strom um, damit er im Haushalt verbraucht oder ins öffent­liche Strom­netz einge­speist werden kann.  Um Strom speichern zu können, gibt es die sogenannten Batte­rie­wech­sel­richter, die den Wechsel­strom vor der Speiche­rung in Batte­rie­spei­chern wieder in Gleich­strom umgewan­delt werden, da die Speicher nur Gleich­strom aufbe­wahren können. Unter den Solar­wech­sel­rich­tern unter­scheidet man ferner zwischen verschie­denen Wechsel­rich­tern: Modul­wech­sel­richter werden meist bei kleineren Anlagen an jeweils ein Solar­modul angeschlossen, sodass jedes Modul einen eigenen Wechsel­richter hat. Beim sogenannten String­wech­sel­richter werden mehrere Module in Reihen­schal­tung geschaltet (String). Diese Wechsel­richter sind am weitesten verbreitet und werden bei Anlagen jeder Größe einge­setzt. Zentral­wech­sel­richter werden bei großen Anlagen einge­setzt und verwalten zahlreiche Module gleichzeitig. 
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Wie funktio­niert der Zwei-Richtungs-Zähler bei einer Solaranlage?

Zwei-Richtungs-Zähler werden bei Solar­an­lagen verwendet, um den Strom zu kontrol­lieren, der ins öffent­liche Strom­netz einge­speist wird und gleich­zeitig die Menge des eigens produ­zierten Stroms zu ermit­teln, die lokal eigens verbraucht wird. Der vom Wechsel­richter gewan­delte Strom wird in einem Erzeu­gungs­zähler erfasst und in das Hausnetz einge­speist, wenn es sich um eine Anlage mit Eigen­ver­brauch handelt. Der Zwei-Richtungs-Zähler überwacht also, wieviel Strom zusätz­lich zur Eigen­erzeu­gung benötigt wird und wie viel bei überschüs­siger Produk­tion ins öffent­liche Netz einge­speist wird.

Wie funktio­niert der Photo­vol­taik Batteriespeicher?

In einem Batte­rie­strom­spei­cher kann überschüs­siger Strom aus der Solar­an­lage gespei­chert und für die Nutzung zuhause verfügbar gemacht werden. So können teure Strom­be­zugs­preise vermieden werden und Energie­kosten gesenkt werden. Mit der sinkenden Einspei­se­ver­gü­tung für den Solar­strom entscheiden sich immer mehr Privat­per­sonen dazu, den Strom ihrer Photo­vol­ta­ik­an­lage zu speichern und für den Eigen­be­darf zu verwenden. Diese Techno­logie ist eine recht neue Erfin­dung, deren Speicher­leis­tung ausbau­fähig ist. Daher wird in diesen Fällen ledig­lich der Strom in das öffent­liche Netz einge­speist, der vom Batte­rie­spei­cher nicht gespei­chert werden kann. Man unter­scheidet zwischen Lithium-Ionen-Speichern und Blei-Batte­rie­spei­chern. Man bezeichnet den Strom­spei­cher als Batte­rie­spei­cher, da es sich um einen wieder­auf­lad­baren Akku handelt. Mit dem überschüs­sigen Solar­strom wird der Akku aufge­laden, um an weniger ertrag­rei­chen Zeitpunkten den gespei­cherten Solar­strom nutzen zu können. Ohne den Batte­rie­spei­cher (auch Solar­strom­spei­cher genannt) können nur etwa 30 Prozent des erzeugten Stroms für den Eigen­ver­brauch genutzt werden. Mit einem Speicher kann die Eigen­strom­nut­zung auf bis zu 80 Prozent des Solar­stroms erhöht werden. 

Wie funktio­niert das Energie­ma­nage­ment bei einer Solaranlage?

Das Energie­ma­nage­ment­system (EMS) regelt sowohl im gewerb­li­chen, als auch im privaten Umfeld die Energie­er­zeu­gung und den Verbrauch und stellt einen bedarfs­ori­en­tierten und intel­li­genten Energie­fluss sicher. So sorgt es für den höchst­mög­li­chen Eigen­ver­brauch des Solar­stroms, indem es den überschüs­sigen Strom an den Batte­rie­spei­cher weiter­leitet. Ebenso sorgt das EMS für ein intel­li­gentes Lastma­nage­ment, sodass der Strom­ver­brauch dann statt­findet, wenn die Anlage viel Strom produ­ziert. Mit dieser Beein­flus­sung des Lastma­nage­ments werden die Sonnen­stunden optimal genutzt und teure Lastspitzen vermieden. In diesem Zuge regelt das EMS auch den Strom­ver­brauch, indem beispiels­weise zu den Verbrauchs­spitzen (Peaks) Maschinen abgeschaltet, gedros­selt oder mit gespei­chertem Strom versorgt werden. Durch den intel­li­genten Einsatz des Strom­spei­chers kann die Anlage mithilfe des EMS auch zur Netzsta­bi­lität beitragen: Schwan­kungen im Strom­netz, die durch die wetter­ab­hän­gigen Einspei­sungen der Erneu­er­baren Energien entstehen, können durch den Speicher behoben werden: Um Schwan­kungen im Netz auszu­glei­chen, kann Strom aus dem Speicher als Regel­en­ergie bereit­ge­stellt werden. Auch kann das EMS teure Notstrom­ag­gre­gate ersetzen: Bei einem Strom­aus­fall greift das EMS auf die Notstrom­funk­tion des Speichers zurück.  Das Ziel des EMS ist es, alle Verbrau­cher, Erzeuger und Energie­flüsse in Echt-Zeit hinsicht­lich des Verbrauchs, der Kosten oder der Einspei­sung zu erfassen und zu optimieren. 

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