Photovoltaikanlage

mini|Eine netzgekoppelte Freiflächen-Photovoltaikanlage (PV-Anlage) in Speyer mit dem Rhein im Hintergrund. Zu sehen sind die Hauptkomponenten, der PV-Generator, dessen Solarmodule zur Einfallsrichtung der Sonnenstrahlung geneigt auf einer Unterkonstruktion montiert sind, und in der Mitte gelb der PV-Wechselrichter, der den Gleichstrom des PV-Generators in netzsynchronen Wechselstrom umformt. Rechts neben dem Wechselrichter ein Generatoranschlusskasten. mini|Der PV-Generator einer Photovoltaik-Aufdachanlage mini|Solarpark Bhadla in Indien, Satelliten-Bild von 2020

Eine Photovoltaikanlage (auch PV-Anlage bzw. PVA oder nach einer ihrer Hauptkomponenten PV-Generator bzw. Solargenerator genannt [s. u.]) ist eine Solarstromanlage, in der mittels Solarzellen ein Teil der Sonnenstrahlung in elektrische Energie umgewandelt wird. Die dabei typische direkte Art der Energiewandlung bezeichnet man als Photovoltaik. Demgegenüber arbeiten andere Sonnenkraftwerke (z. B. solarthermische Kraftwerke) über die Zwischenschritte Wärmeenergie und mechanische Energie. In Deutschland gilt nach § 3 Nr. 1 EEG jedes Modul als eine eigenständige Anlage.Erneuerbare-Energien-Gesetz – EEG 2017 § 3 Begriffsbestimmungen. Nach § 9 EEG gelten mehrere Solarmodule ausschließlich zur Ermittlung der installierten Leistung unter bestimmten Umständen als eine Anlage.Erneuerbare-Energien-Gesetz – EEG 2017 § 9 Technische Vorgaben. EU-weit fallen PV-Anlagen unter die WEEE-Elektronikrichtlinie (Waste Electrical and Electronic Equipment Directive), wodurch die Hersteller sie am Lebensende zurücknehmen müssen.Vom erdgas-suedwest.de, 4. Juni 2020 – Wie gut funktioniert eigentlich das Recycling von Photovoltaik-Modulen? abgerufen am 1. Juni 2021.

Die Nennleistung üblicher Photovoltaikanlagen reicht vom niedrigen einstelligen kW-Bereich, wie er für Hausdachanlagen üblich ist, bis hin zu einigen MW für gewerbliche Dachanlagen, während Freiflächensolaranlagen üblicherweise mindestens im MW-Bereich angesiedelt sind.Omar Ellabban, Haitham Abu-Rub, Frede Blaabjerg, Renewable energy resources: Current status, future prospects and their enabling technology. Renewable and Sustainable Energy Reviews 39, (2014), 748–764, S. 754, doi:10.1016/j.rser.2014.07.113. Indien verfügte im Jahr 2020 über die leistungsstärkste Photovoltaikanlage, den Solarpark Bhadla, die sich bei einer Nennleistung von 2,2 GWp über eine Fläche von 57 km² erstreckt. Danach sind in China bis Ende 2024 eine Reihe von Anlagen über 3 GWp ans Netz gegangen.

Aufbau mini|Polykristalline Solarzellen in einem Solarmodul

Je nach Anlagengröße und -typ werden einzelne Solarmodule in Reihe zu sogenannten Strings verschaltet. Die Solarmodule, im technischen Einsatzfall, kleinste zu unterscheidende Bausteine einer Solaranlage, bestehen aus einer Reihenschaltung von Solarzellen, welche hermetisch gekapselt und für eine Reparatur nicht mehr zugänglich sind. Bei kristallinen Solarzellen werden die einzelnen Zellen zunächst einzeln gefertigt und abschließend durch Metallfolien verbunden. Bei Dünnschichtzellen ist die Herstellung der Verbindungen in die Prozesse zur Formierung der Zellen integriert.

Durch die Reihenschaltung von zunächst Solarzellen, mit einer Spannung von nur etwa 0,5 V, und dann Solarmodulen addiert sich die Spannung. War die maximale Systemspannung vor 20 Jahren noch auf 110 V begrenzt, um die Sicherheitsvorschriften zu erfüllen, wird durch die heutigen Solarmodule geprüft nach Schutzklasse II eine Systemspannung von 1000 V möglich. An einer weiteren Erhöhung auf 1500 V DC, dem Grenzwert der Niederspannungsdefinition nach VDE0100, wird gearbeitet.

Bereits eine quadratische, kristalline Solarzelle mit einer Kantenlänge von 156 mm (6+") ist im Arbeitspunkt bei maximaler Sonneneinstrahlung mit mehreren Ampere belastbar. Bei Reihenschaltung mehrerer Einzelzellen wird der Strom durch die Solarzelle mit dem geringsten Wert bestimmt. Gegebenenfalls werden mehrere dieser Strings gleicher Spannung und Charakteristik parallel geschaltet; dadurch addieren sich die Ströme der einzelnen Strings. Eine Parallelschaltung einzelner Module findet sich insbesondere im Inselbetrieb.

Die Solarmodule werden in der Regel auf einer Unterkonstruktion aus Systemprofilen befestigt, welche die Module idealerweise so ausrichtet, dass der höchstmögliche oder ein möglichst gleichbleibender Energieertrag über das Jahr gewährleistet wird (z. B. in Deutschland Richtung Süden und auf circa 30° angewinkelt für höchsten Energieertrag bzw. Richtung Süden und auf circa 55° angewinkelt für gleichbleibenden Energieertrag über das Jahr). Die Unterkonstruktion kann auch der Sonne nachgeführt (astronomisch, sensorisch) sein, um eine höhere Energieausbeute zu erreichen.

mini|Übersicht der Wechselrichter Handelt es sich um eine netzgekoppelte Anlage, wird mit Hilfe eines Solarwechselrichters der in den Solarmodul(en) entstehende Gleichstrom in Wechselstrom gewandelt und ins Stromnetz eingespeist. Abgesehen von den Umwandlungsverlusten, welche den Wirkungsgrad reduzieren, geschieht die Einspeisung in der Regel bei kleineren Anlagen vollständig und ohne Bezug zum tatsächlichen Strombedarf, solange das Netz am Einspeisepunkt eine hinreichende Spannungsqualität aufweist. Eine bedarfsabhängige Einspeisung (Einspeisemanagement) wurde in Deutschland mit der Neufassung des Einspeisegesetzes 2023 verbindlich für Anlagen über 25 kW festgeschrieben.Erneuerbare-Energien-Gesetz – EEG 2023 § 9 Technische Vorgaben.

Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen stellen dem Stromnetz im Normalfall keine Regelleistung zur Verfügung, da grundsätzlich ein Maximum an regenerativer Energie erzeugt werden soll. Allerdings müssen Anlagen ab 25 kW Peakleistung in Deutschland nach § 9 EEG in der Lage sein, im Falle von Netzüberlastungen ihre Leistung durch den Netzbetreiber ferngesteuert zu reduzieren. Bei vor 2023 in Deutschland in Betrieb genommenen Anlagen mit einer installierten Leistung über 7 kW muss die maximale Wirkleistungseinspeisung am Verknüpfungspunkt der Anlage mit dem Netz weiterhin auf 70 Prozent der installierten Leistung begrenzt werden, sofern keine solche Fernsteuerung nachgerüstet wurde.Erneuerbare-Energien-Gesetz – EEG 2023 § 100 – Übergangsbestimmungen.

Wechselrichter können bei Bedarf auch Blindleistung in das Netz abgeben bzw. aufnehmen, was von leistungsstärkeren Anlagen, die auf Mittelspannungsebene einspeisen, auch seit Mitte 2010 in der Mittelspannungsrichtlinie gefordert wird. Aufgrund der mittlerweile relevanten Leistung der in Deutschland installierten Photovoltaikanlagen (Stand 2021: etwa 55 Gigawatt Peakleistung ggü. 163 Gigawatt durch andere Energieträger) wird die Photovoltaik zunehmend stärker in die Netzregelung einbezogen. Daher wurde im August 2011 eine entsprechende Richtlinie für das Niederspannungsnetz in Deutschland verabschiedet.

Bei netzfernen Anlagen wird die Energie zwischengespeichert, sofern sie nicht direkt verwendet wird. Das Speichern in Energiespeichern, meist Bleiakkumulatoren, erfordert die Verwendung eines Ladereglers. Um die gespeicherte Energie für konventionelle Elektrogeräte verwenden zu können, wird sie mit Hilfe eines Inselwechselrichters in Wechselstrom umgewandelt. Für netzgekoppelte Anlagen mit Speichersystemen ist nun ein Trend zum Lithiumakku erkennbar. Vorteilhaft sind die kleineren Abmessungen bei gleicher Kapazität, nachteilig hingegen wirkt sich aktuell noch der höhere Anschaffungspreis aus.

Netzferne Stromversorgung (Inselsystem, Inselanlage) mini|hochkant|Solarbetriebener Parkscheinautomat in Hannover

Das Wesen einer netz-autarken Solarstromanlage (Inselanlage) ist die permanente – oder auch temporäre – Trennung vom öffentlichen Stromnetz. Dies kann aus verschiedenen Gründen nötig sein: Entweder, weil keine Stromversorgung vorhanden ist, oder zur Realisierung eines Backup-Systems, welches bei Stromausfällen im öffentlichen Netz die Verbraucheranlage innerhalb kürzester Zeit von diesem trennt. Mit Hilfe von Batteriespeichern und Inselwechselrichtern wird meist innerhalb von Millisekunden ein Inselsystem auf Basis der üblichen Netz-Wechselspannung aufgebaut, um die Versorgung des Haushaltes aufrechtzuerhalten. Solche Backup-Systeme eignen sich aber auch zur Steigerung des Eigenverbrauchs in üblichen netzgekoppelten Solarstromanlagen – tagsüber wird der nicht verbrauchte Strom zunächst zwischengespeichert, um dann später bei Bedarf verbraucht zu werden.

Die oben erstgenannten Inselanlagen, welche permanent ohne Netzanbindung betrieben werden, basieren bei kleineren Anwendungen auf einer mit 12 oder 24 Volt Gleichspannung betriebenen Verbraucheranlage. Im Wesentlichen besteht eine solche Anlage aus vier Komponenten: dem Solargenerator, den Ladereglern, den Akkus und den Verbrauchern. Alle diese Komponenten der Anlage sollten dem vorliegenden Lastprofil der elektrischen Verbraucher entsprechend harmonisch aufeinander abgestimmt sein, um einen hohen Nutzungsgrad zu gewährleisten.

Geschichte

mini|Raumstation ISS mit gut sichtbaren Solarmodulen – fotografiert vom Space Shuttle Endeavour während STS-130 (Februar 2010)

Raumfahrt Wesentliche Entwicklungsschübe erhielt die Photovoltaik aus der Raumfahrt. Während die ersten künstlichen Erdsatelliten nur Batterien 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 großem Abstand die meistverwendete Lösung.

Fast alle Satelliten und Raumstationen nutzen Solarzellen für ihre Stromversorgung und für den Betrieb der installierten Instrumente – einzig bei sonnenfernen Missionen werden Radionuklidbatterien eingesetzt und bei sehr kurzen Missionen manchmal chemische Batterien.

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

Telegrafenstation Eine weitere Triebfeder zur Entwicklung stellt die Telekommunikationsbranche dar. Die ersten elektrischen Relaisstationen (welche sich entlegen zwischen den meist größeren Städten befanden) zur Weiterleitung der Morsenachrichten wurden noch mit Bleiakkumulatoren realisiert, die zu 48-Volt-Gleichspannungssystemen verbunden wurden. Der Austausch der entladenen Batterien erfolgte mit Fuhrwerken, die oft Wochen unterwegs waren. Die ersten Solarmodule wurden entwickelt, um einen 12-V-Bleiakkumulator selbst bei hohen Außentemperaturen sicher zu laden. So entstand das 36-zellige 12-V-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. Dieser historische Grund liefert die Erklärung, warum auch heute noch 48-V-Gleichstromgeräte in der Telekommunikationsindustrie Verwendung finden.

Systematik Industrielle Anwendungen Kennzeichen dieser Anwendungsgruppe von solaren Energieversorgungen ist der sehr genau definierte, oft geringe Energiebedarf.

Mobile Anwendungen, wie Taschenrechner/Uhr, Handyladegerät, Solarspielzeug, Solarspringbrunnen, leuchtende Wegemarkierungen, … Stationäre Anwendungen, wie Parkautomaten, automatische Verkehrsschilder (z. B. auf Autobahnen), solarversorgte Messstellen (Trinkwasser, Abwasser, Hochwasser, Verkehr), Schiebereinrichtungen für Trinkwasser bzw. Abwasser, solare Belüftung, Schifffahrtszeichen, … Anwendungen für die Telekommunikation, wie Empfangsstationen für Mobiltelefone, WLAN-Hotspots, Richtfunkstrecken, Satelliten, …