Photovoltaik Grundlagen

Photovoltaik Modul

Das Photovoltaikmodul, PV-Modul, Solarmodul oder Solarpanel genannt, wandelt das Licht der Sonne direkt in elektrische Energie (Gleichstrom) um. Das Modul besteht aus Solarzellen, die in Reihe oder parallelgeschaltet sind. Solarmodule sind als flexible und starre Ausführung verfügbar. Starre Solarmodule bestehen üblicherweise aus siliziumbasierten Solarzellen, die zwischen zwei Glasplatten (Glas-Glas-Modul) oder einer Glasplatte und einer Rückseitenfolie (Glas-Folien-Modul) mittels Einbettungsmaterial hermetisch verkapselt sind. Siliziumbasierte PV-Module werden meist in einen Aluminiumrahmen eingeklebt, der der Montage dient.

Wechselrichter

Da das Stromnetz auf Wechselspannungstechnik basiert, benötigt man einen Wechselrichter der den Gleichstrom der PV-Module in Wechselstrom für unsere normalen Verbraucher (Haushaltsgeräte, Licht, etc.) umwandelt.

In der Regel wählt man einen Wechselrichter passend zur Leistung eines Verbunds von PV-Modulen.

Wechselrichter sollten in Ihrer Leistung für die Energiemenge der PV-Module optimiert sein. Sind Wechselrichter zu groß ausgelegt, können Sie Verluste produzieren. Sind sie zu klein ausgelegt, können Sie überlastet werden und vorzeitig altern oder zerstört werden.

Hybrid-Wechselrichter

Hybride Wechselrichter können sowohl PV-Module wie auch Batterie-Module nutzen. Sie steuern die Energieströme und verschiedenen Spannungniveaus automatisch.

Mikrowechselrichter

Mikrowechselrichter werden in der Regel für ein einzelnes PV-Modul genutzt. Es gibt aber auch Anwendungen für kleine PV-Flächen von 1 bis 4 Modulen.

Wechselrichter-Optimierer

Optimierer gleichen Probleme von verschatteten PV-Module innerhalb von PV-Modulverbänden an einem Wechselrichter aus. Sie dienen dazu die maximal verfügbare Leistung einer PV-Anlage mit Verschattungen zu erzielen.

Batterienspeicher

Batterien können dazu genutzt werden die produzierte Energie des Tages in der Nacht zu nutzen oder um volatile Solarstrahlung (Wolken) auszugleichen, sowie um Spitzenlasten von Verbrauchern abzudecken.

Batterien sind aber nicht geeignet, um Energie über Monate zu speichern und so vom Sommer in den Winter zu bringen.

Ausrichtung

PV-Module produzieren die meiste Energie unter direkter Sonneneinstrahlung. Daher hat man bisher PV-Anlagen gerne nach Süden ausgerichtet. Da man heute aber die meiste Energie selbst verbrauchen möchte, ist eine Ost-West Ausrichtung sehr attraktiv.

Selbst Anlagen mit Nordausrichtung produzieren heute ca. 30% ihrer Nennleistung.

Die optimale Neigung der PV-Module liegt in unserer Region zwischen 20 und 54 Grad zum Horizont, abhängig von der Jahreszeit. Da man die Module aber fest montiert ist ein Montagewinkel von 35-45 Grad optimal. Jedoch ist auch jeder andere Winkel lukrativ besonders, wenn man Flächen mit verschiedenen Winkeln mischen kann.

Wer den Sonnenverlauf an seinem Standort übers Jahr simulieren möchte kann das z.B. mit der Sonnenverlauf.de Webseite tun.

Verschattung

Wenn eine PV-Anlage aus mehreren Modulen im Laufe des Tages komplett oder teilweise von einem Schatten eines Objektes z.B. Baum, Gaube, Kamin, etc. überlaufen wird, spricht man von Verschattungen.

Die Verschattung erhöht in den betroffenen PV-Modulen den Innenwiderstand.

Da alle PV-Module einer Fläche in Reihe geschaltet werden, reduziert eine Verschattung nicht nur die Leistung des betroffenen Moduls, sondern der gesamten Anlage!

Es gibt technische Lösungen, so dass Teilverschattung kein grundsätzliches Problem mehr für eine PV-Anlage ist.

Wechselrichter Maximum Power Point (MPP) Tracking

Stellt der Wechselrichter fest, dass Module verschattet sind, erhöht er die Spannung des Gesamtsystems so, dass die verschatteten PV-Module Ihren „Bypass“ aktiveren und sich aus dem Verband abschalten. Die Gesamtleistung des Systems ist dann höher auch wenn die Leistung der verschatteten PV-Module dann nicht mehr abgenommen, was aber zu Wärmeproblemen führen kann.

Diese Lösung ist für kleine Schatten von z.B. Satellitenschüssel gut geeignet.

Microwechselrichter

Ein weiterer Ansatz für kleine PV-Anlagen kann die Nutzung eines Wechselrichters pro Modul sein. Hier kann dann jedes Modul seine maximale Leistung mit oder ohne Schatten abgeben. Da viele kleine Wechselrichter etwas teurer sind als ein großer, gibt es einen Kostenpunkt, an dem diese Lösung nicht mehr sinnvoll ist. Ebenfalls muss die Temperaturentwicklung von PV-Modul und lokalem Wechselrichtern, sowie die aufwendigere Verkabelung bedacht werden.

Optimierer

Möchte man mit einem Wechselrichter für eine Anlage aus mehreren verschatteten PV-Modulen die größtmögliche elektrische Leistung generieren, so bieten sich Systeme mit Optimierern an. Ihr Zweck ist es sowohl die Reduktion der Gesamtsystemleistung durch eine Verschattung als auch die Deaktivierung von verschatteten Modulen zu verhindern. Dadurch ist eine Effizienzsteigerung um 1% bis 5% möglich. Die Optimierer sollten für den Fall einer Reparatur leicht zugänglich sein.

Es gibt zwei prinzipielle Ansätze.

Der erste nutzt Optimierer nur an verschatten PV-Modulen. Zweck ist es den Innenwiderstand des Gesamtsystems niedrig zu halten und trotzdem die Leistung der verschatteten Module noch in den Strang einzuspeisen.

Der zweite Ansatz nutzt Optimierer an allen Modulen und erzeugt ein eigenes Stromsystem zwischen Wechselrichter und Optimierern das die beste Leistung jedes einzelnen PV-Moduls abliefern kann. Letzteres System kann auch noch den Vorteil zusätzlicher Funktionen und eines Monitorings jedes einzelnen Moduls mitbringen. Nachteil ist das dieses interne Stromsystem selbst auch Leistung benötigt.

Der erste Ansatz eignet sich gut für Schatten durch kleine Gauben und Schornsteine.

Der zweite Ansatz ist optimal für komplizierte Flächen mit verschiedenen Ausrichtungen, Winkeln und Schatten.