Photovoltaik - Photovoltaikanlagen
Photovoltaikanlagen werden auch PV-Anlagen oder Solarstromanlage genannt. In diesen Anlagen wird Sonnenstrahlung mit Hilfe von Solarzellen direkt in elektrische Energie umgewandelt. Es erfolgt keine Zwischenumwandlung in mechanische oder Wärmeenergie. Die Gesamtwirkung einer photovoltaischen Anlage ist abhängig von den verwendeten Komponenten. Kern der Anlage sind die Solarzellen, die in Modulen zusammengefasst sind, sowie die Wechselrichter. Aber jede noch so gute Komponente bringt schlechte Ergebnisse, wenn die Sonneneinstrahlung zu sehr schwankt. Schwankungen können durch die Jahreszeiten, das Wetter oder die Tageszeit, aber auch durch eine Verschattung von Modulen durch Nachbarbebauung, zu dünne Querschnitte oder zu lange Kabelstrecken entstehen. In Anbetracht der wachsenden Anzahl von Photovoltaikanlagen in den letzten Jahren sahen sich einige internationale Gremien gezwungen, Normen zur Qualitätssicherung zu erarbeiten. Mittlerweile gibt es Normprojekte unter anderem für
Solarzellen, der Verifizierung von Simultationsprogrammen, für Photovoltaik im Bauwesen, den Gesamtwirkungsgrad von Wechselrichtern, zu Messverfahren, Prüfabläufen für Zulassungsprüfungen und viele mehr.
Aufbau
Die wichtigsten Komponenten einer Photovoltaikanlage sind die in Reihe geschalteten Solarzellen in Form von Solarmodulen und der Wechselrichter. Die Solarmodule wandeln die Lichtenergie unter Ausnutzung des photovoltaischen Effekts in Gleichstrom um. Die Empfängerfläche bildet das Solarmodul oder ein optisches System, bei dem Spiegel oder Linsensysteme die Strahlung auf die Solarzellen umleiten und konzentrieren. Somit ist eine mechanische Nachführung nach dem Sonnenstand möglich, was teure Solarzellen spart. Die elektrische Energie gelangt über Kabel ins restliche System. Sie kann entweder gespeichert oder in ein Netz eingespeist werden. Die einzelnen Komponenten der Anlage müssen gemäß dem Lastprofil der elektrischen Verbraucher und der Energiespeicher oder der Netzgegebenheiten aufeinander abgestimmt werden. Nur so kann ein hoher Energieertrag erreicht werden.
Solarzellen
Eine Solarzelle ist in der Lage, die im Licht enthaltene Strahlungsenergie direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Physikalisch spricht man dabei vom photovoltaischen Effekt als Sonderfall des inneren photoelektrischen Effekts. Solarzellen unterscheidet man üblicherweise nach der Materialdicke, dem Material selbst und der Bauweise. In Bezug auf die Materialdicke wird zwischen Dickschicht- und Dünnschichtzellen differenziert. Solarzellen bestehen beispielsweise aus den kristallinen Materialien, amorphen Stoffen oder Halbleitern CdTe, GaAs, CuInSe. Am meisten sind jedoch Silizium-Zellen verbreitet. Neue Ansätze ermöglichen auch Solarzellen aus organischen Materialien oder Farbstoffen. In der Bauform unterscheiden sich Solarzellen nach ihrer Oberflächenstrukturierung und der Anordnung der Kontaktierung der Deckelektrode. Zudem entstehen durch Materialkombinationen Stapeltechniken im Aufbau. Zur Energiegewinnung verschaltet man Solarzellen meist zu Solarmodulen. Mit Leiterbahnen werden die Solarzellen dabei in Reihe geschaltet. Schutz-Dioden verhindern einen Lawinendurchbruch, falls Zellen abgeschattet werden sollten.
Solarmodule
Solarmodule bestehen aus einzeln oder in Gruppen in Reihe geschalteten Solarzellen. Ein oder mehrere Module bilden den Solargenerator. Sie werden durch ihren elektrischen Anschlusswert charakterisiert. Dieser Wert ist abhängig von den Eigenschaften der Solarzellen und ihrer Verschaltung innerhalb des Moduls. Solarmodule bieten eine transparente, aber strahlungs- und witterungsbeständige Abdeckung der Solarzellen. Sie verfügen über robuste elektrische Anschlüsse, ausreichend Kühlung für die Zellen, Berührungsschatz der elektrisch leitenden Bauteile sowie über Handhabungs- und Befestigungsmöglichkeiten. Darüber hinaus schützen sie die Solarzellen und die elektrischen Verbindungen vor Feuchtigkeit und mechanischen Einflüssen. Ein typisches Solarmodul verfügt über eine Glasscheibe auf der zur Sonne gewandten Seite. Die Solarzellen sind in eine transparente Kunststoffschicht eingebettet. Sie werden durch Lötbändchen miteinander verschaltet. An der Rückseite des Solarmoduls befindet sich eine witterungsfeste Kunststoffverbundfolie. Eine Anschlussdose mit Freilaufdiode führt zum Anschlussterminal. Zu Schutzzwecken und zur besseren Handhabung und Optik rahmt ein Aluminiumprofil die Glasscheibe ein.
Wechselrichter
Der Wechselrichter richtet Gleichspannung in Wechselspannung um. Da das Solarmodul bei der Umwandlung in elektrischen Strom lediglich Gleichstrom produziert, ist ein so genannter netzgeführter Wechselrichter nötig, der diesen Gleichstrom in einen Wechselstrom umwandelt. Nur so kann der Strom entweder gleich verwendet oder in ein Stromnetz eingespeist werden. Der Wechselrichter passt Frequenz und Phase an das Netz an und kann die Solaranlage bei Netzstörungen abschalten. Bei den Wechselrichtern für netzgekoppelte Photovoltaikanlagen unterscheidet man drei Varianten: Modulwechselrichter, Stringwechselrichter und Zentralwechselrichter.
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