Ein Solarmodul ( Photovoltaikanlage, PV) besteht aus einem oder mehreren Photovoltaik-Modulen in Kombination mit einem Wechselrichter und anderen elektrischen sowie mechanischen Geräten, um die Energie der Sonne zur Stromerzeugung zu nutzen. Solche PV-Systeme können stark in ihrer Größe variieren, von kleinen Dach- oder tragbaren Anlagen bis hin zu riesigen Kraftwerken im Maßstab der Energieversorgung. Obwohl PV-Systeme unabhängig als netzunabhängige PV-Systeme betrieben werden können, konzentriert sich dieser Artikel auf Systeme, die mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden sind, oder netzgekoppelte PV-Systeme.
Was ist der Unterschied zwischen Photovoltaik und Solarmodulen?
Photovoltaik und Solarmodule sind Begriffe, die oft im Zusammenhang mit erneuerbarer Energie verwendet werden, insbesondere wenn es um die Nutzung von Sonnenlicht zur Stromerzeugung geht. Doch was genau bedeuten diese Begriffe und wie unterscheiden sie sich voneinander?
Photovoltaik bezieht sich auf den Prozess der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie. Es handelt sich um eine Technologie, die auf dem photovoltaischen Effekt basiert, bei dem Solarzellen Licht in elektrischen Strom umwandeln. Diese Technologie kann in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, von kleinen Taschenrechnern bis hin zu großen Solaranlagen.
Solarmodule sind die physischen Bausteine, die in Photovoltaiksystemen verwendet werden, um Sonnenlicht aufzunehmen und in elektrischen Strom umzuwandeln. Diese Module bestehen aus mehreren Solarzellen, die in einem Gehäuse montiert sind. Die Solarzellen sind so angeordnet, dass sie das einfallende Sonnenlicht optimal erfassen können.
Der Hauptunterschied zwischen Photovoltaik und Solarmodulen liegt also in der Begrifflichkeit: Photovoltaik beschreibt den Prozess der Stromerzeugung aus Sonnenlicht, während Solarmodule die tatsächlichen Bausteine sind, die in diesem Prozess verwendet werden. In der Praxis werden diese Begriffe jedoch oft synonym verwendet, da sie eng miteinander verbunden sind.
Insgesamt spielen Photovoltaik und Solarmodule eine entscheidende Rolle bei der Nutzung sauberer und erneuerbarer Energiequellen. Sie tragen dazu bei, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu reduzieren und den Weg für eine nachhaltige Energiezukunft zu ebnen.
Ist die Photovoltaikanlage AC oder DC?
Im Bereich der Solarelektrizität ist es wichtig, den Unterschied zwischen Wechselstrom und Gleichstrom zu verstehen. Die Photovoltaik-Technologie arbeitet mit Gleichstrom, was bedeutet, dass der aus dem Solarpanel kommende Strom reiner Gleichstrom ist. Allerdings kann diese unregulierte Gleichstromquelle nicht direkt für Versorgungsanwendungen verwendet werden. Daher ist eine elektronische Schaltung erforderlich, um die Stromquelle in nutzbare Energie umzuwandeln, sei es Gleichstrom oder Wechselstrom.
Die Entscheidung, ob in Photovoltaiksystemen Gleichstrom oder Wechselstrom verwendet werden soll, ist eine herausfordernde. Beide Optionen können je nach AC- oder DC-Systemtyp und Anwendung besser geeignet sein. Es ist wichtig zu bedenken, dass die allgemeine Stromversorgung unserer Industrien, Büros usw. auf Wechselstrom basiert und die meisten Geräte, elektrischen Geräte, Lichter, Ventilatoren usw. auf dem Markt mit Wechselstrom betrieben werden.
In einem Gleichstromsystem hat das System den Vorteil, Gleichstrom-Wechselstrom-Konvertierungsverluste zu vermeiden. Es reduziert auch die Kosten für Inverter-Schaltungen oder Umkehrtechnologien. Allerdings können DC-basierte Systeme nur auf niedrigeren Standard-Gleichstromspannungen wie 6 V, 12 V, 2 V und 8 V betrieben werden.
AC-Systeme erfordern eine zusätzliche Inverter-Schaltung, um den Gleichstrom in eine verwendbare Ein- oder Dreiphasen-Wechselstromquelle umzuwandeln.
Wie funktionieren Photovoltaikanlagen?
Das Sonnenlicht, bestehend aus Energiepaketen namens Photonen, trifft auf ein Solarpanel und erzeugt durch den sogenannten Photovoltaikeffekt elektrischen Strom. Jedes Modul erzeugt zwar relativ wenig Energie, aber sie können miteinander verbunden werden, um als Solaranlage größere Energiemengen zu generieren. Der von einem Solarpanel oder einer Solaranlage erzeugte Strom liegt in Form von Gleichstrom (DC) vor. Obwohl viele elektronische Geräte, einschließlich Ihrer Telefone oder Laptops, Gleichstrom verwenden, sind sie für den Betrieb mit dem Stromnetz ausgelegt, das Wechselstrom (AC) liefert und benötigt.
Um den erzeugten Solarstrom nutzen zu können, muss er zunächst mithilfe eines Wechselrichters in Wechselstrom umgewandelt werden. Dieser Wechselstrom vom Wechselrichter kann dann entweder zur lokalen Stromversorgung von elektronischen Geräten verwendet oder ins Stromnetz eingespeist werden, um anderswo genutzt zu werden.
Systemkomponenten
Neben den Solarpanelen gibt es noch andere wichtige Bestandteile einer Photovoltaikanlage, die allgemein als “Balance of System” oder BOS bezeichnet werden. Diese Komponenten machen in der Regel mehr als die Hälfte der Systemkosten aus und sind größtenteils für die Wartung verantwortlich. Dazu gehören Wechselrichter, Montagesysteme, Verkabelungen, Kombinierer, Trennschalter, Leistungsschalter und Stromzähler.
Sonnenkollektor
Ein Solarmodul setzt sich aus vielen Solarzellen zusammen, die Halbleitereigenschaften aufweisen und in einem schützenden Material eingekapselt sind. Diese Eigenschaften ermöglichen es den Zellen, Licht, genauer gesagt die Photonen der Sonne, einzufangen und durch den sogenannten photovoltaischen Effekt in nutzbaren Strom umzuwandeln. An beiden Seiten des Halbleiters befindet sich eine Schicht aus leitendem Material, um den erzeugten Strom zu sammeln. Außerdem ist die beleuchtete Seite des Moduls mit einer Antireflexionsbeschichtung versehen, um Verluste durch Reflexion zu minimieren. Die Mehrheit der weltweit hergestellten Solarmodule besteht aus kristallinem Silizium, das theoretisch einen Wirkungsgrad von 33 % hat, um Sonnenenergie in Strom umzuwandeln. Es wurden jedoch auch viele andere Halbleitermaterialien und Solarzellentechnologien entwickelt, die einen höheren Wirkungsgrad aufweisen, aber mit höheren Herstellungskosten verbunden sind.
Wechselrichter
Ein Wechselrichter ist ein elektrisches Gerät, das den elektrischen Strom von Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) umwandelt. In Solarenergiesystemen bedeutet dies, dass der Gleichstrom, der von den Solarmodulen erzeugt wird, durch den Wechselrichter geleitet und in Wechselstrom umgewandelt wird. Diese Umwandlung ist notwendig, um die meisten elektrischen Geräte zu betreiben oder das Solarsystem mit dem Stromnetz zu verbinden. Wechselrichter spielen eine entscheidende Rolle in fast allen Solarenergiesystemen und sind in der Regel nach den Solarmodulen selbst die kostspieligste Komponente. Die meisten Wechselrichter haben einen Umwandlungswirkungsgrad von 90 % oder höher und verfügen über wichtige Sicherheitsfunktionen wie Erdungsschlussstrom-Unterbrechung und Schutz vor Inselbildung. Diese Funktionen sorgen dafür, dass das Photovoltaik-System bei einem Stromausfall abgeschaltet wird.
Regale
Unter Montagesystemen versteht man die Strukturen, mit denen die Solarmodule am Boden oder auf dem Dach befestigt werden. Diese Vorrichtungen bestehen in der Regel aus Stahl oder Aluminium und dienen zur sicheren mechanischen Fixierung der Module. Montagesysteme müssen so konstruiert sein, dass sie extremen Wetterbedingungen wie starkem Wind oder hohen Schneemassen standhalten können. Ein weiteres wichtiges Merkmal ist die ordnungsgemäße elektrische Verbindung und Erdung der Solaranlage, um elektrische Schläge zu vermeiden. Dachmontagesysteme gibt es in zwei Hauptvarianten: Flachdachsysteme und Schrägdachsysteme.
Bei Flachdächern werden in der Regel Ballastgewichte eingesetzt, um das System durch die Schwerkraft am Platz zu halten. Bei schrägen Dächern muss das Montagesystem mechanisch an der Dachkonstruktion befestigt werden. Bodenmontierte PV-Systeme, wie in Abbildung 4 dargestellt, können entweder mit Ballastgewichten oder mechanischen Ankern am Boden befestigt werden. Einige bodenmontierte Systeme beinhalten auch Nachführsysteme, die Motoren und Sensoren verwenden, um die Sonne am Himmel zu verfolgen und so die erzeugte Energiemenge zu maximieren, jedoch mit höheren Ausrüstungs- und Wartungskosten verbunden.
Andere Komponenten
Zu den weiteren Komponenten einer typischen Solar-PV-Anlage gehören Kombinierer, Trennschalter, Leistungsschalter, Messgeräte und Verkabelung. Ein Solarkombinator verbindet, wie der Name schon sagt, zwei oder mehr elektrische Kabel zu einem größeren. Kombinierer sind in der Regel mit Sicherungen zum Schutz ausgestattet und werden in mittleren bis großen Solaranlagen und im Versorgungsmaßstab eingesetzt. Trennschalter dienen als elektrische Tore oder Schalter, die das manuelle Trennen eines Stromkabels ermöglichen. Diese Geräte werden normalerweise auf beiden Seiten des Wechselrichters verwendet, nämlich für die “DC-Trennung” und die “AC-Trennung”.
Sie gewährleisten eine elektrische Isolierung, wenn ein Wechselrichter installiert oder ausgetauscht werden muss. Leistungsschalter schützen elektrische Anlagen vor Überstrom oder Überspannungen. Sie sind so konzipiert, dass sie automatisch auslösen, wenn der Strom einen bestimmten Wert erreicht. Sie können auch manuell betätigt werden und als zusätzliche Trennschalter dienen. Ein Stromzähler misst die durch ihn fließende Energiemenge und wird oft von Energieversorgungsunternehmen zur Messung und Abrechnung von Kunden verwendet. Bei Solar-PV-Systemen kommt ein spezieller bidirektionaler Stromzähler zum Einsatz, um sowohl die eingespeiste Energie vom Versorgungsunternehmen als auch die von der Solar-PV-Anlage erzeugte Energie zu messen.
Schließlich transportieren die Leitungen oder Elektrokabel die elektrische Energie von und zwischen den einzelnen Komponenten und müssen für eine ordnungsgemäße Stromübertragung richtig dimensioniert sein. Leitungen, die dem Sonnenlicht ausgesetzt sind, müssen vor UV-Strahlung geschützt sein und Leitungen, die Gleichstrom führen, benötigen manchmal eine metallische Umhüllung für zusätzlichen Schutz.
