Photovoltaikanlage

In einer Fotovoltaikanlage, abgekürzt PV-Anlage aus der Schreibweise Photovoltaikanlage, auch Solarstromanlage genannt, findet die direkte Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie statt. „Direkt“ bedeutet: ohne einen Umweg über Energiezwischenträger wie z. B. Wasser oder Dampf. Mit diesem Gebiet der Energiewandlung beschäftigt sich die Fotovoltaik.

Aufbau

Eine Fotovoltaikanlage besteht aus mehreren Komponenten. Der Generator empfängt und wandelt die Lichtenergie in elektrische Energie in Form von Gleichstrom um. Als Empfänger dient entweder die Solarzelle direkt oder aber ein optisches System, bei dem Spiegel oder Linsensysteme die Strahlung auf die Zellen umleiten und eventuell konzentrieren. Eine Konzentration, häufig mit einer Fresnellinse, findet statt, wenn die Strahlung auf einer Fläche eingesammelt wird, die größer als die Empfängerfläche ist. Dann muss der Spiegel oder das Linsensystem den Strahlengang so ändern, dass die eingefangene Strahlung insgesamt auf die Empfängerfläche trifft. Die Solarzelle dient in jedem Fall als Wandler der Strahlungsenergie durch Ausnutzung des photovoltaischen Effektes. Aufgrund der sehr geringen elektrischen Spannung einer einzelnen Solarzelle werden mehrere zu Solarmodulen zusammengefasst. Für einen Generator werden eines oder mehrere Module benötigt.

Die elektrische Energie wird nun über Kabel dem System zugeführt. Sie kann entweder gespeichert (Inselanlage) oder aber in ein elektrisches Netz, zum Beispiel das öffentliche Stromnetz, eingespeist werden (Hybridanlage, netzgekoppelte Anlage). Abhängig von der Verwendung der Energie besteht der weitere Teil der PV-Anlage aus verschiedenen Komponenten.

Die einzelnen Komponenten einer PV-Anlage müssen entsprechend dem vorliegenden Lastprofil der elektrischen Verbraucher und der jeweils notwendigen Energiespeicher oder der Netzgegebenheiten aufeinander abgestimmt sein, um einen hohen Energieertrag zu gewährleisten.

Inselsystem, Inselanlage

Eine Inselanlage hat keine Verbindung zu einem größeren (normalerweise dem öffentlichen) Stromnetz. Bei einer fotovoltaischen Inselanlage findet meistens eine Pufferung des gewonnenen Stromes in Solarbatterien statt. Am häufigsten werden Bleiakkumulatoren verwendet. Je nach Aufbau der Anlage können nur Gleichstromverbraucher oder , mit einem Wechselrichter, beide Verbrauchertypen gleichzeitig betrieben werden.

In vielen Kommunen werden z.B. Parkscheinautomaten mit Solar-Inselanlagen betrieben, da diese Form der Energieversorgung billiger ist als die Anschlusskosten für das öffentliche Stromnetz. In Wohnmobilen können Solarmodule die Stromversorgung während des Stillstandes übernehmen bzw. ergänzen. Auch Solar-Taschenrechner(ohne Speicherung) stellen ein Inselnetz dar.

Zum ordnungsgemäßen Betrieb der Akkus ist der Einsatz eines Ladereglers notwendig. Beim Betrieb von Wechselstromverbrauchern (z.B. 230 V-Wasserpumpe) wandelt ein Wechselrichter die Systemspannung, meist 12 oder 24 V Gleichspannung, in Wechselstrom um. Diese Wechselstromquelle darf i.d.R. nicht mit dem öffentlichen Netzwerk gekoppelt werden, da die 50 Hertz Sinuskurve des Wechselrichters nicht mit der des öffentlichen Stromnetzes synchronisiert ist.

In Gegenden mit unsicherer elektrischer Versorgung durch das öffentliche Netz gibt es auch die Möglichkeit, eine normalerweise netzgekoppelte Anlage zu betreiben – fällt das Netz aus, so geht die Anlage (automatisch oder manuell) in den Inselbetrieb. Hierzu ist ein spezieller Wechselrichter oder aber ein Detektor mit zwei verschiedenen Wechselrichtern notwendig.

Inselanlagen können auch weitere Formen der Energieerzeugung beinhalten. So werden häufig kleine Windgeneratoren oder Diesel-Stromaggregate zur Erhöhung der Versorgungssicherheit eingesetzt.

Raumfahrt

Wesentliche Entwicklungsschübe erhielt und erhält die Solartechnik aus der Raumfahrt. Fast alle Satelliten nutzen Solarzellen als Quelle für die elektrische Stromversorgung an Bord und für den Betrieb der installierten Instrumente. Dazu zählen auch die Raumstationen.

Hybridsystem oder -anlage

Bei einem Hybridsystem handelt es sich ebenfalls um eine Inselanlage, wobei zur elektrischen Versorgung mehrere verschiedenartige Generatoren vorhanden sind. So ist zum Beispiel die Kombination einer PV-Anlage mit einem Dieselgenerator und Akkumulatoren eine in der Praxis häufiger vorkommende Kombination. Es können aber auch andere Generatoren wie Windenergieanlagen, Biogas-Anlagen usw. in Kombination mit einer PV-Anlage betrieben werden.

Bei Inselanlagen mit normalerweise begrenzter Energielieferkapazität spielt das Lastmanagement eine entscheidende Rolle. Es dürfen nie zu viele Verbraucher im Netz vorhanden sein, da dieses sonst zusammenbricht (Netzüberlastung, Stromausfall). Es muss gleichfalls eine sichere Abnahme der generierten Energie möglich sein, da es sonst zum Beispiel zu Spannungsüberhöhungen und damit verbunden zur Zerstörung von elektrischen Verbrauchern kommen kann. Hier kann ein Pufferakku dazu dienen, überschüssige Kapazitäten zu speichern und diese in Zeiten höheren Bedarfs wieder abzugeben.

Inselnetze haben ähnliche Probleme wie große öffentliche Netze, wobei hier häufig nicht die garantierte Versorgungssicherheit für alle angestrebt wird, sondern zum Beispiel in einem Krankenhaus vor allem die wichtigsten Funktionen (Operationssäle, lebenserhaltende Maschinen) sichergestellt sein müssen. Weitere Verbraucher können nach verschiedenen Abwägungen ab- oder zugeschaltet werden. Oft spielen hier auch soziale Probleme eine Rolle (wer wird als erstes vom Netz geschaltet, wenn zu wenig Kapazität zur Verfügung steht).

Ertrag einer Solarstromanlage

In Deutschland kann ein mittlerer Energieertrag von ca. 650 kWh bis hin zu 1150 kWh pro kWpeak (kWp) installierten Leistung der Anlage und Jahr erwarten werden. Kilowatt peak beschreibt die Nennleistung der Anlage unter Normbedingungen, die jedoch in Realität nur bei optimalen Bedingungen erreicht wird. Vor allem in den letzten sonnenreichen Jahren gab es in Süddeutschland nicht selten Erträge über 1200 kWh. Betrachtungen zum Flächenbedarf von Fotovoltaikanlagen sind in Potential der Fotovoltaik zu finden.

Insbesondere die höheren Werte sind jedoch nur in guten Lagen (vorwiegend Süddeutschland beziehungsweise Gebirgslagen) bei Freiflächen- und Dachanlagen zu erzielen. Je nach den lokalen Klimaverhältnissen kann der Wert auch etwas darüber oder darunter liegen und von Jahr zu Jahr abhängig vom Wetter bis zu 20 Prozent von den Vorjahresergebnissen abweichen. Auch eine Verschattung von Modulen oder auch nur Teilen von Modulen zum Beispiel durch Fahnenmasten, Bäume, Nachbarbebauung oder ähnliches kann zu erheblichen Ertragseinbußen führen. Teilweise sind die Erträge von Anlagen im Internet direkt einzusehen.

Der Gesamtwirkungsgrad einer Anlage ist abhängig von den verwendeten Komponenten. Die Kernkomponenten bilden dabei die Solarzellen und die Wechselrichter. Speziell letztere haben mit dem durch staatliche Förderung (EEG) verstärkten Ausbau der Fotovoltaik Verbesserungen im Wirkungsgrad und in der Zuverlässigkeit erfahren. Beim Gesamtwirkungsgrad zu berücksichtigen ist weiterhin, dass die Sonne nicht den ganzen Tag scheint. Der Aufwand für die entsprechenden Sicherungsmechanismen (Dieselaggregate, konventionelle Kraftwerke, atomare Stromerzeuger etc. etc.) muss in der Energiebilanz – jedenfalls bei Anlagen, die in die Grundversorgung einspeisen – berücksichtigt werden.

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