Die Technik der Photovoltaik-Anlage
Wichtigste Bestandteile einer Photovoltaik-Anlage (PV-Anlage) sind die Solarzellen, die zu größeren Einheiten, den Solarmodulen, zusammengefasst werden. Sie prägen das Erscheinungsbild vieler Hausdächer und bestehen in der Regel aus einem Aluminiumrahmen, in den die Zellen eingelassen sind. Eine Glasscheibe verhindert die Verschmutzung der sensiblen Bauteile, ohne die gewünschte Sonneneinstrahlung zu blockieren.
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Die Gesamtheit der miteinander verbundenen Solarmodule wird auch Solargenerator genannt und erzeugt aus der Sonnenenergie Gleichstrom. Für die Umwandlung in den im öffentlichen Stromnetz verwendeten Wechselstrom ist zusätzlich ein Wechselrichter nötig. Auch wenn der Besitzer einer PV-Anlage den Strom selbst verwenden will, wird er üblicherweise zunächst in das Stromnetz eingespeist, aus dem er gleichzeitig seinen eigenen Strombedarf deckt.
Ein Einspeisezähler sowie ein separater Verbrauchszähler protokollieren die geflossenen Strommengen. Wird mehr Strom eingespeist als verbraucht, erhält der Betreiber den überschüssigen Strom von seinem Energieversorger vergütet. Es ist allerdings auch möglich, den Strom direkt in das Hausnetz einzuspeisen und lediglich überschüssigen Strom an das öffentliche Stromnetz abzugeben.
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Solarzellen und Solarmodule
Silizium ist bei den meisten gängigen Solarzellen-Typen das Halbleiter-Element der Wahl. Trotzdem unterscheiden sich die am Markt erhältlichen Modelle hinsichtlich ihres Aufbaus und ihrer Effizienz teilweise erheblich. Zu den verbreitetsten zählen monokristalline und polykristalline Solarzellen sowie Dünnschicht-Solarzellen.
Monokristalline Solarzellen
Mono- oder auch einkristalline Solarzellen genannte Modelle zeichnen sich durch eine vergleichsweise hohe Effizienz aus. Sie werden in einem aufwendigen Verfahren aus hochreinem Silizium hergestellt und sind daher auch teurer als andere Solarzellen-Typen. Den Namen erhielten sie durch das spezifische Herstellungsverfahren. Dabei werden Stäbe aus hochreinem Silizium mit regelmäßiger Kristallstruktur in Scheiben zersägt. Charakteristisch für diesen Typ von Solarzellen ist die gleichmäßig aufgebaute Oberfläche.
Polykristalline Solarzellen
Poly- oder auch multikristalline Solarzellen bestehen ebenfalls aus Silizium. Das Element wird in Blöcke gegossen und erst nach der Abkühlung zersägt. Während des Abkühlungsvorgangs bilden sich unterschiedliche Kristallformen heraus, die für die hellere Erscheinungsform dieser Solarmodule sorgen. Die Herstellung ist zwar nicht so kostspielig wie die der monokristallinen Zellen, dafür ist jedoch auch der Wirkungsgrad geringer.
Dünnschicht-Solarzellen
Dünnschicht-Solarzellen werden auf eine andere Weise als die kristallinen Solarzellen hergestellt. Hierbei wird eine fotoaktive Substanz auf eine Trägerfläche aufgedampft, das Modul also in einem Stück produziert. Der Wirkungsgrad ist im Vergleich zu den beiden anderen Solarzellen-Typen erheblich geringer, doch stehen dem hohe Einsparmöglichkeiten in der Herstellung gegenüber. Nach Angaben der Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie sind Dünnschichtmodule außerdem toleranter gegenüber Verschattung und können Schwachlicht besser nutzen.
Wechselrichter und Netzeinspeisegerät
Der Wechselrichter wandelt den vom Solargenerator gewonnenen Gleichstrom in netzüblichen Wechselstrom um. Er ist meist Bestandteil eines Netzeinspeisegeräts (NEG), dass die Einspeisung des Stroms in das öffentliche Netz regelt. In der Praxis werden beide Begriffe oft synonym verwendet, wenngleich ein Wechselrichter ohne angebundenes NEG nur für vom Stromnetz unabhängige Insellösungen, etwa beim Camping, sinnvoll ist. Das NEG ist von seiner Funktion her mit der Steuerungseinheit bei Solarthermie-Anlagen vergleichbar.
Die Kosten für ein NEG hängen von dem gewünschten Leistungs- und Funktionsumfang ab. PV-Anlagenbetreiber müssen allerdings davon ausgehen, dass seine Lebensdauer in den meisten Fällen erheblich kürzer ist als die des Solargenerators. Der Austausch des Geräts innerhalb des Lebenszyklus der Anlage sollte schon bei der Planung mit eingerechnet werden, da sich die Kosten für solche Geräte auf etwa 1.500 Euro belaufen.
Eine wichtige Kennzahl bei Wechselrichtern ist der sogenannte Wirkungsgrad. Er gibt an, wie viel Energie bei der Umwandlung von Gleich- in Wechselstrom verloren geht beziehungsweise wie viel Strom in das öffentliche Netz eingespeist wird. Mittlerweile können Spitzenmodelle einen maximalen Wirkungsgrad von über 99 Prozent erreichen.
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Zähler
Laut dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) sind Einspeisezähler für PV-Anlagen vorgeschrieben, wenn diese mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden sind. Der Zähler ermittelt, wie viel Strom eingespeist wurde, sodass die Einspeisevergütung korrekt abgerechnet werden kann. Dieser Zähler ermöglicht auch festzustellen, wie viel Solarstrom Sie produziert haben und wie viel davon ins Netz eingespeist wurde. Die in Netzeinspeisegeräten verbauten Zähler arbeiten in der Regel nicht exakt und sind für die formale Verrechnung des Stroms nicht geeignet.
Inzwischen werden von den entsprechenden Netzbetreibern in der Regel digitale Stromzähler verwendet, die nicht nur den Stromverbrauch, sondern auch den eingespeisten Strom zählen – und damit wird auch die Einspeisevergütung korrekt ermittelt.
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