Photovoltaikanlage

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Photovoltaikanlage

Eine Photovoltaikanlage, auch PV-Anlage (bzw. PVA) oder Solargenerator genannt, ist eine Solarstromanlage, in der mittels Solarzellen ein Teil der Sonnenstrahlung in elektrische Energie umgewandelt wird. Die dabei typische direkte Art der Energiewandlung bezeichnet man als Photovoltaik. Demgegenüber arbeiten andere Sonnenkraftwerke (z. B. solarthermische Kraftwerke) über die Zwischenschritte Wärmeenergie und mechanische Energie. Nach § 3 Nr. 1 EEG ist jedes Modul eine eigenständige Anlage.[1] Nach § 9 EEG gelten mehrere Solarmodule ausschließlich zur Ermittlung der installierten Leistung unter bestimmten Umständen als eine Anlage.[2]

Die Nennleistung üblicher Photovoltaikanlagen reicht vom niedrigen einstelligen kW-Bereich, wie er für Hausdachanlagen üblich ist, bis hin zu einigen MW für gewerbliche Dachanlagen, während Freiflächensolaranlagen üblicherweise mindestens im MW-Bereich angesiedelt sind.[3] Die mit Stand Januar 2017 leistungsstärkste Photovoltaikanlage liegt in der Nähe der Longyangxia-Talsperre in China und verfügt über eine Leistung von 850 MWp.[4]

Aufbau

Je nach Anlagengröße und -typ werden einzelne Solarmodule in Reihe zu sogenannten Strings verschaltet. Die Solarmodule, im technischen Einsatzfall, kleinste zu unterscheidende Bausteine einer Solaranlage, bestehen aus einer Reihenschaltung von Solarzellen, welche hermetisch gekapselt und für eine Reparatur nicht mehr zugänglich sind. Bei kristallinen Solarzellen werden die einzelnen Zellen zunächst einzeln gefertigt und abschließend durch Metallfolien verbunden. Bei Dünnschichtzellen ist die Herstellung der Verbindungen in die Prozesse zur Formierung der Zellen integriert.

Durch die Reihenschaltung von zunächst Solarzellen, mit einer Spannung von nur etwa 0,5 V, und dann Solarmodulen addiert sich die Spannung. War die maximale Systemspannung vor 20 Jahren noch auf 110 V begrenzt, um die Sicherheitsvorschriften zu erfüllen, wird durch die heutigen Solarmodule geprüft nach Schutzklasse II eine Systemspannung von 1000 V möglich. An einer weiteren Erhöhung auf 1500 V DC, dem Grenzwert der Niederspannungsdefinition nach VDE0100, wird gearbeitet.

Bereits eine quadratische, kristalline Solarzelle mit einer Kantenlänge von 156 mm (6+”) ist im Arbeitspunkt bei maximaler Sonneneinstrahlung mit mehreren Ampere belastbar. Bei Reihenschaltung mehrerer Einzelzellen wird der Strom durch die Solarzelle mit dem geringsten Wert bestimmt. Gegebenenfalls werden mehrere dieser Strings gleicher Spannung und Charakteristik parallel geschaltet; dadurch addieren sich die Ströme der einzelnen Strings. Eine Parallelschaltung einzelner Module findet sich insbesondere im Inselbetrieb.

Die Solarmodule werden in der Regel auf einer Unterkonstruktion befestigt, welche die Module idealerweise so ausrichtet, dass der höchstmögliche oder ein möglichst gleichbleibender Energieertrag über das Jahr gewährleistet wird (z. B. in Deutschland Richtung Süden und auf circa 30° angewinkelt für höchsten Energieertrag bzw. Richtung Süden und auf circa 55° angewinkelt für gleichbleibenden Energieertrag über das Jahr). Die Unterkonstruktion kann auch der Sonne nachgeführt (astronomisch, sensorisch) sein, um eine höhere Energieausbeute zu erreichen.

Handelt es sich um eine netzgekoppelte Anlage, wird mit Hilfe eines Wechselrichters der in den Solarmodul(en) entstehende Gleichstrom in Wechselstrom gewandelt und ins Stromnetz eingespeist. Abgesehen von den Umwandlungsverlusten geschieht dies in der Regel vollständig, solange das Netz in hinreichender Qualität (Spannung/Frequenz) zur Verfügung steht. Eine bedarfsabhängige Einspeisung (Einspeisemanagement) wurde in Deutschland mit der Neufassung des Einspeisegesetzes 2009 verbindlich für Anlagen über 100 kW festgeschrieben.

Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen stellen dem Stromnetz im Normalfall keine Regelleistung zur Verfügung, da grundsätzlich ein Maximum an regenerativer Energie erzeugt werden soll. Allerdings müssen Anlagen ab 100 kW Peakleistung in Deutschland nach § 9 EEG in der Lage sein, im Falle von Netzüberlastungen ihre Leistung durch den Netzbetreiber ferngesteuert zu reduzieren. Ebenso müssen hierzulande Anlagen unter 30 kW installierter Leistung am Verknüpfungspunkt der Anlage mit dem Netz die maximale Wirkleistungseinspeisung auf 70 Prozent der installierten Leistung begrenzen, wenn keine Fernregelung durchgeführt wird.[2] Wechselrichter können bei Bedarf auch Blindleistung in das Netz abgeben bzw. aufnehmen, was von leistungsstärkeren Anlagen, die auf Mittelspannungsebene einspeisen, auch seit Mitte 2010 in der Mittelspannungsrichtlinie gefordert wird. Aufgrund der mittlerweile relevanten Leistung der in Deutschland installierten Photovoltaikanlagen (Stand Anfang 2013: etwa 32 Gigawatt Peakleistung) wird die Photovoltaik zunehmend stärker in die Netzregelung einbezogen. Daher wurde im August 2011 eine entsprechende Richtlinie für das Niederspannungsnetz in Deutschland verabschiedet.[5]

Anlagentechnik

Für die Einspeisung der Solarenergie in das Stromnetz ist die Wandlung des Gleichstroms in Wechselstrom nötig sowie eine Synchronisation mit dem vorhandenen Netz, was durch einen Solarwechselrichter bewerkstelligt wird. Diese Wechselrichter nennt man netzgekoppelt.

Einphasige Anlagen dürfen in Deutschland nur bis zu einer maximalen Leistung von 5 kWp (4,6 kW Dauerleistung) in das Stromnetz einspeisen. Anlagen mit Leistungen ab 100 kWp verfügen über die Möglichkeit der Wirkleistungsreduzierung in vier Stufen, deren Steuerung über einen Rundsteuerempfänger erfolgt. Anlagen mit einer Spitzenleistung von mehr als 100 kW speisen in das Mittelspannungsnetz ein und müssen zur Sicherung der Netzstabilität die Mittelspannungsrichtlinie erfüllen.

Energieertrag einer Solarstromanlage

Die Nennleistung der Solarmodule einer Anlage wird in Kilowatt peak (kWp(eak)) gemessen, die unter definierten Testbedingungen ermittelt werden (bei bestimmter Temperatur und maximaler bzw. idealer Sonneneinstrahlung, die jedoch nur selten erreicht wird). Für 1 kWp sind je nach Art und Wirkungsgrad der Solarzellen 5[11] bis 10 m² Modulfläche nötig.

Bei Solaranlagen in Deutschland kann pro Jahr ein mittlerer Energieertrag von etwa 650 bis 1150 kWh pro kWpeak installierter Leistung erwartet werden. Dies entspricht einem Nutzungsgrad (Verhältnis des praktisch erzielbaren und des theoretisch – bei 8760 Jahresstunden und idealer Sonneneinstrahlung – erreichbaren Energieertrags) von 7,5 % bis 13 %. Fest installierte Anlagen ohne Sonnenstandsnachführung können dort an Spitzentagen bis zu 8 kWh/kWp erzeugen.

Verschmutzung und Reinigung

Wie auf jeder Oberfläche im Freien (vergleichbar mit Fenstern, Wänden, Dächern, Auto etc.), können sich auch auf Photovoltaikanlagen unterschiedliche Stoffe absetzen. Dazu gehören beispielsweise Blätter und Nadeln, klebrige organische Sekrete von Läusen, Pollen und Samen, Ruß aus Heizungen und Motoren, Staub und organische Substanzen aus Stallablüftungen (aus der Landwirtschaft im Allgemeinen), Futtermittelstäube aus der Landwirtschaft, Wachstum von Pionierpflanzen wie Flechten, Algen und Moosen sowie Vogelkot. Die „Selbstreinigung“ der Module (durch Regen und Schnee) reicht oftmals nicht aus, um die Anlage über Jahre bzw. Jahrzehnte sauber zu halten. Durch Ablagerung von Schmutz auf der Photovoltaikanlage gelangt weniger Sonnenenergie in das Modul. Die Verschmutzung wirkt wie eine Verschattung und ein Ertragsverlust ist die Folge.[17] Dieser Ertragsverlust kann bei Anlagen mit extremen Verschmutzungen (z. B. Stallabluft) bis zu 30 % betragen. Im bundesdeutschen Durchschnitt wird von einem schmutzbedingten Ertragsverlust von 6–8 % ausgegangen.[18][19] Um gleich bleibende Erträge zu sichern, müssten eine Vielzahl von Anlagen regelmäßig auf Verschmutzung hin kontrolliert und, falls notwendig, gereinigt werden. Stand der Technik ist die Verwendung von vollentsalztem Wasser (Demineralisiertes Wasser) um Kalkflecken zu vermeiden. Als weiteres Hilfsmittel kommen bei der Reinigung wasserführende Teleskopstangen zum Einsatz. Die Reinigung sollte schonend durchgeführt werden, um die Moduloberfläche – etwa durch die Verwendung von kratzenden Reinigungsgeräten (Veränderung der Glanzstruktur der Oberfläche) – nicht zu beschädigen. Die Herstellerangaben zur Reinigung sind zu beachten. Zudem sollten Module überhaupt nicht und Dächer nur unter entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen betreten werden.

Blitzschlag

Eine Photovoltaikanlage muss bei bestehendem Blitzschutz des Gebäudes in die Blitzschutzanlage integriert werden.

Beim äußeren Blitzschutz ist Folgendes zu berücksichtigen:

  • Da Module, Halterung sowie etwaige Kabelrinnen elektrisch leitfähig sind, müssen sie im Trennungsabstand zu den Betriebsmitteln des Blitzschutzes installiert werden.
  • Fangstangen oder Ähnliches können zu Schattenwurf und somit zu Ertragsminderung der PV-Anlage führen. Dies erschwert die Planung eines äußeren Blitzschutzkonzeptes.

Ist die PV-Anlage selbst Teil des Blitzschutzes oder lässt sich die Trennung zum äußeren Blitzschutz nicht vermeiden, ist Folgendes beim Anbringen des inneren Blitzschutzes zu beachten:

  • DC-Leitungen vom PV-Generator, welche die Gebäudehülle durchdringen, benötigen einen gleichstromfähigen Ableiter am Durchdringungspunkt. Da im Auslösefall der PV-Generator unter Spannung stehen kann (üblicherweise während des Tages, wenn die Sonne scheint), würde der Gleichstrom einen stehenbleibenden Lichtbogen in der Funkenstrecke des Ableiters verursachen. Dies kann zu einem Brand führen.

Um einen indirekten Blitzschaden der Anlage zu vermeiden, gilt der Grundsatz der Vermeidung von großen aufgespannten Flächen (siehe Elektromagnetische Induktion), das heißt die Leitungsführung von plus und minus sollte soweit möglich parallel sein.

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