PV-Anlage - Was ist eine Photovoltaikanlage?

Die Idee, die Sonne als Energielieferant zu nutzen, ist wahrlich nicht neu. Schon 1839 entdeckte der französische Physiker Becquerel die Voraussetzung für heutige PV-Anlagen, den Photoelektrischen Effekt. 100 Jahre später stellte Ohl bei Versuchen an Silizium fest, dass durch die Beleuchtung des Materials mit Licht Strom erzeugt werden kann. Es dauerte dann aber noch ein paar Jahre, bis es 1954 gelang, erste Siliziumsolarzellen zu produzieren. Die Technik wurde seitdem stetig verfeinert, so dass die heute üblichen Siliziumzellen einen fünfmal höheren Wirkungsgrad  (rund 20%) als die ersten Modelle erreichen. Neben Siliziumzellen existieren aber noch viele weitere Solarzellen-Designs, die allerdings bisher keine kommerzielle Verwendung in PV-Anlagen finden.

Werden viele dieser Zellen kombiniert, so wird von einem Solarmodul gesprochen. Typischerweise werden 60 Solarzellen zu einem Modul vereint. Bei einer Spannung von 0,5 V je Zelle entsteht dabei die übliche Arbeitsspannung von 30 V je Modul. In typischen PV-Anlagen liefern diese Module etwa 8 A Gleichstrom (DC). Daraus resultiert eine Leistung von ca. 240 Wp.

Zusätzlich zu den 60 Zellen werden in den Modulen drei Bypass-Dioden eingebaut. Je Diode werden dabei 20 Solarzellen überbrückt. Bei diesen Dioden handelt es sich um eine wichtige Schutzeinrichtung, die eine Beschädigung der Zellen bei Verschattung verhindert. Mehr dazu aber im Artikel Die Auswirkungen der Verschattung von Solarmodulen.

Der Solarstromgenerator liefert nun Gleichstrom mit einer Leistung entsprechend der Anzahl installierter Module. Phantastisch! Das Problem ist allerdings, dass die meisten Geräte im Haushalt nicht mit Gleichstrom, sondern mit 250 V Wechselstrom betrieben werden. Abhilfe schafft der Wechselrichter. Das ist ein weiterer Bestandteil der PV-Anlage. Der Wechselrichter wandelt den vom Solarstromgenerator gelieferten Gleichstrom in den allseits bekannten Wechselstrom mit 230 V Spannung um. Oftmals übernimmt der Wechselrichter dabei aber nicht nur die Stromumwandlung, sondern versucht auch durch ein Trial & Error-System die optimale Ausbeute sicherzustellen (MPP-Tracking).

Auch sorgt der Wechselrichter dafür, dass bereits erzeugter, aber nicht verbrauchter Strom in das öffentliche Netz eingespeist werden kann.  Je nach Anlagengröße und zuständigem Energieversorger müssen dazu ein- oder mehrphasige Wechselrichter verwendet werden.

Hintergrund hierfür ist, dass sich die Beeinträchtigung eines einzelnen Moduls überproportional auf die anderen Module auswirkt. Ein einzelnes beeinträchtigtes Modul einer PV-Anlage kann also die gesamte Anlage lahmlegen. Vergleichbar ist das mit einem Gartenschlauch – denn ist dieser an irgendeiner Stelle abgedrückt, kommt am Ende weniger Wasser raus. Als Optimierungssysteme stehen verschiedene entweder modulnahe oder modulferne Systeme zur Verfügung. Welche es gibt und wie diese funktionieren, beschreibt der Artikel Optimierungssysteme im Überblick.