Funktionsprinzip einer Photovotaikanlage, kurz und einfach erklärt.
Photovoltaik Module
Die PV-Module einer Photovoltaikanlage sind der erste Punkt, um Sonnenenergie in Strom umzuwandeln. Ein PV-Modul ist weiters in Zellen unterteilt. Diese Zellen bestehen aus einem Halbleitermaterial, im Normalfall Silizium. Abhängig vom verwendeten Material werden unterschiedliche Wellenlängen des Sonnenlichts in elektrische Energie umgewandelt. Kurz und einfach gesagt hebt ein Photon (Teilchen des Lichts) ein Elektron in der äußersten Schale des Halbleiteratoms in einen höheren Energiezustand. Durch diese Erhebung entsteht an den beiden Elektroden der Zelle ein elektrischer Potentialunterschied. Wenn man mehrere Zellen hintereinanderschaltet, entsteht die sogenannte Leerlaufspannung welche abhängig von der Modulkonstruktion unterschiedlich ausfallen kann. Wird das PV-Modul in einen Schaltkreis mit einem Verbraucher geschalten fließt durch die Leerlaufspannung ein Gleichstrom durch den Schaltkreis.
Wechselrichter
Die Hauptaufgabe des Wechselrichters ist es, den Gleichstrom welche die Module liefern in Wechselstrom umzuwandeln. Der Wechselrichter ist somit das Herzstück der Photovoltaikanlage, welches auch im Falle eines vorhandenen Batterie Speichers die Steuerung der Ladung und Entladung des Speichers übernimmt. Ist ein Speicher vorhanden muss der Wechselrichter auch den Stromfluss der Verbraucher überwachen, um zu entscheiden, ob er die Batterie lädt oder den erzeugten Wechselstrom den Verbrauchern zukommen lässt. Dies geschieht über den Smartmeter, der im Wechselrichter mit verbaut ist. Als Herzstück ist der Wechselrichter auch dafür verantwortlich möglichst viel Sonnenenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Je nach
Einstrahlungsleistung muss ein sogenannter Arbeitspunkt eingestellt werden, um die Photovoltaikanlage optimal zu betreiben. Die Einstrahlungsleistung der Sonne hängt vom Bewölkungsgrad, Wetter, Temperatur, Tageszeit (Sonnenstand), Verschattung und Modulausrichtung ab. All diese Faktoren beeinflussen die Menge, der im jeweiligen Zeitpunkt produzierten elektrische Energie.
Die Wahl des Arbeitspunkts wird ebenfalls durch diese Faktoren beeinflusst und muss permanent angepasst werden um den Arbeitspunkt im sogenannten MPP (Maximum Power Point) zu halten. Ein Wechselrichter hat im Normalfall mehrere Eingänge und die Möglichkeit an jedem Eingang einen unterschiedlichen Arbeitspunkt einzustellen. Diese Eingänge werden auch MPP-Tracker genannt. Wie viele Module an einem MPP-Tracker angeschlossen werden können und wie viele MPP-Tracker vorhanden sind, ist vom jeweiligen Model des Wechselrichters abhängig.
Batteriespeicher
Ein Batteriespeicher ist für den Betrieb einer Photovoltaikanlage nicht zwingend erforderlich. Will man einen Speicher nutzen muss der Wechselrichter ein sogenannter Hybridwechselrichter sein. Dieser Typ von Wechselrichter hat einen Batteriecontroller eingebaut. Es gibt verschiedene Speichertypen am Markt. Am gängigsten sind Lithium Ionen basierte Speichertechnologien da diese ein gute Energiedichte aufweisen. Weniger üblich sind Blei Akkumulatoren oder Salzwasser basierte Technologien.
Generator Anschluss Kasten (GAK)
Der GAK ist meistens neben den Modulen platziert und fasst mehrere parallele Modulstränge in einer Leitung zusammen. Weiters ist im GAK auch eine Überstromableitung mit verbaut. Diese Ableitung von ungewollten Strömen – im Normalfall Blitzeinschläge in die Anlage und in die Umgebung – schützt die gesamte Photovoltaikanlage.
Verbraucher
In Abbildung 7 sind die Verbraucher als einzelnes Symbol dargestellt. Im Rahmen einer Photovoltaikanlage für ein Einfamilienhause sind diese Kühlschränke, Licht, elektrische Heizungen, etc. Für Betriebe gibt es ein großes Spektrum an Verbrauchern, üblicherweise Klimaanlagen, Lüftungen, Motoren und Maschinen.
Wird die Photovoltaikanlage als Überschusseinspeiser betrieben werden die Verbraucher bei geeignetem Wetter direkt aus der Sonnenenergie versorgt und die nicht verbrauchte Energie in das Versorgernetz eingespeist. Bei einer Volleinspeiser-Photovoltaikanlage wird sämtliche umgewandelte Sonnenenergie an das Versorgernetz abgegeben.
Netz und Anlagen Schutz (NA-Schutz)
Abhängig von der Größe der Photovoltaikanlage ist vom Netzbetreiber des Versorgungsnetzes ein NA Schutz vorgeschrieben. Ab einer Anlagenleistung von 30 kW ist ein externer NA Schutz einzubauen, der die Anlage vom Netz trennen kann. Weiters gibt es auch die Vorschrift eine sogenannte Fernwirkeinrichtung bei Volleinspeisern von über 200 kW zu verbauen. Diese Fernwirkeinrichtung ermöglicht es dem Netzbetreiber bei Bedarf die Photovoltaikanlage vom Netz zu trennen.
Zweirichtungszähler (Smartmeter)
Im Normalfall hat ein jedes Gebäude oder Betriebsanlage einen Einrichtungszähler. Wird am selben Standort aber eine Stromerzeugungsanlage betrieben, ist es notwendig diesen Zähler auf einen Zweirichtungszähler umzurüsten. Damit ist es möglich einen Stromverbrauch und eine Einspeisung von Strom zu messen.
Transformator
Der Transformator ist die Übergabestelle von dem jeweiligen Spannungsniveau an das Mittelspannungs-/Hochspannungsnetz des Netzbetreibers. Bei Einfamilienhäusern ist der Transformator üblicherweise für ganze Siedlungen vom Netzbetreiber zuständig. Im Falle eines Betriebs kann dieser auch auf dem Firmengelände stehen.
Photovoltaik Anlagenkennwerte
Photovoltaik Anlagengröße
Die Größe der Photovoltaikanlage wird in kWp (Kilo Watt Peak) angegeben. Das ist jener Wert, den die Module unter optimal Bedingungen und am optimalen Arbeitspunkt an den Wechselrichter liefern können und wird als Nennleistung bezeichnet. Derzeit werden bei Aufdachanlagen Module mit ca. 400 Wp eingesetzt. Für große Freiflächenanlagen gibt es auch Module mit bis zu 600 Wp, welche aber dieselbe Modul-Technologie auf einer größeren Modulfläche haben. Sprich, der Wirkungsgrad von 400 Wp Modulen entspricht dem von 600 Wp Modulen. Für die Photovoltaik Anlagengröße werden die Modulnennleistungen aller Module zusammengezählt.
Engpassleistung
Die Engpassleistung stammt aus dem herkömmlichen Kraftwerksbau und wird dort in kW (Kilo Watt) angegeben. Sie ist jene Leistung die bei z.B. Wasserkraftwerken als maximale Dauerleistung angegeben wird. Bei Photovoltaikanlagen entspricht diese der Anlagengröße in kWp obwohl nachts generell keine elektrische Energie erzeugt wird.
Wechselrichterleistung
Ein Wechselrichter hat immer eine maximale Leistung, die er an das Stromnetz oder an Verbraucher abgeben kann. Es können Photovoltaikanlagen mit einer höheren Anlagengröße als Wechselrichterleistung betrieben werden. In diesem Fall wird die Leistung, die die Module liefern und über die Wechselrichterleistung hinaus gehen vom Wechselrichter begrenzt. Eine 130 kWp Photovoltaikanlage, die mit einem 100 kW Wechselrichter betrieben wird, kann immer nur 100 kW an das Stromnetz abgeben. Man spricht hier von einer Unterdimensionierung des Wechselrichters.
Die Unterdimensionierung des Wechselrichters macht Sinn, da die Module nur in einem kurzen Zeitraum – in den Sommer-Mittagsstunden – ihre Maximalleistung liefern. Abbildung 8 zeigt die Auswirkung des Leistungsverlusts bei einem 30 % überdimensionierten Wechselrichter. Man erkennt das die Wechselrichterleistung ab einer bestimmten Modulleistung nicht mehr steigt, man verliert Leistung. Jedoch verliert man nur ca. 10 % der Gesamtleistung, welche die Fläche unter der Kurve ist.
Außerdem nimmt die Modulleistung jedes Jahr ein wenig ab. Die Hersteller garantieren nach 25 Jahren noch 84,4 % der Nennleistung der Photovoltaikanlage. Der Verlust der Unterdimensionierung nimmt also mit der Zeit ebenfalls ab.
Einspeiseart / Betriebsart (Überschuss-/ Volleinspeiser)
Eine Photovoltaikanlage kann in verschiedenen Betriebsarten betrieben werden. Entweder als herkömmliches Kraftwerk oder als Stromerzeugungsanlage die den Eigenbedarf an Strom mit abdeckt. Wird die Photovoltaikanlage als Kraftwerk betrieben spricht man von einer Volleinspeisung, da sämtlicher erzeugter Strom in das Stromversorgernetz eingespeist wird.
Verwendet man den erzeugten Strom jedoch teilweise für Verbraucher am eigenen Standort, spricht man von einer Überschusseinspeisung. Für PV-Anlagen die komplett autark – ohne die Verbindung zu dem örtlichen Stromnetz – funktionieren spricht man dann von einer Inselanlage. Die Unterscheidung in diese drei Kategorien ist für Genehmigungen und elektrizitätsrechtliche Beurteilungen relevant.
Jahresertrag der Photovoltaikanlage
Der Jahresertrag entspricht der gesamten elektrischen Energien, die durch die Photovoltaikanlage innerhalb eines Jahres produziert wurde. Der Jahresertrag wird in kWh (Kilo Watt Stunden) angegeben.
Spezifischer Jahresertrag der Photovoltaikanlage
Um die Effizienz einer PV-Anlage zu beschreiben, verwendet man den spezifischen Jahresertrag. Dieser ist der Jahresertrag bezogen auf die Photovoltaik Anlagengröße und wird in kWh/kWp (Kilo Watt Stunden pro Kilo Watt Peak) angegeben. In Österreich liegt der maximale Wert um die 1 200 kWh/kWp.
Tatsächlich wird dieser Wert aber nie erreicht, da die Jahreszeit, das Wetter, Verschattungen, Toleranzen bei den Photovoltaik-Modulen, Leiterverluste und Verluste bei der Wechselrichtung diesen Wert mindern. Eine Südausgerichtete Photovoltaikanlage erreicht ungefähr 1 150 kWh/kWp, eine Ost-West ausgerichtete PV-Anlage liegt bei ca. 1 100 kWh/kWp. Für den Fall, dass eine Fassade mit PV-Modulen ausgestattet wird, erreicht man auf der Fassade ca. 800 kWh/kWp.