Wie eine Solaranlage funktioniert!

Photovoltaik ist die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie. Erste Anwendungen von Solarmodulen zur Energieproduktion fanden ihren Einsatz in der Raumfahrt vor mehr als 50 Jahren. Mit den Solartaschenrechnern vor ca. 30 Jahren fand die Photovoltaik ihre erste breite Anwendung.

In den letzten Jahren fanden immer mehr Photovoltaikanlagen ihren Platz auf Gebäuden in der ganzen Schweiz, wobei die Schweiz im Vergleich zu Deutschland als solares Brachland bezeichnet werden muss.

Früher erfolgte die Erzeugung und der Verbrauch von Solarstrom nur zeitgleich, dank moderner Speichersysteme lässt sich der Strom nun dann nutzen, wenn er wirklich gebraucht wird oder alternativ an Energieversorger verkaufen.

Funktionsweise einer Solarzelle und des Wechselrichters

Die Solarzellen bestehen aus einem Halbleitermaterial wie zum Beispiel aus Silizium und mit chemischen Legierungen wie Phosphor oder Bor zusätzlich aufbereitet (dotiert) werden.

Auf der Oberflächenschicht der Solarzelle wird durch diese Dotierung auf der Vorderseite (Phospor) und auf der Rückseite (Bor) aufgebracht. So entstehen auf der Solarzelle Minus- und Pluspol. Durch das Anschließen eines Wechselrichters und durch Lichteinfall geraten die Elektronen in Bewegung und es entsteht Strom. Da Silizium aus Quarzsand gewonnen wird und unbegrenzt zur Verfügung steht, wird die Mehrheit der Solarzellen aus Silizium hergestellt und ist recycling fähig.

Im wesentlichen werden zum Bau von Solarzellen polykristalline und monokristalline Silizium verwenden.

Ersteres scheint leicht bläulich und ist das günstigere Basismaterial, welches beim Aufbau von Solarmodulen aus vielen Solarzellen zu deutlicheren Kostenvorteil der polykristalinen Solarmodule führt. Aus beiden Materialien lassen sich gute Solarmodule herstellen.

Durch die Dotierung mit Bor finden unter Sonnenbestrahlung oxidative Prozesse statt, welche zu einer Degradation der Solarmodule über die Jahre führt. Deshalb bieten die Solarmodulhersteller neben einer Produktgarantie (in der Regel 10 Jahre) auch eine Leistungsgarantie an (25 Jahre, > 80% der Anfangsleistung).

Die Solarzellen werden parallel und seriell zusammengeschaltet innerhalb eines Solarmodul und auf der Vorderseite mit eine Glasplatte und auf der Rückseite mit einer Folie verklebt. Um das seitliche Eindringen von Wasser zu verhindern, werden die Module mit einem Alurahmen versehen. 

Durch das Zusammenschalten der Zellen entsteht eine Glasplatte mit ca 1.60 m² Fläche, welche eine beachtliche Leistung von ca. 260Wp bietet. Ein solches Modul hat einen Kurzschlussströme von ca. 9A und Leerlaufspannungen von ca. 30V. 

Viele solcher Solarmodule werden typisch in einem String zusammengeschaltet. So entstehen unter Sonnenlicht Spannungen von mehreren 100V Gleichspannung (DC). Bei unsachgemässer Handhabung kann dies zu schweren Verbrennungen und Stromschlägen führen.

Eine Leitung mit der DC Spannung wird vom Dach zum Wechselrichter geführt. Der Wechselrichter macht aus dem Gleichstrom der Solarzellen den netzfähigen Wechselstrom, welcher ins Stromnetz oder im Haushalt eingespiesen werden kann. Der Wechselrichter synchronisiert sich hierzu auf den 50Hz Sinus des Wechselstroms und formt die Gleichspannung in eine Wechselspannung um. Dies geschieht, indem über Halbleiter (schnelle Leistungstransistoren und Dioden) mit Schaltfrequenz von mehreren 100kHz die Energie mittels kleiner Speicherbauteilen (Spulen, Trafo, Kondensatoren) umgeformt wird.  Dem Wechselrichter vorgeschaltet (meistens integriert) ist ein Maximum Power Point (MPP) Tracker. Seine Aufgabe ist den Strom und Spannung der Solarmodule so zu steuern, dass eine maximale Leistung von diesen abgeben werden kann. Dieser nutzt die Eigenschaft, dass die Solarzellen eigentlich Stromquellen sind, d.h. der Strom ist über einen grossen Spannungsbereich konstant und hängt nur von der Sonneneinstrahlung ab. Die maximale Leistung entsteht an dem Arbeitspunkt, kurz bevor die Spannung der Zelle anfängt einzubrechen  (Leistung = Strom x Spannung).

Die Steuerung übernimmt ein kleiner Computer im Wechselrichter. Dieser lässt sich auch meist ins Internet (Monitoring) oder mit anderen Wechselrichtern (Synchronisierung von vielen Wechselrichtern) vernetzen.

Durch die Verschaltung vieler Solarmodule in Serie (String) entsteht durch Toleranzen unter den Solarmodulen nun das Problem, dass der Strom durch das "schwächste" Solarmodul bestimmt wird. Ist ein Solarmodul z.B. durch Laub verdreckt, durch einen Baum beschattet oder durch eine Wolke bedeckt, dann bricht der Strom und damit die Leistung im ganzen String zusammen. 

Damit dies nicht geschieht, sind in den Solarmodulen sogenannten Bypass Dioden integriert, welche das Modul in einer Situation überbrücken sollen, damit das Modul nicht überhitzt. Die Dioden leiten den Strom aber erst, sobald die Spannung des Moduls negativ wird, das Modul also gar keine Leistung mehr abgeben kann. In der Praxis gibt es aber viele Situationen, wo die Module unterschiedlich beleuchtet werden. 

Diese Nachteile können durch Wechselrichter resp. Leistungsoptimierer auf Modulebene aufgehoben werden, da ein MPP Tracker pro Modul vorhanden ist, welche die maximale Leistung pro Modul abgeben kann. 

Dach

Die Solarmodule werden auf dem Dach mittels Dachhaken und Montageschienen installiert. Eine Montage auf der Fassade ist auch möglich. Die folgende Illustration zeigt die zu erwartenden Ertrage je nach Ausrichtung der Fläche.

Den höchsten Ertrag (100%) ergibt eine Schräge ausrichtung nach Süden. Ein Süddach bietet hohe Erträge mit einer hohen Leistung besonderes über die Mittagszeit. Ein Ost-West Dach hat ca. 25% weniger Ertrag, dafür aber eine etwas breitere Leistungsverteilung über den ganzen Tag, was beim Eigenverbrauch von Vorteil ist.

Ein steiles Dach ist im Winter bei tiefer Sonne optimaler. Ein weniger steiles Dach liefert im Sommer höhere Erträge. Steile Dächer haben den Vorteil, dass die Schmutzpartikel aus der Luft besser bei Regen von den Modulen gewaschen werden. Der Selbstreinigungseffekt funktioniert ab ca. 20% Dachneigung. Auf Flachdächern werden die Panels aufgeständert. 

Der Standort sollte nicht durch Bäume oder Nachbargebäude verschattet sein. Verschattung vermindert immer den Ertrag. 

Da die Module in Strings verschaltet werden, bricht die Leistung bei Beschattung eines Moduls im String zusammen und es kann zu einer Überhitzung des beschatteten Solarmoduls kommen.

Modulwechselrichter (AEConversion, Power One / ABB Micro Inverter, SMA Sunny Boy 240) und Systeme von Solaredge sind für teilbeschattete Dächer geeignet, da ein MPP Tracker hier für jedes Modul vorhanden ist).

Die Dachneigung ist mit einer Neigung von 20-40° optimal. Für 1 kWp benötigt man 6 bis 8 m² Fläche an Solarzellen. Eine Hinterlüftung der Solarmodule sorgt zusätzlich für eine Optimierung der Module, da der Wirkungsgrad der Module mit steigender Umgebungstemperatur abnimmt.

Besonders guten Wirkungsgrad weisen monokristalline Module von Panasonic auf, sind aber nur im Mittelland mit wenig Schneefall zu empfehlen. Die polykristallinen REC Module weisen ein besonders gutes Preis Leistungsverhältnis auf und sind für hohe Schneelasten geeignet. Beide Module weisen ebenfalls gute Leistungstemperaturkoeffizienten auf, was zu einem deutlichen Mehrertrag im Sommer führt.

Die Axitec Module zeichnen sich durch eine lange Herstellergarantie von 12 Jahren aus. Sie sind auch mit integrierten Leistungsoptimierern lieferbar, was ebenfalls zu einem interessanten Preis / Leistungsverhältnis führt.

Netzanschluss

Der Hausanschluss ist dreiphasig und die 3 Phasen sind zum Hausverteiler geführt. Von dort gehen sie in der Regel einphasig in die einzelnen Räume und Stockwerke. Die Wechselrichter mit einer Leistung kleiner als 3kW dürfen einphasig angeschlossen werden. Ab 3kW Wechselrichterleistung sollte die Einspeisung dreiphasig erfolgen. 

Der Anschluss der Solaranlage erfolgt über eine Sicherung entweder auf einen getrennten 2. Zähler oder über den Hauszähler. Letzteres ist zum Eigenverbrauch geeignet, wobei nur der Energieüberschuss ins öffentliche Stromnetz eingespiesen wird. Möchte man den Eigenverbrauch weiter erhöhen, kann man mittlerweile den Strom zwischenspeichern. 

Die Anschaffungskosten sind aber immer noch relativ hoch, zumal dieser Speicherlösungen immer noch eher die Ausnahme bei einer Photovoltaikanlage darstellen. Eine Speicherlösung besteht aus einer Messeinheit zum Erfassen des momentanen Verbrauchs, einer Batterie zum Speichern der Energie und einem Wechselrichter, welcher die Energie aus der Batterie (DC) ins Hausnetz einspeist (AC) oder Energie aus dem Hausnetz in der Batterie einspeichert. Die Lösung kann jederzeit zu einer Solaranlage nachgerüstet werden. 

Folgende Illustration stellt den Anschluss am Hauszähler (Verbrauch / Überschuss) für den Eigenverbrauch dar, zusammen mit einem Wechselrichter mit integrierter Speicherlösung mit Batterie und Batterieladegerät.

Grundsätzlich muss man sich entscheiden, ob man den Strom möglichst selber nutzten möchte (Anschluss über Hauszähler), oder diesen vollständig ins öffentliche Netz einspeisen möchte (Anschluss über getrennten Zähler). Folgende Illustration stellt den Anschluss der Solaranlage getrennt vom Hauszähler (Verbrauch), über einen 2. Zähler (Produktion) dar.

Die idiologischen und ökonomischen Gründe sind abzuwägen. Möchte man möglichst viel vom eigenen Solarstrom selbst verbrauchen, so bieten sich Speicherlösungen an. Aus Kostengründen kann natürlich auch darauf verzichtet werden. Durch umstellen der Gewohnheiten lasst sich bereits ein hoher Eigenverbrauch realisieren (z.B. Waschmaschiene, Staubsauger, Geschirrspüler bei schönem Wetter um die Mittagszeit herum verwenden).

Bei einer Speicherlösung wird anstatt den Überschuss an Strom ins öffentliche Netz einzuspeisen, zuerst einmal damit die Batterien des Speichersystems gefüllt. Erst wenn diese gefüllt sind, resp. wenn der Ladestrom des Speichersystems das Maximum erreicht hat, wird der Überschuss ins öffentliche Netz gespiesen. Umgekehrt wird erst Strom aus dem öffentlichen Netz bezogen, wenn die Batterien leer sind, oder der maximale Entladestrom der Batterien erreicht ist.

Der Überschuss kann mit "Smarten" Geräten auch intelligent verbraucht werden. So lässt sich z.B. ein Boiler elektrisch mit dem Überschuss der Solaranlage aufheizen.

Inselanlagen

Die bisher beschriebenen Anlagen sind immer mit dem öffentlichen Netz verbunden. Ist ein solches nicht vorhanden (z.B. Waldhütte), kann eine Anlage als Inselanlage betrieben werden. Hierzu sind aber andere Wechselrichter notwendig, welche für den Inselbetrieb geeignet sind. Ein Inselbetrieb ist nur zu empfehlen, wenn dieser unbedingt nötig ist und in Kombination mit einer Speicherlösung, zumal die Batterien immer ein limitierender Faktor sind. Sonst müsste man sich kurz beim Nachbarn etwas Strom borgen gehen.