Aufbau einer Photovoltaikanlage

Eine Photovoltaikanlage besteht im Wesentlichen aus vier Elementen: Solarmodule, Unterkonstruktion, Verkabelung und dem Wechselrichter. Diese Teile sichern die Funktion der Anlage, d.h., sie sorgen dafür das Solarstrom produziert und der Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt und ins Netz eingespeist werden kann. Zur korrekten Abrechnung des eingespeisten Stroms ist ein Zähler erforderlich.  

Um den Solarstrom effizient nutzen zu können, lässt sich die PV-Anlage erweitern mit einem Energiemanagementsystem und einem Stromspeicher. Im Rahmen der Sektorenkopplung kann der Eigenverbrauch zudem durch den Einsatz von Großverbrauchern wie Wärmepumpe und Wallbox optimiert werden.

Die Solarmodule, Solarpanele oder PV-Module sind der „produktive Teil“ der Photovoltaikanlage. Die in den Modulen vor Umwelteinflüssen geschützten Solarzellen wandeln einfallendes Sonnenlicht in elektrischen Strom um. Eine einzelne Zelle bringt aber nur wenig Leistung. Durch das elektrische Zusammenschalten vieler Solarzellen in einem Modul und vieler Module in einem Strang können relevante Ströme und Spannungen erreicht werden, mit denen sich Haushaltsgeräte, Maschinen und auch Großverbraucher betrieben lassen. Für eine 10 kWp-Anlage sind etwa 25 bis 30 handelsübliche Module erforderlich. Im Jahr können damit etwa 10.000 kWh Solarstrom erzeugt werden, von denen ohne weitere Optimierung etwa ein Viertel bis einem Drittel direkt im Haushalt verbraucht wird.

Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Solarmodule, die sich im Aufbau aber auch hinsichtlich der photoaktiven Schicht der Solarzellen unterscheiden. Neben Zellen auf Basis von amorphem und kristallinem Silizium sind vor allem solche aus organischen Halbleiter-Materialien im Einsatz.

Aufbau typischer Module

Für typische Dachanlagen auf Wohnhäusern und Gewerbeobjekten kommen vor allem monokristalline „Dickschichtmodule“ zum Einsatz. Die Solarzellen dafür werden aus ca. 0,2 mm starken Wafern gesägt, elektrisch untereinander verbunden und dann zwischen zwei Folien eingeschweißt („laminiert“). Das schützt die empfindlichen Solarzellen vor Feuchtigkeit und Chemikalien. Zum Schutz vor mechanischer Belastung wird das Laminat zwischen eine Glasscheibe und eine weitere Folie (Glas-Folie-Module) oder zwischen zwei Glasscheiben (Doppelglas- oder Glas-Glas-Module) eingebettet und das Konstrukt durch einen stabilen Aluminium-Rahmen geschützt. Das vollständige Module verfügt außerdem über einen elektrischen Außenanschluss, über den die Spannung abgegriffen werden kann. Die einzelnen Module werden dann untereinander meist in einer Reihenschaltung verbunden, gelegentlich auch in Parallelschaltung. Für die Verbindung untereinander und mit dem Wechselrichter sind die Module mit typischen Steckern ausgestattet, die sich auch wieder lösen lassen, wenn z.B. ein defektes Modul ausgetauscht werden muss.

In Reihe geschaltete Module bezeichnet man als Strang oder englisch String. Innerhalb eines Strings sollten alle Module technisch möglichst gleichwertig sein, denn das Modul mit der geringsten Leistung bestimmt die Leistung des gesamten Strings. Aus diesem Grund ist es auch wichtig, Verschattungen zu vermeiden, weil die Leistung nicht nur durch den „Ausfall“ einzelner Module geschmälert wird, sondern regelrecht einbricht.

Um trotz unterschiedlicher Sonneneinstrahlungen, z.B. bei einem Ost-West-Dach, einen optimalen Solarertrag zu erreichen, teilt man die PV-Anlage in Teilanlagen auf. In einem String verbunden werden die Module, die etwa die gleiche Leistung bringen. Im Beispiel werden also alle Module auf der ostwärts gewandten Dachfläche in einem String zusammengefasst, alle Module auf der Westseite in einem zweiten String. Theoretisch lässt sich eine PV-Anlage aus beliebig vielen Strings zusammensetzen.

Wechselrichter (auch Inverter oder Drehrichter) haben die Aufgabe, den Gleichstrom (DC), den die Solarmodule erzeugen, in Wechselstrom (AC) umzuwandeln, der im Haushalt verwendet bzw. ins öffentliche Netz eingespeist werden kann. Dies geschieht durch eine Schaltung, bei der der Gleichstrom durch das schnelle Öffnen und Schließen von Schaltern die Richtung wechselt und die fließende Strommenge (über Pulsweitenmodulation) reguliert wird. Außerdem enthält der Wechselrichter einen Transformator, der die Spannung auf die gewünschten 230 V einstellt.

Wechselrichter verfügen in der Regel über zwei DC-Eingänge, das bedeutet, dass genau ein String angeschlossen werden kann. Besteht eine PV-Anlage aus mehreren Strings, müssen entsprechend viele einfache Wechselrichter oder sogenannte Multi-String-Wechselrichter mit mehr Eingängen eingesetzt werden.

Pro Eingang verfügen Wechselrichter über einen sogenannten MPP-Tracker. Dieser intelligente Laderegler stellt stets den optimalen Lastwiderstand für die aktuelle Strahlung und Temperatur ein. Auf diesem Weg wird die Leistung des Strings – das Produkt aus Spannung und Stromstärke – maximiert.

Während die Solarmodule, um ihre Funktion erfüllen zu können, auf eine möglichst hohe Sonneneinstrahlung angewiesen und so auch der Witterung ausgesetzt sind, mag es der Wechselrichter lieber trocken und schattig. Er wird deshalb nicht auf dem Dach, sondern in einem Raum im Inneren des Hauses aufgestellt. Um die Verbindung zu den Modulen zu gewährleisten, ist es deshalb erforderlich, die Kabel durch die Dachhaut zu führen. Selbstverständlich muss diese Durchführung wieder gut abgedichtet werden, um Schäden z.B. durch Feuchtigkeit zu vermeiden. Bei der Installation der Photovoltaikanlage sollte also unbedingt auch der Aufstellort des Wechselrichters mitbedacht werden, um die Länge der Kabel und damit etwaige Leistungsverluste möglichst gering zu halten. Zudem sollte berücksichtigt werden, dass die Schaltvorgänge im Wechselrichter mit einer gewissen Geräuschentwicklung verbunden sein können. Direkt neben dem Schlafzimmer sollte das Gerät also nicht platziert werden.

Solarmodule befinden sich auf dem Dach, oftmals in großer Höhe. Hier sind sie starken Winden ausgesetzt, die auf die „Platten“ große Kräfte ausüben können. Deshalb ist es unbedingt erforderlich, dass die Module sicher befestigt werden – bei Gewichten von 20 bis 25 kg stellen sie sonst eine erhebliche Gefahr dar. Eine Unterkonstruktion (auch Montagesystem) aus Aluminiumprofilen sorgt dafür, dass die Module auch bei Sturm da bleiben, wo sie hingehören – auf dem Dach!

Die Installation der Unterkonstruktion auf einem Schrägdach erfordert, dass einige Ziegel entfernt werden. In den so entstandenen „Lücken“ werden die Dachhaken positioniert, die fest mit der Dachlattung verschraubt werden. Nachdem der Dachziegel mit dem Trennschleifer oder dem Zimmermannshammer so bearbeitet wird, dass Platz für die Verstrebung des Dachhakens ist, wird der Ziegel wieder eingesetzt und die Dachhaut geschlossen. Jetzt wird das Schienensystem auf den Dachhaken montiert. Danach müssen nur noch die Module in die Schienen eingesetzt und am Ende der Modulreihe durch Endstücke gegen Verrutschen gesichert werden.

Die Module werden durch die Unterkonstruktion parallel zur Dachneigung installiert. Die Ausrichtung ist auf dem Schrägdach vorgegeben, Änderungen des Winkels sind nur im geringen Maße möglich. Zwischen Modulen und Dach wird im Allgemeinen ein Abstand von einigen Zentimetern eingehalten, der die „Hinterlüftung“ sichert. Damit ist gemeint, dass die dunklen Module sich bei Sonneneinstrahlung zum Teil erheblich erwärmen können. Der Spalt zwischen Modul und Dachhaut ermöglicht den Abtransport der Wärme, was sich auch positiv auf den Wirkungsgrad der Solarzellen und damit auf den erzielten Solarertrag auswirkt.

Bei Flachdächern dienen Gestelle als Unterkonstruktionen, die in der Regel durch Gewichte beschwert werden. Das Verschrauben mit dem Dach wird meist vermieden, um die Dachhaut nicht zu beschädigen, was das Eindringen von Feuchtigkeit begünstigen könnte. Anders als bei Schrägdächern können Ausrichtung und Anstellwinkel der Unterkonstruktion und damit der Module im Großen und Ganzen frei gewählt werden. Um zu vermeiden, dass sich die Module gegenseitig verschatten, ist es jedoch erforderlich, den Anstellwinkel nicht zu steil zu wählen oder einigen Abstand zwischen den Modulen zu lassen. Als besonders günstig hat sich die abwechselnde Neigung erwiesen, so dass viele Flachdachanlagen eine wellenartige Form aufweisen.

Jeder, der Strom aus dem öffentlichen Netz bezieht, kennt die typischen Zähler mit der sich drehenden Scheibe. Diese Zähler sind dafür gedacht, den Strom zu messen, der vom Netz zum Verbraucher fließt. Bei der Einspeisung von Strom ins Netz würden sie rückwärtslaufen, es sei denn, sie verfügen über eine Rücklaufsperre. Ersteres ist hierzulande anders als z.B. in den Niederlanden unzulässig, im zweiten Fall ließe sich die eingespeiste Strommenge nicht ermitteln. Es wird also ein Zweirichtungszähler benötigt, der den Bezug und die Einspeisung unabhängig voneinander misst. Bei Installation einer Photovoltaikanlage, die nicht für den Inselbetrieb gedacht ist, ist der Zähler somit eine essenzielle Voraussetzung für den Erhalt der Einspeisevergütung. 

In den kommenden Jahren werden die analogen durch einen digitalen Stromzähler ersetzt. Bei PV-Anlagen über 7 kWp und bei Haushalten mit einem Verbrauch von mehr als 6.000 kWh pro Jahr bzw. mit steuerbaren Verbrauchern wie einer Wärmepumpe, besteht eine Smart-Meter-Pflicht.

Auch bei digitalen Zählern gibt es Einrichtungszähler, die nur den Strombezug messen, und Zweirichtungszähler, die auch die Einspeisung erfassen. Einrichtungszähler finden sich aber so gut wie nur noch in Bestandsgebäuden. Moderne Zähler in Neubauten werden in der Regel bereits aus Zweirichtungszähler ausgelegt, sind also für den Betrieb einer Photovoltaikanlage mit Netzanschluss geeignet.

Energie sinnvoll einsetzen

Der Energieverbrauch im Haushalt ist von vielen Faktoren abhängig, von der Tageszeit, von den eingesetzten Verbrauchern, vom typischen Nutzungsverhalten. Der Einsatz eines Energiemanagementsystems würde sich also auch ohne PV-Anlage lohnen, wenn es darum geht, den Energiebedarf zu kontrollieren und gegebenenfalls zu optimieren. So ließen sich „Stromfresser“ identifizieren, bestimmte Verhaltensmuster erkennen und einiges mehr. Wirklich lohnenswert wird das Energiemanagement aber erst, wenn Strom nicht gleich Strom ist: Also wenn neben dem Standard-Netzstrom auch der kostenlose PV-Strom oder auch ein deutlich günstigerer Nachttarif zur Verfügung steht. Denn dann lässt sich der Energieverbrauch so steuern, dass er im Wesentlichen mit preiswertem Strom gedeckt wird.

Beim Einsatz von Solarstrom spricht man zum einen von der Optimierung des Eigenverbrauchs, zum anderen von der PV-Optimierung. Ersterer Begriff bezieht sich auf das Ziel, so viel vom selbsterzeugten Solarstrom auch selbst zu verbrauchen, während mit PV-Optimierung in der Regel gemeint ist, den momentan vorhandenen Solarstrom möglichst gewinnbringend einzusetzen. Das beinhaltet auch die Wahl zwischen zwei Großverbrauchern, also dass z.B. zuerst die Wärmepumpe anspringt und erst danach, bei genügend Überschuss auch das Elektroauto geladen wird. Neben diesen Optimierungsaufgaben lassen sich über das Energiemanagementsystem auch simple Aufgaben lösen, wie das An- und Abschalten eines Verbrauchers zu einem bestimmten Zeitpunkt oder für eine vorgegebene Dauer.

Überschüssigen Solarstrom speichern

Ein Nachteil von Strom ist, dass er immer sofort „verbraucht“ werden muss, wenn er entsteht. Die Nutzungsprofile der meisten Haushalte sehen aber so aus, dass dann, wenn der meiste Strom durch die PV-Anlage zur Verfügung gestellt wird – in der Regel ist das um die Mittagszeit – der Verbrauch besonders niedrig ist. Die Hausbewohner sind dann auf Arbeit, in der Schule, an der Uni oder für Besorgungen außer Haus. Das heißt der überschüssige Solarstrom wird dann gegen die niedrige Einspeisevergütung eingespeist und später für den höheren Netzpreis zurückgekauft. Vermeiden lässt sich das durch die Anschaffung eines Batteriespeichers, der mit der PV-Anlage gekoppelt wird. Der gespeicherte Strom kann dann verwendet werden, wenn gerade einmal keine Sonne scheint. Das erhöht den Eigenverbrauch an Solarstrom und die Unabhängigkeit vom Stromanbieter.

Solarstrom für Wärme und Mobilität

Bei der im Haushalt verbrauchten Energie macht Strom nur etwa ein Fünftel aus. Das ändert sich jedoch gerade im Zusammenhang mit der sogenannten Sektorenkopplung. In Zukunft werden Wärme und Mobilität nicht mehr mithilfe fossiler Rohstoffe, sondern idealerweise mit grünem Strom aus erneuerbaren Energien erzeugt.

Für die Wärmeerzeugung kommen Wärmepumpe und elektrische Heizstäbe zum Einsatz, die mit dem grünen Strom aus der PV-Anlage betrieben werden können. Das Elektroauto, das in Zukunft zu einem der zentralen Träger unserer Mobilität wird, lässt sich über eine Wallbox ebenfalls mit Solarstrom aufladen. Alle großen Verbraucher können über das Energiemanagementsystem in die heimische Energieversorgung eingebunden und der erzeugte Solarstrom so optimal genutzt werden.

Unbestreitbar ist, dass sich durch die Sektorenkopplung der Bedarf an Strom wachsen wird. Um möglichst viel von diesem Bedarf selbst decken zu können, ist es sinnvoll, das Photovoltaik-Potential des Hauses so gut wie möglich zu nutzen. Neben Solarmodulen auf dem Dach kann sich auf eine Fassadenanlage lohnen. Ein Carport oder eine Terrassenüberdachung bieten zusätzliche Fläche für die Installation von Modulen. Prinzipiell können auch Freiflächen für die Photovoltaik genutzt werden, allerdings ist für solch eine Anlage so gut wie immer eine Baugenehmigung erforderlich, über die die jeweilige Kommune entscheidet.