Photovoltaik Grundlagen
Photovoltaik Grundlagen
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Eigenverbrauch und Autarkie
Diese beiden Begriffe gehören zum Grundvokabular im PV-Bereich. Der Eigenverbrauchs-Anteil (auch Direktverbrauch oder Eigenverbrauchsquote) und die Autarkieqoute (auch Autarkiegrad) sind begrifflich voneinander abzugrenzen.
Während der Eigenverbrauch den produzierten Sonnenstrom-Anteil beschreibt, der vom Anlagennutzer selbst direkt verbraucht wird, bestimmt die Autarkiequote den relativen Anteil vom selbst produziertem Strom am gesamten Stromverbrauch. Das bedeutet, dass mit einem hohen Autarkiegrad eine ebenfalls hohe Unabhängigkeit vom öffentlichen Stromnetz einhergeht. Eine Anlage ist zu 100 % autark, wenn sie so viel Energie liefert, wie vom Anlagennutzer benötigt wird. Eine 100 % Eigenverbrauchsquote wird erreicht, wenn die gesamte produzierte Sonnenenergie verbraucht werden kann, unabhängig vom Gesamtverbrauch.
So können Eigenverbauchsquote und Autarkie errechnet werden:
Eigenverbrauchsquote = Eigenverbrauch / Produktion * 100
Autarkiequote/-grad = Eigenverbrauch / Gesamtverbrauch * 100
Wird in einem Haushalt mit PV-Anlage im Jahr insgesamt 5000 Kilowatt Strom verbraucht, 4000 Kilowattstunden Sonnenstrom erzeugt und davon 1500 Kilowatt direkt verbraucht, dann ergeben sich folgende Werte:
Eigenverbrauchsquote: 1500 kWh / 4000 kWh * 100 = 37,5 %
Autarkiegrad: 1500 kWh / 5000 kWh = 30 %
Gute durchschnittliche Autarkiewerte liegen ohne Speicher zwischen 30 -40 %. Mit zusätzlichem Speicher können sogar Werte über 80% realisiert werden.
Gute Eigenverbrauchswerte liegen durchschnittlich bei 30 % – 50 % ohne Speicher, mit optimierten Strommanagement und Speicher können auch hiert Werte über 70 % erzielt werden.
In Zeiten geringer staatlicher Einspeisevergütung und hoher Strompreise, ist es empfehlenswert, Autarkie und Eigenverbrauch möglichst hoch zu halten. So wird der günstige Solarstrom selbst verbraucht, ohne diesen für eine geringe Einspeisevergütung ins Netz weiterzuleiten. Zudem muss kein teuerer Strom eingekauft werden.
Fläche und Ertrag
Wieviel PV-Anlage darf es sein?
Die Dimensionierung einer PV-Anlage kann von mehreren Variablen abhängen. Die verfügbare Fläche, das Budget, der Strombedarf oder der Beitrag zum Klimaschutz, können Gründe für oder gegen eine bestimmte Größendimensionierung sein.
Ist das Ziel der Anlage, den eigenen Strombedarf zu decken, dann kann folgende Berechnung den Flächenbedarf ermitteln.
Ein Solar-Modul mit einer Größe von ca. 1m x 1,80m erzeugt heute durchschnittlich ca. 400 Watt Nennleistung. Nennleistung ist die theoretisch maximal erreichbare Leistung eines Moduls unter idealen Bedingungen. Sie wird in der Regel in kWp (Kilowatt-Peak) angegeben.
In sonniger Lage können mit modernen Modulen auf ungefähr 25m² über 5kWp Nennleistung erzielt werden.
Dabei sollten immer 20-30 Prozent Fläche auf den ermittelten Bedarf aufgeschlagen werden, um genügend Reserven für die Zukunft und für Tage mit geringerer Sonneneinstrahlung zu generieren
Etwas aussagekräftiger als die reine Nennleistung ist der spezifische Ertrag. Dieser gibt den Ertrag aus der Summe der erzeugten Energie pro Zeiteinheit (in der Regel pro Jahr) an und orientiert sich an der örtlichen Globalstrahlung.
Unter guten Bedingungen erreichen wir in Deutschland einen spezifischen Jahresertrag von 850 (im Norden) bis 1100 kWh/kWp (im Süden). Das bedeutet, dass wir ca. 850 – 1100kWh je installierten kWp erreichen können.
Ausrichtung Module
In einer perfekten Photovoltaik-Welt findet sich am Standort einer Photovoltaikanlage (PV-Anlage) keinerlei Verschattung (Schornstein, Bäume etc.),
und die PV-Anlage ist in Richtung Süden mit einer Neigung zwischen 30° und 40° ausgerichtet.
In der realen Welt sind Abweichungen von diesem Ideal eher die Regel als die Ausnahme. Für einen effiziente Anlagenbetrieb stellen Abweichungen vom Optimum heute jedoch nicht immer ein Problem dar.
Zum Beispiel haben Anlagen mit West- und Ostausrichtung ihren Reiz, da sie einen guten Ertrag in den Morgen- und Abendstunden generieren können.
Verschattungen einzelner Flächen einer PV-Anlage können zudem durch technische Lösungen, wie z.B. Ertragsoptimierer oder intelligente Wechselrichter, gemindert werden.
Dennoch sollte gerade beim Thema Verschattung auch die Entwicklung der umliegenden Umgebung betrachtet werden. Bäume wachsen, freie Grundstücke können bebaut werden. Schon ein verschattetes oder auch verschmutztes Modul kann negative Auswirkungen auf die Spannung der anderen in Reihe geschalteten Module haben. Das ist bei der Planung unbedingt zu berücksichtigen.
Am Modell lässt sich die optimale Ausrichtung nach Süden ablesen. Es lässt sich erkennen, dass auch West- und Ostausrichtungen für gute Ergebnisse sorgen können. Selbst an Gebäudefassaden kann noch über 50% Ertragsqoute vom Optimalwert erzielt werden. Auch unter scheinbar schwierigen Bedingungen kann also eine PV-Anlage noch effizient betrieben werden.
Wie gut Ihr Dach für die solare Energieerzeugung geeignet ist, lässt sich auch über das örtliche Solar-Kataster grob erfassen:
Achtung Statik
Es ist vor der Montage einer PV-Anlage empfehlenswert, dass ein Standsicherheitsnachweis der Gebäudekonstruktion fachkompetent erstellt wird. Dabei ist nicht nur die Dachkonstruktion zu berücksichten, sondern auch die gesamte Gebäutestatik. Es müssen immer genügend Last-Reserven vorhanden sein, um die Zuverlässigkeit der Statik auch unter extremeren Bedingungen wie z.B. Sturm und Schnellfall zu garantieren.
Durch die Installation einer PV-Anlage können je nach Dachform und Montage-System Lasten von ca.20kg -100kg auf die Statik wirken. In der Regel gibt es jedoch bei den meisten Gebäuden keine besonderen Statik-Probleme für die Errichtung einer PV-Anlage. Ein Augenmerk sollte jedoch immer in besonders windigen oder schneereichen Gebieten auf die Dachstatik gelegt werden.
Photovoltaik in der Solarzelle
Alle reden von Photovoltaik. Nur was ist das eigentlich genau?
Der Begriff Photovoltaik setzt sich aus den griechischen Wort phos/photos (Licht/des Lichtes) und dem Nachnamen des Physikers Alessandro Volta (1745-1825) zusammen. Er gilt als Erfinder der ersten funktionsfähigen Batterie. Ihm zu Ehren sprechen wir heute auch bei elektrischer Spannung von Volt.
Allgemein bezeichnet Photovoltaik die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie. Auch photoelektrischer Effekt genannt. Dieser Prozess findet in der Solarzelle statt.
In der Regel setzt sie sich aus 99,9 prozentigen reinem Silizium zusammen. Dieses Reinstsilizium wird in einem aufwendigen Verfahren aus Quarzsand hergestellt
Das Reinstsilizium einer Solarzelle wird, vereinfacht gesagt, durch die Zugabe von Bor auf der unteren Seite positiv und auf der oberen Seite z.B. durch Phosphor negativ dotiert. Sodass am Ende eine positiv geladene, einer negativ geladenen Seite gegenübersteht.
Zwischen diesen beiden Seiten ensteht durch die unterschiedliche Dotierung eine Grenzschicht, der positivnegativ-Übergang. Bei Lichteinfall auf die Solarzelle werden in diesem pn-Übergang durch die Energie der Lichtphotonen die positiven Elektronen von den negativen „Löchern“ getrennt. Während die Löcher zum unteren Kontakt wandern, bewegen sich einige der negativen Elektronen in den negativ dotierten Bereich zum oberen Kontakt der Zelle.
Werden die Bereiche nun mit einer Last-Leitung bzw. einen Verbraucher verbunden, bewegen sich die getrennten n-Elektronen über diese Leitung wieder in den p-Bereich, um die entstandenen Löcher wieder zu besetzen. Es fließt nun Strom.
Mehrere Solarzellen ,in der Regel zwischen 36 oder 144 Stück (mit Spannungen von 18 bis an die 80 Volt), werden in Reihe geschaltet und als Solar-Modul auf die Dächer geschraubt.
Im Solarmodul werden die empfindlichen Solarzellen, mit einem Glasschicht-Folien-Verbund mit Alu-Rahmen vor Umwelteinflüssen geschützt, sodass die Zellen ungestört ihre Arbeit verrichten können. Heutzutage werden in der Regel Module in der Größe von ca. 1mx2m verbaut, diese eine Leistung von 370 – 450 Watt erreichen können.
Solarmodule werden häufig zu Strängen bzw. Strings in Reihe zusammengeschaltet. Dadurch addieren sich die einzelnen Spannungen je Modul- Auf diese Weise können leicht pro String 500 Volt und mehr Spannung erreicht werden.
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Solarmodule und Effizienz
Für den Photovoltaik-Anlagenbau lassen sich unterschiedliche Modul-Typen mit jeweils spezifischen Eigenschaften ausmachen.
In der Regel trifft man auf Monokristalline, Polykristalline sowie Dünnschicht-Module (z.B. Amorphe Silizium-Module).
Diese Modultypen unterscheiden sich insbesondere hinsichtlich ihres Wirkungsgrades. Wirkungsgrad ist das Maß für die Effektivität, mit der die Solarzelle arbeitet. Er ergibt sich aus dem Verhältnis von abgegebener elektrischer Energie zur einstrahlenden Lichtenergie.
Bei monokristallinen Modulen ist heute der Wirkungsgrad im allgemeinen am höchsten. Hersteller wie LG oder Sunpower erreichen hier schon einen Wirkungsgrad von über 22%. Trotz höherer Produktionskosten sind monokristaline Solarmodule aufgrund des höheren Wirkungsgrades, insbesondere bei diffusem Licht, seit einigen Jahren auf dem Vormarsch und verdrängen zunehmend andere Modultypen.
Polykristalline Module sind kostengünstig zu produzieren und wurden in den vergangenen Jahren am häufigsten verbaut. Ihre unregelmäßige kristall-bläulich schimmernde Oberfläche ist zum Sinnbild eines Solarmoduls geworden.
Da ihr Wirkungsgrad mit 15-20% etwas geringer ausfällt als bei den monokristallinen Zellen, werden sie voraussichtlich nach und nach vom Markt verdrängt. Dennoch zeichnet sie noch heute eine hervorragende Kosten-Nutzen-Relation aus. Zudem zeigen sie sich hinsichtlich ihres Wirkungsgrades bei höheren Temperatur leistungsstabiler als die monokristalinen Module. Bei diffuser Strahlung zeigen sie hingegen leichte Nachteile gegenüber den Monos.
Am Ende sollte die Wahl ob Mono- oder Polymodultechnik aber eher von der Qualität des einzelnen Moduls oder Herstellers abhängen. Für eine langlebige und funktionierende Anlage ist diese Vorgehensweise weitaus entscheidener als eine paar Prozentpunkte Wirkungsgrad mehr ode rweniger.
Im Trend liegen derzeit auch sogenannte Halbzellen Module (Half-Cut-Module). Für HC-Module werden kristalline Solarzellen in zwei Hälften getrennt und dann im Modul verbaut.
Die Halbzellen sind zu mehreren Strings in Reihe und diese dann parallel geschaltet, beispielsweise bei 120 Halbzellen zu 6 Strings mit jeweils 20 Halbzellen.
Bei Halbzellenmodulen ist die Anzahl der Zellverbinder gegenüber Vollzellenmodulen verdoppelt. Dadurch reduziert sich der elektrische Widerstand der Verbindung und so kann mit der gleichen Zellmenge ein Modul mit 2 – 3 Prozent höherer Leistung hergestellt werden.
Ein weiterer Vorteil der Halbzellen-Module ist die vertikale Teilung mit zentral platzierten Freilaufdiode. Bei einer hochkanten Montage kann das Modul z.B. bei einer Verschattung in einer Hälfte noch exakt 50% Leistung erbringen. Module mit Vollzellen, würde die Verschattung wahrscheinlich zu größeren Leistungseinbrüchen führen.
Flexibel, günstig, aber geringer Wirkungsgrad (10-13%): Dünnschichtmodule.
Schwarze monokristalline Silizium-Zelle und blaue polykristalline Silizium-Zelle: Wirkungsgrad 15-22%.
Während Mono- und polykristalline Module zu den kristallinen Dickschicht-Modulen gehören, zählen Amorphe Silizium-Module zu den dünnschichtigen Modulen. Dünnschichtmodule basieren auf einem anderen Herstellungsverfahren, wodurch die Solarzellschicht bis zu einhundert mal dünner als kristalline Zellen sein können. Dünnschichtzellen kommen in der Herstellung mit sehr wenigen Rohstoffen aus und lassen sich vergleichsweise einfach herstellen. Generell ist der Modulwirkungsgrad bei amorphen Siliziumzellen mit ca. 8-10% geringer als bei den meisten PV-Modulen, dafür sind sie weitaus günstiger zu produzieren. Zudem können sie diffuses Licht besser in Strom umwandeln und verlieren weniger Leistung bei steigender Temperatur.
Einige Hersteller, z.B. Meyer Burger, setzen zunehmend auf Heterojunction-Solarzellen (HJT). Sie vereinen die Vorteile der kristallinen mit der Dünnschicht-Technologie, indem ein monokristalliner Silizium-Wafer von einer ultradünnen amorphen Siliziumschicht umhüllt wird. Hohe Wirkungsgeade mit geringerem Temperatureinfluss sind mit der HJT-Technologie heute möglich.
Das schicke Schwarze: Monokristallin-Modul von LG.
Produziert in Deutschland: Meyer Burger Modul White mit HJT-Zellen-Technologie und 120 Halbzellen.
Im Allgemeinen bleiben aber heute vor allem die monokristallinen Module derzeit das Mittel der Wahl. Dabei gilt es aber immer in Abhängigkeit vom jeweiligen Projekt herauszufinden, welcher Modultyp die beste Effizienz aufweist.
Sollten sich Verschattungen bei der Planung der Anlage nicht eleminieren lassen, z.B. durch einen Schornstein oder Baum. Dann können sogenannte Leistungsoptimierer zum Einsatz kommen.
Diese Optimierer sind kleine Elektronikgeräte und überwachen die Leistung einzelner Solar-Module. Dabei arbeiten sie häufig nicht alleine, sondern kommunizieren stetig mit dem Wechselrichter über das optimale Verhältnis von Stromstärke und Stromspannung (MPP) der einzelnen Module. Das ist gerade dann wichtig, wenn Teile von in Reihe verschalteten Modulen verschattetet sind. Denn die gesamte Spannung eiens Strings hängt von der Leistung des schwächsten Moduls ab, welches in diesem Beispiel das verschattete Modul ist.
Leistungsoptimierer können das schwächste Modul ansteuern und dieses quasi aus der Kette nehmen, sodass dieses weniger negative Auswirkungen auf die gesamte Reihenschaltung hat und so immer am Optimum gearbeitet werden kann. Prominente Hersteller dieser Leistungsoptimierer sind SolarEdge, Tigo oder Huawai. Ob sich der Einsatz von Leistungsoptimierern lohnt, hängt dabei immer von den individuellen Bedingungen vor Ort ab. Es sollte daher vorher genau geprüft werden, wieviel Leistungszuwachs erreicht werden kannt, damit sich die Investitionskosten auch wieder armotisieren.
Gerne helfen wir Ihnen dabei, die passende Modul-Lösung für Ihr Solar-Projekt zu ermitteln. Generell gilt, dass bei sehr großen, gut mit Sonne beschienenden Flächen, schwächere Module mit geringeren Kosten wirtschaftlich mehr sehr Sinn machen, als besonders effiziente und kostenintensivere Module mit höheren Wirkungsgrad. Sicherlich kann auch der ästhetische Geschmack bei der Wahl der Modul-Systeme ausschlaggebend sein.
Vom Modul zum Wechselrichter
Der Wechselrichter ist eine zentrale Komponenter in einer PV-Anlage. Er wandelt den durch die Solarmodule erzeugten Gleichstrom in 230 Volt Spannung starken Haus-Netz-Wechselstrom. Dadurch wir der Solarstrom im Haus überhaupt nutzbar.
In der Regel werden einzelne oder mehrere Strings (in Reihe oder parallel geschaltete Module) an einem Wechselrichter angeschlossen. Existieren mehrere Strings, ist es durchaus üblich, diese mit zusätzlichen Wechselrichtern zu verbinden. Bei großen Anlagen/Parks kommt häufig ein Zentralwechselrichter mit Trafo zum Einsatz. Dieser übernimmt dann die Stromumwandlung für alle Strings.
Auf kleineren und mittelgroßen Dachflächen kommen heute fast ausschließlich Stringwechselrichter zum Einsatz.
Die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom ist immer mit Verlusten behaftet. Moderne Wechselrichter erreichen einen Wirkungsgrad von über 95 Prozent. Das bedeutet, dass hier nur ein Stromverlust von maximal 5 Prozent erfolgt, was nahezu zu vernachlässigen ist.
Eine weitere Funktion des Solar-Wechselrichters ist das MPP-Tracking (Maximum Power Point Tracking). Da der Solarstrom nicht immer gleichmäßig produziert wird, beispielsweise verändert sich die Spannung bei Verschattungen einzelner Module oder Temperaturveränderungen, müssen diese Veränderungen durch den Wechselrichter dynamisch angepasst werden. Würde der Wechselrichter auf die sich ständig verändernden Umstände nicht reagieren, würde die Anlage mit höheren Verlusten Strom produzieren.
Der Wechselrichter reagiert flexibel auf diese Bedingungen mit dem so genannten MPP- (Maximum power point) Tracking, um einen optimalen Betriebspunkt der Anlage zu erreichen. Der MPP-Tracker im Wechselrichter optimiert also situationsbedingt die Leistung der Anlage. Moderne Wechselrichter finden zuverlässig den optimalen Ertragspunkt im Strom-Spannungsverhätnis. Hersteller wie Solaredge setzen zusätzlich auf Leistungsoptimierer direkt an den Modulen, die im Zusammenspiel mit dem Solaredge Wechselrichter, den MPP ermitteln.
Moderne Wechselrichter sind zudem regelrechte Überwachungsmaschinen in der PV-Anlage. Sie übernehmen die Sicherheitsüberwachung, indem sie bei Unregelmäßgikeiten Fehlermeldungen erstellen sowie Abschaltungsfunktionen besitzen sowie Abschaltfunktionen auslösen, wenn es zu Netzausfällen kommen sollte. Zudem ist in vielen Wechselrichtern heute ein Überspannungsschutz integriert.
Wechselrichter sind heute mit einem smarten digitalen Stromzähler (Smart-Meter) verbunden und können zudem mit einem Batterie-Speicher verbunden werden (Hybrid-Wechselrichter).
Dadurch wird der Wechselrichter zur Schaltzentrale in der PV-Anlage und kann Strom je nach Bedarf dem Hausnetz, der Batterie, Wallbox, oder der Einspeisung zuweisen oder verwehren.
Die Daten für die Kommunikation sollten für eine sichere Übertragung über Netzwerk-Lan-Kabel erfolgen, auch wenn die Datenübermittlung bei vielen Systemen bereits über das hausinterne W-lan verlaufen kann.
Für die externe Datenauslesung zur Anlagenüberwachung besitzen viele Wechselrichter einen Datenlogger oder eine Webconnect-Funktion. Diese Wechselrichter können dann über Funk oder W-lan ausgelesen werden.
Bei der jeweiligen Dimensionierung des Wechselrichters ist unbegdingt darauf zu achten, dass der Gesamtleistungsspitzenwert aller Solarmodule dem Wert der Gleichstrom-Nennleistung des Wechselrichters entspricht. Der Wechselrichter sollte also nicht zu klein und nicht zu groß sein und an die jeweiligen technischen Erfordernisse der PV-Anlage angepasst werden.
SMA Sunny Tripower 8000TL: Kommunikation über externe Bluetooth-Antenne, direkte Verbindung zum Sunny Portal über SMA Webconnect
Kostal Hybrid Wechselrichter Plenticore Plus: Kann gleichzeitig an Batterie und Modul-String angeschlossen werden.
Neben der richtigen Größendimensionierung ist der Montagestandort ist entscheidender ein Faktor für die Lebenszeit ihres Wechselrichters. Zu viel Wärmeentwicklung kann sich auf die Lebens- und Leistungskurve negativ auswirken. Da schon der Wechselrichter selbst im Betrieb Wärme produziert, sollte der Aufstellungsort möglichst kühl und gut belüftet sein. Nicht erlaubt sind Aufstellungen im Wohnräumen und feuergefährdeten Betriebsstätten. Wechselrichter mit entsprechender Schutzklasse können auch außen angebracht werden. Auch hier sollte der Wechselrichter vor Regen und direkter Sonneneinstrahlung und Staub geschützt werden.
Gerne beraten wir Sie bei der Auswahl des richtigen Wechselrichters und sorgen für eine optimale Montage.
Smart-Meter: Die Intelligente PV-Anlage
Die Installation eines Smart-Meters ist seit 2021 in Anlagen über 7kWp gesetzlich vorgeschreiben. Aber auch unter 7kWp Anlagenleistung kann sich die Installation eines Smart-Meters lohnen.
Ein Smart-Meter kann als intelligenter Stromzähler mit Gateway beschrieben werden. Durch eine Datenanbindung kann der Zähler angesteuert und es können Daten über Stromerzeugung und -verbrauch ortsunabhängig ausgelesen werden.
Darüber hinaus ist ein Smart-Meter für ein intelligentes Energiemanagement unabdinglich, denn hier werden die benötigten Daten für die Steuerung der Stromflüsse der PV-Anlage gesammelt und an den Wechselrichter kommuniziert.
In der Regel werden in einer PV-Anlage Smart-Meter und Wechselrichter eines Herstellers verbaut, um eine reibungslose Kommunikation zu ermöglichen.
In Kombination mit Speicher-Batterie und/oder Wallbox, kann der Smart-Meter zusammen mit dem Wechselrichter intelligent sowie effizient den Strom der PV-Anlage verteilen. So ist der Solarstrom immer genau dort, wo er gebraucht wird.
Power Sensor von RCT
Kostal Smart Energy Meter
Zur Info:
Seit 2020 müssen alle Stromkunden in Deutschland mit einem Jahresverbrauch zwischen 6.000 und 100.000 kWh intelligente Messsysteme installieren.
Bei Privathaushalten, die einen Jahresstromverbrauch von bis zu 6.000 kWh haben, entscheiden die grundzuständigen Messstellenbetreiber (diese sind vom Kunden frei wählbar), ob ihre Kunden mit einem intelligenten Messsystem oder lediglich einem einfachen, digitalen Zähler ausgestattet werden. Bis 2032 muss aber jeder Zähler digital oder intelligent sein. Des Weiteren besteht die Pflicht für Haushalte einen smarten Stromzähler einzubauen, die eine Steuerung für Wärmepumpen oder Nachtspeicherheizungen mit dem Netzbetreiber vereinbart haben.