Aufbau einer Photovoltaikanlage

Photovoltaikanlagen erzeugen aus Sonnenenergie Strom und helfen ihren Besitzern, Energie und Geld zu sparen. Doch wie ist eine Photovoltaikanlage eigentlich aufgebaut? Aus wie vielen Komponenten besteht eine Photovoltaikanlage? Der Aufbau einer Photovoltaikanlage, deren einzelne Komponenten und Funktionen werden hier einfach erklärt.

Die Photovoltaikanlage und deren Aufbau

Eine Photovoltaikanlage besteht aus den PV-Modulen, der Unterkonstruktion, den PV-Kabeln, dem Wechselrichter und unterschiedlichen Zählern. Eventuell werden fallabhängig weitere Komponenten benötigt, wie ein Batteriespeicher.

Die PV-Module erzeugen aus Sonnenenergie Gleichstrom, der über die Kabel zum Wechselrichter geleitet und umgewandelt wird. Mit der Unterkonstruktion werden die PV-Module am Dach fixiert und die PV-Kabel verbinden die Elemente. Die Zähler sind dafür zuständig, den Fluss der Energie der PV-Anlage zu überwachen.

Ein Überblick über die benötigten Komponenten:

Komponenten	Notwendigkeit	Funktion
Photovoltaik-Module	notwendig	wandeln Sonnenenergie in Gleichstrom um
Unterkonstruktion	notwendig	dient zur Befestigung der PV-Module
PV-Kabel	notwendig	stellen die Verbindung der Komponenten dar und leiten den erzeugten Solarstrom weiter
Wechselrichter	notwendig	wandelt den erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um
Zähler	notwendig	dient zur Messung des erzeugten Stroms und des Stromverbrauchs
Smart Meter	optional	überwacht den Stromverbrauch und optimiert diesen
Stromspeicher	optional	dient zum Speichern von überschüssigem Strom
Energiemanagement	optional	kontrolliert und steuert den Energiefluss und erhöht die Effizienz

Des Weiteren besteht die Möglichkeit, optional eine Wallbox zu installieren, falls ein E-Auto vorhanden oder geplant ist.

Funktionen der einzelnen Komponenten

Die notwendigen Komponenten der Photovoltaikanlage übernehmen wichtige Aufgaben, damit die Photovoltaikanlage einwandfrei funktionieren kann. Zudem gewährleisten sie auch den Schutz der einzelnen Bauteile. Auch optionale Komponenten bieten zahlreiche Vorteile.

Die Photovoltaik-Module

Mit den PV-Modulen, in denen sich Solarzellen befinden, wird Sonnenenergie (Sonnenlicht) in elektrische Energie umgewandelt. Die einzelnen Module sind mittels Kabeln miteinander in Serie oder parallel verbunden. Dadurch wird es möglich, eine Leistung und die gewünschte Spannung zu erhalten.

Wie effizient ein PV-Modul ist, ist abhängig vom Typ der Solarzellen. Monokristalline Solarzellen weisen zum Beispiel einen bis zu 25 Prozent höheren Wirkungsgrad auf. Das PV-Modul selbst besitzt einen Aluminiumrahmen und die Rückseite besteht aus Glas oder Folie. Die Vorderseite ist hingegen durch Glas abgedeckt. Die Glas-Glas-Module sind robuster und auch langlebiger, jedoch teurer als Glas-Folie-Module.

Die Verbindung der PV-Module

Damit die einzelnen PV-Module eine Verbindung erhalten, werden sie miteinander verbunden. Die Verbindung bzw. Verkabelung erfolgt hier in einer Parallel- oder Reihenschaltung.

die Parallelschaltung
- Durch die Parallelschaltung wird die Stromstärke erhöht, da die Stromströme der einzelnen PV-Module summiert werden. Die Spannung selbst bleibt konstant. Dies ist sehr vorteilhaft, wenn es zu teilweisen Verschattungen kommt, da eine Leistungsoptimierung erfolgt
die Reihenschaltung
- Durch die Reihenschaltung wird die Spannung erhöht, da die Spannungen der einzelnen PV-Module sich summieren. Dadurch entspricht der maximale Strom dem niedrigsten Strom des in der Reihe befindlichen PV-Moduls. Kommt es zu einer Verschattung, so fällt diese PV-Modul-Reihe aus. (die Reihenschaltung wird auch String genannt)

Die Unterkonstruktion

Die Unterkonstruktion wird benötigt, um die PV-Module auf der Dachfläche stabil und sicher befestigen zu können. So unterschiedlich Dächer sind, so unterschiedlich wurden auch die Unterkonstruktionen gestaltet. So nutzt man zum Beispiel bei Schrägdächern Aluminiumschienen, die als Aufdach-Montage-Systeme erhältlich sind. Bei Flachdächern werden schwere Gestelle benutzt, um eine sichere Montage zu gewährleisten.

Die Unterkonstruktionen werden unterschieden in:

die Flachdachmontage
die Aufdach-Montage
und die Indach Montage

Dadurch steht für jedes Dach die richtige Unterkonstruktion zur Befestigung der PV-Module zur Verfügung.

Die PV-Kabel

Die PV-Kabel werden benötigt, um die PV-Module mit den restlichen PV-Komponenten zu verbinden. So erfolgt die Verkabelung der einzelnen PV-Module, die mit dem Wechselrichter verbunden werden, wodurch der erzeugte Strom zum Wechselrichter gelangt. Der Strom wird danach zu den weiteren Komponenten weitergeleitet und kann genutzt werden.

Die Kabel wurden speziell entwickelt, um den Witterungsbedingungen im Außenbereich standzuhalten. In der Regel werden sie in Kabelkanälen geführt, um geschützt zu werden und nicht lose auf dem Dach zu liegen.

Der Wechselrichter

Der Wechselrichter ist dafür zuständig, den erzeugten Solarstrom, Gleichstrom, in Wechselstrom umzuwandeln, damit er genutzt werden kann. Damit die Photovoltaikanlage effizient arbeiten kann, muss der Wechselrichter an die Gesamtleistung der Anlage angepasst werden.

Die neuesten Modelle der Wechselrichter sind mit einem MPP Tracker ausgerüstet. Dadurch kann die Leistung der PV-Module maximiert werden. Dies wird dadurch erreicht, dass der Tracker laufend die optimale Stromstärke und Betriebsspannung überwachen. Zudem besitzen diese Wechselrichter einen Schutzmechanismus, der bei Überlastung, Kurzschluss oder eventuellen Fehlfunktionen die PV-Anlage abschaltet. Ein Wechselrichter erzeugt während seines Betriebs Wärme, wodurch darauf geachtet werden muss, dass er ausreichend belüftet wird.

Die Zähler

Ein PV-Zähler hilft bei der Überwachung der PV-Anlage. Er misst den erzeugten Solarstrom und auch die verbrauchten Strommengen. Dadurch wird die Überwachung und Abrechnung erleichtert. Beim Betrieb einer PV-Anlage können unterschiedliche Zähler eingesetzt werden. So zum Beispiel Stromzähler, Verbrauchszähler und Einspeisezähler. In den modernen PV-Anlagen werden zumeist Zweirichtungszähler eingesetzt. Sie ermöglichen es, den Verbrauch und die Einspeisemenge genau zu messen.

Smart Meter

Der Smart Meter überwacht in Echtzeit den Stromverbrauch und übermittelt diese Daten an das Energiemanagement. Es liefert genaue Daten, wodurch eine effiziente Steuerung des Systems erfolgen kann.

Der Stromspeicher

Stromspeicher werden je nach Wunsch des Betreibers der PV-Anlage in das System integriert. Durch den Stromspeicher kann Energie gespeichert werden und steht dann zur Verfügung, wenn sie benötigt wird. Dadurch können der Eigenverbrauch erhöht und die Abhängigkeit vom öffentlichen Stromnetz reduziert werden. Neue Stromspeicher sind zudem mit einer Notstrom-Funktion ausgerüstet, wodurch auch bei Stromausfällen der gespeicherte Strom zur Verfügung steht.

Ein gängiger Stromspeicher enthält eine oder mehrere Batteriezellen. Die Batteriezellen selbst sind in der Regel Lithium-Ionen-Zellen, die in einem speziellen Gehäuse untergebracht werden. In diesem Gehäuse befindet sich zudem ein Batteriemanagementsystem, das den Prozess der Ent- und Ladefunktion überwacht. Dadurch werden sowohl die Effizienz als auch die Lebensdauer des Batteriespeichers erhöht.

Die Wall Box

Eine Wallbox dient als Ladestation für E-Autos. Durch die Wallbox ist das Laden eines Elektroautos sicher und schnell zu Hause durchzuführen. Besteht bereits ein E-Auto oder wird der Kauf eines E-Autos geplant, kann bei der PV-Anlage eine Wallbox integriert werden.

Die Wall Box besitzt ein äußerst robustes Gehäuse, unterschiedliche elektrische Komponenten für die Steuerung und ein Ladekabel. Das Steuersystem überwacht den Vorgang des Ladens, um Sicherheit zu gewährleisten. Somit werden alle Bereiche des Lebens mit der Solaranlage abgedeckt.