Photovoltaikanlage
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| Photovoltaische Systeme und Komponenten: Oben: Solar-Stringwechselrichter und andere BOS-Komponenten - Solaranlage auf einem Dach in Hongkong, China - BIPV auf einem Balkon in Helsinki, Finnland |
Eine Photovoltaikanlage, auch PV-Anlage oder Solarstromanlage, ist ein elektrisches Energiesystem, das darauf ausgelegt ist, nutzbaren Solarstrom mittels Photovoltaik zu liefern. Sie besteht aus einer Anordnung mehrerer Komponenten, darunter Solarmodule, die das Sonnenlicht absorbieren und in Elektrizität umwandeln, ein Solarwechselrichter, der die Leistung von Gleich- in Wechselstrom umwandelt, sowie Montage, Verkabelung und anderes elektrisches Zubehör, um ein funktionierendes System zu errichten. Zur Verbesserung der Gesamtleistung des Systems kann auch ein Solarnachführsystem verwendet werden, und es kann eine integrierte Batterie enthalten sein. ⓘ
PV-Anlagen wandeln Licht direkt in Elektrizität um und sind nicht zu verwechseln mit anderen Solartechnologien wie der konzentrierten Solarenergie oder der Solarthermie, die zum Heizen und Kühlen verwendet werden. Eine Solaranlage umfasst nur das Ensemble der Solarmodule, den sichtbaren Teil der PV-Anlage, und nicht die gesamte andere Hardware, die oft als Balance of System (BOS) zusammengefasst wird. PV-Anlagen reichen von kleinen, auf Dächern montierten oder gebäudeintegrierten Systemen mit einer Leistung von einigen wenigen bis zu mehreren Dutzend Kilowatt bis hin zu großen Kraftwerken von Hunderten von Megawatt. Heutzutage sind die meisten PV-Anlagen an das Stromnetz angeschlossen, während netzunabhängige oder autonome Systeme nur einen kleinen Teil des Marktes ausmachen. ⓘ
Da PV-Anlagen geräuschlos und ohne bewegliche Teile oder Umweltemissionen arbeiten, haben sie sich von einer Nischenanwendung zu einer ausgereiften Technologie für die allgemeine Stromerzeugung entwickelt. Eine Aufdachanlage amortisiert sich innerhalb von 0,7 bis 2 Jahren und produziert über eine Lebensdauer von 30 Jahren etwa 95 Prozent der sauberen erneuerbaren Energie. ⓘ
Aufgrund des Wachstums der Photovoltaik sind die Preise für PV-Anlagen seit ihrer Einführung rasch gesunken; sie variieren jedoch je nach Markt und Größe der Anlage. Im Jahr 2014 lagen die Preise für 5-Kilowatt-Anlagen für Privathaushalte in den Vereinigten Staaten bei etwa 3,29 US-Dollar pro Watt, während auf dem stark durchdrungenen deutschen Markt die Preise für Aufdachanlagen bis zu 100 kW auf 1,24 Euro pro Watt sanken. Heutzutage machen PV-Solarmodule weniger als die Hälfte der Gesamtkosten einer Anlage aus, der Rest entfällt auf die übrigen BOS-Komponenten und die weichen Kosten, zu denen Kundenakquise, Genehmigungen, Inspektion und Anschluss, Installationsarbeit und Finanzierungskosten gehören. ⓘ
Eine Photovoltaikanlage, auch PV-Anlage (bzw. PVA) oder Solargenerator genannt, ist eine Solarstromanlage, in der mittels Solarzellen ein Teil der Sonnenstrahlung in elektrische Energie umgewandelt wird. Die dabei typische direkte Art der Energiewandlung bezeichnet man als Photovoltaik. Demgegenüber arbeiten andere Sonnenkraftwerke (z. B. solarthermische Kraftwerke) über die Zwischenschritte Wärmeenergie und mechanische Energie. Nach § 3 Nr. 1 EEG ist jedes Modul eine eigenständige Anlage. Nach § 9 EEG gelten mehrere Solarmodule ausschließlich zur Ermittlung der installierten Leistung unter bestimmten Umständen als eine Anlage. Weiter fallen PV-Anlagen unter die WEEE-Elektronikrichtlinie (Waste Electrical and Electronic Equipment Directive), wodurch die Hersteller sie am Lebensende zurücknehmen müssen. ⓘ
Die Nennleistung üblicher Photovoltaikanlagen reicht vom niedrigen einstelligen kW-Bereich, wie er für Hausdachanlagen üblich ist, bis hin zu einigen MW für gewerbliche Dachanlagen, während Freiflächensolaranlagen üblicherweise mindestens im MW-Bereich angesiedelt sind. Die mit Stand Januar 2017 leistungsstärkste Photovoltaikanlage liegt in der Nähe der Longyangxia-Talsperre in China und verfügt über eine Leistung von 850 MWp. ⓘ
Modernes System
Übersicht
Eine Photovoltaikanlage wandelt die Sonnenstrahlung in Form von Licht in nutzbaren Strom um. Sie besteht aus der Solaranlage und den übrigen Systemkomponenten. PV-Anlagen können nach verschiedenen Gesichtspunkten kategorisiert werden, z. B. netzgekoppelte Systeme vs. Inselsysteme, gebäudeintegrierte Systeme vs. Gestellsysteme, Systeme für Wohngebäude vs. Versorgungssysteme, verteilte Systeme vs. zentrale Systeme, Aufdachsysteme vs. Freiflächensysteme, nachgeführte Systeme vs. Systeme mit festem Neigungswinkel und neu gebaute Systeme vs. nachgerüstete Systeme. Weitere Unterscheidungen können sein: Systeme mit Mikro-Wechselrichtern gegenüber Zentralwechselrichtern, Systeme mit kristallinem Silizium gegenüber Dünnschichttechnologie und Systeme mit Modulen. ⓘ
Etwa 99 Prozent aller europäischen und 90 Prozent aller US-amerikanischen Solarstromanlagen sind an das Stromnetz angeschlossen, während netzunabhängige Systeme in Australien und Südkorea etwas häufiger sind. PV-Systeme verwenden selten Batteriespeicher. Dies könnte sich ändern, wenn staatliche Anreize für dezentrale Energiespeicher eingeführt werden und Investitionen in Speicherlösungen für kleine Systeme allmählich wirtschaftlich werden. Eine typische Solaranlage für Wohnhäuser ist auf dem Dach montiert und nicht in das Dach oder die Fassade des Gebäudes integriert, was wesentlich teurer ist. Solarkraftwerke im industriellen Maßstab sind auf dem Boden montiert und verfügen über fest installierte, geneigte Solarmodule, anstatt teure Nachführsysteme zu verwenden. Kristallines Silizium ist das vorherrschende Material, das in 90 Prozent der weltweit produzierten Solarmodule verwendet wird, während sein Konkurrent, die Dünnschicht, an Marktanteilen verloren hat. Etwa 70 Prozent aller Solarzellen und -module werden in China und Taiwan hergestellt, nur 5 Prozent von europäischen und amerikanischen Herstellern. Die installierte Kapazität für kleine Aufdachanlagen und große Solarkraftwerke wächst schnell und gleichermaßen, wobei ein deutlicher Trend zu Großanlagen zu beobachten ist, da sich der Schwerpunkt neuer Anlagen von Europa in sonnenreichere Regionen wie den Sunbelt in den USA verlagert, wo es weniger Vorbehalte gegen Freiflächenanlagen gibt und Investoren mehr Wert auf die Kosteneffizienz legen. ⓘ
Aufgrund des technischen Fortschritts und der zunehmenden Größe und Komplexität der Produktion sinken die Kosten der Photovoltaik kontinuierlich. Es gibt mehrere Millionen PV-Anlagen auf der ganzen Welt, vor allem in Europa - allein 1,4 Millionen Anlagen in Deutschland - und in Nordamerika mit 440.000 Anlagen in den Vereinigten Staaten. Der Wirkungsgrad der Energieumwandlung eines herkömmlichen Solarmoduls ist seit 2004 von 15 auf 20 Prozent gestiegen, und eine PV-Anlage hat die für ihre Herstellung benötigte Energie in etwa zwei Jahren wieder eingespielt. An besonders einstrahlungsreichen Standorten oder bei Verwendung der Dünnschichttechnologie sinkt die so genannte Energierücklaufzeit auf ein Jahr oder weniger. Net Metering und finanzielle Anreize, wie z. B. Vorzugstarife für die Einspeisung von Solarstrom, haben die Installation von PV-Anlagen in vielen Ländern ebenfalls stark gefördert. Die nivellierten Kosten für Strom aus PV-Großanlagen sind inzwischen in immer mehr geografischen Regionen wettbewerbsfähig mit konventionellen Stromquellen, und in etwa 30 Ländern wurde Netzparität erreicht. ⓘ
Im Jahr 2015 nähert sich der schnell wachsende globale PV-Markt rasch der 200-GW-Marke - etwa das 40-fache der installierten Kapazität im Jahr 2006. Diese Systeme tragen derzeit etwa 1 Prozent zur weltweiten Stromerzeugung bei. Spitzenreiter bei der Installation von PV-Anlagen sind derzeit China, Japan und die Vereinigten Staaten, während die Hälfte der weltweiten Kapazität in Europa installiert ist, wobei Deutschland und Italien 7 % bis 8 % ihres jeweiligen Inlandsstromverbrauchs mit Solarstrom decken. Die Internationale Energieagentur geht davon aus, dass sich die Solarenergie bis 2050 zur weltweit größten Stromquelle entwickeln wird, wobei die Fotovoltaik und die konzentrierte Solarthermie 16 % bzw. 11 % zur weltweiten Nachfrage beitragen werden. ⓘ
Netzanbindung von Solaranlagen
Eine netzgekoppelte Anlage ist an ein größeres unabhängiges Netz (in der Regel das öffentliche Stromnetz) angeschlossen und speist Energie direkt in das Netz ein. Diese Energie kann von einem Wohn- oder Geschäftsgebäude vor oder nach dem Erlösmesspunkt gemeinsam genutzt werden, je nachdem, ob die gutgeschriebene Energieproduktion unabhängig vom Energieverbrauch des Kunden (Einspeisetarif) oder nur auf der Grundlage der Energiedifferenz (Net Metering) berechnet wird. Diese Systeme variieren in ihrer Größe von Wohngebäuden (2-10 kWp) bis hin zu Solarkraftwerken (bis zu 10 MWp). Dies ist eine Form der dezentralen Stromerzeugung. Die Einspeisung von Strom in das Netz erfordert die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom durch einen speziellen, synchronisierenden Netzwechselrichter. Bei Anlagen der Kilowatt-Klasse ist die Systemspannung auf der Gleichstromseite so hoch wie möglich (in der Regel 1000 V, mit Ausnahme von 600 V in den USA), um die ohmschen Verluste zu begrenzen. Die meisten Module (60 oder 72 kristalline Siliziumzellen) erzeugen 160 W bis 300 W bei 36 Volt. Manchmal ist es notwendig oder wünschenswert, die Module teilweise parallel und nicht alle in Reihe zu schalten. Ein einzelner Satz von in Reihe geschalteten Modulen wird als String" bezeichnet. ⓘ
Größe des Systems
Photovoltaikanlagen werden im Allgemeinen in drei verschiedene Marktsegmente eingeteilt: Aufdachanlagen für Wohngebäude, gewerbliche Aufdachanlagen und Freiflächenanlagen. Ihre Kapazitäten reichen von einigen Kilowatt bis zu Hunderten von Megawatt. Eine typische Anlage für Privathaushalte hat eine Leistung von etwa 10 Kilowatt und ist auf einem Schrägdach montiert, während gewerbliche Anlagen bis in den Megawattbereich reichen können und in der Regel auf Dächern mit geringer Neigung oder sogar Flachdächern installiert werden. Obwohl Aufdachanlagen klein sind und höhere Kosten pro Watt verursachen als Großanlagen, machen sie den größten Anteil des Marktes aus. Es gibt jedoch einen zunehmenden Trend zu größeren Kraftwerken, insbesondere in den "Sonnengürteln" der Erde. ⓘ
Großkraftwerke
Große Solarparks oder -farmen sind Kraftwerke und in der Lage, eine große Anzahl von Verbrauchern mit Energie zu versorgen. Der erzeugte Strom wird in das Übertragungsnetz eingespeist, das von zentralen Erzeugungsanlagen gespeist wird (netzgekoppelte Anlage), oder er wird mit einem oder mehreren häuslichen Stromerzeugern kombiniert, um in ein kleines Stromnetz einzuspeisen (Hybridanlage). In seltenen Fällen wird der erzeugte Strom gespeichert oder direkt von einer Insel- oder Einzelanlage genutzt. PV-Anlagen werden in der Regel so konzipiert, dass sie für eine bestimmte Investition den höchsten Energieertrag erzielen. Einige große Photovoltaik-Kraftwerke wie Solar Star, Solarpark Waldpolenz und Topaz Solar Farm erstrecken sich über Dutzende oder Hunderte von Hektar und haben eine Leistung von bis zu Hunderten von Megawatt. ⓘ
Auf dem Dach, mobil und tragbar
Eine kleine PV-Anlage kann genügend Wechselstrom für ein einzelnes Haus oder ein einzelnes Gerät in Form von Wechsel- oder Gleichstrom liefern. Militärische und zivile Erdbeobachtungssatelliten, Straßenbeleuchtungen, Bau- und Verkehrsschilder, Elektroautos, solarbetriebene Zelte und Elektroflugzeuge können integrierte Photovoltaiksysteme enthalten, die je nach Konstruktion und Leistungsbedarf eine Haupt- oder Hilfsstromquelle in Form von Wechsel- oder Gleichstrom bereitstellen. Im Jahr 2013 entfielen 60 Prozent der weltweiten Installationen auf Aufdachanlagen. Der Trend geht jedoch weg von Aufdachanlagen und hin zu PV-Nutzungsanlagen, da sich der Schwerpunkt neuer PV-Installationen auch von Europa in die Länder des Sonnengürtels der Erde verlagert, wo der Widerstand gegen Freiflächenanlagen weniger stark ausgeprägt ist. Tragbare und mobile PV-Systeme liefern elektrische Energie unabhängig von Versorgungsanschlüssen und können "netzunabhängig" betrieben werden. Solche Systeme werden so häufig auf Wohnmobilen und Booten eingesetzt, dass es Einzelhändler gibt, die sich auf diese Anwendungen spezialisiert haben und Produkte anbieten, die speziell auf sie ausgerichtet sind. Da Wohnmobile in der Regel mit Batterien ausgestattet sind und die Beleuchtung und andere Systeme mit 12-Volt-Gleichstrom betrieben werden, arbeiten Wohnmobile normalerweise in einem Spannungsbereich, in dem 12-Volt-Batterien direkt aufgeladen werden können, so dass für den Einbau eines PV-Systems nur Module, ein Laderegler und eine Verkabelung erforderlich sind. Solarsysteme auf Wohnmobilen sind in der Regel durch die Größe der Dachfläche des Wohnmobils in Bezug auf die Wattzahl begrenzt. ⓘ
Gebäudeintegrierte
In städtischen und vorstädtischen Gebieten werden Photovoltaikanlagen oft auf Dächern eingesetzt, um den Stromverbrauch zu ergänzen. Oft ist das Gebäude an das Stromnetz angeschlossen, so dass die von der PV-Anlage erzeugte Energie im Rahmen einer Art Net-Metering-Vereinbarung an das Versorgungsunternehmen zurückverkauft werden kann. Einige Energieversorger nutzen die Dächer von Geschäftskunden und Telefonmasten, um ihre PV-Anlagen zu betreiben. Solarbäume sind Anlagen, die, wie der Name schon sagt, das Aussehen von Bäumen nachahmen, Schatten spenden und nachts als Straßenbeleuchtung dienen können. ⓘ
Leistung
Unsicherheiten bei den Einnahmen im Laufe der Zeit beziehen sich hauptsächlich auf die Bewertung der Solarressourcen und die Leistung des Systems selbst. Im besten Fall betragen die Unsicherheiten typischerweise 4 % für die Klimaschwankungen von Jahr zu Jahr, 5 % für die Schätzung der Solarressourcen (in einer horizontalen Ebene), 3 % für die Schätzung der Einstrahlung in der Ebene des Arrays, 3 % für die Leistungsbemessung der Module, 2 % für Verluste aufgrund von Schmutz und Verunreinigungen, 1,5 % für Verluste aufgrund von Schnee und 5 % für andere Fehlerquellen. Das Erkennen von und Reagieren auf überschaubare Verluste ist entscheidend für den Ertrag und die Effizienz der Betriebsführung. Die Überwachung der Anlagenleistung kann Teil der vertraglichen Vereinbarungen zwischen dem Eigentümer der Anlage, dem Erbauer und dem Energieversorger sein, der die erzeugte Energie abnimmt. Eine Methode zur Erstellung "synthetischer Tage" unter Verwendung leicht verfügbarer Wetterdaten und die Überprüfung mit Hilfe des Open Solar Outdoors Testfelds ermöglichen es, die Leistung von Photovoltaikanlagen mit einem hohen Grad an Genauigkeit vorherzusagen. Mit dieser Methode können dann Verlustmechanismen auf lokaler Ebene bestimmt werden - etwa durch Schnee oder die Auswirkungen von Oberflächenbeschichtungen (z. B. hydrophob oder hydrophil) auf Verschmutzung oder Schneeverluste. (Obwohl in schneereichen Umgebungen mit starken Bodenstörungen jährliche Verluste durch Schnee von 30 % auftreten können). Der Zugang zum Internet hat eine weitere Verbesserung der Energieüberwachung und Kommunikation ermöglicht. Dedizierte Systeme sind von einer Reihe von Anbietern erhältlich. Für PV-Solarsysteme mit Mikrowechselrichtern (Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom auf Modulebene) werden die Leistungsdaten der Module automatisch bereitgestellt. Einige Systeme ermöglichen die Einstellung von Leistungswarnungen, die bei Erreichen von Grenzwerten eine Warnung per Telefon, E-Mail oder SMS auslösen. Diese Lösungen liefern Daten für den Anlagenbesitzer und den Installateur. Installateure können mehrere Anlagen aus der Ferne überwachen und den Status ihrer gesamten installierten Basis auf einen Blick sehen. ⓘ
Komponenten
Eine Photovoltaikanlage für die private, gewerbliche oder industrielle Energieversorgung besteht aus der Solaranlage und einer Reihe von Komponenten, die oft als Balance of System (BOS) zusammengefasst werden. Dieser Begriff ist gleichbedeutend mit "Balance of plant". Zu den BOS-Komponenten gehören Stromversorgungsgeräte und Strukturen für die Montage, typischerweise ein oder mehrere Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler, auch Wechselrichter genannt, ein Energiespeicher, ein Gestellsystem, das die Solaranlage trägt, elektrische Leitungen und Verbindungen sowie die Montage anderer Komponenten. ⓘ
Optional kann ein ausgewogenes System einige oder alle der folgenden Komponenten enthalten: Zähler für erneuerbare Energien, MPPT (Maximum Power Point Tracker), Batteriesystem und Ladegerät, GPS-Solartracker, Energieverwaltungssoftware, Sonneneinstrahlungssensoren, Windmesser oder aufgabenspezifisches Zubehör, das für die Erfüllung spezieller Anforderungen eines Anlagenbesitzers entwickelt wurde. Darüber hinaus benötigt ein CPV-System optische Linsen oder Spiegel und manchmal ein Kühlsystem. ⓘ
Die Begriffe "Solaranlage" und "PV-System" werden oft fälschlicherweise synonym verwendet, obwohl die Solaranlage nicht das gesamte System umfasst. Außerdem wird "Solarmodul" oft als Synonym für "Solarmodul" verwendet, obwohl ein Modul aus einer Reihe mehrerer Module besteht. Der Begriff "Solaranlage" ist ebenfalls eine häufig verwendete falsche Bezeichnung für eine PV-Anlage. ⓘ
Solaranlage
Die Bausteine eines photovoltaischen Systems sind Solarzellen. Eine Solarzelle ist ein elektrisches Gerät, das Photonenenergie direkt in Elektrizität umwandeln kann. Es gibt drei technologische Generationen von Solarzellen: die erste Generation (1G) von kristallinen Siliziumzellen (c-Si), die zweite Generation (2G) von Dünnschichtzellen (wie CdTe, CIGS, amorphes Silizium und GaAs) und die dritte Generation (3G) von organischen, farbstoffsensibilisierten, Perowskit- und Mehrfachzellen. ⓘ
Herkömmliche c-Si-Solarzellen, die normalerweise in Reihe geschaltet sind, werden in einem Solarmodul verkapselt, um sie vor Witterungseinflüssen zu schützen. Das Modul besteht aus einem gehärteten Glas als Abdeckung, einer weichen und flexiblen Verkapselung, einer Rückwand aus einem witterungs- und feuerbeständigen Material und einem Aluminiumrahmen um den äußeren Rand. Elektrisch verbunden und auf einer tragenden Struktur montiert, bilden Solarmodule eine Reihe von Modulen, die oft als Solarmodul bezeichnet werden. Eine Solaranlage besteht aus einem oder mehreren solcher Module. Eine Photovoltaikanlage oder Solaranlage ist eine zusammenhängende Sammlung von Solarmodulen. Die Leistung, die ein einzelnes Modul erzeugen kann, reicht selten aus, um den Bedarf eines Hauses oder eines Unternehmens zu decken, daher werden die Module zu einer Anlage zusammengeschaltet. Die meisten PV-Anlagen verwenden einen Wechselrichter, um den von den Modulen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln, mit dem Lampen, Motoren und andere Verbraucher betrieben werden können. Die Module in einer PV-Anlage werden in der Regel zunächst in Reihe geschaltet, um die gewünschte Spannung zu erhalten; die einzelnen Strings werden dann parallel geschaltet, damit das System mehr Strom erzeugen kann. Solarmodule werden in der Regel unter STC- (Standard-Testbedingungen) oder PTC- (PVUSA-Testbedingungen) Bedingungen in Watt gemessen. Typische Modulleistungen reichen von weniger als 100 Watt bis zu über 400 Watt. Die Leistung der Anlage setzt sich aus der Summe der Modulleistungen in Watt, Kilowatt oder Megawatt zusammen. ⓘ
Modul und Wirkungsgrad
Ein typisches 150-Watt-PV-Modul ist etwa einen Quadratmeter groß. Ein solches Modul kann bei einer Sonneneinstrahlung von 5 Stunden pro Tag durchschnittlich 0,75 Kilowattstunden (kWh) pro Tag erzeugen, wenn man das Wetter und den Breitengrad berücksichtigt. Leistung und Lebensdauer der Module werden durch erhöhte Temperatur beeinträchtigt. Wenn die Umgebungsluft über und wenn möglich hinter die PV-Module strömen kann, wird dieses Problem verringert. Die tatsächliche Lebensdauer der Module beträgt in der Regel 25 Jahre oder mehr. Die Amortisationszeit für eine Investition in eine PV-Solaranlage ist sehr unterschiedlich und in der Regel weniger aussagekräftig als eine Berechnung der Investitionsrendite. In der Regel wird sie mit 10 bis 20 Jahren berechnet, doch kann die finanzielle Amortisationszeit mit Hilfe von Anreizen weitaus kürzer sein. ⓘ
Der Temperatureinfluss auf Photovoltaikmodule wird in der Regel mit Hilfe einiger Koeffizienten quantifiziert, die die Schwankungen der Leerlaufspannung, des Kurzschlussstroms und der maximalen Leistung mit Temperaturänderungen in Beziehung setzen. In diesem Beitrag werden umfassende experimentelle Leitlinien zur Schätzung der Temperaturkoeffizienten vorgestellt. ⓘ
Aufgrund der geringen Spannung einer einzelnen Solarzelle (typischerweise ca. 0,5 V) werden bei der Herstellung eines "Laminats" mehrere Zellen in Reihe verschaltet (siehe auch das in PV-Anlagen verwendete Kupfer). Das Laminat wird in ein wetterfestes Gehäuse eingebaut, wodurch ein Photovoltaikmodul oder ein Solarpanel entsteht. Die Module können dann zu einer Photovoltaikanlage aneinandergereiht werden. Im Jahr 2012 hatten die für Verbraucher erhältlichen Solarmodule einen Wirkungsgrad von bis zu 17 %, während kommerziell erhältliche Module bis zu 27 % erreichen können. Eine Gruppe des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme hat eine Zelle mit einem Wirkungsgrad von 44,7 % entwickelt, was die Hoffnung der Wissenschaftler, die 50 %-Grenze zu erreichen, deutlich erhöht. ⓘ
Abschattung und Verschmutzung
Die elektrische Leistung von Solarzellen reagiert extrem empfindlich auf Abschattung ("Weihnachtslichteffekt"). Wenn auch nur ein kleiner Teil einer Zelle, eines Moduls oder eines Arrays verschattet ist, während der Rest im Sonnenlicht liegt, sinkt die Leistung aufgrund eines internen "Kurzschlusses" (die Elektronen kehren ihren Weg durch den verschatteten Teil des p-n-Übergangs um) drastisch. Wenn der Strom, der aus der Reihenschaltung der Zellen entnommen wird, nicht größer ist als der Strom, der von der beschatteten Zelle erzeugt werden kann, ist der Strom (und damit die Leistung), der von der Reihenschaltung entwickelt wird, begrenzt. Wenn genügend Spannung von den anderen Zellen in einem Strang zur Verfügung steht, wird der Strom durch die Zelle gezwungen, indem der Übergang im schattierten Teil durchbrochen wird. Diese Durchbruchspannung liegt bei herkömmlichen Zellen zwischen 10 und 30 Volt. Anstatt den vom Modul erzeugten Strom zu erhöhen, absorbiert die beschattete Zelle den Strom und wandelt ihn in Wärme um. Da die Sperrspannung einer abgeschatteten Zelle viel größer ist als die Vorwärtsspannung einer beleuchteten Zelle, kann eine abgeschattete Zelle die Leistung vieler anderer Zellen im String absorbieren, was die Leistung des Panels unverhältnismäßig stark beeinträchtigt. Beispielsweise kann eine abgeschattete Zelle bei einem bestimmten Strompegel 8 Volt abfallen, anstatt 0,5 Volt hinzuzufügen, und damit die von 16 anderen Zellen erzeugte Leistung absorbieren. Daher ist es wichtig, dass eine PV-Anlage nicht durch Bäume oder andere Hindernisse abgeschattet wird. ⓘ
Es wurden mehrere Methoden entwickelt, um die Abschattungsverluste von Bäumen auf PV-Anlagen zu bestimmen, und zwar sowohl für große Regionen mit Hilfe von LiDAR als auch auf individueller Systemebene mit 3D-Modellierungssoftware. Die meisten Module verfügen über Bypass-Dioden zwischen jeder Zelle oder jedem Zellstrang, die die Auswirkungen der Abschattung minimieren und nur die Leistung des abgeschatteten Teils des Arrays verlieren. Die Hauptaufgabe der Bypass-Diode besteht darin, heiße Stellen zu vermeiden, die sich auf den Zellen bilden und zu weiteren Schäden an der Anlage und zu Bränden führen können. ⓘ
Das Sonnenlicht kann durch Staub, Schnee oder andere Verunreinigungen auf der Oberfläche des Moduls absorbiert werden (zusammenfassend als Verschmutzung bezeichnet). Die Verschmutzung verringert das auf die Zellen auftreffende Licht, was wiederum die Leistungsabgabe der PV-Anlage verringert. Die Verschmutzungsverluste summieren sich im Laufe der Zeit und können ohne angemessene Reinigung sehr groß werden. Im Jahr 2018 wurde der weltweite jährliche Energieverlust aufgrund von Verschmutzung auf mindestens 3 bis 4 % geschätzt. Die Verschmutzungsverluste variieren jedoch stark von Region zu Region und innerhalb der Regionen. Die Aufrechterhaltung einer sauberen Moduloberfläche erhöht die Ausgangsleistung über die gesamte Lebensdauer der PV-Anlage. In einer Studie, die in einem schneereichen Gebiet (Ontario) durchgeführt wurde, erhöhte die Reinigung von flach montierten Solarmodulen nach 15 Monaten deren Leistung um fast 100 %. Um 5° geneigte Solarmodule wurden jedoch durch Regenwasser ausreichend gereinigt. In vielen Fällen, insbesondere in trockenen Regionen oder an Standorten in unmittelbarer Nähe von Wüsten, Straßen, Industrie oder Landwirtschaft, ist eine regelmäßige Reinigung der Solarmodule kosteneffizient. Im Jahr 2018 wurde der durch Verschmutzung verursachte Ertragsverlust auf 5 bis 7 Milliarden Euro geschätzt. ⓘ
Die langfristige Zuverlässigkeit von Photovoltaikmodulen ist entscheidend, um die technische und wirtschaftliche Tragfähigkeit der Photovoltaik als erfolgreiche Energiequelle zu gewährleisten. Die Analyse der Degradationsmechanismen von PV-Modulen ist von entscheidender Bedeutung, um die derzeitige Lebensdauer von mehr als 25 Jahren zu gewährleisten. ⓘ
Sonneneinstrahlung und Energie
Die Sonneneinstrahlung setzt sich aus direkter, diffuser und reflektierter Strahlung zusammen. Der Absorptionsfaktor einer PV-Zelle ist definiert als der Anteil der einfallenden Sonneneinstrahlung, der von der Zelle absorbiert wird. Zur Mittagszeit an einem wolkenlosen Tag am Äquator beträgt die Leistung der Sonne auf der Erdoberfläche etwa 1 kW/m2 in einer Ebene, die senkrecht zu den Sonnenstrahlen steht. Daher können PV-Anlagen der Sonne jeden Tag nachgeführt werden, um die Energiegewinnung erheblich zu verbessern. Nachführsysteme verursachen jedoch zusätzliche Kosten und sind wartungsintensiv, so dass PV-Anlagen in der Regel fest montiert werden, um die Anlage zu neigen und auf die Mittagszeit auszurichten (etwa nach Süden auf der Nordhalbkugel oder nach Norden auf der Südhalbkugel). Der Neigungswinkel gegenüber der Horizontalen kann je nach Jahreszeit variiert werden, sollte jedoch so eingestellt werden, dass die Anlage während des Spitzenbedarfs eines typischen Jahres für ein autarkes System eine optimale Leistung erbringt. Dieser optimale Modulneigungswinkel ist nicht notwendigerweise identisch mit dem Neigungswinkel für den maximalen jährlichen Energieertrag der Anlage. Die Optimierung der Photovoltaikanlage für eine bestimmte Umgebung kann kompliziert sein, da Aspekte wie Sonneneinstrahlung, Verschmutzung und Schneeverluste berücksichtigt werden müssen. Darüber hinaus haben neuere Arbeiten gezeigt, dass spektrale Effekte bei der optimalen Auswahl von Photovoltaik-Materialien eine Rolle spielen können. So kann beispielsweise die spektrale Albedo je nach der Oberfläche in der Umgebung der Photovoltaikanlage und der Art des Solarzellenmaterials eine wichtige Rolle für die Leistung spielen. Für das Wetter und die Breitengrade der Vereinigten Staaten und Europas reicht die typische Sonneneinstrahlung von 4 kWh/m2/Tag in nördlichen Gefilden bis zu 6,5 kWh/m2/Tag in den sonnenreichsten Regionen. Eine Photovoltaikanlage in den nördlichen Breitengraden Europas oder der Vereinigten Staaten kann mit einem Ertrag von 1 kWh/m2/Tag rechnen. Eine typische 1-kW-Photovoltaikanlage in Australien oder in den südlichen Breiten Europas oder der Vereinigten Staaten kann 3,5-5 kWh pro Tag erzeugen, je nach Standort, Ausrichtung, Neigung, Sonneneinstrahlung und anderen Faktoren. In der Sahara-Wüste mit weniger Bewölkung und einem besseren Sonnenwinkel könnte man im Idealfall eher 8,3 kWh/m2/Tag erzielen, vorausgesetzt, der fast immer vorhandene Wind bläst keinen Sand auf die Anlagen. Die Fläche der Sahara-Wüste beträgt über 9 Millionen km2. 90.600 km2, also etwa 1 %, könnten so viel Strom erzeugen wie alle Kraftwerke der Welt zusammen. ⓘ
Montage
Die Module werden auf einer Art von Montagesystem, das als Boden-, Dach- oder Mastmontage klassifiziert werden kann, zu Arrays zusammengesetzt. Bei Solarparks wird ein großes Gestell auf dem Boden montiert, und die Module werden auf dem Gestell befestigt. Für Gebäude sind viele verschiedene Gestelle für Schrägdächer entwickelt worden. Für Flachdächer werden Gestelle, Behälter und gebäudeintegrierte Lösungen verwendet. Solarmodulgestelle, die auf Masten montiert werden, können stationär oder beweglich sein (siehe Nachführsysteme unten). Seitliche Mastbefestigungen eignen sich für Situationen, in denen an der Spitze eines Mastes noch etwas anderes montiert ist, z. B. eine Leuchte oder eine Antenne. Die Mastbefestigung hebt eine ansonsten am Boden montierte Anlage aus dem Schatten von Unkraut und Vieh heraus und kann die Anforderungen der Elektrovorschriften hinsichtlich der Unzugänglichkeit freiliegender Kabel erfüllen. Auf Masten montierte Module sind an ihrer Unterseite für mehr Kühlluft zugänglich, was die Leistung erhöht. Eine Vielzahl von Mastaufsatzgestellen kann zu einem Carport oder einer anderen schattenspendenden Struktur geformt werden. Ein Gestell, das der Sonne nicht von links nach rechts folgt, kann eine saisonale Anpassung nach oben oder unten ermöglichen. ⓘ
Verkabelung
Aufgrund ihrer Verwendung im Freien sind Solarkabel so ausgelegt, dass sie gegen UV-Strahlung und extrem hohe Temperaturschwankungen beständig sind und im Allgemeinen nicht von der Witterung beeinflusst werden. Zu den Normen, die die Verwendung elektrischer Leitungen in PV-Anlagen spezifizieren, gehören die IEC 60364 der Internationalen Elektrotechnischen Kommission, Abschnitt 712 "Solar-Photovoltaik (PV)-Stromversorgungssysteme", die britische Norm BS 7671, die Vorschriften für Mikrogenerations- und Photovoltaiksysteme enthält, und die US-Norm UL4703, Abschnitt 4703 "Photovoltaic Wire". ⓘ
Nachführung
Bei einem Solarnachführsystem wird ein Solarmodul über den Tag hinweg geneigt. Je nach Art des Nachführsystems wird das Panel entweder direkt auf die Sonne oder auf den hellsten Bereich eines teilweise bewölkten Himmels ausgerichtet. Nachführsysteme verbessern die Leistung am frühen Morgen und am späten Nachmittag erheblich und erhöhen die von einem System erzeugte Gesamtstrommenge je nach Breitengrad um etwa 20-25 % bei einachsigen Nachführsystemen und um etwa 30 % oder mehr bei zweiachsigen Nachführsystemen. Nachführsysteme sind in Regionen wirksam, die einen großen Teil des Sonnenlichts direkt empfangen. Bei diffusem Licht (d. h. unter Wolken oder Nebel) hat die Nachführung nur einen geringen oder gar keinen Wert. Da die meisten konzentrierten Photovoltaikanlagen sehr empfindlich auf den Winkel des Sonnenlichts reagieren, können sie mit Nachführsystemen mehr als nur für einen kurzen Zeitraum am Tag nützliche Energie erzeugen. Nachführsysteme verbessern die Leistung vor allem aus zwei Gründen. Erstens, wenn ein Solarmodul senkrecht zum Sonnenlicht steht, fällt mehr Licht auf seine Oberfläche als wenn es schräg steht. Zweitens wird direktes Licht effizienter genutzt als schräg einfallendes Licht. Spezielle Antireflexbeschichtungen können den Wirkungsgrad von Solarmodulen für direktes und schräges Licht verbessern, was den Nutzen der Nachführung etwas verringert. ⓘ
Nachführeinrichtungen und Sensoren zur Optimierung der Leistung werden oft als optional betrachtet, können aber die nutzbare Leistung um bis zu 45 % erhöhen. Bei Anlagen, die ein Megawatt erreichen oder überschreiten, werden häufig Nachführsysteme eingesetzt. Unter Berücksichtigung der Wolken und der Tatsache, dass der größte Teil der Welt nicht auf dem Äquator liegt und die Sonne abends untergeht, ist das korrekte Maß für die Solarenergie die Sonneneinstrahlung - die durchschnittliche Anzahl von Kilowattstunden pro Quadratmeter und Tag. Für das Wetter und die Breitengrade der Vereinigten Staaten und Europas reicht die typische Sonneneinstrahlung von 2,26 kWh/m2/Tag in nördlichen Gefilden bis zu 5,61 kWh/m2/Tag in den sonnenreichsten Regionen. ⓘ
Bei großen Anlagen kann der Energiegewinn durch den Einsatz von Nachführsystemen die zusätzliche Komplexität aufwiegen. Bei sehr großen Anlagen stellt der zusätzliche Wartungsaufwand für die Nachführung einen erheblichen Nachteil dar. Bei Flachkollektoren und Photovoltaikanlagen mit geringer Konzentration ist eine Nachführung nicht erforderlich. Für hochkonzentrierte Photovoltaiksysteme ist eine zweiachsige Nachführung eine Notwendigkeit. Die Preisentwicklung beeinflusst die Abwägung zwischen mehr stationären Solarmodulen und weniger nachgeführten Modulen. ⓘ
Da sich die Preise, die Zuverlässigkeit und die Leistung von einachsigen Nachführsystemen verbessert haben, werden diese Systeme in einem zunehmenden Prozentsatz von Großprojekten installiert. Nach Angaben von WoodMackenzie/GTM Research erreichten die weltweiten Lieferungen von Solartrackern im Jahr 2017 einen Rekordwert von 14,5 Gigawatt. Dies entspricht einem Wachstum von 32 Prozent im Vergleich zum Vorjahr, wobei ein ähnliches oder größeres Wachstum prognostiziert wird, da sich der Einsatz von Solaranlagen im großen Maßstab beschleunigt. ⓘ
Wechselrichter
Systeme, die Wechselstrom (AC) liefern sollen, wie z. B. netzgekoppelte Anwendungen, benötigen einen Wechselrichter, der den Gleichstrom (DC) aus den Solarmodulen in AC umwandelt. Netzgekoppelte Wechselrichter müssen Wechselstrom in sinusförmiger Form liefern, der mit der Netzfrequenz synchronisiert ist, die Einspeisespannung auf nicht mehr als die Netzspannung begrenzen und sich vom Netz trennen, wenn die Netzspannung abgeschaltet wird. Inselwechselrichter müssen nur geregelte Spannungen und Frequenzen in Sinusform erzeugen, da keine Synchronisierung oder Koordinierung mit der Netzversorgung erforderlich ist. ⓘ
Ein Solarwechselrichter kann an eine Reihe von Solarmodulen angeschlossen werden. In einigen Installationen wird an jedes Solarmodul ein Mikro-Wechselrichter angeschlossen. Aus Sicherheitsgründen ist sowohl auf der AC- als auch auf der DC-Seite ein Schutzschalter vorgesehen, um die Wartung zu ermöglichen. Der AC-Ausgang kann über einen Stromzähler an das öffentliche Netz angeschlossen werden. Die Anzahl der Module im System bestimmt die gesamte Gleichstromleistung, die von der Solaranlage erzeugt werden kann; der Wechselrichter bestimmt jedoch letztendlich die Menge der Wechselstromleistung, die für den Verbrauch verteilt werden kann. Eine PV-Anlage mit PV-Modulen im Wert von 11 Kilowatt DC (kWDC) und einem Wechselrichter im Wert von 10 Kilowatt AC (kWAC) ist beispielsweise auf die Leistung des Wechselrichters von 10 kW begrenzt. Ab 2019 liegt der Umwandlungswirkungsgrad moderner Wechselrichter bei mehr als 98 Prozent. Während String-Wechselrichter in PV-Anlagen für Privathaushalte bis hin zu mittelgroßen gewerblichen Anlagen zum Einsatz kommen, decken Zentralwechselrichter den Markt für große gewerbliche Anlagen und Energieversorger ab. Der Marktanteil von Zentral- und String-Wechselrichtern liegt bei 44 Prozent bzw. 52 Prozent, der von Mikro-Wechselrichtern bei weniger als 1 Prozent. ⓘ
Das Maximum Power Point Tracking (MPPT) ist eine Technik, die netzgekoppelte Wechselrichter verwenden, um die maximal mögliche Leistung aus der Photovoltaikanlage zu gewinnen. Zu diesem Zweck tastet das MPPT-System des Wechselrichters die sich ständig ändernde Leistung der Solaranlage digital ab und wendet den richtigen Widerstand an, um den optimalen Punkt der maximalen Leistung zu finden. ⓘ
Anti-Inslandung ist ein Schutzmechanismus, der den Wechselrichter sofort abschaltet und verhindert, dass er Wechselstrom erzeugt, wenn die Verbindung zur Last nicht mehr besteht. Dies geschieht zum Beispiel bei einem Stromausfall. Ohne diesen Schutz würde die Versorgungsleitung zu einer "Insel" mit Strom werden, die von einem "Meer" von stromlosen Leitungen umgeben ist, da die Solaranlage während des Stromausfalls weiterhin Gleichstrom liefert. Die Inselbildung stellt eine Gefahr für die Mitarbeiter des Versorgungsunternehmens dar, die möglicherweise nicht erkennen, dass ein Wechselstromkreis noch mit Strom versorgt wird, und sie kann die automatische Wiedereinschaltung von Geräten verhindern. Die Anti-Islanding-Funktion ist für komplette Off-Grid-Systeme nicht erforderlich. ⓘ
| Typ | Leistung | Wirkungsgrad(a) | Markt Anteil(b) |
Bemerkungen |
|---|---|---|---|---|
| String-Wechselrichter | bis zu 150 kWp(c) | 98% | 61.6% | Kosten(b) 0,05-0,17 € pro Watt-Peak. Leicht zu ersetzen. |
| Zentraler Wechselrichter | über 80 kWp | 98.5% | 36.7% | 0,04 € pro Wattpeak. Hohe Zuverlässigkeit. Wird oft zusammen mit einem Servicevertrag verkauft. |
| Mikro-Wechselrichter | Leistungsbereich der Module | 90%–97% | 1.7% | 0,29 € pro Wattpeak. Bedenken hinsichtlich des einfachen Austauschs. |
| DC/DC-Wandler (Leistungsoptimierer) |
Leistungsbereich der Module | 99.5% | 5.1% | 0,08 € pro Watt-Peak. Bedenken hinsichtlich der einfachen Ersetzbarkeit. Wechselrichter wird noch benötigt. |
| Quelle: Daten von IHS Markit 2020, Anmerkungen von Fraunhofer ISE 2020, aus: Photovoltaics Report 2020, S. 39, PDF Anmerkungen: (a) die besten Wirkungsgrade werden angezeigt, (b) der Marktanteil und die Kosten pro Watt sind geschätzt, (c) kWp = Kilowatt-Peak, (d) der Gesamtmarktanteil ist größer als 100 %, da DC/DC-Wandler mit String-Wechselrichtern gepaart werden müssen | ||||
Batterie
Obwohl sie immer noch teuer sind, werden in PV-Systemen zunehmend wiederaufladbare Batterien eingesetzt, um einen Überschuss zu speichern, der dann nachts genutzt werden kann. Batterien, die zur Netzspeicherung verwendet werden, stabilisieren auch das Stromnetz, indem sie Lastspitzen ausgleichen, und spielen eine wichtige Rolle in einem intelligenten Netz, da sie in Zeiten geringer Nachfrage geladen werden können und ihre gespeicherte Energie in das Netz einspeisen, wenn die Nachfrage hoch ist. ⓘ
Zu den gängigen Batterietechnologien, die in heutigen PV-Systemen verwendet werden, gehören die ventilgeregelte Bleibatterie - eine modifizierte Version der herkömmlichen Bleibatterie -, Nickel-Cadmium- und Lithium-Ionen-Batterien. Im Vergleich zu den anderen Batterietypen haben Blei-Säure-Batterien eine kürzere Lebensdauer und eine geringere Energiedichte. Aufgrund ihrer hohen Zuverlässigkeit, der geringen Selbstentladung sowie der niedrigen Investitions- und Wartungskosten sind sie jedoch derzeit die vorherrschende Technologie in kleinen PV-Anlagen für Privathaushalte, da sich Lithium-Ionen-Batterien noch in der Entwicklung befinden und etwa 3,5 Mal so teuer sind wie Bleibatterien. Da die Speichervorrichtungen für PV-Anlagen stationär sind, sind die geringere Energie- und Leistungsdichte und das höhere Gewicht von Blei-Säure-Batterien nicht so kritisch wie z. B. im Elektroverkehr. Andere wiederaufladbare Batterien, die für dezentrale PV-Anlagen in Frage kommen, sind Natrium-Schwefel- und Vanadium-Redox-Batterien, zwei bekannte Arten von Salzschmelzen bzw. Durchflussbatterien. Im Jahr 2015 brachte Tesla Motors die Powerwall auf den Markt, eine wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterie mit dem Ziel, den Energieverbrauch zu revolutionieren. ⓘ
PV-Anlagen mit integrierter Batterielösung benötigen auch einen Laderegler, da die schwankende Spannung und Stromstärke der Solaranlage ständig angepasst werden muss, um Schäden durch Überladung zu vermeiden. Einfache Laderegler können die PV-Paneele einfach ein- und ausschalten oder Energieimpulse nach Bedarf dosieren, eine Strategie, die PWM oder Pulsweitenmodulation genannt wird. Fortschrittlichere Laderegler integrieren eine MPPT-Logik in ihre Batterieladealgorithmen. Laderegler können die Energie auch zu einem anderen Zweck als dem Laden der Batterie umleiten. Anstatt die kostenlose PV-Energie einfach abzuschalten, wenn sie nicht benötigt wird, kann ein Benutzer entscheiden, Luft oder Wasser zu heizen, sobald die Batterie voll ist. ⓘ
Überwachung und Zählung
Der Zähler muss in der Lage sein, Energieeinheiten in beide Richtungen zu akkumulieren, oder es müssen zwei Zähler verwendet werden. Viele Zähler akkumulieren bidirektional, einige Systeme verwenden zwei Zähler, aber ein unidirektionaler Zähler (mit Raste) akkumuliert keine Energie aus einer daraus resultierenden Einspeisung ins Netz. In einigen Ländern ist für Anlagen über 30 kWp eine Frequenz- und Spannungsüberwachung mit Abschaltung aller Phasen erforderlich. Dies geschieht, wenn mehr Solarstrom erzeugt wird, als das Versorgungsunternehmen aufnehmen kann, und der Überschuss nicht exportiert oder gespeichert werden kann. In der Vergangenheit mussten die Netzbetreiber Übertragungsleitungen und Erzeugungskapazitäten bereitstellen. Jetzt müssen sie auch für die Speicherung sorgen. In der Regel handelt es sich dabei um Wasserspeicher, aber auch andere Speichermethoden werden eingesetzt. Ursprünglich wurden Speicher eingesetzt, damit die Grundlastgeneratoren mit voller Leistung arbeiten konnten. Bei der variablen erneuerbaren Energie wird die Speicherung benötigt, um die Stromerzeugung zu ermöglichen, wann immer sie verfügbar ist, und den Verbrauch, wann immer er benötigt wird.
Die beiden Variablen, die einem Netzbetreiber zur Verfügung stehen, sind die Speicherung von Strom für den Zeitpunkt, an dem er benötigt wird, oder die Übertragung des Stroms an den Ort, an dem er benötigt wird. Fällt beides aus, können Anlagen über 30 kWp automatisch abgeschaltet werden, obwohl in der Praxis alle Wechselrichter die Spannungsregulierung aufrechterhalten und die Stromzufuhr unterbrechen, wenn die Last unzureichend ist. Netzbetreiber haben die Möglichkeit, die überschüssige Erzeugung von Großanlagen zu drosseln, obwohl dies bei Windkraftanlagen häufiger vorkommt als bei Solaranlagen und zu erheblichen Einnahmeverlusten führt. Dreiphasige Wechselrichter haben die einzigartige Möglichkeit, Blindleistung zu liefern, was bei der Anpassung der Lastanforderungen von Vorteil sein kann. ⓘ
Photovoltaikanlagen müssen überwacht werden, um Ausfälle zu erkennen und den Betrieb zu optimieren. Es gibt verschiedene Strategien zur Überwachung von Photovoltaikanlagen, die von der Leistung der Anlage und ihrer Art abhängen. Die Überwachung kann vor Ort oder aus der Ferne erfolgen. Sie kann nur die Produktion messen, alle Daten vom Wechselrichter abrufen oder alle Daten von den kommunizierenden Geräten (Sonden, Zähler usw.) abrufen. Die Überwachungsinstrumente können nur der Überwachung dienen oder zusätzliche Funktionen bieten. Einzelne Wechselrichter und Batterieladeregler können eine Überwachung mit herstellerspezifischen Protokollen und Software beinhalten. Die Energiemessung eines Wechselrichters kann von begrenzter Genauigkeit sein und eignet sich nicht für die Messung von Einnahmen. Ein Datenerfassungssystem eines Drittanbieters kann mehrere Wechselrichter unter Verwendung der Protokolle des Wechselrichterherstellers überwachen und auch wetterbezogene Informationen erfassen. Unabhängige intelligente Zähler können die gesamte Energieproduktion einer PV-Anlage messen. Separate Messungen wie die Analyse von Satellitenbildern oder ein Sonnenstrahlungsmessgerät (ein Pyranometer) können verwendet werden, um die gesamte Sonneneinstrahlung zum Vergleich zu schätzen. Die von einem Überwachungssystem erfassten Daten können aus der Ferne über das World Wide Web angezeigt werden, z. B. über OSOTF. ⓘ
Andere Systeme
Dieser Abschnitt umfasst Systeme, die entweder hochspezialisiert und unüblich sind oder noch eine neue Technologie mit begrenzter Bedeutung darstellen. Einen besonderen Platz nehmen jedoch autonome oder netzunabhängige Systeme ein. Sie waren in den 1980er und 1990er Jahren, als die PV-Technologie noch sehr teuer und ein reiner Nischenmarkt für kleine Anwendungen war, die am weitesten verbreitete Art von Systemen. Nur dort, wo es kein Stromnetz gab, waren sie wirtschaftlich rentabel. Obwohl immer noch überall auf der Welt neue Inselsysteme installiert werden, ist ihr Anteil an der gesamten installierten Photovoltaikkapazität rückläufig. In Europa machen netzunabhängige Systeme 1 Prozent der installierten Leistung aus. In den Vereinigten Staaten machen sie etwa 10 Prozent aus. In Australien und Südkorea sowie in vielen Entwicklungsländern sind netzunabhängige Systeme noch weit verbreitet. ⓘ
CPV
Konzentrator-Photovoltaik (CPV) und Hochkonzentrator-Photovoltaik (HCPV) verwenden optische Linsen oder gebogene Spiegel, um das Sonnenlicht auf kleine, aber hocheffiziente Solarzellen zu konzentrieren. Neben der konzentrierenden Optik verwenden CPV-Systeme manchmal Solartracker und Kühlsysteme und sind teurer. ⓘ
Besonders HCPV-Systeme eignen sich am besten für Standorte mit hoher Sonneneinstrahlung, da sie das Sonnenlicht bis zu 400-mal oder mehr konzentrieren und mit Wirkungsgraden von 24-28 Prozent die herkömmlichen Systeme übertreffen. Im Handel sind verschiedene Ausführungen von Systemen erhältlich, die jedoch nicht sehr verbreitet sind. Es werden jedoch laufend Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durchgeführt. ⓘ
CPV wird oft mit CSP (Concentrated Solar Power) verwechselt, bei der keine Photovoltaik zum Einsatz kommt. Beide Technologien bevorzugen Standorte mit hoher Sonneneinstrahlung und stehen in direkter Konkurrenz zueinander. ⓘ
Hybrid
Ein Hybridsystem kombiniert PV mit anderen Formen der Stromerzeugung, in der Regel mit einem Dieselgenerator. Auch Biogas wird verwendet. Bei der anderen Erzeugungsform kann es sich um einen Typ handeln, der die Leistung in Abhängigkeit von der Nachfrage modulieren kann. Es kann aber auch mehr als eine erneuerbare Energieform verwendet werden, z. B. Wind. Die photovoltaische Stromerzeugung dient dazu, den Verbrauch von nicht erneuerbaren Brennstoffen zu reduzieren. Hybridsysteme sind am häufigsten auf Inseln zu finden. Die Insel Pellworm in Deutschland und die Insel Kythnos in Griechenland sind bemerkenswerte Beispiele (beide sind mit Windkraft kombiniert). Die Anlage auf Kythnos hat den Dieselverbrauch um 11,2 % gesenkt. ⓘ
Eine 2015 in sieben Ländern durchgeführte Fallstudie kam zu dem Schluss, dass die Erzeugungskosten in allen Fällen durch die Kombination von Mini-Netzen und isolierten Netzen gesenkt werden können. Die Finanzierungskosten für solche Hybride sind jedoch entscheidend und hängen weitgehend von der Eigentumsstruktur des Kraftwerks ab. Während die Kostensenkungen für staatliche Versorgungsunternehmen beträchtlich sein können, wurden in der Studie auch unbedeutende oder sogar negative wirtschaftliche Vorteile für nicht-öffentliche Versorgungsunternehmen, wie etwa unabhängige Stromerzeuger, festgestellt. ⓘ
Die zeitliche Verteilung des Solarstroms sowie des Strom- und Wärmebedarfs für repräsentative US-Einfamilienhäuser wurde analysiert, und die Ergebnisse zeigen deutlich, dass die Hybridisierung von KWK und PV einen zusätzlichen PV-Einsatz ermöglichen kann, der über das hinausgeht, was mit einem herkömmlichen zentralen Stromerzeugungssystem möglich ist. Diese Theorie wurde mit numerischen Simulationen unter Verwendung von sekündlichen Solarstromdaten bestätigt, um festzustellen, dass die für ein solches Hybridsystem erforderliche Batteriesicherung mit relativ kleinen und kostengünstigen Batteriesystemen möglich ist. Darüber hinaus sind große PV+KWK-Systeme für institutionelle Gebäude möglich, die wiederum eine Unterstützung für die intermittierende PV bieten und die KWK-Laufzeit reduzieren. ⓘ
- PVT-Systeme (Hybrid-PV/T), auch bekannt als photovoltaisch-thermische Hybrid-Solarkollektoren, wandeln Sonnenstrahlung in thermische und elektrische Energie um. Ein solches System kombiniert ein Solarmodul (PV) mit einem solarthermischen Kollektor in einer komplementären Weise.
- CPVT-System. Ein hybrides System mit konzentrierter Fotovoltaik (CPVT) ist einem PVT-System ähnlich. Es verwendet konzentrierte Photovoltaik (CPV) anstelle der herkömmlichen PV-Technologie und kombiniert sie mit einem solarthermischen Kollektor.
- Das CPV/CSP-System ist ein neuartiges hybrides Solarsystem, das konzentrierende Photovoltaik mit der nicht PV-gestützten Technologie der konzentrierten Solarenergie (CSP) oder auch als konzentrierte Solarthermie bekannt, kombiniert.
- Das PV-Diesel-System kombiniert ein Photovoltaiksystem mit einem Dieselgenerator. Kombinationen mit anderen erneuerbaren Energien sind möglich und umfassen auch Windturbinen. ⓘ
Schwimmende Solarkollektoren
Schwimmende Solaranlagen sind PV-Systeme, die auf der Oberfläche von Trinkwasserreservoirs, Steinbruchseen, Bewässerungskanälen oder Sanierungs- und Absetzteichen schwimmen. Diese Systeme werden als "Floatovoltaik" bezeichnet, wenn sie nur zur Stromerzeugung eingesetzt werden, oder als "Aquavoltaik", wenn solche Systeme zur synergetischen Verbesserung der Aquakultur eingesetzt werden. Eine kleine Anzahl solcher Systeme gibt es in Frankreich, Indien, Japan, Südkorea, dem Vereinigten Königreich, Singapur und den Vereinigten Staaten. ⓘ
Die Systeme haben angeblich Vorteile gegenüber der Photovoltaik an Land. Die Grundstückskosten sind teurer, und es gibt weniger Vorschriften und Regelungen für Anlagen auf Gewässern, die nicht der Erholung dienen. Im Gegensatz zu den meisten landgestützten Solaranlagen können schwimmende Anlagen unauffällig sein, da sie nicht von der Öffentlichkeit gesehen werden. Sie erreichen höhere Wirkungsgrade als PV-Paneele an Land, da das Wasser die Paneele kühlt. Die Paneele sind mit einer speziellen Beschichtung versehen, die Rost und Korrosion verhindert. ⓘ
Im Mai 2008 leistete das Weingut Far Niente in Oakville, Kalifornien, mit der Installation von 994 PV-Solarmodulen mit einer Gesamtleistung von 477 kW auf 130 Pontons, die auf dem Bewässerungsteich des Weinguts schwimmen, Pionierarbeit für das weltweit erste schwimmende Photovoltaiksystem. Der Hauptvorteil eines solchen Systems besteht darin, dass keine wertvolle Landfläche geopfert werden muss, die für einen anderen Zweck genutzt werden könnte. Im Fall des Weinguts Far Niente wurden 0,30 Hektar Land eingespart, die für ein landgestütztes System erforderlich gewesen wären. Ein weiterer Vorteil einer schwimmenden Photovoltaikanlage besteht darin, dass die Kollektoren eine kühlere Temperatur haben als an Land, was zu einem höheren Wirkungsgrad bei der Umwandlung der Sonnenenergie führt. Die schwimmende PV-Anlage reduziert auch den Wasserverlust durch Verdunstung und hemmt das Wachstum von Algen. ⓘ
Der Bau von schwimmenden PV-Farmen im industriellen Maßstab hat begonnen. Der multinationale Elektronik- und Keramikhersteller Kyocera wird die weltweit größte Anlage entwickeln, eine 13,4-MW-Anlage auf dem Stausee oberhalb des Yamakura-Damms in der Präfektur Chiba, die 50.000 Solarzellen verwendet. Salzwasserbeständige schwimmende Anlagen werden auch für den Einsatz im Meer in Betracht gezogen, wobei Versuche in Thailand durchgeführt werden. Das größte bisher angekündigte Floating-Photovoltaik-Projekt ist ein 350-MW-Kraftwerk im brasilianischen Amazonasgebiet. ⓘ
Gleichstromnetz
Gleichstromnetze finden sich im elektrisch betriebenen Verkehr: Eisenbahnen, Straßenbahnen und Oberleitungsbusse. Es wurden bereits einige Pilotanlagen für solche Anwendungen gebaut, wie z. B. die Straßenbahndepots in Hannover Leinhausen, wo Photovoltaikanlagen zum Einsatz kommen, und Genf (Bachet de Pesay). Die 150 kWp-Anlage in Genf speist 600 V Gleichstrom direkt in das Straßenbahn-/Trolleybus-Stromnetz ein, während sie bei ihrer Eröffnung im Jahr 1999 etwa 15 % des Stroms lieferte. ⓘ
Eigenständig
Ein autarkes oder netzunabhängiges System ist nicht an das Stromnetz angeschlossen. Autarke Systeme sind sehr unterschiedlich in Größe und Anwendung, von Armbanduhren oder Taschenrechnern bis hin zu abgelegenen Gebäuden oder Raumfahrzeugen. Wenn die Last unabhängig von der Sonneneinstrahlung versorgt werden soll, wird der erzeugte Strom in einer Batterie gespeichert und gepuffert. Bei nicht tragbaren Anwendungen, bei denen das Gewicht keine Rolle spielt, wie z. B. in Gebäuden, werden aufgrund ihrer geringen Kosten und ihrer Toleranz gegenüber Missbrauch meist Bleibatterien verwendet. ⓘ
Ein Laderegler kann in das System integriert werden, um Batterieschäden durch übermäßiges Laden oder Entladen zu vermeiden. Er kann auch dazu beitragen, die Produktion der Solaranlage mit Hilfe einer MPPT-Technik (Maximum Power Point Tracking) zu optimieren. Bei einfachen PV-Systemen, bei denen die Spannung der PV-Module an die Batteriespannung angepasst ist, wird der Einsatz von MPPT-Elektronik jedoch im Allgemeinen als unnötig angesehen, da die Batteriespannung stabil genug ist, um eine nahezu maximale Stromabnahme durch das PV-Modul zu gewährleisten. In kleinen Geräten (z. B. Taschenrechner, Parkuhren) wird nur Gleichstrom (DC) verbraucht. In größeren Systemen (z. B. Gebäuden, ferngesteuerten Wasserpumpen) wird normalerweise Wechselstrom benötigt. Um den Gleichstrom aus den Modulen oder Batterien in Wechselstrom umzuwandeln, wird ein Wechselrichter verwendet. ⓘ
In landwirtschaftlichen Umgebungen kann die Anlage direkt zum Betrieb von Gleichstrompumpen verwendet werden, ohne dass ein Wechselrichter erforderlich ist. In abgelegenen Gebieten wie Bergregionen, Inseln oder anderen Orten, an denen kein Stromnetz zur Verfügung steht, können Solaranlagen als einzige Stromquelle genutzt werden, in der Regel durch Aufladen eines Akkus. Inselsysteme sind eng mit der Mikroerzeugung und der dezentralen Erzeugung verbunden. ⓘ
Kosten und Wirtschaftlichkeit
in Japan, Deutschland und den Vereinigten Staaten ($/W)
Die Kosten für die Herstellung von Photovoltaikzellen sind aufgrund von Skaleneffekten bei der Produktion und technologischen Fortschritten bei der Herstellung gesunken. Für Großanlagen waren 2012 Preise unter 1,00 USD pro Watt üblich. In Europa wurde zwischen 2006 und 2011 ein Preisrückgang von 50 % erzielt, und es besteht das Potenzial, die Erzeugungskosten bis 2020 um 50 % zu senken. Kristalline Silizium-Solarzellen wurden weitgehend durch preiswertere multikristalline Silizium-Solarzellen ersetzt, und es wurden auch Dünnschicht-Silizium-Solarzellen mit niedrigeren Produktionskosten entwickelt. Sie haben zwar einen geringeren Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung als die einkristallinen "Siwafers", lassen sich aber auch viel einfacher und zu vergleichbar geringeren Kosten herstellen. ⓘ
Die nachstehende Tabelle zeigt die (durchschnittlichen) Gesamtkosten in US-Cent pro kWh Strom, der von einer Photovoltaikanlage erzeugt wird. Die Zeilenüberschriften auf der linken Seite zeigen die Gesamtkosten einer Photovoltaikanlage pro Spitzenkilowatt (kWp). Die Kosten für Photovoltaikanlagen sind rückläufig und sollen beispielsweise in Deutschland bis Ende 2014 auf 1389 USD/kWp gefallen sein. Die Spaltenüberschriften am oberen Rand beziehen sich auf den jährlichen Energieertrag in kWh, der von jedem installierten kWp erwartet wird. Diese variiert je nach geografischer Region, da die durchschnittliche Sonneneinstrahlung von der durchschnittlichen Bewölkung und der Dicke der Atmosphäre abhängt, die vom Sonnenlicht durchquert wird. Sie hängt auch vom Verlauf der Sonne im Verhältnis zum Modul und zum Horizont ab. Die Paneele werden in der Regel in einem vom Breitengrad abhängigen Winkel montiert und häufig saisonal an die sich ändernde Sonnenneigung angepasst. Die Nachführung von Solarmodulen kann auch eingesetzt werden, um noch mehr senkrechtes Sonnenlicht zu nutzen und so den Gesamtenergieertrag zu erhöhen. ⓘ
Die berechneten Werte in der Tabelle spiegeln die (durchschnittlichen) Gesamtkosten in Cent pro erzeugter kWh wider. Sie gehen von 10 % Gesamtkapitalkosten aus (z. B. 4 % Zinssatz, 1 % Betriebs- und Wartungskosten und Abschreibung der Investitionskosten über 20 Jahre). Photovoltaik-Module haben in der Regel eine Garantie von 25 Jahren. ⓘ
| Kosten der mit einer PV-Anlage erzeugten Kilowattstunde (US¢/kWh) abhängig von der Sonneneinstrahlung und den Installationskosten während der 20-jährigen Betriebsdauer ⓘ | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Installation kosten in $ pro Watt |
Jährlich durch Sonneneinstrahlung erzeugte Kilowattstunden pro installierter kW-Kapazität (kWh/(kWp-y)) | ||||||||||||
| 2,400 | 2,200 | 2,000 | 1,800 | 1,600 | 1,400 | 1,200 | 1,000 | 800 | |||||
| $0.20 | 0.8 | 0.9 | 1.0 | 1.1 | 1.3 | 1.4 | 1.7 | 2.0 | 2.5 | ||||
| $0.60 | 2.5 | 2.7 | 3.0 | 3.3 | 3.8 | 4.3 | 5.0 | 6.0 | 7.5 | ||||
| $1.00 | 4.2 | 4.5 | 5.0 | 5.6 | 6.3 | 7.1 | 8.3 | 10.0 | 12.5 | ||||
| $1.40 | 5.8 | 6.4 | 7.0 | 7.8 | 8.8 | 10.0 | 11.7 | 14.0 | 17.5 | ||||
| $1.80 | 7.5 | 8.2 | 9.0 | 10.0 | 11.3 | 12.9 | 15.0 | 18.0 | 22.5 | ||||
| $2.20 | 9.2 | 10.0 | 11.0 | 12.2 | 13.8 | 15.7 | 18.3 | 22.0 | 27.5 | ||||
| $2.60 | 10.8 | 11.8 | 13.0 | 14.4 | 16.3 | 18.6 | 21.7 | 26.0 | 32.5 | ||||
| $3.00 | 12.5 | 13.6 | 15.0 | 16.7 | 18.8 | 21.4 | 25.0 | 30.0 | 37.5 | ||||
| $3.40 | 14.2 | 15.5 | 17.0 | 18.9 | 21.3 | 24.3 | 28.3 | 34.0 | 42.5 | ||||
| $3.80 | 15.8 | 17.3 | 19.0 | 21.1 | 23.8 | 27.1 | 31.7 | 38.0 | 47.5 | ||||
| $4.20 | 17.5 | 19.1 | 21.0 | 23.3 | 26.3 | 30.0 | 35.0 | 42.0 | 52.5 | ||||
| $4.60 | 19.2 | 20.9 | 23.0 | 25.6 | 28.8 | 32.9 | 38.3 | 46.0 | 57.5 | ||||
| $5.00 | 20.8 | 22.7 | 25.0 | 27.8 | 31.3 | 35.7 | 41.7 | 50.0 | 62.5 | ||||
Anmerkungen:
| |||||||||||||
Systemkosten im Jahr 2013
In der Ausgabe 2014 des Berichts "Technology Roadmap: Solar Photovoltaic Energy"-Bericht veröffentlichte die Internationale Energieagentur (IEA) die Preise in US-Dollar pro Watt für PV-Anlagen für Privathaushalte, Gewerbebetriebe und Energieversorger für acht wichtige Märkte im Jahr 2013. ⓘ
| USD/W | Australien | China | Frankreich | Deutschland | Italien | Japan | Vereinigtes Königreich | Vereinigte Staaten |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Wohngebäude | 1.8 | 1.5 | 4.1 | 2.4 | 2.8 | 4.2 | 2.8 | 4.9 |
| Kommerziell | 1.7 | 1.4 | 2.7 | 1.8 | 1.9 | 3.6 | 2.4 | 4.5 |
| Großkraftwerke | 2.0 | 1.4 | 2.2 | 1.4 | 1.5 | 2.9 | 1.9 | 3.3 |
| Quelle: IEA - Technology Roadmap: Solar Photovoltaic Energy report | ||||||||
Lernkurve
Photovoltaikanlagen zeigen eine Lernkurve in Bezug auf die Stromgestehungskosten (LCOE), die bei jeder Verdopplung der Kapazität die Kosten pro kWh um 32,6 % senken. Aus den Daten der LCOE und der kumulierten installierten Kapazität der Internationalen Agentur für erneuerbare Energien (IRENA) von 2010 bis 2017 ergibt sich die Lernkurvengleichung für Photovoltaikanlagen wie folgt ⓘ
- LCOE : Stromgestehungskosten (in USD/kWh)
- Kapazität: kumulierte installierte Kapazität von Photovoltaikanlagen (in MW) ⓘ
Regelung
Normung
Der zunehmende Einsatz von Photovoltaikanlagen und die Integration der Photovoltaik in bestehende Strukturen und Techniken der Versorgung und Verteilung erhöhen den Bedarf an allgemeinen Normen und Definitionen für Photovoltaikkomponenten und -systeme. Die Normen werden bei der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) erarbeitet und betreffen die Effizienz, Haltbarkeit und Sicherheit von Zellen, Modulen, Simulationsprogrammen, Steckverbindern und Kabeln, Montagesystemen, die Gesamteffizienz von Wechselrichtern usw. ⓘ
Nationale Vorschriften
Vereinigtes Königreich
Im Vereinigten Königreich gelten PV-Anlagen im Allgemeinen als erlaubte Entwicklung und benötigen keine Baugenehmigung. Steht das Grundstück unter Denkmalschutz oder liegt es in einem ausgewiesenen Gebiet (Nationalpark, Gebiet von außergewöhnlicher natürlicher Schönheit, Gebiet von besonderem wissenschaftlichen Interesse oder Norfolk Broads), ist eine Baugenehmigung erforderlich. ⓘ
Vereinigte Staaten
In den Vereinigten Staaten enthält Artikel 690 des National Electric Code allgemeine Richtlinien für die Installation von Photovoltaikanlagen; diese können durch lokale Gesetze und Vorschriften ersetzt werden. Häufig ist eine Genehmigung erforderlich, für die Pläne und statische Berechnungen vorgelegt werden müssen, bevor die Arbeiten beginnen können. Außerdem verlangen viele Gemeinden, dass die Arbeiten unter der Leitung eines zugelassenen Elektrikers durchgeführt werden. ⓘ
Die zuständige Behörde (Authority Having Jurisdiction - AHJ) prüft die Pläne und erteilt die Genehmigung, bevor mit dem Bau begonnen werden kann. Die Elektroinstallation muss den Normen des National Electrical Code (NEC) entsprechen und von der zuständigen Behörde geprüft werden, um die Einhaltung der Bauvorschriften, der Elektrovorschriften und der Brandschutzvorschriften sicherzustellen. Die zuständigen Behörden können verlangen, dass die Geräte von mindestens einem der Nationally Recognized Testing Laboratories (NRTL) getestet, zertifiziert, gelistet und gekennzeichnet wurden. In vielen Gemeinden ist für die Installation einer Photovoltaikanlage eine Genehmigung erforderlich. Für ein netzgekoppeltes System ist normalerweise ein zugelassener Elektriker erforderlich, der die Verbindung zwischen dem System und der netzgekoppelten Verkabelung des Gebäudes herstellt. Installateure, die diese Voraussetzungen erfüllen, gibt es in fast allen Bundesstaaten. In mehreren Staaten ist es Hauseigentümergemeinschaften untersagt, Solaranlagen einzuschränken. ⓘ
Spanien
Obwohl Spanien rund 40 % seines Stroms durch Photovoltaik und andere erneuerbare Energiequellen erzeugt und Städte wie Huelva und Sevilla fast 3.000 Sonnenstunden pro Jahr aufweisen, hat Spanien 2013 eine Solarsteuer eingeführt, um die durch die Investitionen der spanischen Regierung entstandenen Schulden zu decken. Wer sich nicht an das Stromnetz anschließt, muss mit einer Geldstrafe von bis zu 30 Millionen Euro (40 Millionen US-Dollar) rechnen. Diese Maßnahmen wurden schließlich 2018 zurückgenommen, als ein neues Gesetz eingeführt wurde, das jegliche Steuern auf den Eigenverbrauch von erneuerbaren Energien verbietet. ⓘ
Beschränkungen
Umweltverschmutzung und Energie bei der PV-Produktion
PV ist eine bekannte Methode zur Erzeugung von sauberem, emissionsfreiem Strom. PV-Systeme bestehen häufig aus PV-Modulen und Wechselrichtern (die Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln). PV-Module werden hauptsächlich aus PV-Zellen hergestellt, die sich nicht grundlegend von den Materialien für die Herstellung von Computerchips unterscheiden. Der Prozess der Herstellung von PV-Zellen (Computerchips) ist energieintensiv und beinhaltet hochgiftige und umweltschädliche Chemikalien. Es gibt nur wenige PV-Fabriken in der Welt, die PV-Module mit aus PV gewonnener Energie herstellen. Durch diese Maßnahme wird der Kohlenstoff-Fußabdruck während des Herstellungsprozesses erheblich reduziert. Der Umgang mit den im Herstellungsprozess verwendeten Chemikalien unterliegt den lokalen Gesetzen und Vorschriften der Fabriken. ⓘ
Auswirkungen auf das Stromnetz
Mit der zunehmenden Anzahl von Aufdach-Photovoltaikanlagen wird der Energiefluss in zwei Richtungen gelenkt. Wenn vor Ort mehr Strom erzeugt als verbraucht wird, wird Strom in das Netz eingespeist. Das Stromnetz ist jedoch traditionell nicht für die Übertragung von 2-Wege-Energie ausgelegt. Daher können einige technische Probleme auftreten. In Queensland (Australien) beispielsweise waren Ende 2017 bereits mehr als 30 % der Haushalte mit PV-Dächern ausgestattet. Die berühmte kalifornische Entenkurve 2020 tritt bei vielen Gemeinden ab 2015 sehr häufig auf. Ein Überspannungsproblem kann auftreten, wenn der Strom zurück ins Netz fließt. Es gibt Lösungen, um das Überspannungsproblem in den Griff zu bekommen, z. B. die Regulierung des Leistungsfaktors von PV-Wechselrichtern, neue Spannungs- und Energiekontrollgeräte auf der Ebene der Stromverteiler, die Neuverlegung der Stromleitungen, Nachfragesteuerung usw. Diese Lösungen sind oft mit Einschränkungen und Kosten verbunden. ⓘ
Auswirkungen auf die Verwaltung der Stromrechnung und Energieinvestitionen
Kunden haben unterschiedliche spezifische Situationen, z. B. unterschiedliche Komfortbedürfnisse, unterschiedliche Stromtarife oder unterschiedliche Nutzungsmuster. Ein Stromtarif kann aus mehreren Elementen bestehen, z. B. täglichen Zugangs- und Messgebühren, Energiegebühren (auf der Grundlage von kWh, MWh) oder Spitzenlastgebühren (z. B. ein Preis für die höchsten 30 Minuten Energieverbrauch in einem Monat). Die Photovoltaik ist eine vielversprechende Option zur Senkung der Energiekosten, wenn der Strompreis relativ hoch ist und kontinuierlich steigt, wie z. B. in Australien und Deutschland. Für Standorte, an denen eine Spitzenlastabgabe erhoben wird, kann die Photovoltaik jedoch weniger attraktiv sein, wenn die Verbrauchsspitzen hauptsächlich am späten Nachmittag oder frühen Abend auftreten, z. B. in Wohngebieten. Insgesamt sind Energieinvestitionen weitgehend eine wirtschaftliche Entscheidung, und Investitionsentscheidungen beruhen auf einer systematischen Bewertung von Optionen zur Verbesserung des Betriebs, der Energieeffizienz, der Erzeugung vor Ort und der Energiespeicherung. ⓘ
Netzferne Stromversorgung (Inselsystem, Inselanlage)
Das Wesen einer netz-autarken Solarstromanlage (Inselanlage) ist die permanente – oder auch temporäre – Trennung vom öffentlichen Stromnetz. Dies kann aus verschiedenen Gründen nötig sein: Entweder, weil keine Stromversorgung vorhanden ist, oder zur Realisierung eines Backup-Systems, welches bei Stromausfällen im öffentlichen Netz die Verbraucheranlage innerhalb kürzester Zeit von diesem trennt. Mit Hilfe von Solarbatterien und Inselwechselrichtern wird meist innerhalb von Millisekunden ein Inselsystem auf Basis der üblichen Netz-Wechselspannung aufgebaut, um die Versorgung des Haushaltes aufrechtzuerhalten. Solche Backup-Systeme eignen sich aber auch zur Steigerung des Eigenverbrauchs in üblichen netzgekoppelten Solarstromanlagen – tagsüber wird der nicht verbrauchte Strom zunächst zwischengespeichert, um dann später bei Bedarf verbraucht zu werden. ⓘ
Die oben erstgenannten Inselanlagen, welche permanent ohne Netzanbindung betrieben werden, basieren bei kleineren Anwendungen auf einer mit 12 oder 24 Volt Gleichspannung betriebenen Verbraucheranlage. Im Wesentlichen besteht eine solche Anlage aus vier Komponenten: dem Solargenerator, den Ladereglern, den Akkus und den Verbrauchern. Alle diese Komponenten der Anlage sollten dem vorliegenden Lastprofil der elektrischen Verbraucher entsprechend harmonisch aufeinander abgestimmt sein, um einen hohen Nutzungsgrad zu gewährleisten. ⓘ
Geschichte
Raumfahrt
Wesentliche Entwicklungsschübe erhielt die Photovoltaik aus der Raumfahrt. Während die ersten künstlichen Erdsatelliten nur Batterien mitführten, wurden schon bald Solarzellen zur Energieversorgung eingesetzt und stellten mit die ersten Anwendungen der Photovoltaik überhaupt dar. Angesicht mangelnder kostengünstigerer Alternativen bei Raumfahrzeugen negierten sich selbst die immensen Kosten am Anfang der Solarmodulentwicklung. Heutzutage ist die Solarzelle in der Raumfahrt mit großem Abstand die meistverwendete Lösung. ⓘ
Fast alle Satelliten und Raumstationen nutzen Solarzellen für ihre Stromversorgung und für den Betrieb der installierten Instrumente – einzig bei sonnenfernen Missionen werden Radionuklidbatterien eingesetzt und bei sehr kurzen Missionen manchmal chemische Batterien. ⓘ
Solarzellen an Raumfahrzeugen sind einer hohen Strahlenbelastung ausgesetzt und erleiden dadurch einen Leistungsverlust (Degradation). Ursache sind die durch hochenergetische Teilchenstrahlung der kosmischen Strahlung hervorgerufenen Kristalldefekte. ⓘ
Telegrafenstation
Eine weitere Triebfeder zur Entwicklung stellt die Telekommunikationsbranche dar. Die ersten elektrischen Relaisstationen (welche sich entlegen zwischen den meist größeren Städten befanden) zur Weiterleitung der Morsenachrichten wurden noch mit Bleiakkumulatoren realisiert, die zu 48-Volt-Gleichspannungssystemen verbunden wurden. Der Austausch der entladenen Batterien erfolgte mit Fuhrwerken, die oft Wochen unterwegs waren. Die ersten Solarmodule wurden entwickelt, um einen 12-V-Bleiakkumulator selbst bei hohen Außentemperaturen sicher zu laden. So entstand das 36-zellige 12-V-Solarmodul, nachdem man festgestellt hat, dass mit 34-zelligen Modulen die Batterie nicht sicher geladen werden konnte. Zur Ladung der Batteriesysteme in Relaisstationen verwendete man vier in Reihe geschaltete Solarmodule. Dieser historische Grund liefert die Erklärung, warum auch heute noch 48-V-Gleichstromgeräte in der Telekommunikationsindustrie Verwendung finden. ⓘ
Systematik
Industrielle Anwendungen
Kennzeichen dieser Anwendungsgruppe von solaren Energieversorgungen ist der sehr genau definierte, oft geringe Energiebedarf. ⓘ
- Mobile Anwendungen, wie Taschenrechner/Uhr, Handyladegerät, Solarspielzeug, Solarspringbrunnen, leuchtende Wegemarkierungen, …
- Stationäre Anwendungen, wie Parkautomaten, automatische Verkehrsschilder (z. B. auf Autobahnen), solarversorgte Messstellen (Trinkwasser, Abwasser, Hochwasser, Verkehr), Schiebereinrichtungen für Trinkwasser bzw. Abwasser, solare Belüftung, Schifffahrtszeichen, …
- Anwendungen für die Telekommunikation, wie Empfangsstationen für Mobiltelefone, WLAN-Hotspots, Richtfunkstrecken, Satelliten, … ⓘ
Viele dieser Anwendungen sind auch in Gegenden mit höchster Stromnetzdichte wirtschaftlich, da die Kosten für eine Netzerweiterung/Netzanschluss auch in diesem Fall in keinem Verhältnis zur autarken Versorgung stehen. ⓘ
SHS (Solar Home System)
SHS ist die Bezeichnung für ein einfaches Photovoltaikinselsystem, dessen Hauptzweck meist nur in der Versorgung von einfachen Hütten mit Licht ist. Typische Anlagengrößen sind 50–130 Wp, was meist genug ist, um 12-V-Gleichspannungsenergiesparlampen zu betreiben. Oft werden die Anlagen verwendet, um Handys zu laden oder einen kleinen Fernseher/Radio zu betreiben. Manchmal wird ein solches System auch verwendet, um einen 12- bzw. 24-V-Gleichstromkühlschrank zu betreiben. ⓘ
Solare Pumpenanlagen
Solare Pumpenanlagen bestehen meist aus direkt angeschlossenen Pumpen, ohne eine Pufferbatterie. Die Speicherung übernimmt in diesem Fall ein Wasserhochtank, welcher die Versorgung in der Nacht bzw. bei Schlechtwetter gewährleistet. Bei Bewässerungsanlagen kann oft auch auf den Tank verzichtet werden. Anlagen dieses Typs zeichnen sich durch eine extreme Langlebigkeit (> 20 Jahre) aus. Die verwendeten Gleichstrom-betriebenen Tauchpumpen können Förderhöhen bis 250 m erreichen. ⓘ
Hybrid/Minigrid
Hybrid/Minigrid sind meist größere Anlagen, welche die Versorgung von kleinen Dörfern, Schulen, Krankenhäusern/-stationen oder GSM-Stationen sicherstellen. Das Kennzeichen einer Hybridanlage ist das Vorhandensein von mehr als einer Energiequelle (z. B. Photovoltaik und Dieselgenerator). Als Energiequellen stehen Sonne, Wasser, Wind, Biomasse, Diesel, … zur Verfügung. Die Zwischenpufferung der Energie übernehmen in der Regel Akkumulatoren (Kurzzeitspeicherung). Für die mittelfristige Speicherung sind beispielsweise die Redox-Flow-Zelle oder Wasserstoff Lösungsansätze. ⓘ
Prinzipiell stehen zwei Möglichkeiten der elektrischen Kopplung zur Verfügung. ⓘ
Erstere besteht aus einer Kopplung auf der Gleichstromseite in die alle Erzeuger ihre Energie liefern. Die Photovoltaikanlage mit Hilfe eines Ladereglers, der Dieselgenerator durch ein Ladegerät. Alle weiteren Energieerzeuger (z. B. Windgenerator, Wasserturbine, …) brauchen ihr eigenes Ladegerät, um auf der Gleichstromseite ihre Energie bereitzustellen. Ein großer Inselwechselrichter übernimmt die Bereitstellung von Wechselstrom. ⓘ
Eine weitere Möglichkeit ist die Kopplung auf der Wechselstromseite. In diesem Fall gibt es nur ein Ladegerät, welches die Ladung der Akkumulatoren verwaltet. Alle Energieerzeuger liefern Wechselspannung, welche entweder direkt verbraucht wird oder durch das Ladegerät im Akkumulator gepuffert wird. Bei einem Mangel von Energie erzeugt ein Inselwechselrichter die fehlende Energie für die Verbraucher. Da diese zweite Version der Kopplung Schwierigkeiten der Synchronisierung/Regelung hervorruft, konnte diese erst mit dem Vorhandensein von schnellen Mikrocontrollern verwirklicht werden. Man kann diese Kopplungsart als zweite Generation der Hybridanlagen bezeichnen. ⓘ
Anlagentechnik
Bei Verwendung von Akkumulatoren zur Speicherung der Energie werden Solarbatterien verwendet. Sie haben eine hohe Zyklenfestigkeit (Ladung und Entladung) und sind etwas anders aufgebaut als Starterbatterien in Kraftfahrzeugen. ⓘ
Bei Verwendung von Akkumulatoren zur Speicherung der Sonnenenergie ist ein Laderegler notwendig. Dessen Hauptzweck besteht darin, den Akkumulator vor Tiefentladung (durch Lastabwurf) sowie vor Überladung zu schützen. Eine Tiefentladung schädigt einen Bleiakkumulator irreversibel. ⓘ
Zum Betrieb von Wechselstromverbrauchern (z. B. 230-V-Fernseher) wandelt ein Insel-Wechselrichter die Akkuspannung (meist im Bereich 12, 24 oder 48 V Gleichspannung) in Wechselspannung um. Inselwechselrichter gehören zur Gruppe der netzbildenden Anlagen. Das bedeutet, sie erzeugen selbstständig eine Netzspannung (z. B. 230 V, 50 Hz) und stellen Wirk- und Blindleistung zur Verfügung. Netzbildner können nicht mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden werden (Kompetenzverletzung). Zur Netzeinspeisung sind demgegenüber netzgeführte Wechselrichter (Netzfolger) erforderlich (siehe unten). ⓘ
In Gegenden mit instabiler elektrischer Versorgung durch das öffentliche Netz bietet es sich an, eine normalerweise netzbetriebene Anlage bei Stromausfall mit Solarstrom zu betreiben (als sogenannte Netzersatzanlage) – fällt das Netz aus, so wird die Anlage automatisch oder manuell in den Inselbetrieb umgeschaltet. Diese Umschaltung bedeutet einen kurzzeitigen Netzausfall, um dies zu vermeiden kann man eine unterbrechungsfreie Stromversorgung verwenden. ⓘ
Netzgekoppelte Anlage
Durch die Verbindung zu einem großen Verbundnetz (z. B. dem öffentlichen Stromnetz) kann sichergestellt werden, dass zu jedem Zeitpunkt genügend Verbraucher vorhanden sind, die den Solarstrom sofort nutzen können. Eine Zwischenspeicherung, Pufferung ist dabei unnötig. Diese Betriebsart nennt man auch Netzparallelbetrieb. ⓘ
Formen
Aufdachanlage
Die häufigste Anlageform ist die Aufdachanlage, bei der das vorhandene Gebäude die Unterkonstruktion für die PV-Anlage trägt. Es ist die jeweils höchstmögliche Förderung möglich, da der Gesetzgeber die Dachflächen als bereits vorhandene „natürliche“ Empfangsflächen, ohne zusätzlichen Flächenbedarf betrachtet. Bei geneigten Dächern kann man in der Regel auf eine Unterkonstruktion zur Ausrichtung der Solarflächen verzichten. Aber oft verhindern die Dachneigung und die horizontale Ausrichtung des Hauses eine wirklich optimale Ausrichtung der Anlage. ⓘ
Eine Solaranlage wird auf der flachen oder geneigten Dachfläche mit einem Grundgerüst über auf den Dachsparren montierten Dachhaken montiert – dieses kann mit und ohne Unterkonstruktion ausgeführt sein. ⓘ
Die erste netzgekoppelte Aufdachanlage wurde im Mai 1982 auf einem Dach der heutigen Fachhochschule der italienischen Schweiz errichtet. Die Anlage verfügt über eine Peak-Leistung von 10 kW und war mit Stand Mai 2017, d. h. 35 Jahre nach Inbetriebnahme, weiterhin in Betrieb. Die derzeit größte begehbare Aufdachanlage Europas befindet sich in Heiden. Sie ist die Musterausstellung eines Energieunternehmens mit insgesamt 2423 Modulen verschiedener Modultypen und soll 334.789 kWh pro Jahr produzieren. ⓘ
Indachanlagen (Gebäudeintegrierte Anlage)
Bei dieser Anlagenart ersetzt die Photovoltaikanlage Teile der Gebäudehülle, also der Fassadenverkleidung und/oder der Dacheindeckung. Der Vorteil besteht darin, dass ohnehin benötigte Dach- bzw. Fassadenelemente durch die Photovoltaikanlage ersetzt werden. Zudem werden auch ästhetische Argumente für diese Bauweise genannt, weil die oft auch farblich an hergebrachte Dacheindeckungen angepassten Elemente optisch weniger stark auffallen als herkömmliche, auf die Dachhaut montierte Anlagen. Gebäudeintegrierte Anlagen sind jedoch meist weniger gut hinterlüftet, was einen verringerten Wirkungsgrad nach sich zieht. Fassadenelemente sind auch nur selten ertragsoptimal zur Sonne ausgerichtet, dafür lassen sich Flächen nutzen, die sonst nicht zur Energieerzeugung bereitstehen. Die Solarmodule müssen den gleichen Anforderungen genügen, denen auch andere Teile der Gebäudehülle entsprechen (Dichtigkeit, Bruchsicherheit, Tragfähigkeit usw.). Der Markt bietet eigens zugelassene Module, die über nötigen Zertifikate und Zulassungen verfügen, andernfalls ist ein Einzelnachweis für die geplante Anlage notwendig. ⓘ
Plug-In-Anlagen
Plug-in-Photovoltaikanlagen (auch bekannt als Plug & Save, Steckersolargeräte oder als Stecker-Solarmodule) sind kleine und einfache Anlagen, die mit einem integrierten Mikrowechselrichter ausgestattet sind und dem Endverbraucher betriebsfertig vorkonfektioniert angeboten werden. Diese Solaranlagen werden einfach in eine Steckdose gesteckt und können so auch ohne Fachleute durch den Verbraucher ans heimische Wechselstromnetz angeschlossen werden. Der Betrieb einer Plug-In-Anlage dient hauptsächlich der Senkung der Stromkosten, indem der erzeugte Strom einen Teil des Verbrauchs direkt abdeckt (Eigenverbrauch). Eine finanzielle Vergütung für die ins Netz eingespeisten Überschüsse ist dabei in der Regel nicht vorgesehen, insbesondere weil die Einspeisemengen den Aufwand für Anmeldung und Abrechnung nicht rechtfertigen. ⓘ
In Deutschland muss ein Anlagenbetreiber nach § 19 NAV vor Errichtung einer Eigenanlage dem Netzbetreiber hiervon Mitteilung machen. Der Netzbetreiber kann den Anschluss von der Einhaltung der von ihm nach § 20 NAV festzulegenden Maßnahmen zum Schutz vor Rückspannungen abhängig machen. ⓘ
Aktuell ist der Betrieb einer solchen Anlage an einer normalen Schuko-Steckdose in Deutschland erlaubt und aus technischer Sicht als sicher zu bewerten, da der Stecker beim Abziehen von der Steckdose bereits im Bruchteil einer Sekunde spannungsfrei ist. Der Verband der Elektrotechnik empfiehlt den Einbau von spezielle Einspeisesteckdosen mit nach außen isolierten Kontakten (zur Zeit nur der sog. "Wieland-Stecker"), warnt jedoch, es müsse vorher geprüft werden, ob der aktuelle Stromzähler für den Betrieb der Plug-In-Solaranlage geeignet ist; hierbei könne der örtliche Netzbetreiber helfen. Mieter sollten zudem vor der Anbringung einer Anlage auf Balkonen o. ä. den Vermieter nach seiner Zustimmung fragen. ⓘ
In Deutschland dürfen je elektrischer Anlage Stecker-Solarmodule mit einer Leistung von bis zu 600 W installiert werden; der zugehörige Stromzähler muss über eine Rücklaufsperre verfügen. ⓘ
Bis Ende 2021 wurden nach einer Studie der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin zwischen 140.000 und 190.000 Steckersolargeräte (Hochrechnung) in Deutschland an Endkunden verkauft, was einer Leistung von 59 bis 66 Megawatt (ca. 350 W je Anlage) entspricht. ⓘ
Freilandanlage
Im Freien werden Solarmodule entweder in langen Reihen hintereinander mit Hilfe einer geeigneten Unterkonstruktion platziert oder auf Nachführanlagen (Solartracker) befestigt, welche im verschattungsfreien Abstand zueinander stehen. Aus ökonomischen Gründen werden meist Zentralwechselrichter für die Umwandlung des Gleichstromes aus den PV-Modulen in Wechselstrom verwendet. Der erzeugte Wechselstrom wird meist direkt ins Mittelspannungsnetz eingespeist, da die Leistung im Niederspannungsnetz nicht mehr aufgenommen werden kann. ⓘ
Als besonders geeignet werden Flächen angesehen, deren anderweitige Nutzung schwierig ist (Deponieflächen, z. B. Photovoltaikanlage auf einer stillgelegten Kreismülldeponie in der Gemarkung von Ringgenbach, verlassene Militärgelände, z. B. Solarpark Waldpolenz, Photovoltaikanlage auf einem ehemaligen Militärflugplatz in den Gemeinden Brandis und Bennewitz, Brachland, …), da es die landwirtschaftliche Nutzfläche nicht schmälert. Der Flächennutzungsgrad kann in kWp pro Quadratmeter angegeben werden und liegt beim Beispiel des Solarparks Lieberose bei ca. 32 Wp pro Quadratmeter. Dies entspricht ca. einem Ertrag von 30 kWh pro Jahr pro Quadratmeter. ⓘ
Das nötige Investitionskapital wird häufig durch Bürgergesellschaften aufgebracht. ⓘ
Anlagentechnik
Für die Einspeisung der Solarenergie in das Stromnetz ist die Wandlung des Gleichstroms in Wechselstrom nötig sowie eine Synchronisation mit dem vorhandenen Netz, was durch einen Solarwechselrichter bewerkstelligt wird. Diese Wechselrichter nennt man netzgekoppelt. ⓘ
Einphasige Anlagen dürfen in Deutschland nur bis zu einer maximalen Leistung von 5 kWp (4,6 kW Dauerleistung) in das Stromnetz einspeisen. Anlagen mit Leistungen ab 100 kWp verfügen über die Möglichkeit der Wirkleistungsreduzierung in vier Stufen, deren Steuerung über einen Rundsteuerempfänger erfolgt. Anlagen mit einer Spitzenleistung von mehr als 100 kW speisen in das Mittelspannungsnetz ein und müssen zur Sicherung der Netzstabilität die Mittelspannungsrichtlinie erfüllen. ⓘ
Eine Ausnahme, die keine Wandlung erfordert, stellt die Einspeisung in separate Gleichstrombetriebsnetze dar, zum Beispiel die Direkteinspeisung des Solargenerators in ein Straßenbahnbetriebsnetz. Einige wenige Pilotanlagen für eine solche Anwendung sind seit einigen Jahren in der Erprobung. Als Beispiel sei hier die Anlage auf dem Straßenbahndepot in Hannover-Leinhausen genannt. ⓘ
Verschmutzung und Reinigung
Wie auf jeder Oberfläche im Freien (vergleichbar mit Fenstern, Wänden, Dächern, Auto etc.), können sich auch auf Photovoltaikanlagen unterschiedliche Stoffe absetzen. Dazu gehören beispielsweise Blätter und Nadeln, klebrige organische Sekrete von Läusen, Pollen und Samen, Ruß aus Heizungen und Motoren, Staub und organische Substanzen aus Stallablüftungen (aus der Landwirtschaft im Allgemeinen), Futtermittelstäube aus der Landwirtschaft, Wachstum von Pionierpflanzen wie Flechten, Algen und Moosen sowie Vogelkot. Die „Selbstreinigung“ der Module (durch Regen und Schnee) reicht oftmals nicht aus, um die Anlage über Jahre bzw. Jahrzehnte sauber zu halten. Durch Ablagerung von Schmutz auf der Photovoltaikanlage gelangt weniger Sonnenenergie in das Modul. Die Verschmutzung wirkt wie eine Verschattung und ein Ertragsverlust ist die Folge. Dieser Ertragsverlust kann bei Anlagen mit extremen Verschmutzungen (z. B. Stallabluft) bis zu 30 % betragen. Im bundesdeutschen Durchschnitt wird von einem schmutzbedingten Ertragsverlust von 6–8 % ausgegangen. Um gleich bleibende Erträge zu sichern, müssten eine Vielzahl von Anlagen regelmäßig auf Verschmutzung hin kontrolliert und, falls notwendig, gereinigt werden. Stand der Technik ist die Verwendung von vollentsalztem Wasser (Demineralisiertes Wasser) um Kalkflecken zu vermeiden. Als weiteres Hilfsmittel kommen bei der Reinigung wasserführende Teleskopstangen zum Einsatz. Die Reinigung sollte schonend durchgeführt werden, um die Moduloberfläche – etwa durch die Verwendung von kratzenden Reinigungsgeräten (Veränderung der Glanzstruktur der Oberfläche) – nicht zu beschädigen. Die Herstellerangaben zur Reinigung sind zu beachten. Zudem sollten Module überhaupt nicht und Dächer nur unter entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen betreten werden. ⓘ
Blitzschlag
Eine Photovoltaikanlage muss bei bestehendem Blitzschutz des Gebäudes in die Blitzschutzanlage integriert werden. ⓘ
Beim äußeren Blitzschutz ist Folgendes zu berücksichtigen:
- Da Module, Halterung sowie etwaige Kabelrinnen elektrisch leitfähig sind, müssen sie im Trennungsabstand zu den Betriebsmitteln des Blitzschutzes installiert werden.
- Fangstangen oder Ähnliches können zu Schattenwurf und somit zu Ertragsminderung der PV-Anlage führen. Dies erschwert die Planung eines äußeren Blitzschutzkonzeptes. ⓘ
Ist die PV-Anlage selbst Teil des Blitzschutzes oder lässt sich die Trennung zum äußeren Blitzschutz nicht vermeiden, ist Folgendes beim Anbringen des inneren Blitzschutzes zu beachten:
- DC-Leitungen vom PV-Generator, welche die Gebäudehülle durchdringen, benötigen einen gleichstromfähigen Ableiter am Durchdringungspunkt. Da im Auslösefall der PV-Generator unter Spannung stehen kann (üblicherweise während des Tages, wenn die Sonne scheint), würde der Gleichstrom einen stehenbleibenden Lichtbogen in der Funkenstrecke des Ableiters verursachen. Dies kann zu einem Brand führen. ⓘ
Um einen indirekten Blitzschaden der Anlage zu vermeiden, gilt der Grundsatz der Vermeidung von großen aufgespannten Flächen (siehe Elektromagnetische Induktion), das heißt die Leitungsführung von plus und minus sollte soweit möglich parallel sein. ⓘ
Gefahren durch eine Photovoltaikanlage
Wie bei jeder baulichen Anlage bringt der Aufbau, Betrieb sowie der Rückbau Gefahren mit sich. Diese unterscheiden sich aber nicht von denen anderer Anlagen des Hoch- bzw. Tiefbaus (z. B. Kabelschächte bei Freilandanlagen). ⓘ
Eigenheiten sind jedoch bei folgenden Gefahren zu beachten: ⓘ
Brandgefahr
Wie bei allen elektrischen Anlagen kann es bei Defekten oder unsachgemäßer Installation zu Kabel- oder Schwelbränden kommen. Es besteht aber kein gegenüber anderen technischen Anlagen besonders erhöhtes Risiko. Bis 2013 kam es in Deutschland nur bei 16 je 100.000 Anlagen zu einem Brand. Nach Angaben des Deutschen Feuerwehrverbandes war auch seither trotz des enormen Zubaus keine übermäßige Steigerung der Brandgefahr durch installierte Anlagen zu erkennen. ⓘ
Das Löschen von – gleich aus welcher Ursache – brennenden Häusern kann jedoch durch eine Photovoltaikanlage erschwert werden, weil die Anlage selbst dann noch unter Spannung steht, wenn sie abgeschaltet ist, da die Module selbst die Spannungsquellen sind. In Deutschland sind seit 1. Juni 2006 Lasttrennschalter im Wechselrichter und Generatoranschlusskasten gesetzlich vorgeschrieben, jedoch gibt es keine staatliche Vorgabe, die Module selbst spannungsfrei schalten zu können. ⓘ
Die von Laien häufig aufgestellte Behauptung, Feuerwehren würden Brände in Häusern mit Photovoltaikanlage nicht löschen, ist hingegen unzutreffend. 2010 wurden vom Deutschen Feuerwehrverband Handlungsempfehlungen herausgegeben, die speziell auf Photovoltaikanlagen eingehen und die Mindestabstände erläutern, wie sie auch bei allen anderen elektrischen Niederspannungsanlagen einzuhalten sind. In einem Positionspapier wird zudem von der Industrie eine bessere Abschaltvorrichtung für Photovoltaikanlagen gefordert. Das Vorgehen im Brandfall wird in der VDE 0132 „Brandbekämpfung im Bereich elektrischer Anlagen“ geregelt. Für die Feuerwehren werden spezielle Schulungen zum Brandschutz bei PV-Anlagen durchgeführt. ⓘ
Elektrischer Schlag
Grundsätzlich steht ein PV-Generator unter Spannung, selbst wenn die Anlage nicht im Betrieb ist (vergleichbar mit einer Batterieanlage). Die Installation bzw. Wartung einer Solaranlage kann das Arbeiten unter Spannung beinhalten. Dabei ist auch Fachwissen über hohe Gleichspannungen, wie sie auch in Batterieanlagen vorkommen können, notwendig. ⓘ
Bei kleinen netzfernen PV-Anlagen ist die Schutzkleinspannung eine geeignete Schutzart gegen gefährliche Körperströme. Um die Schutzkleinspannung zu erreichen, werden Module parallel geschaltet. Dies führt jedoch zu proportional höheren Strömen. Diese Möglichkeit der Energieübertragung bei größeren Anlagen zur Netzeinspeisung würde zu großen Verlusten in den Leitungen bzw. unverhältnismäßig dicken Leitungsquerschnitten führen. Somit ist diese Schutzart bei netzgekoppelten PV-Anlagen nicht praktikabel. ⓘ
Solaranlage und Denkmalschutz
Solaranlage und Denkmalschutz stehen in einem Spannungsverhältnis, da Solaranlagen auf dem Dach meist einen Eingriff in die Substanz des Gebäudes und / oder deren optische Wirkung darstellen. Da Ressourcenschonung und Nachhaltigkeit Teil des gesetzlichen Auftrags von Denkmalschutz und Denkmalpflege sind, gibt es seit vielen Jahren (Stand 2010) Bemühung der Denkmalpflege sinnvolle Lösungsansätze zu finden. Um Solaranlagen auf denkmalgeschützter Bausubstanz zu errichten, ist es häufig notwendig, sich intensiv mit Projekt- und Lösungsvorschlägen zur Integration von Solarmodulen auseinanderzusetzen. Im Zweifelsfall kann eine gerichtliche Klärung notwendig sein. In den letzten Jahren (Stand 2012) ist die Tendenz der Rechtsprechung – abhängig von den konkreten Gesichtspunkten – nicht mehr uneingeschränkt denkmalschutzfreundlich. ⓘ
Große Anlagen in Deutschland, Österreich und der Schweiz
Deutschland
Siehe: Liste von Solarkraftwerken in Deutschland ⓘ
Österreich
Österreichs (Stand 2014) größte PVA am Dach eines Gebäudes ging am 17. November 2014 in Weißenstein, Villach-Land, Kärnten ans Netz. 42.000 m2 PV-Module mit 3.400 Kilowatt-Peak und einer erwarteter Jahresausbeute von 3.740 MWh wurden am Dach des Logistikzentrums der Hofer KG errichtet. (Mit-)Errichter und Betreiber ist HHB Energie, Wien. ⓘ
Seit etwa Oktober 2015 arbeitet Österreichs größte freistehende PV-Anlage in Flachau auf einem 3,5 Hektar wenig einsichtigen Südhang in 1.200 Meter Höhe am Eibenberg. Betreiber sind die bäuerlichen Grundstücksbesitzer. Das Konzept stammt aus 2010, die Förderung aus 2013. Mittels 1,4 km langem Erdkabel dient die Anlager zur Einspeisung ins Ortsnetz von Flachau. Schafe weiden auf derselben Fläche. Der geplante Jahresertrag liegt bei rund 3,7 Mio. kWh. ⓘ
Im Weinviertel (Niederösterreich) ist Österreichs mit Inbetriebnahme Ende 2020 zukünftig größte PVA von OMV und Verbund geplant. Auf 20 ha Fläche mit geplanten 18 GWh Jahresertrag. ⓘ
Schweiz
Die größte Photovoltaikanlage der Schweiz wurde auf Lagerhallen in Estavayer-le-Lac errichtet. Sie hat eine Fläche von 49.000 m² und eine Leistung von 8,3 Megawatt Peak. Die Jahresproduktion beträgt rund 8 GWh. ⓘ
Die größte Solaranlage auf einem einzelnen Dach in der Schweiz ist auf einem Dach eines Logistikzentrums in Perlen, Luzern. Sie hat eine erwartete Leistung von 6,46 Megawatt Peak und produziert jährlich so viel Strom, wie 2150 Zwei-Personen-Haushalte verbrauchen. ⓘ