Technische Grundlagen

Bestandteile der PV-Anlage

Damit eine Photovoltaik-Anlage aus Sonnenlicht Strom erzeugen kann, braucht es Komponenten, die im folgenden beschrieben werden.

2020 01 08 Haus Wechselrichter Stromnetz PV 2 | Photovoltaik Österreich

A) Photovoltaik-Module
Ein PV-Modul besteht aus Solarzellen, die für die Umwandlung des Lichts verantwortlich sind, sowie den elektrischen Leitern, einem Glas auf der Vorderseite zum Schutz und dem Rahmen. Der Rahmen kann bei Glas-Glas-Modulen auch entfallen. Hier sind die PV-Zellen auf beiden Seiten von Gläsern umschlossen. Die Rückseite kann entweder mittels Folie oder Glas geschützt werden. Je nach Bauart werden Bypass-Dioden oder andere leistungssteigernde Bauteile ergänzt.

B) und D) Optionaler Batteriespeicher
Sonnenstrom, der von der PV-Anlage erzeugt wird, aber gerade nicht benötigt wird, kann gespeichert werden. Durch die Speicherung des Stroms vor Ort wird der Eigenverbrauch erhöht und mithilfe dieser Speicher ist es auch möglich eine Notstromversorgung sicherzustellen. 

Es gibt zwei Installationsarten von Stromspeicher

  • Der gleichstromseitige Batteriespeicher wird vor dem Wechselrichter installiert.
  • Der wechselstromseitige Batteriespeicher wird hinter dem Wechselrichter installiert.

 

C) Wechselrichter
Der Wechselrichter wandelt den Gleichstrom der PV-Module in den Wechselstrom des Stromnetzes und der Stromverbraucher um. Neben dieser Hauptaufgabe regelt der Wechselrichter auch die PV-Anlage, achtet darauf das alle Parameter, wie zum Beispiel die richtige Spannung und Frequenz, eingehalten werden und kann unter Umständen ein Inselnetz (bei einem Stromausfall) aufbauen.

E) Stromverbraucher
Unsere Verbraucher, wie Waschmaschinen, Kühlschränke, Wärmepumpen, E-Mobilität. Warmwasseraufbereitung oder Unterhaltungselektronik benötigen Strom. Der sollte am besten direkt aus der PV-Anlage kommen.

F) Stromzähler
Die Stromzähler erfassen die Stromerzeugung und den Strombezug aus dem Stromnetz.

G) Stromnetz
Nicht vor Ort genutzter oder gespeicherter Strom kann in das Stromnetz eingespeist und damit verkauft werden.

INSELANLAGE
Im Falle einer Inselanlage entfällt das Stromnetz. Dann ist die Verwendung eines Stromspeichers für eine kontinuierliche Energieversorgung notwendig. Almhütten sind, neben Parkuhrsystemen und anderen mobilen Stromanwendungen, oft Inselanlagen, da diese meist weite Distanzen vom Stromnetz entfernt sind.

WEITERE BESTANDTEILE
Neben diesen Hauptbestandteilen sind Leitungen, Sicherungseinrichtungen und das Montagesystem ebenfalls Teil einer Photovoltaik-Anlage

GlobalStrahlung „Der Brennstoff der Photovoltaik"

(horizontale) Globalstrahlung

In Österreich liegt die Strahlungsintensität bei klarem Himmel bei etwa 1000 W/m². Dieser Wert kann bei einer dicken Wolkendecke auf bis zu 50 W/m² sinken.

Die Strahlungsintensität ändert sich laufend, ob durch den Tag- und Nachtwechsel, die Änderung des Winkels zwischen der Erde und der Sonne (und des somit länger werdenden Wegs des Photons durch unsere Atmosphäre) oder durch das Wetter.

Wird die Strahlungsintensität die auf einen Quadratmeter Fläche auftrifft, über ein Jahr aufsummiert (der Energieertrag kumuliert) so erhält man die (horizontale) Globalstrahlung in kWh/m²a.

Dieser Wert gibt Auskunft, wieviel Energie pro Quadratmeter in einem Jahr auf eine bestimmte horizontale Fläche trifft und ist somit einer der wichtigsten Werte in der Photovoltaik.

Durchschnittswerte in Österreich reichen von 1.000 kWh/m²a bis 1.400 kWh/m²a (siehe Grafik linke Spalte).

Horizontale Globalstrahlung [kWh/m²a] und horizontaler spezifischer Energieertrag [kWh/kWp]

horizont Globalstrahlung | Photovoltaik Österreich
Quelle 1

Da die durchschnittliche Einstrahlung in Österreich etwa 1.000 W/m² ist, und die durchschnittliche Globalstrahlung etwa 1.000 kWh/m²a ist, spricht man in Österreich deshalb oft von 1.000 Sonnenstunden bzw. Volllaststunden im Jahr.

Flächenfaktor

Die Globalstrahlung wird in der Regel in der Horizontalen angegeben. PV-Module werden jedoch meist nicht in der Horizontalen sondern geneigt montiert. Entsprechend muss noch der Flächenfaktor berücksichtigt werden. Dieser Wert wird durch Online-Tools oft automatisch berechnet, oder aus Grafiken wie dieser herausgelesen:

flaechenfaktor | Photovoltaik Österreich

Korrigierte Globalstrahlung

Wichtig! Achten Sie darauf, ob Sie mit der horizontalen Globalstrahlung oder mit der korrigierten („in-plane“, „optimaly-inclined“) Globalstrahlung rechnen. Oft geben Berechnungsunterlagen bereits den maximalen (optimalen) Wert als 100% an und den horizontalen Wert als energieärmeren aus. Vergewissern Sie sich, dass Sie mit dem passenden Wert weiterrechnen.

Bei einer „optimalen Ausrichtung“, 30° Neigung und nach Süden ausgerichtet, liegen typische Werte in Österreich zwischen 1.200 kWh/m²a und 1.700 kWh/m²a.

Korrigierte Globalstrahlung [kWh/m²a] und korrigierter spezifischer Energieertrag [kWh/kWp]

optimal Globalstrahlung | Photovoltaik Österreich
Quelle 2

Wirkungsgrad, Leistung & Energie

Standard Test Conditions (STC)

Um alle PV-Module mit samt der verschiedenen Zelltechnologien, hinsichtlich ihres Leistungsverhaltens, vergleichbar zu machen, braucht es einen Standardtest. Dieser Test wird mit standardisierten Test Bedingungen (STC) durchgeführt. Die Parameter sind:

  • Modultemperatur von 25°C (+-1°C)
  • Ein definiertes Lichtspektrum AirMass von 1,5 (Spektralverteilung der solaren Referenzbestrahlungsstärke)
  • Bestrahlungsstärke von 1.000 W/m²
  • Senkrechte, direkte Bestrahlung des Moduls
  • Strahlungsspektrum eines schwarzen Strahlers bei 5.700 K mit einem Intensitätsmaximum bei 500 nm
 

In der Praxis treten diese Bedingungen aber nur selten auf. So steigt die Modultemperatur zum Beispiel an, wenn sie stark bestrahlt wird und durch die erhöhte Temperatur verschlechtert sich die Leistungsabgabe.
Deshalb kann es auch vorkommen, dass die Anlage während eines schönen Sommertags eine geringere Leistung hat als angegeben.

Module sind aber auch in der Lage, höhere Leistungen zu generieren, wenn die Bedingungen besser sind als beim STC-Test. Ein solches Szenario könnte ein sehr schöner Tag im späten Frühling sein, bei dem ein kühler Wind die Module abkühlt, oder ein sonniger und kalter Tag im Winter, wenn alle Flächen (außer die Photovoltaik-Anlage) mit Schnee bedeckt sind und der Schnee die Sonne direkt auf das Modul reflektiert.

Aus diesem Grund wird die Leistung eines PV-Moduls auch mit Wp („Wattpeak“) und nicht mit W (Watt) angegeben.

Berechnung des Wirkungsgrads

Ein Standardmodul hat eine Fläche von 1,6-1,7m² (ohne Rahmen). Wird beim Modul nun beim STC-Test zum Beispiel eine Leistung von 300 Watt gemessen, kann die Leistung für dieses Modul sofort bestimmt werden. Es sind 300 Wattpeak (Wp).

Um den Wirkungsgrad zu berechnen muss die Leistung auf einen Quadratmeter bezogen werden.

Dazu ein Beispiel:

  1. Modulleistung / Fläche = Leistung pro Quadratmeter
    300 Watt / 1,6 m² = 187,5 W/m²
  2. Leistung pro Quadratmeter / Bestrahlungsstärke (STC)
    187,5 W/m² / 1000 W/m² = 0,187 (entspricht) 18,7 %


In unserem Beispiel hat das Modul einen Wirkungsgrad von 18,7% bei einer Leistung von 300 Wp.

Energieertragsrechnung

Mit Hilfe der bisher vorgestellten Parameter kann der theoretische Energieertrag ermittelt werden:

Energieertrag = korrigierte Globalstrahlung [kWh/m²a] * Modulfläche [m²] * Modulanzahl [-] * Modulwirkungsgrad [-] * sonstige Wirkungsgrade [-]

Für einen schnellen Überblick kann man Österreich, bei nach Süden ausgerichteten und um 30° geneigten Modulflächen, mit einem Ertrag von 1.000 kWh/kWp gerechnet werden.

Energieertrag | Photovoltaik Österreich

Photovoltaik-Zelle

Die PV-Zelle wandelt Strahlungsenergie in elektrische Energie um. Es gibt verschiedene Arten, wie eine Zelle das bewerkstelligen kann. Das Grundprinzip ist jedoch immer dasselbe.

Funktionsweise

Die klassische Zelle besteht aus zwei Metallkontakten, oben und unten, einer n-dotierten Schicht und einer p-dotierten Schicht.

Die Metallkontakte sammeln die durch Sonnenenergie freiwerdenden Elektronen auf und führen sie ab. Der Kontakt oben, sollte so klein wie möglich sein, damit die Zelle nicht unnötig verschattet wird, aber immer noch so groß, dass alle Elektronen ohne Probleme aufgenommen werden können.

N-dotiert heißt negativ-dotiert, das bedeutet, dass das Primärmaterial (Silizium bei Siliziumzellen) mit einem Material „verunreinigt“ wurde, welches ein Valenzelektron mehr als Silizium hat. Dadurch wird die gesamte Schicht „negativ“ da es einen Überschuss an Elektronen gibt.

Bei der p-dotierten Schicht, folglich positiv-dotiert, wird das Primärmaterial mit einem Material dotiert, welches ein Valenzelektron zu wenig hat. Die Schicht ist somit positiv geladen.

An der Stelle, an der die beiden Schichten aufeinandertreffen, entsteht die Grenzschicht. Um diese Grenzschicht ist die Raumladungszone. In diesem Bereich wandern die freien Elektronen der n-dotierten Schicht in die positiven „Löcher“ der p-dotierten Schicht. Es entsteht ein elektrisches Feld.

 

sz aufbau | Photovoltaik Österreich
Quelle 3

Trifft nun ein Photon auf die Zelle so löst dies ein Elektron aus dem Kristallgitter eines Atoms. Somit gibt es nun ein freies (negatives) Elektron und ein (positives) Loch, in dem das Elektron fehlt. Damit das Elektron nicht sofort wieder in das Loch springt, gibt es die Raumladungszone.

Das elektrische Feld der Raumladungszone, zieht das Elektron nun auf die n-dotierte Schicht. Da diese Schicht aber bereits negativ geladen ist, können die Elektronen dort kein Loch füllen. Das gleiche Prinzip gilt für die Löcher. Werden die beiden Metallkontakte nun miteinander verbunden, entsteht ein Stromfluss.

kENNLINIEN Der pv

Im Photovoltaik Bereich wird oft vom Kurzschlussstrom, der Leerlaufspannung und dem MPP (Maximum Power Point) gesprochen.  Hinter diesen Begriffen verbirgt sich folgendes:

Der Kurzschlussstrom IK, ist der Strom, den die Zelle liefert, wenn die Zelle kurzgeschlossen wird. Das heißt, der positive und der negative Pol werden ohne Widerstand (Ω = 0) miteinander verbunden.

Die Leerlaufspannung UL, liegt an der der Zelle an, wenn die beiden Pole nicht miteinander verbunden sind (Ω = unendlich groß).

Die folgende Abbildung zeigt, wie die Stromstärke und die Spannung sich mit sich änderndem Widerstand verhalten. Bei Iist UNull und umgekehrt. Die Leistung ist dabei das Produkt aus Strom und Spannung. Es braucht somit einen optimierten Widerstand, bei dem die maximale Leistung abgegriffen werden kann. Dieser Punkt nennt sich MPP, Maximum Power Point, „Punkt der maximalen Leistung“.

171 Mpp | Photovoltaik Österreich

Die Zellen haben die Eigenschaft, dass der Kurzschlussstrom proportional mit der Einstrahlung steigt. Das bedeutet, wenn die Strahlung um 50% steigt, dann steigt auch die Stromstärke um 50%. Die Spannung steigt zwar ebenfalls, aber nicht im gleichen Ausmaß.

 

 

168 Modulkennlinien | Photovoltaik Österreich
shell | Photovoltaik Österreich
Quelle 4

Ein weiteres charakteristisches Verhalten der Solarzelle ist es, dass die Spannung mit steigender Temperatur sinkt. Die Stromstärke steigt mit steigender Temperatur zwar leicht an, kann den Leistungsverlust jedoch nicht kompensieren.

 

Im Allgemeinen spricht man von einem Leistungsrückgang von 0,4%/K über 25°C (STC).

Die Solarzellen im PV-Modul müssen noch zusammengeschalten werden. Im Prinzip können die Solarzellen in Serie (auch Reihe genannt) oder parallel geschalten werden.

Werden Solarzellen in Reihe geschaltet, so addiert sich die Zellspannung und der Zellstrom bleibt gleich.

176 Reihenschaltung von Zellen oder Modulen | Photovoltaik Österreich

Werden die Zellen parallel geschalten, so addiert sich die Stromstärke. Die Spannung bleibt gleich. In der Praxis werden Zellen und Module eher selten parallel verschalten, da die Leitungsverluste mit höheren Stromstärken steigen.

 

Dieses Prinzip gilt auch beim Zusammenschalten von mehreren Modulen.

177 Parallelschaltung von Zellen oder Modulen | Photovoltaik Österreich

Problem & Umgang mit Verschattungen

Verschattungen verringern den Energieertrag der Anlage

Das Problem der Verschattung ist, dass das Modul mit der geringsten Stromstärke die Stromstärke des gesamten Modul-Strangs vorgibt. Wenn nun ein Modul bzw. Zelle verschattet ist, fällt die Stromstärke dieses Moduls und somit des ganzen Stranges stark ab. In anderen Worten: Eine verschattete Zelle produziert nicht nur keine Energie, sie reduziert auch die Produktion der Zellen, die mit ihr in Reihe geschaltet sind.

Folgende Probleme ergeben sich somit bei verschatteten Zellen:

  1. Die Stromstärke des gesamten in Reihe geschalteten Strangs reduziert sich auf die Stromstärke des verschatteten Bereichs. Die Leistung der Anlage verringert sich.
  2. Der verschattete Bereich wirkt elektrisch gesehen als rießiger Widerstand. An diesem Widerstand wird nun die Leistung in Form von Wärme abgegeben. Sehr hohe Temperaturen können die Zelle langfristig beschädigen. Diese Stellen nennt man sogenannte „Hot Spots“.

Umgang mit Verschattungen

Sollten Verschattungen der Anlagen nicht verhindert werden können, gibt es folgende Möglichkeiten:

1. Bypass-Dioden: Diese Dioden leiten den Stromfluss um, wenn ein Bereich des Moduls verschattet ist. Zwar erzeugt der verschattete Bereich weniger Strom, aber der restliche Bereich arbeitet einwandfrei.

bypass dioden | Photovoltaik Österreich
Quelle 5

2.  Verschaltung: Eine andere Methode ist die Zellen und die Module teilweise parallel zu verschalten. Dabei können die Leitungsverluste zwar etwas steigen, doch vor allem wenn bestimmte Teile einer PV-Anlage immer wieder verschattet werden, macht es Sinn diesen Anlagenteil parallel zu verschalten.

reihenschaltung | Photovoltaik Österreich
parallelschaltung | Photovoltaik Österreich

Quelle 6

3. Modul-Wechselrichtern/Optimierern: Eine weitere Lösung ist der Einsatz von Modul-Wechselrichtern/Optimierern. Wenn in einer PV-Anlage Modul-Wechselrichter oder Optimierer verbaut sind, so kann jedes Modul für sich den MPP tracken und den MPP auf den der anderen Module, mittels Kommunikation anpassen. Der Modul-Strang hat somit immer noch die Ausgangs-Stromstärke und die volle Leistung abzüglich eines Teils des verschatteten Moduls.

Wechselrichter

Die Kernfunktion eines Wechselrichters ist es, den Gleichstrom der PV-Module in den Wechselstrom des Netzes/der Verbraucher zu ändern. Dabei muss das richtige Spannungsniveau, die richtige Netzfrequenz und ein perfekter Sinus erzeugt werden.

Der europäische Wirkungsgrad neuer PV-Wechselrichter liegt um 98%.

wechselrichter | Photovoltaik Österreich

Der Wechselrichter kann (vereinfacht) in vier Hauptteile unterteilt werden.

Der DC/DC-Wandler, verändert die Eingangsgleichspannung (die von den Modulen vorgegeben wird) auf einen Wert der ideal für den Wechselrichter ist. 
Im nächsten Schritt wandelt der DC/AC-Wandler die Gleichspannung in Wechselspannung. Dies wird oft mit einer H-Brücke und der Pulsweitenmodulation (PWM) durchgeführt. 
Zum Schluss braucht es noch einen Netzfilter, der für eine perfekte Sinusschwingung sorgt.
Während aller Schritte gibt es diverse Regelungen, die für den optimalen und abgestimmten Betrieb sorgen. Diese Regelungen sind zum Beispiel, der MPP-Tracker oder die Blindleistungsregelung.

Zusatzfunktionen

Neben der Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom übernehmen moderne Wechselrichter eine Vielzahl von Zusatzfunktionen.

Je mehr Photovoltaik-Anlagen im Netz sind, desto wichtiger wird der Punkt Netzüberwachung und Anlagenregelung. Der Wechselrichter übernimmt auch diese Funktionen. Einerseits überwacht der Wechselrichter das Stromnetz und nimmt die Anlage außer Betrieb wenn ein Netzfehler vorherrscht, andererseits setzt er auch nationale und netzdienliche Vorgaben (in Österreich durch die TOR Erzeuger in Verbindung mit den Vorgaben des lokalen Netzbetreibers geregelt) um. Dabei kann der Wechselrichter die Wirk- und Blindleistung der Anlage, bezogen auf fixe oder variable Parameter, ändern.

Wechselrichter zeichnen oft auch die Erträge und andere Anlagenparameter auf und bereiten diese mittels einer Kommunikationsschnittstelle für ein Monitoring auf.

Für viele Kunden ist die Notstromfähigkeit ein entscheidendes Kriterium beim PV-Anlagenbau. Nicht jeder Wechselrichter ist notstromfähig, doch so gut wie jeder Wechselrichterhersteller hat Wechselrichter im Angebot, die diese Funktion übernehmen können. 
Die Bandbreite reicht von Wechselrichtern mit zusätzlicher Batterie, Wechselrichtern mit und ohne integrierter Batterie, Wechselrichter, die das gesamte Haus, nur eine Phase oder eine einzelne Steckdose notversorgen können.

Quellenangaben:

  1. https://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_download/map_index.html
  2. https://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_download/map_index.html
  3. Solaranlage.de | emedien.design.hs-anhalt.de
  4. www.afsolartechnik.de/ShellSP140.pdf
  5. https://www.itwissen.info/Bypass-Diode-bypass-diode.html
  6. https://www.rechnerphotovoltaik.de/photovoltaik/voraussetzungen/verschattung