PV Planung: Komponenten einer Photovoltaik-Anlage
Mit einer Photovoltaik-Anlage kann durch Sonneneinstrahlung Strom erzeugt werden. Dieser Strom wird dann selbst verbraucht oder in das allgemeine Stromnetz eingespeist. Der Betreiber der Solaranlage erhält dadurch eine Einspeisevergütung.
Allerdings ist eine solche PV-Anlage eine hochkomplexe Installation, bei der die einzelnen Komponenten aufeinander abgestimmt sein müssen. Zu den Bauteilen gehören Komponenten, die für die Funktionsweise wesentlich sind. Andere wiederum dienen der Vereinfachung oder dem Komfort in der Handhabung der Anlage.
In diesem Artikel gehen wir der Frage nach, welche Komponenten zu einer Photovoltaikanlage gehören.
Solarmodule
Das Solarmodul besteht aus mehreren Solarzellen. Solarmodule gibt es als starre oder als flexible Platten. Die flexiblen Module sind für den Einsatz auf Reisen prädestiniert, wobei sie dann lediglich zur Stromerzeugung und direkten Verbrauch und nicht zur Einspeisung geeignet sind.
Für die Montage der Module auf ein Dach werden starre Platten verwendet, die durch eine Glasschicht vor äußeren Einflüssen geschützt sind. In den Solarzellen wird das Sonnenlicht in elektrische Energie umgewandelt, indem die negativen und die positiven Teilchen in Bewegung versetzt werden.
Wechselrichter
Die elektrische Energie in den Solarmodulen wird als Gleichstrom produziert. Für den Betrieb von Haushaltsgeräten wird jedoch Wechselstrom benötigt. Die Umwandlung geschieht durch den Wechselrichter. Wechselrichter mit einem Transformator (Trafo) schützen die Photovoltaik-Anlage vor Überspannung. Allerdings entstehen hierbei Umwandlungs-Verluste. Dem gegenüber erreichen Wechselrichter ohne Trafo eine höhere Wirkungsweise und sind in der Installation leichter zu handhaben. Aus diesem Grund werden meist trafolose Wechselrichter verwendet, die gemäß der Schutzklasse 2 installiert werden.
Insel-Wechselrichter
Insel-PV-Anlagen ermöglichen die Stromerzeugung ohne Anschluss an das Stromnetz und können so auch in abgelegenen Orten oder auf Reisen verwendet werden. Allerdings benötigen sie dabei dann immer Laderegler und eine Batterie. Durch den Laderegler können direkt 12-Volt-Verbraucher versorgt werden. 230-Volt-Geräte müssen über den Insel-Wechselrichter gespeist werden, der nach der Batterie geschaltet ist. Hier wird dann der Gleichstrom in den erforderlichen Wechselstrom umgewandelt. Bei dieser Variante sollten die Kapazitäten ideal aufeinander abgestimmt sein. Für den Einsatz auf Schiffen oder Wohnmobilen eignen sich Komplettanlagen.
Laderegler
Der Laderegler ist die direkte Verbindung von Solaranlage zur Batterie. Unterschieden wird hier zwischen einem PWM-Regler (Pulse-Width-Modulation) und einem MPPT-Regler (Maximum Power Point Tracking). Der PWM regelt die elektrische Energie aus den Solarmodulen runter auf die Spannung der Batterie. Dadurch entspricht der Ladestrom für die Batterie dem Solarstrom.
Der MPPT-Regler übernimmt die Eingangsspannung der Solaranlage und passt diese an die maximal benötigte Spannung an, wobei hier keine Leistung verloren geht. Der MPPT-Regler ist damit effektiver als der PWM-Regler.
Stromspeicher oder Energiespeicher
Der Strom- oder Energiespeicher dient dazu, den Strom, der weder verbraucht noch eingespeist wird, so lange zu speichern, bis man ihn benötigt. Tatsache ist, dass man ohne Speicher mit einer PV-Anlage nicht ganz über die Runden kommt. Das gilt besonders nachts und in den Wintermonaten.
Wichtig hierbei ist, die Kapazität bestmöglich zu bestimmen. Denn wird das Speichermedium regelmäßig zu wenig entleert, ist das langfristig schädlich für den Speicher. Folgende Überlegungen sollten eine Rolle spielen: Selbst produzierter Strom ist günstiger als Netzstrom, die Anschaffungskosten für den Speicher sind nicht unerheblich und die Lebensdauer ist kürzer als die der Solaranlage.
Generator-Anschlusskasten als Zentrum der Anlage
Im Generator-Anschlusskasten wird die Photovoltaik-Anlage angeschlossen. Hier laufen alle Leitungen, die vom Solargenerator kommen, zusammen und bilden damit die Gleichstrom-Hauptleitung. Zudem ist er der Mittelpunkt der Sicherungselemente, die dafür sorgen, dass die Anlage vor Überspannungen und vor Blitzeinschlägen geschützt ist. So ist gewährleistet, dass nicht nur die PV-Anlage an sich, sondern auch die damit verbundenen Komponenten, wie der Wechselrichter, gesichert sind. Generator-Anschlusskästen gibt es auch als komplett konzipierte und anschlussfertige Gesamtinstallationen. Zudem kann der Hauptschalter, der die Photovoltaik-Module vom System trennt, im Generator-Anschlusskasten untergebracht sein.
Einspeisezähler für die Netzeinspeisung
Wenn der durch die Photovoltaik-Anlage produzierte Strom in das öffentliche Netz eingespeist wird, muss die Strommenge gezählt werden können. Das erledigt der Einspeisezähler. Um zu gewährleisten, dass die Zählung richtig funktioniert, muss der Zähler geeicht sein. Zudem muss er über eine Rücklaufsperre verfügen und den erforderlichen technischen Anschlussbedingungen gemäß TAB 2007 entsprechen.
Bei der Verwendung des Einspeisezählers hat der Betreiber der PV-Anlage die Möglichkeit, diesen selbst zu beschaffen oder sich einen beim Netzbetreiber gegen ein Nutzungsentgelt zu mieten.
Verkabelung der Photovoltaik-Anlage
Damit die Solar-Anlage zu den Ansprüchen passt, die der Betreiber hat, spielt die richtige Verkabelung eine wesentliche Rolle.
Hierbei gibt es verschiedene Kriterien zu beachten. Die erste Unterscheidung liegt bereits zwischen Gleich- und Wechselstrom. Von den Solarpaneelen zum Wechselrichter wird ein Gleichstromkabel (DC) gelegt, wobei der ideale Querschnitt des Kabels bei 4 bis 6 Millimetern liegt.
Die vom Wechselrichter abführenden Kabel, also zur Batterie oder zum Einspeisezähler, werden dann als Wechselstromkabel (AC) ausgeführt.
Außerdem muss, ebenso wie der Querschnitt, auch die Kabellänge perfekt dimensioniert sein. Zu hohe Maße bedeuten einen Leistungsverlust und machen sich beim Kauf auch im Geldbeutel bemerkbar. Bei der Bestimmung der idealen Längen und Durchmesser hilft der Fachmann, es gibt aber auch Computerprogramme, die bei der Entscheidung unterstützen können.
Alle Kabel, die in Verbindung mit der Installation einer Photovoltaik-Anlage verlegt werden, müssen hohen Qualitätsansprüchen gerecht werden. Die Bereiche der Kabelverlegung, die Witterungsbedingungen ausgesetzt sind, müssen diesen natürlich standhalten. Insgesamt dürfen auch nur Kabel zum Einsatz kommen, die sowohl durch den VDE (Verband der Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnologie e.V.) als auch TÜV-geprüft sind. Sie dürfen nicht entflammbar sein und müssen gegen Abrieb geschützt sein. Zudem sollen sie gegen UV-Strahlung, Laugen, Säuren und Ozon beständig sein.
Passende Mess- und Regelsysteme für die Photovoltaik-Anlage
Im oberen Teil des Artikels wurde die Grundausstattung beschrieben, die für den Betrieb einer Photovoltaik-Anlage erforderlich ist. Dazu gibt es aber auch Komponenten, die zwar nicht unbedingt gebraucht werden, aber zumindest ein paar Dinge erleichtern. Zu diesen Komponenten gehören Mess- und Regelsysteme, mit denen der Betrieb der Anlage lückenlos überwacht und geregelt werden kann. Da die Anschaffung für diese mit Kosten verbunden sind, sollte gut überlegt werden, ob man sie benötigt. Das gilt zumindest für den Fall, wenn es sich um Kleinanlagen handelt und wenn Mess- und Regelsysteme nicht gesetzlich vorgeschrieben sind.
Smart Meter
Seit dem Jahr 2020 ist ab einem Stromverbrauch pro Jahr in Höhe von 6.000 Kilowatt ein sogenannter Smart Meter vorgeschrieben. Dabei handelt es sich um ein System, mit dem der Betreiber der Anlage die Einspeisung des Stroms aus der Solaranlage in das öffentliche Netz organisieren kann. Der Anlagenbetreiber hat damit einen guten Überblick über den Zählerstand, die Auslastung der Anlage, die Nutzungszeit und auch über den tatsächlichen Stromverbrauch. Somit hat er auch eine gute Möglichkeit an der Hand, etwaige Einsparpotenziale zu erkennen. Unterm Strich wird so also die gesamte Photovoltaik-Anlage effektiv gemanagt.
Wie erwähnt, gilt eine Pflicht für die Verwendung des Smart Meters nur für größere Anlagen. Das ist auch gut so, denn die Kosten für den für Einbau, den Betrieb, die Datenübertragung und die Wartung trägt der Anlagenbetreiber.
Regeleinrichtung
Netzbetreiber haben grundsätzlich das Recht, bei einer Überlastung des Netzes die Photovoltaik-Anlagen mit mehr als 25 Kilowatt-Peak (kWp) vom Netz zu nehmen. Damit sie das durchführen können, muss bei diesen Anlagen eine Vorrichtung eingebaut sein, die dies auch ferngesteuert ermöglicht. Diese Vorrichtung wird als Regeleinrichtung bezeichnet.
Anlagen mit weniger als 25 kWp können wählen zwischen dem Einbau einer solchen Regeleinrichtung oder einer etwaigen Verminderung der Einspeisung bei einer Überlastung. Diese Verminderung regelt die Einspeisung dann runter auf 70 Prozent der Nennleistung der Anlage. Dabei wird aber nur der ins Netz gespeiste Strom angesetzt, nicht der eigen verbrauchte. Diese Möglichkeit der Reduzierung kann ohne großen Aufwand im Wechselrichter bei der Installation durchgeführt werden.
Da es für die Regeleinrichtung bei über 25 kWp unterschiedliche technische Verfahren gibt, ist es Sache des Anlagenbetreibers, sich mit dem Netzbetreiber darüber abzusprechen.
Datenlogger
Der Traum eines jeden Anlagenbetreibers: Die permanente Fernüberwachung für alle Eventualitäten!
Bereits für kleine Photovoltaik-Anlagen gibt es die Möglichkeit, diese über GRPS oder Bluetooth zu überwachen und so rechtzeitig bei irgendwelchen Fehlern einzuschreiten.
Für komplexere Anlagen kann der Betreiber sogenannte Daten-Logger zum Einsatz bringen. Dieser registriert lückenlos sämtliche Daten über den Wechselrichter in der Anlage, die dann in Grafiken verpackt und übermittelt werden. Der Empfänger kann dann digital informiert werden und bei Bedarf sogar über Smartphone Maßnahmen ergreifen. Gerade bei größeren Anlagen, bei denen es bei einem Ausfall eventuell zu erheblichen Verlusten kommen kann, empfiehlt sich eine solche Überwachung und kann beim Kauf eine Überlegung spielen.
Schutzmaßnahmen Photovoltaik-Anlage
Durch die exponierte Lage sind Photovoltaik-Anlagen ständig äußeren Einflüssen durch Witterung und Umwelt ausgesetzt. Dazu gehören Überspannungen, Blitzeinschläge, Erdbeben oder auch Überschwemmungen. Diese Gefahren können durch Schutzmaßnahmen verringert werden. Zu den Komponenten, die dem Schutz dienen, gehören Feuerwehrschalter und Blitzschutzanlagen.
Eine gesetzliche Vorschrift, solche Schutzanlagen zu installieren, gibt es zwar nicht, allerdings kann es von seitens der Versicherung, bei der die PV-Anlage versichert ist, vorgeschrieben sein.
In jedem Fall ist es im Gefahrenfall für Einsatzkräfte der Feuerwehr hilfreich, im Hausanschlusskasten deutlich sichtbar einen Hinweis anzubringen, dass eine Photovoltaik-Anlage installiert ist.
Der Feuerwehrschalter zur Unterbrechung des Stromflusses
Im Falle einer Gefahrensituation ist es eventuell erforderlich, dass die Solaranlage im Bereich von den Modulen zum Wechselrichter schnell und direkt von der weiteren Gleichstrom-Versorgung des Hauses getrennt wird. Diese Trennung erledigt der Feuerwehrschalter. Dafür gibt es halbautomatische Modelle, die händisch wieder zugeschaltet werden oder vollautomatische Schalter, die sich von sich aus eigenständig wieder einschalten.
Der Blitzschutz
Wenn sich das Gebäude, auf dem eine Solaranlage installiert ist, auf einer exponierten Stelle, wie einer Anhöhe in Alleinlage, befindet, ist gegebenenfalls eine Blitzschutzanlage empfohlen. Eine rechtliche Vorschrift dafür gibt es allerdings nicht. Zudem entspricht es nicht der Realität, dass PV-Anlagen das Risiko eines Blitzeinschlags erhöhen.
Trotzdem ist es in jedem Fall empfehlenswert für einen Blitzschutz zu sorgen, denn ein Einschlag in eine Anlage, die an das öffentliche Netz gekoppelt ist, kann enorme Auswirkungen auch auf andere Häuser und ganze Ortschaften haben.
Beim inneren Blitzschutz sind alle Leitungen und Metallrohre mit der Haupterdung verbunden. Dies gilt aber insbesondere für neuere Gebäude.
Als äußerer Blitzschutz zählt der bekannte Blitzableiter, also eine Metallleitung, die an der Hauswand entlang in die Erde führt. Damit wird grundsätzlich das Risiko eines Blitzeinschlags nahezu ausgeschlossen.
Blitzschutzvorrichtungen werden meist von Versicherungen für den Abschluss einer Police zur PV-Anlage vorgeschrieben.
