Aufbau einer Photovoltaikanlage mit Speicher: Technische Komponenten & elektrische Schaltung

PV-Anlagen bestehen aus den wesentlichen Bauteilen: Solargenerator – die Module – und dem Wechselrichter. Daneben gibt es viele weitere, teils optionale Komponenten wie dem Stromspeicher, Stromzähler oder dem HEMS. Der grundsätzliche Aufbau ist immer ähnlich, je nach Anwendungsfall differiert aber deren Zusammensetzung und ihre elektrische Verschaltung.

• Der Aufbau einer Photovoltaikanlage lässt sich in die Stromgewinnung (DC-Seite) und die Stromverwendung (AC-Seite) einteilen.
• Der Photoeffekt in den Solarzellen aus Silizium lässt Gleichstrom entstehen, der über die Module generiert und über Solarkabel an den Wechselrichter weitergeleitet wird.
• Im Wechselrichter wird der Strom in Wechselstrom umgewandelt, sodass dieser im Haus genutzt werden kann; sei es zum Betrieb von Haushaltsgeräten, zur Beladung eines E-Autos per Wallbox oder zum Heizen mit der Wärmepumpe.
• Alternativ lässt sich überschüssiger Strom auch in einem Batteriespeicher zwischenspeichern. Hierzu wird der von der Photovoltaikanlage kommende Strom - je nachdem, ob der Speicher vor oder hinter dem Wechselrichter aufgebaut ist - direkt als Gleichstrom gespeichert oder muss vor dem Speichern wieder in Gleichstrom umgewandelt werden.
• Im Zählerkasten trifft die erzeugte PV-Energie auf den Netzanschluss. Hier erfassen verschiedene Zähler den Energiefluss und ermitteln die Stromkosten sowie die Einspeisevergütung.
• Ein Energiemanager sorgt für die optimale Verteilung der PV-Energie. Wenn der Solarstrom nicht direkt im Haushalt, Wärmepumpe oder Elektroauto selbst verbraucht wird, entscheidet er, ob dieser Strom gespeichert oder ins Netz eingespeist werden soll.

Der Aufbau einer Photovoltaikanlage lässt sich leicht verstehen, wenn man sich die wesentlichen technischen Komponenten und ihre Funktionsweise näher betrachtet. Sinnvoll ist eine Aufteilung nach Stromerzeugung (DC-Seite) und nach Stromverwendung (AC-Seite).

Die Herzstücke einer jeden Photovoltaikanlage sind die Solarmodule. Diese Module bestehen aus (heute hauptsächlich) monokristallinen Solarzellen. Ein typisches Solarmodul hat eine Größe von etwa häufig über 2 m², ist 400 bis 450 Watt stark und ist aus vielfach 72 Wafern aufgebaut, die wiederum mit Bypassdioden in 144 Halbzellen verbunden werden.

Die Solarzellen innerhalb der Solarmodule haben ebenfalls einen schichtweisen Aufbau, der je nach Zusammensetzung unterschiedliche Wirkungsgrade besitzt.

Die Solarmodule selbst sind wiederum in Schichten aufgebaut und von einem Alu-Rahmen eingefasst:

• Die oberste Schicht besteht normalerweise aus Glas oder in einigen Fällen aus einer Kunststoffschicht, die die Zellen vor Umwelteinflüssen schützt.
• Unter dem Glas befindet sich eine Schutzschicht aus Kunststoff, in die die Solarzellen eingebettet sind.
• Darunter folgt entweder eine zweite Glasschicht oder eine Kunststofffolie.
• Die Rückseite des Moduls ist mit einer weiteren Schutzfolie versehen und beherbergt die Anschlussdose, über die die Module miteinander verbunden werden.

In Photovoltaikanlagen nennt man in Reihe geschaltete Module „Strings“. Alle Module in einem String sollten möglichst ähnliche Leistungen haben, da das schwächste Modul die Gesamtleistung bestimmt. Verschattungen sollten vermieden werden, da sie die Leistung erheblich beeinträchtigen können.

Um unterschiedliche Sonneneinstrahlungen zu kompensieren, kann die Anlage in Teilanlagen aufgebaut werden, wobei Module ähnlicher Leistung in einem String zusammengefasst werden. Es ist möglich, eine PV-Anlage aus beliebig vielen Strings zu bilden.

Um Verschattungen auszugleichen, können Modulwechselrichter, Leistungsoptimierer oder MPP-Tracking im Zentralwechselrichter eingesetzt werden.

Solarkabel spielen eine wichtige Rolle beim Verbinden der Solarmodule miteinander. Sie leiten den erzeugten Strom zum Wechselrichter und Stromzähler. Dabei ist zu beachten, dass die Gleichstromkabel, die von den Modulen kommen, dünner sind als die Wechselstromkabel, die den erzeugten Strom in das Stromnetz leiten.

Die Unterschiede bei Solarkabeln im Detail:

• Gleichstromkabel, auch als DC-Kabel bezeichnet, transportieren den erzeugten Gleichstrom von den Solarmodulen zum Wechselrichter. Diese Kabel sind in der Regel dünner und flexibler, da der Gleichstrom, der von den Modulen erzeugt wird, noch nicht die höheren Spannungen aufweist, die für den Transport über längere Strecken erforderlich sind.
• Wechselstromkabel, auch als AC-Kabel bekannt, werden verwendet, um den umgewandelten Wechselstrom vom Wechselrichter zu den Stromzählern und gegebenenfalls zur Einspeisung in das öffentliche Stromnetz zu transportieren. Diese Kabel sind in der Regel robuster und für höhere Spannungen ausgelegt, um den erzeugten Strom sicher und effizient in das Stromnetz einzuspeisen.

Die Auswahl der richtigen Kabel und die ordnungsgemäße Verlegung sind entscheidend, um Energieverluste zu minimieren und die optimalen Erträge der Photovoltaikanlage zu gewährleisten.

Je nach Art des Dachs und der Montagemethode gibt es verschiedene Unterkonstruktionen für Photovoltaikanlagen.

Bei Schrägdächern sind Aufdach- und Indach-Montagen gängig, das heißt:

• Aufdach-Montage: Bei dieser Montagemethode werden die Solarmodule auf der Oberfläche des Schrägdachs befestigt. Die Module werden über Halterungen auf dem bestehenden Dach befestigt, wodurch ein gewisser Abstand zwischen den Modulen und der Dacheindeckung gewährleistet wird. Diese Methode ist bei Ein- und Mehrfamilienhäusern häufig anzutreffen und ermöglicht eine einfache Installation von Photovoltaikanlagen.
• Indach-Montage: Im Gegensatz zur Aufdach-Montage werden bei der Indach-Montage die Solarmodule in die Dachhaut integriert und ersetzen die herkömmliche Dacheindeckung. Dies erfordert eine sorgfältige Integration der Module in die Dachstruktur und ist eine ästhetische Lösung, die das Erscheinungsbild des Daches weniger stark verändert.

Flachdächer erfordern hingegen spezielle Befestigungssysteme, da die Neigung des Daches so gering ist. Die Solarmodule werden aufgeständert, was eine bessere Ausrichtung zur Sonne erzeugt. Dabei werden die Module auf Metallgestellen platziert, die am Dach angebracht sind. Diese Konstruktion ermöglicht eine optimale Ausrichtung und Belüftung der Module, um ihre Leistung zu maximieren.

Auf der DC-Seite wird der Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt, direkt im Haushalt, durch Wärmepumpe oder Elektroauto verbraucht, gespeichert oder ins Stromnetz eingespeist.

Der Wechselrichter ist ein entscheidender Bestandteil einer Photovoltaikanlage. Er wandelt den von den Solarzellen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um, der in Haushalten und im öffentlichen Netz verwendet werden kann.

Wechselrichter sind dazu mit Halbleiterbauteilen aufgebaut, welche aus einer elektronischen Schaltung bestehen. Diese Schaltung erzeugt eine Wechselspannung. Die Wechselspannung wird durch eine Verstärkerstufe verstärkt und anschließend einem Transformator zugeführt.

Moderne Wechselrichter sind in der Lage, die Leistung der Solaranlage zu optimieren und sicherzustellen, dass sie stets nahe an ihrem Leistungsmaximum arbeitet. Batterie- und Hybrid-Wechselrichter können außerdem einen Stromspeicher mit überschüssiger Solarenergie speisen und so den Eigenverbrauch im Haushalt signifikant erhöhen.

Der PV-Stromspeicher ist ein typischer Akkumulator, der Strom von der Solaranlage bis zum Verbrauch für mehrere Stunden zwischenspeichern kann. Gebräuchlich sind Lithium-Ionen-Akkus oder Lithium-Speicher, mit denen man ca. 80 % des Strombedarfs decken kann.

Eine hundertprozentige Versorgung ist wegen der sonnenarmen Winterperiode oft nicht wirtschaftlich darstellbar, da der Speicher sonst sehr groß ausfallen müsste.

Nach ihrem Aufbau lassen sie sich in Speichersysteme mit DC-Kopplung der Batterien über einen Gleichstromwandler oder in Systeme mit AC-Kopplung über einen zusätzlichen Wechselrichter unterscheiden. DC-Kopplungssysteme können höhere Wirkungsgrade erreichen, da sie keinen zweiten Wechselrichter benötigen.

Die Kombination von Photovoltaikanlagen und Elektrofahrzeugen wird immer attraktiver. Denn so lässt sich überschüssiger Solarstrom, in die Batterien des Elektrofahrzeugs einspeichern und zum Fahren zu nutzen.

Dazu kommt in der Regel eine sogenannte Wallbox zum Einsatz, die z. B. in der Garage oder an der Hauswand montiert werden und mit denen man Wechselstrom im Bereich von 3,7 bis max. 22 kW laden kann.

Der technische Aufbau von Wallboxen ist recht simpel: Da sie fest mit dem Stromnetz Ihres Hauses verbunden sind, verfügen Wallboxen über einen Schutzschalter, mit dem sie vom Netz getrennt werden können. Weil das Stromnetz mit Wechselstrom läuft, muss dieser für die Speicherung im Elektroauto wieder in Gleichstrom umgewandelt werden. Dazu erkennt der DC-Fehlerstrommodul die bei dieser Umwandlung möglichen Fehlerströme. Die Phasenstromerkennung ist dafür zuständig, dass die drei Phasen der Drehstromversorgung nicht überlastet werden. Der Ladestecker schließlich ist für die Verbindung zum Elektroauto erforderlich.

Der wesentliche Vorteil einer Wallbox ist aber ihre intelligente Steuerung. Für die Verbindung zu Ihrem mobilen Gerät und dem Informationsaustausch ist eine Antenne oder ein Modem vorgesehen. Ein Zähler ist in der Lage, Ihnen den genauen Stromverbrauch mitzuteilen und dafür kann auch an der Ladestation eine Anzeige zur Verfügung stehen.

In Photovoltaikanlagen sind in der Regel verschiedene Stromzähler vorhanden, die spezifische Aufgaben erfüllen:

• Produktionszähler: Dieser Zähler misst die Menge an Solarstrom, die von den PV-Modulen erzeugt wird. Er erfasst die Gesamtproduktion der Anlage und ist entscheidend, um die Effizienz der Solarenergiegewinnung zu überwachen.
• Einspeisezähler: Wenn der überschüssige Solarstrom ins öffentliche Netz eingespeist wird, misst der Einspeisezähler diese eingespeiste Energiemenge. Dieser Zähler ist wichtig, um die gesetzlichen Anforderungen zur Netzeinspeisung zu erfüllen und mögliche Vergütungen zu erhalten.
• Verbrauchszähler: Der Verbrauchszähler misst den Gesamtstromverbrauch im Haushalt, einschließlich des Bezugs von Netzstrom. Dieser Zähler ermöglicht es, den Eigenverbrauch und die Effizienz der Energieverwendung im Auge zu behalten.

Moderne Photovoltaikanlagen setzen oft auf sogenannte Zweirichtungszähler, die beide Funktionen integrieren. Diese intelligenten Zähler sind in der Lage, den in das Netz eingespeisten Solarstrom und den aus dem Netz bezogenen Strom genau zu verfolgen. Dies bietet eine umfassende Übersicht über den Gesamtstromfluss und den Eigenverbrauch im Haushalt.

Zusätzlich können Energiemanagementsysteme in Photovoltaikanlagen integriert werden. Diese Systeme ermöglichen Hausbesitzern, ihren eigenen Stromverbrauch effizient zu steuern und zu optimieren. Sie können den Verbrauch zeitlich an die Solarproduktion anpassen, um den Eigenverbrauch zu maximieren und den Netzbezug zu minimieren.

Dies trägt dazu bei, die Unabhängigkeit von konventionellen Stromquellen zu erhöhen und die Energieeffizienz im Haushalt zu steigern.

Wenn der Zählerschrank den Schutzrichtlinien gemäß DIN VDE 0100-712 entspricht, kann auch ein Bestands-Zählerschrank für die PV-Anlage verwendet werden. Um den Zählerschrank für die Photovoltaikanlage vorzubereiten, benötigen Sie bestimmte Komponenten:

• Ein Verbrauchszähler: Dieser misst, wie oben beschrieben, den Gesamtstromverbrauch im Haus.
• Ein separates Zählerfeld für die Messung des Solarstroms: Dieser Zähler erfasst die Menge an Strom, die Ihre Photovoltaikanlage erzeugt.
• Zur EEG-vergüteten Netzeinspeisung benötigen Sie auch einen eigenen Einspeise-Zähler, der von Ihrem Messstellenbetreiber installiert wird, was ein weiteres Zählerfeld erfordert.
• In den meisten Fällen wird ein Smart Meter installiert, der Verbrauchszähler und Einspeisezähler kombiniert.
• Einen PV-Überspannungsschutz: Dieser schützt Ihre Anlage vor Überspannungen und Blitzschäden.

Mithilfe einer sogenannten Kaskadenschaltung können Sie Ihre Photovoltaikanlage mit anderen Geräten wie einer Wärmepumpe oder einer Wallbox kombinieren.

Durch die Anordnung von mehreren Stromzählern in Serie können Sie sowohl den selbst erzeugten PV-Strom als auch, sofern vom Energieversorger angeboten, den günstigen Tarif für Wärmepumpe oder Wallbox nutzen. Dies ermöglicht eine effiziente Nutzung Ihrer Photovoltaikanlage und anderer elektrischer Geräte.

Beim Netzanschluss einer Photovoltaikanlage kommen alle Komponenten schließlich zusammen.

1. Einspeisepunkt: Vom Wechselrichter aus wird der PV-Wechselstrom zum Einspeisepunkt geleitet. Das ist normalerweise der Verbindungspunkt zwischen der Photovoltaikanlage und dem öffentlichen Stromnetz. Dort wird der erzeugte Strom in das Netz eingespeist.
2. Übergabepunkt: In einigen Fällen kann es einen separaten Übergabepunkt geben, der sich in einem Zählerschrank oder einem Übergabepunkt am Gebäude befindet. Dieser Übergabepunkt ist der Schnittpunkt zwischen der PV-Anlage und dem öffentlichen Netz.
3. Schutzvorrichtungen: Ein Netzanschluss für Photovoltaikanlagen kann verschiedene Schutzvorrichtungen wie Überspannungsschutz und Fehlerstromschutzschalter (FI-Schutzschalter) umfassen. Diese Vorrichtungen sind wichtig, um die Sicherheit und den ordnungsgemäßen Betrieb der Anlage zu gewährleisten.
4. Verbindung zum öffentlichen Netz: Schließlich wird der erzeugte Strom in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Dies geschieht durch die Verbindung der Photovoltaikanlage mit dem öffentlichen Netz, sodass der erzeugte Strom in die allgemeine Stromversorgung fließt.