Wie funktioniert eine Solaranlage

Einleitung zur Funktionsweise von Solaranlagen

Ob Solaranlagen, Solarmodule oder Solarzellen: In allen Begriffen steckt das Wort „Solar“ drin und die damit verbundene Assoziation mit unserer Sonne. Kein Wunder, denn der Ursprung des Wortes stammt aus dem Lateinischen (zu lt. solaris) und bedeutet so viel wie „die Sonne betreffend“. Klar ist, dass die warmen Sonnenstrahlen unseres Sterns neben Ihrer lebenswichtigen Funktion auch einen technischen Nutzen bieten. Deswegen soll in den folgenden Kapiteln dieses Artikels ein Einstieg in die Themenwelt der Solaranlagen geschaffen werden. Unter anderem werden hier die Funktionsweise einer Solarzelle, die dazugehörige Leistungselektronik, der Aufbau, die Komponenten sowie die typischen Kenngrößen einer Solaranlage kurz und kompakt erklärt.

Vom Photon zu Volt - Wie funktioniert eine Solarzelle ?

Die Funktionsweise einer Solarzelle basiert auf dem photovoltaischen Effekt sowie den besonderen Eigenschaften von speziellen Materialien. Wenn Licht auf eine Solarzelle trifft, werden Elektronen aus deren Material gelöst und somit Strom erzeugt.

Funktionsweise des photovoltaischen Effekts

Beim photovoltaischen Effekt werden unter bestimmten Materialbedingungen durch einfallende Photonen (Licht) Elektronen aus Ihren atomgebundenen Umlaufbahnen gestoßen.

Mit Hilfe der unteren Abbildung soll der Prozess von Photon zu Volt erklärt werden.

Wenn ein Photon in der Grenzzone oder in der Nähe auf ein Elektron trifft (Schritt 1), löst sich das Elektron vom Atom (Schritt 2). Dadurch wandern das Elektron außerhalb der Grenzzone zur positiven Seite des Halbleiters und das positiv geladene Atom zur negativen Seite (Schritt 3). Es kommt somit zur Ladungstrennung, wodurch eine nutzbare Spannung entsteht und Strom fließen kann (Schritt 4). Somit können jetzt diverse Elektrogeräte im Haus oder eine Wärmepumpe betrieben werden (Schritt 5).

Nebenbemerkung

Was viele nicht wissen ist, dass Albert Einstein für die Deutung des photoelektrischen Effekts den Nobelpreis bekommen hat und nicht für die weltberühmte Relativitätstheorie mit der Formel e=mc^2. Der photovoltaische Effekt ist ein Sonderfall des photoelektrischen Effektes. Smartphones, Internet, Mikrochips und weitere elektronische Anwendungen wären ohne die Formeln und die Erkenntnisse von Einstein nicht möglich gewesen.

Solaranlage im Detail

Der Oberbegriff „Solaranlage“ bezeichnet sowohl Photovoltaikanlagen als auch Solarthermieanlagen. Photovoltaik- oder kurz PV-Anlagen wandeln Sonnenstrahlen in elektrische Energie. Solarthermie-Anlagen wandeln Sonnenstrahlen in Wärmeenergie um. In diesem Artikel jedoch wird der Fokus erstmal nur auf den PV-Anlagen liegen.

In der praktischen Anwendung sowie in der wissenschaftlichen Literatur bezeichnen Begriffe wie Solaranlagen, PV-Anlagen, Solarmodule und PV-Module dasselbe. Deswegen werden auch in diesem Artikel beide Bezeichnungen genutzt.

Vom Modul bis zur Solarfarm

Nachdem klar geworden ist, wie eine Solarzelle grob funktioniert, kann nun in größeren Dimensionen gedacht werden.

Wenn mehrere Solarzellen verbunden und verschaltet werden, wird von einem Solarmodul gesprochen. Mehrere Solarmodule bilden einen (Solar-)String und die Mehrzahl davon kann letztendlich als eine Solarfarm angesehen werden (siehe Abbildung 2). Um jedoch eine vollwertige Solaranlage bzw. PV-Anlage darzustellen, reicht bereits ein Solarmodul oder ein Solarstring.

Allerdings ist die Anordnung von Solarzellen und Solarmodulen nur das halbe Bild. Es werden weiterhin Halterungen, Kabel, Leistungselektronik, Batterien und weitere Komponenten benötigt.

Wie kommt jetzt der Strom vom Solarmodul zur Steckdose?

In den folgenden Abschnitten soll Schritt für Schritt der Aufbau von Solaranlagen nähergebracht werden. Angefangen bei der Befestigung von Solaranlagen bis zur Stromeinspeisung ins private und öffentliche Stromnetz werden alle Themen angeschnitten.

Montage von Solaranlagen

Grundsätzlich müssen Solarmodule erstmal irgendwo montiert werden. Sei es ganz klassisch das Hausdach oder ein Gerüst auf einer Solarfarm. Solarmodule können an vielen Orten montiert werden. Im privaten Gebrauch sind Solarmodule auf Hausdächern oder Garagen zu finden. Im gewerblichen und industriellen Sektor wird beispielsweise eine große Anzahl von Solarmodulen auf Feldern installiert oder auf den Dächern von Fabrikhallen und Bürogebäuden.

Für jeden Fall gibt es speziell konstruierte Halterungen, die robust, sicher und witterungsbeständig sind. Der Fachbegriff für die Befestigung von Solaranlagen ist die Aufständerung. Es wird zwischen der festen Aufständerung und der nachgeführten Aufständerung unterschieden. Feste Aufständerungen sind Solarmodule, die fest und unbeweglich auf Dächern oder auf Feldern montiert werden. Diese sind geometrisch an die Gebäude oder Halterungen gebunden. Wohingegen nachgeführte Aufständerungen beweglich sind und nachjustiert werden können, um die Sonne besser zu verfolgen. Die Bewegung der Solarmodule wird der oft durch Elektromotoren oder Hydraulik realisiert. Durch Einsatz von entsprechender Messtechnik kann durchgehend die optimale Stellung zur Sonne eingestellt und somit der Ertrag der Solarmodule vergrößert werden. Jedoch werden in diesem Artikel nur die Solaranlagen mit festen Aufständerungen betrachtet.

Stromumwandlung in Solaranlagen

Nachdem die Solarmodule montiert wurden, kann nun endlich Strom erzeugt werden. Dieser wird durch Kabel an die Leistungselektronik der Solaranlage geleitet, um dort mit Hilfe von komplexen elektrischen Verschaltungen umgewandelt zu werden. Grundsätzlich wird der erzeugte Gleichstrom (DC) der Solarmodule zu Wechselstrom (AC) umgewandelt, damit dieser im alltäglichen Leben genutzt werden kann. Meist wird für diese Art von Stromumwandlung ein Wechselrichter verwendet. Was das genau ist und Weiteres zum Themenbereich der Leistungselektronik wird im nächsten Kapitel erläutert.

Wie werden Batterien in Solaranlagen integriert ?

Je nachdem, was für eine Solaranlage betrachtet wird, wandert der umgewandelte Strom entweder weiter zur Batterie oder direkt ins private Hausstromnetz. Solaranlagen mit einer installierten Batterie besitzen einen Energiepuffer. Das heißt, es kann mit Hilfe einer intelligenten Ladeelektronik der Strom in der Batterie bedarfsgerecht zwischengespeichert werden. Wolkige Tage können somit überbrückt und sonnige Tage zum Laden der Batterie genutzt werden. Es wird so sichergestellt, dass die gewünschte Energieabgabe der Solaranlage dauerhaft erhalten bleibt. Dafür kommen verschiedene Typen von Solaranlagen zum Einsatz. In der Praxis wird zwischen Wechselstrom-gekoppelten und Gleichstrom-gekoppelten Solaranlagen unterschieden. In Abbildung 3 sind die zwei unterschiedlichen Anlagentypen dargestellt. Abbildung 3 zeigt ein Beispiel einer einfachen Solaranlage. Hier wird zur Vereinfachung angenommen, dass die Anlage nur ein Solarmodul besitzt. Diese soll stellvertretend für größere Solaranlagen stehen.

Wechselstrom-gekoppelt bedeutet, dass der Wechselrichter direkt hinter den Solarmodulen geschaltet ist und somit direkt das private Hausstromnetz mit Wechselstrom beliefern kann. Die Batterie inklusive der Ladeelektronik wird bei diesem Anlagentyp nach dem Wechselrichter geschaltet und ebenfalls mit Wechselstrom versorgt. Jedoch muss der Wechselstrom zum Laden der Batterie in Gleichstrom umgewandelt werden und beim Entladen genau umgekehrt. Der Energieaustausch zwischen Solarmodulen und Batterie findet somit mit Hilfe von Wechselstrom statt.

Bei Gleichstrom-gekoppelten Solaranlagen sind sowohl Wechselrichter als auch die Batterie direkt hinter den Solarmodulen geschaltet. Beide Komponenten werden parallel direkt mit dem erzeugten Gleichstrom versorgt. Deswegen kann die Batterie den Gleichstrom direkt zum Laden nutzen oder beim Entladen abgeben. Der Gleichstrom wird erst am Ende für die Nutzung im privaten Haushalt zu Wechselstrom umgewandelt. Somit erfolgt der Energieaustausch zwischen Solaranlage und Batterie bei diesem Anlagentyp durch Gleichstrom.

Wie wird Strom in Solaranlagen gemessen?

Damit die Leistungselektronik, die Batterie und die Solarmodule miteinander kommunizieren und einwandfrei funktionieren können, wird eine anlagenumfassende Regelung benötigt. Die Basis der Regelung bilden die Messdaten der Stromzähler. Ohne diese Daten kann die Regelungstechnik nicht arbeiten. Zusätzlich bilden diese Komponenten die Schnittstelle zwischen dem Hausnetz, der Solaranlage und dem öffentlichen Stromnetz. Deswegen ist es sinnvoll, sich einen kurzen Einblick in dieses Thema zu verschaffen.

Derzeit werden entweder mehrere Einrichtungszähler oder Zweirichtungszähler verwendet. Unter Einrichtungszählern werden Stromzähler verstanden, die den Stromfluss nur in eine Richtung messen können. Dazu zählen Verbrauchszähler, Einspeisezähler oder Ertragszähler. Der Bezugs- oder Verbrauchszähler erfasst den Stromfluss vom öffentlichen Stromnetz zum privaten Haushaltsnetz. Diese Art von Zähler ist in den meisten privaten Haushalten zu finden, da er nur den Stromverbrauch des Haushalts erfassen soll. Einspeisezähler messen den Stromfluss von der Solaranlage zum öffentlichen Stromnetz. Ein Ertragszähler misst die Stromflüsse von der Solaranlage zum privaten und öffentlichen Stromnetz. In diesem Fall wird der gesamte erzeugte Strom der Solaranlage gemessen, welcher sowohl ins private als auch ins öffentliche Stromnetz fließt.

Bei Zweirichtungszählern kann gleichzeitig der ein- und ausgehende Strom gemessen werden. Dieser Zähler übernimmt die Funktionen des Verbrauchs- und Einspeisezählers, wodurch verbrauchter Strom aus dem öffentlichen Stromnetz und erzeugter Solarstrom parallel erfasst werden können.

Den modernsten Stromzähler stellt der Smart-Meter dar, welcher alle zuvor genannten Stromzählerarten vereint. Mit Hilfe von moderner Kommunikationstechnik und digitalen Messinstrumenten kann diese Art von Stromzähler Messdaten empfangen und senden. Ferner können über die Kommunikationsschnittstelle oder das „Smart-Meter-Gateway“ direkt Daten zwischen Netzbetreiber und Verbraucher ausgetauscht werden.

Das S in Software steht für Solar

Neben der Regelungs- und Messtechnik ist eine anwendungsspezifische Software essentiell für die Steuerung der Elektronik und letztendlich der Solaranlage. Die Software fungiert als Schnittstelle zwischen Solarmodulen, Batterie, Stromzählern und dem Menschen. Deswegen muss diese entsprechend viele Aufgabenbereiche abdecken.

Einer der wichtigsten Aufgabenbereiche ist die Regelung und Steuerung der Solaranlage. Um den Regelungsaufgaben gerecht zu werden, arbeitet die Software eng mit dem MPPT der Anlage zusammen. Die Regelungsalgorithmen des MPPT wie z. B. der zuvor genannte „Störung und Beobachtung“-Ansatz sind Software oder zumindest ein Baustein, welcher von einer übergeordneten Software gesteuert wird. Weitere Aufgaben der Software sind die digitale Erfassung sowie die Verwaltung von Messdaten und die Weiterleitung von Messdaten an die entsprechenden Komponenten. Natürlich kommen noch Aufgaben aus der Überwachung, der Kostenberechnung und der Smart-Home-Kompatibilität hinzu.

Fazit: So kommt der Strom zur Steckdose

Eine Solaranlage wirkt auf den ersten Blick relativ einfach und leicht zu verstehen. Wie aber an den vielen zuvor behandelten Themenbereichen zu sehen ist, stellt sich heraus, dass es viele technische Details und Feinheiten sowie diverse Umweltfaktoren gibt. Um sich in der komplexen Themenwelt der Solaranlagen nicht zu verlieren, soll deswegen nochmal als kleine Zusammenfassung der Weg des Stromes von Sonnenstrahl zur Steckdose kompakt beschrieben werden. Abbildung 5 soll zusätzlich als Hilfestellung dienen.

Die Solarzelle erzeugt Gleichstrom und leitet diesen an den MPPT weiter. Dieser passt die elektrische Spannung für die optimale Leistung an und leitet unter Beachtung des gewählten Anlagenkonzepts den Strom weiter an den Wechselrichter und/oder an die Batterie. Währenddessen erfassen Stromzähler die ein- und ausgehenden Ströme der Solaranlage und schicken ggf. Messdaten an eine Überwachungsapp sowie an andere Komponenten der Anlage.

Der Wechselstrom kommt nun endlich dort an, wo er genutzt werden kann. Sei es die Steckdose im Haus oder die Ladesäule für das Elektroauto. Dank der Regelung und der Elektronik kann der erzeugte Solarstrom vielseitig eingesetzt werden.

Die Batterie – Der Freund und Helfer bei schlechtem Wetter und Prime Time TV

Solaranlagen sind neben Windrädern das Sinnbild für nachhaltige Energieerzeugung. Sie sind kompakt, leise, leistungsstark, emissionsarm und allgemein vielfältig einsetzbar. Einen großen Nachteil haben sie jedoch: Die Abhängigkeit vom Wetter. Wenn die Sonne von Wolken bedeckt ist, die Tage kurz sind oder Schneestürme die Solarmodule zu schneien, wird wenig bis kein nutzbarer Solarstrom erzeugt.

Der Batterietechnik sei dank gibt es aber auch dafür eine Lösung. Mit Hilfe von modernen Batterien können Zeiten mit ungenügender oder keiner Solarstromerzeugung überbrückt werden.  Durch Zwischenschalten einer Batterie mit ausreichender Ladekapazität und einer passenden Ladeelektronik kann ein Strompuffer aufgebaut werden. Dieser sorgt auch bei dunklen kurzen Tagen für genügend Strom im Haus. Das Laden der Batterie findet während den sonnigen Tagen und Tagesabschnitten statt. Wie in Abbildung 12 zu sehen ist, wird in einem privaten Haushalt nicht konstant dieselbe Menge an Strom gebraucht. Das heißt, dass der Strombedarf tageszeitabhängig ist.

Zur Speicherung von Solarstrom in Akkus haben wir auch  eine gesonderten, ausführlichen Artikel erstellt. Hier nur das Wichtigste in Kürze.

DIe Batterie im Alltag

Die untere Abbildung soll das Zusammenspiel zwischen Tageszeit, Solarstromerzeugung und Energieverbrauch darstellen. Morgens ist der Sonnenstand niedrig und dementsprechend wenig Solarstrom wird erzeugt. Jedoch ist auch der Energiebedarf im privaten Haushalt zu dieser Zeit nicht hoch, da die meisten Leute zur Arbeit, zur Uni oder zur Schule müssen und nicht zuhause sind. Gegen Mittag steht die Sonne im Zenit und ermöglicht der Solaranlage optimal Strom zu erzeugen. Der Strombedarf ist bei privaten Haushalten zu dieser Zeit sehr niedrig, weil die meisten Leute immer noch unterwegs sind und nicht zuhause sind. In diesem Zeitabschnitt lädt sich die Batterie auf und speichert überschüssige Solarenergie. Nachmittags kommt der Großteil der Menschen nachhause und gehen ihren alltäglichen Haushaltsaufgaben nach. Es wird gekocht, Wäsche gewaschen, geduscht oder die Tiefkühlpizza im Ofen gebacken. Passend dazu werden sämtliche Unterhaltungselektronik wie z. B. Fernseher, Soundanlage, PC oder die Spielekonsole angeschaltet. Dementsprechend hoch ist hier der Strombedarf. Jedoch liefert die Solaranlage wenig bis keinen Strom und kann dem Energiebedarf nicht gerecht werden. Hier kommt die Batterie ins Spiel: Diese wird jetzt an das Hausnetz zugeschaltet, wodurch die überschüssige Solarenergie genutzt werden kann.

Der Grundgedanke der Batterie in Solaranlagen sollte jetzt klar sein. Jedoch war das vorige Beispiel ein idealer Tagesverlauf. Jeder Mensch lebt anders und das Wetter ist auch nicht immer vorhersehbar. Deswegen kann es manchmal sein, dass die Batterie nicht immer genug Zeit hat sich aufzuladen oder im Gegenteil nicht genug Strombedarf für eine optimale Entladung vorhanden ist. Um sich dem Lebensstil der Menschen und dem Wetter anzupassen, wird intelligente Lade- und Messelektronik eingesetzt. Damit ist eigentlich auch wieder Leistungselektronik gemeint, die von einer smarten Software gesteuert wird und die Daten aus dem Stromzähler bzw. Strommessgerät entnimmt. Somit kann die Batterie so effizient wie möglich eingesetzt werden. Wenn jedoch abzusehen ist, dass der Strom aus der Batterie und der Solaranlage nicht ausreicht, muss zusätzlich Strom aus dem öffentlichen Netz eingespeist werden.

Genug Energie für verregnete Tage – Wie groß muss die Batterie sein?

Wie groß die Batterie sein soll, hängt von einigen Parametern ab. Wie viel Strom erzeugt die Solaranlage im Durchschnitt? Was ist die maximal mögliche Stromerzeugungsleistung? Welchen Grad an Selbstversorgung oder auch Autarkiegrad soll die Anlage haben? Wie viel Strom wird im Durchschnitt jährlich verbraucht?  Nachdem diese Fragen beantwortet werden können und die Parameter definiert wurden, kann eine entsprechende Batterie installiert werden. Grundsätzlich gelten folgende Faustformeln:

• Je mehr Strom eine Solaranlage im Durchschnitt erzeugen kann, desto größer sollte die Speicherkapazität der Batterie sein.
• Faustformel in Bezug auf die Maximale-Leistung (Peak-Leistung): Pro erzeugten kWp muss das 0,9 bis 1,6-fache an Kapazität vorhanden sein.
  Also gilt:
  
• Faustformel in Bezug auf den Jahresstromverbrauch: Die Kapazität muss, bezogen auf den gewünschten Jahresverbrauch, 60 % des täglichen Stromverbrauchs betragen.
  Also gilt: