Wie erzeugt eine PV-Anlage Strom?

Als Solarprofi ist es wichtig, den Prozess der Stromerzeugung einer Photovoltaikanlage erklären zu können. Dieser Prozess erscheint vielen mysteriös und Missverständnisse gibt es zuhauf unter denen, die mit Solarenergie nicht vertraut sind. In diesem Artikel kehren wir zu den Grundlagen zurück und geben einen Überblick darüber, wie Solaranlagen Strom liefern und wie der Prozess für den Kunden funktioniert.

Beginnen wir mit den Grundlagen der Solarenergieerzeugung und gehen dann auf die Besonderheiten von PV-Anlagen ein.

Die Grundlagen einer Solar-PV-Anlage

Solar-PV-Systeme sind im Wesentlichen eine beliebige Kombination aus Solarmodulen, der Hardware, die benötigt wird, um den Energiefluss durch die Module zu unterstützen, und Wechselrichtern.

Abhängig von der Art des Systems können sie Stringwechselrichter, Mikrowechselrichter oder Leistungsoptimierer verwenden, um die Energie umzuwandeln, aber die Grundausstattung der meisten PV-Systeme ist die gleiche.

Wie funktioniert Solarenergie in einer PV-Anlage?

Sonnenkollektoren wandeln die Energie von Photonen (Lichtteilchen) in Elektrizität um (wie wir im Anfängerleitfaden für Solarenergie diskutieren). Dieser Vorgang wird als photovoltaischer Effekt bezeichnet.

Wenn ein Photon auf ein photovoltaisches (PV) Gerät trifft, wird seine Energie vom Photon auf die lokalen Elektronen im Material übertragen. Diese angeregten Elektronen beginnen zu fließen und erzeugen einen elektrischen Strom.

Solarzellen (innerhalb von Solarmodulen) erzeugen Gleichstrom (DC), der typischerweise durch einen Wechselrichter in Wechselstrom (AC) umgewandelt wird. Dies ermöglicht die Rücksendung an das Stromnetz, das mit Wechselstrom betrieben wird, sowie die Stromversorgung von Geräten im Haus des Kunden (oder im Geschäftsgebäude bei kommerziellen Solaranlagen).

Das ist die ausführliche Erklärung. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Prozess der Funktionsweise von Sonnenkollektoren drei Hauptschritte umfasst:

1. Solarzellen in Sonnenkollektoren absorbieren Licht von der Sonne, wodurch ein elektrischer Strom zu fließen beginnt.
2. Ein Wechselrichter wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um.
3. Dieser Strom wird zur Versorgung des aktuellen Energiebedarfs im Gebäude des Kunden verwendet und überschüssiger Strom, der über das hinausgeht, was der Kunde nutzen kann, wird ins Netz exportiert.

Was passiert mit der Energie, die eine PV-Anlage produziert?

Die meisten Solarkunden in den USA verfügen über netzgekoppelte Solaranlagen. Ihr Haus ist an das Stromnetz angeschlossen, sodass sie die von ihrem Stromversorger bereitgestellte Energie nutzen können, wenn sie mehr benötigen, als ihre Solaranlage produziert (z. B. an einem regnerischen Tag oder nachts).

Es bedeutet auch, dass, wenn ihre PV-Anlage mehr produziert, als sie benötigt, diese überschüssige Energie an das Netz gesendet werden kann, damit andere sie nutzen können.

Net Metering

Eine Richtlinie namens Net Metering, die in den USA üblich ist, kompensiert Solarkunden für diese überschüssige Energie, so dass sie die Kosten für zukünftigen Strom aus dem Netz ausgleichen können.

Net Metering hat eine bedeutende Rolle bei der Kosteneffizienz von Solarenergie gespielt. Im ganzen Land beginnen wir jedoch, einige Änderungen bei der Implementierung von Net Metering durch Versorgungsunternehmen zu beobachten, von denen viele den Wert verringern, den Solarkunden von ihren Solaranlagen erhalten.

Einspeisetarife

Einspeisetarife sind eine weitere Möglichkeit, Solarkunden für den Strom zu entschädigen, den sie in einigen Gebieten ins Netz einspeisen.

Was sind die Bestandteile einer Photovoltaikanlage?

Eine einfache PV-Anlage besteht aus zwei Grundtypen von Komponenten:

• Solarmodule: Solarmodule enthalten Solarzellen, die Sonnenlicht in Strom umwandeln.
• Wechselrichter: Ein Wechselrichter wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um. Es kann auch andere Funktionen ausführen, die für das Stromnetz von Vorteil sind (siehe unseren Artikel über intelligente Wechselrichter, die jetzt in Kalifornien erforderlich sind).

Diagramm einer einfachen PV-Anlage. Quelle: Aurora Solar.

BOS-Komponenten

Es ist gängige Praxis, alle Komponenten einer PV-Anlage neben den Modulen als Balance of System (BOS)-Komponenten zu bezeichnen. Beispiele für BOS-Komponenten sind Wechselrichter, Trennschalter, Regale und Verkabelung.

Natürlich ist dies nur ein grundlegender Überblick über die Teile einer Solaranlage und wie sie zusammenpassen. Entdecken Sie einige unserer verwandten Artikel für einen tieferen Einblick in die Möglichkeiten, wie Sonnenkollektoren und Wechselrichter miteinander verdrahtet werden können (Stringing) und einige Alternativen zu herkömmlichen Wechselrichtern, bekannt als Leistungselektronik auf Modulebene (MLPE).

Welche Faktoren beeinflussen die Effizienz der Solaranlage?

Es ist wichtig zu beachten, dass der Prozess der Stromerzeugung aus Sonnenenergie nicht 100% effizient ist. Umweltfaktoren wie Temperatur, Verschmutzung und Verschattung sowie Verluste in den elektrischen Komponenten können den Wirkungsgrad einer PV—Anlage beeinflussen. Typische Verlustkategorien sind:

• Temperatur: Solar panel effizienz variiert mit temperatur. Hohe Temperaturen wirken sich negativ auf die Leistung aus.
• Verschmutzung: Material, das sich auf der Oberfläche von PV-Modulen ansammelt, kann verhindern, dass Licht die Solarzellen erreicht, wodurch die erzeugte Leistung reduziert wird. Die Verlustleistung durch Verschmutzung ist sehr unterschiedlich, abhängig von der Art der Verschmutzung (z. B. Staub oder Schnee) und der Häufigkeit der Reinigung des Panels.

Verschmutzungen wie Staub auf PV-Modulen reduzieren die Ausgangsleistung.

• Schattierung: Schattierung ist die Behinderung der Bestrahlungsstärke durch Bäume, Gebäude, Gelände und andere Objekte in der Umgebung. Der Effekt der Verschattung auf die Leistung einer Solaranlage ist sehr variabel. (Um mehr über die Ursachen und Folgen der Verschattung zu erfahren, sind dieser Artikel und dieser Abschnitt unserer PV-Systemverlustserie großartige Ressourcen.)
• Verdrahtung und Anschlüsse: Widerstände in den elektrischen Anschlüssen einer Solaranlage führen typischerweise zu Energieverlusten von wenigen Prozent.
• Nichtübereinstimmung: Aufgrund von Herstellungsabweichungen können Module desselben Typs leicht unterschiedliche elektrische Eigenschaften aufweisen. Diese Nichtübereinstimmung zwischen Modulen kann zu einem Leistungsverlust führen.
• Inverter Effizienz: Umwandlung DC in AC strom über eine inverter ist in der regel um 96-97% effiziente. Wechselrichter haben typischerweise einen höheren Wirkungsgrad, wenn die DC-Eingangsleistung hoch ist. Die umwandlung effizienz nimmt einen großen hit, wenn die eingang power ist viel weniger als die inverter der nennleistung.
• Alter: Sonnenkollektoren produzieren weniger Energie, je älter sie werden. Typischerweise wird der Leistungsabfall mit etwa 0,5% pro Jahr angenommen.

Einen tiefen Einblick in diese Verluste finden Sie in unserer PV-Systemverlustserie.

Typische Solareffizienzwerte für verschiedene PV-Systemverlustarten.

System Derate Factor

Die oben genannten Faktoren werden in einem Koeffizienten kombiniert, der als System Derate Factor bezeichnet wird, um die Gesamtverluste einer Solaranlage darzustellen. Zum Beispiel verwendet PVWatts, ein NREL-unterstützter PV-System-Energieerzeugungsrechner, einen Standard-System-Derate-Faktor von 86%.

Dieser Wert kann jedoch je nach Systemauslegung oder Umgebungsbedingungen höher oder niedriger sein. Fortschrittliche Solardesignsoftware wie Aurora kann sicherstellen, dass Sie PV-Systemverluste genau bestimmen und wie viel Energie Ihre PV-Anlage produzieren wird.

Der Wirkungsgrad eines Solarmoduls (Moduls) gibt an, welchen Anteil der Bestrahlungsstärke ein Modul unter Standardtestbedingungen (STC; Bestrahlungsstärke von 1000 W / m2, Umgebungstemperatur von 25 ° C) in Strom umwandelt. Als allgemeine Faustregel können Sie die Effizienz einer PV-Anlage bei der Umwandlung von Einstrahlung in Elektrizität (unter STC) anhand der folgenden Formel abschätzen:

$$\text{Gesamtsystemeffizienz} = \text{Moduleffizienz} \times \text{Derate-Faktor}$$

Es ist wichtig zu beachten, dass es sich hierbei lediglich um Back-of-the-Envelope-Berechnungen handelt. Um eine umfassende Analyse der Energieerzeugung zu erhalten, benötigen Sie eine Softwareanwendung wie Aurora, die alle ökologischen, mechanischen und elektrischen Eigenschaften einer PV-Anlage berücksichtigt.

Über Solar PV Education 101

Wie eine Photovoltaikanlage Strom produziert, ist Teil von Solar PV Education 101, einer Serie mit sechs Artikeln, die Anfängern als Einführung in die Grundlagen der Solar-PV dient.

Artikel 1: Der Leitfaden für Anfänger zur Solarenergie
Artikel 2: Wie eine Photovoltaikanlage Strom produziert
Artikel 3: Lesen Sie Ihre Stromrechnung: Ein Leitfaden für Anfänger
Artikel 4: Wie man eine PV-Anlage von einer Stromrechnung unterscheidet
Artikel 5: Schattenverluste für PV-Anlagen und Techniken, um sie zu mildern
Artikel 6: Die Grundprinzipien, die PV-Systemkosten leiten

Christian Braun