Eine Photovoltaikanlage hat die Aufgabe, Strom aus Sonnenenergie zu erzeugen. Der Sinn ihrer Installation besteht darin, das Verteilungsnetz zu entlasten, gewisse Betriebskosten zu sparen und nicht zuletzt eine gewisse Unabhängigkeit von Lieferanten zu gewährleisten, zum Beispiel im Falle eines Stromausfalls.
In unserem Artikel werden wir die einzelnen Komponenten eines Photovoltaiksystems auf einem Einfamilienhaus näher betrachten, die verschiedenen Arten von Photovoltaikanlagen erklären, die Vor- und Nachteile verschiedener Lösungen durchgehen und die Leistung, die ungefähren Installationskosten sowie die Amortisationszeit für einen durchschnittlichen Haushalt abschätzen.
Elemente eines Photovoltaiksystems
Ein übliches Photovoltaiksystem für Einfamilienhäuser besteht aus den folgenden Hauptelementen:
Photovoltaik-Paneele
Tragkonstruktion für Photovoltaik-Paneele
Wechselrichter (Inverter)
Batteriespeicher
Kabelverbindungen
Sicherungsautomaten
Photovoltaik-Paneele
Sie sind das grundlegende Element einer Photovoltaikanlage, das Sonnenenergie in elektrische Energie umwandelt. Jeder Paneel hat einen bestimmten Wirkungsgrad, was bedeutet, wie viel Prozent der einfallenden Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Heutzutage liegt der Wirkungsgrad von Photovoltaik-Paneelen bei etwa 18-19%. Photovoltaik-Paneele erzeugen Gleichstrom, der für den normalen Gebrauch in Wechselstrom umgewandelt werden muss – dies geschieht im Wechselrichter (Inverter).
In der Praxis werden die Paneele oft mit einer Zahl hinter dem Namen bezeichnet, zum Beispiel 325Wp (Wp = Watt peak). Diese Zahl gibt an, wie viel elektrische Energie (ausgedrückt in Watt) das jeweilige Paneel unter idealen Bedingungen (Temperatur 25°C und wolkenlose Atmosphäre – diese idealen Bedingungen treten in der Praxis natürlich selten auf) maximal produzieren kann. Zum Beispiel im angegebenen Beispiel 325Wp sehen wir, dass das Paneel maximal 325W pro Stunde produziert, was 0,325kWh entspricht.
Lebensdauer von Photovoltaik-Paneelen
Hersteller bieten in der Regel eine Leistungsgarantie von 25 Jahren für Photovoltaik-Paneele an (normalerweise haben sie nach 12 Jahren etwa 90 % der Nennleistung und nach 25 Jahren 80 % der Nennleistung). Üblich ist auch eine 10-jährige Garantie auf die Ausführung des Paneels (Modulrahmen, elektronische Komponenten und Verkabelung). Die tatsächliche Lebensdauer der Paneele liegt normalerweise im Bereich von 25-30 Jahren.
Paneltypen – monokristallin und polykristallin
Heute gibt es keinen signifikanten Leistungsunterschied mehr zwischen der Verwendung von monokristallinen oder polykristallinen Zellen. Man erkennt sie normalerweise an der Farbe – monokristalline Solarpaneele haben meist einen dunklen Farbton, der ins Schwarze geht, während polykristalline Solarpaneele meist einen blauen Farbton haben. In der Vergangenheit waren monokristalline Zellen teurer (aufgrund der Herstellungstechnologie), aber auch der Preisunterschied ist heute minimal.
Monokristalline Panels
Polykristalline Paneele
Ein Solarkraftwerk aus diesen Panels hat eine gleichmäßigere Leistung. Diese Paneele eignen sich eher für Orte, an denen eine gewisse Abweichung von der idealen Ausrichtung besteht. Im Allgemeinen weisen polykristalline Module in verschiedenen Winkeln eine etwas bessere Solarleistung auf.
Stützsystem für ein Flachdach – In diesem Fall wurde die tragende Aluminiumkonstruktion auf Gewindestangen montiert, die in der Stahlbetondachkonstruktion verankert sind. Die Paneele wurden „liegend“ eingebaut.
Stützsystem für ein geneigtes Dach – in diesem Fall wurde die Tragkonstruktion in Holzlatten unter der Blecheindeckung montiert.
Stützsystem für ein Flachdach – In diesem Fall wurde die tragende Aluminiumkonstruktion auf Gewindestangen montiert, die in der Stahlbetondachkonstruktion verankert sind. Die Paneele wurden „liegend“ eingebaut.
Stützsystem für ein geneigtes Dach – in diesem Fall wurde die Tragkonstruktion in Holzlatten unter der Blecheindeckung montiert.
Stützstruktur für Photovoltaikmodule
Die Tragkonstruktion sollte möglichst leicht und gleichzeitig so stabil wie möglich sein. Materialisch besteht es daher meist aus Aluminium, kombiniert mit Edelstahl, was für seine Korrosionsbeständigkeit und gleichzeitig die nötige Festigkeit sorgt, um starken Windböen standzuhalten.
Die Tragstruktur der Paneele unterscheidet sich je nachdem, ob sie auf einem Flach- oder Schrägdach angebracht werden.
Konverter (Wechselrichter)
Der von den Photovoltaikmodulen erzeugte elektrische Strom ist unidirektional. In Einfamilienhäusern verwenden wir jedoch Wechselstrom (dieser wird benötigt, um Geräte mit Elektromotoren anzutreiben).
Die Umwandlung des von Photovoltaikmodulen erzeugten Gleichstroms in Wechselstrom wird durch Wechselrichter sichergestellt. Der Wechselrichter ist daher ein zentraler Bestandteil eines Photovoltaik-Kraftwerks.
Neben der Umwandlung elektrischer Energie bieten mehrere hochwertige Wechselrichter die Möglichkeit einer Echtzeit-Leistungsüberwachung sowie der Fernsteuerung des Photovoltaik-Kraftwerks über eine mobile Anwendung. Verbinden Sie sie einfach mit dem Internet und konfigurieren Sie sie.
Einige Hersteller bieten All-in-One-Geräte an, die nicht nur Strom in Wechselstrom umwandeln können, sondern auch ein Batterieladegerät, einen Solarregler, einen Farbmonitor, eine Fernverwaltung und mehr enthalten, was die gesamte Installation vereinfacht.
Leistung des Wechselrichters
Jeder Wechselrichter verfügt über eine bestimmte Leistung, die in Voltampere (VA) angegeben wird. Zum Beispiel 5000 VA, dieser Wert ist das theoretische Maximum. In der Praxis kann der Wechselrichter langfristig etwa 20 % weniger liefern, in unserem Beispiel beispielsweise 4000 W. Dies ist eine wichtige Zahl, die bei der Auswahl eines Wechselrichters berücksichtigt werden muss, denn wenn wir 12 Module mit einer Leistung von 300 Wp auf dem Dach haben = 12×300 = theoretisch 3600 W, dann sollte ein Wechselrichter mit einer tatsächlichen Leistung von 4000 W genug Leistung für unsere Module haben.
Einphasiger oder dreiphasiger Wechselrichter
Häufig verwendete Photovoltaik-Wechselrichter sind einphasig (dreiphasig sind derzeit sehr teuer). Wir können einen einphasigen Wechselrichter nur an eine Phase anschließen, und daher kann Strom aus Photovoltaikmodulen nur von Geräten genutzt werden, die an diese Phase angeschlossen sind.
Aus diesem Grund ist es notwendig, im Voraus zu überlegen, welche Geräte wir mit Photovoltaikstrom nutzen möchten, und diese an die Phase anzuschließen, an die der Wechselrichter angeschlossen ist. Eine spätere Verbindung der Phasen ist möglicherweise nicht immer möglich!
Warmwasserbereitung (Elektroboiler), Beleuchtung, Klimaanlagen, Steckdosenkreise im Haus und Ähnliches werden in der Regel mit Photovoltaik betrieben. Ideal ist es, Geräte anzuschließen, die tagsüber bei Sonnenschein einen konstanten Verbrauch haben.
Batterien
Überschüssig erzeugte elektrische Energie aus Photovoltaikanlagen kann in Batteriespeichern gespeichert werden. Die Batterien werden tagsüber mit ungenutzter Energie der Solarpaneele aufgeladen. Bei schlechten Lichtverhältnissen und unzureichender Stromproduktion durch Photovoltaikmodule liefern die Batterien die verbleibende Energie an das System.
Batteriekapazität
Batterien haben eine Kapazität, die in Amperestunden (Ah) angegeben wird, und eine Arbeitsspannung, bei der sie betrieben werden, die in Volt (V) angegeben wird. Die passende Größe muss mit der Leistung der Module, des Wechselrichters und der Art und Weise, wie wir Photovoltaik nutzen, abgestimmt werden. Normalerweise liegt die Kapazität für Einfamilienhäuser zwischen 2 kWh und 8 kWh. Die Batteriespannung beträgt normalerweise 12 V, 24 V oder 48 V. Je höher die Batteriespannung, desto geringer sind die Verluste auf den Kabelleitungen zwischen Wechselrichter und Batterie.
Wenn wir abschätzen wollen, wie viel Strom wir aus der Batterie bekommen, müssen wir die Arbeitsspannung der Batterie mit ihrer Kapazität multiplizieren. Wenn beispielsweise eine Batterie mit einer typischen Arbeitsspannung von 12 V eine angegebene Kapazität von 200 Ah hat, versorgt uns eine solche Batterie mit ungefähr 12 V x 200 Ah = 2.400 Wh = 2,4 kWh Strom. Diese Berechnung ist jedoch nur ungefährer Natur und berücksichtigt mehrere Faktoren nicht, wie z. B. die Tatsache, dass sich die Arbeitsspannung des Akkus während seiner Entladung ändert usw.
Arten von Batterien
LiFePo4
Lithium-Eisenphosphat-Batterien müssen nicht vollständig aufgeladen werden, eine Teilladung reicht aus, was ihr Hauptvorteil gegenüber Bleibatterien ist. Gleichzeitig sind ihre Kapazität und Lebensdauer nicht so stark von der Temperatur abhängig. Sie haben eine hohe Zyklenlebensdauer. Sie können bis zu 20 % ihrer Gesamtkapazität (80 % Entladung) entladen werden, ohne dass die Lebensdauer wesentlich beeinträchtigt wird. Normalerweise können sie 5.000 Zyklen bewältigen. Darüber hinaus ist es in der Lage, relativ viel Energie abzugeben, ohne dass die Batterie beschädigt würde, was bei plötzlichem Verbrauch einer größeren Energiemenge von Vorteil ist. Sie haben eine hohe Energiedichte, das heißt, sie verbrauchen relativ viel mehr Energie pro Kilogramm ihres Gewichts als die oben beschriebenen Batterien. Zusammen mit Li-Ion sind sie derzeit die besten Batterietypen für eine Photovoltaikanlage.
Li-Ion
Sie sind den oben beschriebenen LiFePo4-Akkus sehr ähnlich.
Akkulaufzeit
Batterien in Photovoltaikanlagen werden zyklisch geladen (ein Zyklus ist ein Laden und Entladen). Als Batterielebensdauer geben Hersteller meist die Anzahl der Zyklen an. Daraus lässt sich die Lebensdauer in Jahren ziemlich genau abschätzen. Wenn wir die Batterie beispielsweise durchschnittlich einmal am Tag laden und entladen, dann hält eine Batterie mit festgelegten 5.000 Zyklen theoretisch 5.000/1 Zyklus pro Tag/365 Tage im Jahr = 13 Jahre.
Wichtig für eine optimale Akkulaufzeit ist auch die Umgebungslufttemperatur, die idealerweise bei etwa 20°C liegen sollte. Bei solchen Temperaturen ist die Selbstentladungsrate relativ gering (2 %). Bei einer Temperatur von -10°C nimmt sie um ca. 20–25 % ab.
Arten von Photovoltaik-Kraftwerken
Im Raster
Es handelt sich um Systeme, die an das normale Stromverteilungsnetz angeschlossen sind. Bei Strombedarf wird zunächst der aus der Photovoltaik-Anlage am Haus erzeugte Strom genutzt, sollte der Strom nicht ausreichen, wird der Rest standardmäßig aus dem Stromnetz nachgespeist. Eine Batterie ist in einem solchen System nicht enthalten.
Bei einem Stromausfall des Verteilnetzbetreibers wird das Photovoltaikkraftwerk aus Sicherheitsgründen ebenfalls abgeschaltet – damit nicht zufällig Strom in das Verteilnetz fließt.
– Der Nachteil ist die geringere Nutzung des produzierten Stroms, da Überschüsse tagsüber nicht in der Batterie gespeichert und später am Abend genutzt werden können.
+ Der Vorteil ist ein geringerer Preis im Vergleich zu Systemen mit Batterie.
Inselsysteme (Off Grid)
Es handelt sich um unabhängige Systeme ohne Anschluss an das Stromnetz, weshalb sie als Inselsysteme bezeichnet werden. Teil eines solchen Systems muss eine Batterie sein, in der der tagsüber produzierte Strom gespeichert und dann genutzt wird, wenn die Sonne nicht scheint. Allerdings reicht eine solche Lösung unter den Bedingungen der Slowakei nicht aus, um ein gewöhnliches Einfamilienhaus im Winter zu heizen und in der Regel nicht einmal, um das ganze Jahr über Warmwasser zu erhitzen. Bei entsprechender Überdimensionierung könnte das Inselsystem jedoch für alle anderen Aktivitäten im Haus, die Strom erfordern, ausreichend sein. Ein solches System eignet sich für Ferienhäuser oder abgelegene Gebäude, die weniger Strom benötigen.
– Der Nachteil ist eine höhere Anfangsinvestition und die Notwendigkeit eines Notstromgenerators für Zeiten ohne ausreichende Sonneneinstrahlung.
+ Der Vorteil liegt in der Unabhängigkeit vom öffentlichen Verteilnetz und der maximalen Nutzung des produzierten Stroms.
Hybrid-Solarsysteme (Kombination aus On Grid und Off Grid)
Es handelt sich um Systeme, die an das normale Stromverteilungsnetz angeschlossen sind. Bei Strombedarf wird zunächst der aus der Photovoltaik-Anlage am Haus erzeugte Strom genutzt, sollte der Strom nicht ausreichen, wird der Rest standardmäßig aus dem Stromnetz nachgespeist. Ein Teil eines solchen Systems ist eine Batterie, die dann als Quelle dient, beispielsweise wenn die Sonne nicht scheint oder bei einem Stromausfall (dann wechselt sie in den Off-Grid-Inselbetriebsmodus).
– Der Nachteil ist eine höhere Anfangsinvestition.
+ Der Vorteil liegt in der Unabhängigkeit vom öffentlichen Verteilnetz und der maximalen Nutzung des produzierten Stroms.
Virtuelle Batterien
Da Batterien in der Regel die teuersten Elemente eines Photovoltaik-Kraftwerks sind, bieten einige Stromversorger eine sogenannte virtuelle Batterie an – dabei handelt es sich um einen fiktiven Speicher elektrischer Energie, der so funktioniert, dass er bei vorhandenem Strom nicht mehr benötigt wird Überschüssiger Strom aus Photovoltaik wird Ihnen beim Stromversorger gutgeschrieben und Sie können anschließend in Zeiten von Stromknappheit aus Photovoltaik die gleiche Menge kostenlos oder zu einem ermäßigten Tarif aus dem Verteilnetz beziehen. Diese Lösungen erfordern häufig die Lieferung und Installation der gesamten Photovoltaikanlage durch das jeweilige Vertriebsunternehmen. Eine weitere Gefahr besteht darin, dass der Strom aus der virtuellen Batterie zwar kostenlos ist, Sie aber für die Übertragung doppelt bezahlen (einmal ins Netz und dann ins Netz).
Daher empfehlen wir Ihnen immer, die spezifischen Bedingungen sorgfältig zu studieren.
Leistung – was Sie von der Photovoltaik erwarten können
Installierte Leistung
Die Leistung des Photovoltaikkraftwerks wird in kWh angegeben. Die Grundgröße ist die sogenannte installierte Leistung (oder anders ausgedrückt die maximale Leistung unter idealen Bedingungen). Es handelt sich um die Summe der vom Hersteller für die Photovoltaikmodule angegebenen Leistungen. Ein Photovoltaikmodul hat normalerweise eine Leistung von 300 Wp (Watt Peak). Wenn wir dann 12 solcher Panels auf dem Dach haben, beträgt die installierte Gesamtleistung unseres Photovoltaikkraftwerks 12*300 = 3.600Wp = 3,6 kWp. Ein solcher Aufbau erzeugt im Idealfall 3,6 kWh in 1 Stunde.
Echte Leistung
Die tatsächliche Leistung einer Photovoltaikanlage hängt im Wesentlichen von der Intensität der Sonneneinstrahlung sowie deren Dauer ab. Die durchschnittliche jährliche Sonneneinstrahlung in kWh/m2 ist in der folgenden Tabelle angegeben. Dabei ist zu beachten, dass Photovoltaikmodule in der Regel eine Größe von 1,0×1,5m = 1,5m2 Fläche haben. Es ist auch notwendig, auf die Wirksamkeit des Panels zu achten, die von jedem Hersteller angegeben wird. In Bratislava beispielsweise könnte ein Panel mit einer Größe von 1,5 x 1,0 m und einem Wirkungsgrad von 18 % theoretisch 324 kWh pro Jahr produzieren (1200 kWh/m2 x 0,18 x 1,5 m2 Panel).
Bildquelle: Weltbank, Global Solar Atlas 2.0, Daten und Karte von http://solargis.info.
Von der angegebenen theoretischen Leistung müssen Verluste aufgrund des Winkelreflexionsvermögens der Paneele (ca. 3 %), Verluste aufgrund der Umgebungstemperatur (bis zu 7 %), Verluste in Kabelverteilungen (abhängig von deren Länge) usw. abgezogen werden Verluste durch die Umstellung von Gleichstrom auf Wechselstrom (ca. 10 %). Daher wird üblicherweise mit Verlusten von etwa 20 % des erzeugten Stroms gerechnet.
Leistung innerhalb der Regionen der Slowakei
Unter dem Gesichtspunkt des spezifischen Standorts des Photovoltaikkraftwerks in der Slowakei können wir feststellen, dass die meiste Sonneneinstrahlung das ganze Jahr über im Süden der Slowakei fällt, die geringste in Orava und Kysucie. Der Unterschied zwischen den kältesten und wärmsten Regionen in der Menge der einfallenden Sonnenenergie beträgt nur etwa 15 %. Aus diesem Grund ist eine Photovoltaikanlage auch in den kälteren Regionen der Slowakei sinnvoll. Für eine einfache Neuberechnung können wir davon ausgehen, dass 1 kWp installierter Leistung unter den Bedingungen der SR von 1000 kWh pro Jahr erzeugt werden kann. Natürlich ist es fraglich, ob wir die gegebene Energie dauerhaft nutzen können bzw. wie viel davon in der Batterie für eine spätere Nutzung gespeichert werden kann. Damit das Photovoltaik-Kraftwerk die größtmögliche Leistung erbringt, ist es notwendig, auf die optimale Ausrichtung der Panels zu achten.
Ideale Ausrichtung und Neigung
Die ideale Ausrichtung der Paneele liegt genau nach Süden bei einer Neigung von 30-40°, wobei sie den ganzen Tag über nicht durch Gegenstände beschattet werden sollten. Gut zu wissen ist, dass selbst wenn die Paneele nicht ideal direkt nach Süden ausgerichtet werden können, sondern direkt nach Osten oder Westen platziert werden, ihr Wirkungsgrad nur um etwa 14 % geringer ist. Gleiches gilt für Neigungsunterschiede: Wenn die Neigung 15 Grad beträgt, weniger als 30° oder mehr als 40°, ist die Leistung der Paneele nur um wenige Prozent geringer (ca. 5-6 %). Es wird einen größeren Unterschied machen, ob sie leicht verschmutzt oder völlig sauber sind.
Wetter- und Photovoltaikleistung
Bei bewölktem Himmel sinkt der Ertrag auf ca. 50 % und bei dicht bewölktem Himmel auf 10 % der Maximalwerte. In den Wintermonaten werden im Vergleich zu den Sommermonaten nur etwa 20 % des Stroms produziert. Fällt eine durchgehende Schneeschicht von wenigen Zentimetern auf die Paneele, verringert sich deren Leistung in der Regel auf 5-10 %. Schnee bleibt normalerweise nicht lange auf der rutschigen Oberfläche der Paneele. Sofern die Paneele nicht in einem Gebiet mit starkem Schneefall stehen, sollte dies also kein Problem darstellen.