Photovoltaikanlage

Solarpark Königsbrück bei Dresden in Sachsen (4,4 MW_p)

Photovoltaikanlage bei Freiberg

Eine Photovoltaikanlage, auch PV-Anlage (bzw. PVA) genannt, ist eine Solarstromanlage, in der mittels Solarzellen ein Teil der Sonnenstrahlung in elektrische Energie umgewandelt wird. Eine größere Solarstromanlage ist ein Solarkraftwerk. Die dabei typische direkte Art der Energiewandlung bezeichnet man als Photovoltaik. Demgegenüber arbeiten andere Sonnenkraftwerke (z. B. solarthermische Kraftwerke) über die Zwischenschritte Wärmeenergie und mechanische Energie.

Aufbau

Polykristalline Solarzelle

Je nach Anlagengröße und -typ werden die einzelnen Solarmodule in Reihe zu sogenannten Strings verschaltet. Dabei addiert sich die Spannung der einzelnen Module. Gegebenenfalls werden mehrere dieser Strings parallel geschaltet. Eine Parallelschaltung der einzelnen Module findet sich vorwiegend im batteriegestützten Inselbetrieb. Die Solarmodule werden in der Regel auf einer Unterkonstruktion befestigt, welche die Module idealerweise so ausrichtet, dass der höchstmögliche oder eine möglichst gleichbleibender Energieertrag über das Jahr gewährleistet wird (z. B. in Deutschland Richtung Süden und auf circa 30° angewinkelt für höchsten Energieertrag bzw. Richtung Süden und auf circa 55° angewinkelt für gleichbleibendsten Energieertrag über das Jahr). Die Unterkonstruktion kann auch der Sonne nachgeführt (astronomisch, sensorisch) sein, um eine höhere Energieausbeute zu erreichen.

Handelt es sich um eine netzgekoppelte Anlage, wird mit Hilfe eines Wechselrichters der in den Solarmodul(en) entstehende Gleichstrom in Wechselstrom gewandelt und ins Stromnetz eingespeist. Abgesehen von den Umwandlungsverlusten, geschieht dies in der Regel vollständig, solange das Netz in hinreichender Qualität (Spannung/Frequenz) zur Verfügung steht. Eine bedarfsabhängige Einspeisung (Einspeisemanagement) wurde in Deutschland mit der Neufassung des Einspeisegesetzes 2009 verbindlich für Anlagen über 100 kW festgeschrieben.

Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen stellen dem Stromnetz im Normalfall keine Regelleistung zur Verfügung, da grundsätzlich ein Maximum an regenerativer Energie erzeugt werden soll. Allerdings müssen Anlagen ab 100 kW Peakleistung nach §6 EEG in der Lage sein, im Falle von Netzüberlastungen ihre Leistung durch den Netzbetreiber ferngesteuert zu reduzieren. Wechselrichter können bei Bedarf auch Blindleistung in das Netz abgeben bzw. aufnehmen, was von leistungsstärkeren Anlagen, die auf Mittelspannungsebene einspeisen, auch seit Mitte 2010 in der Mittelspannungsrichtlinie gefordert wird. Aufgrund der mittlerweile relevanten Leistung der in Deutschland installierten Photovoltaikanlagen (Stand Anfang 2011: Etwa 17 Gigawatt Peakleistung) wird die Photovoltaik zunehmend stärker in die Netzregelung einbezogen. So ist mit einer entsprechenden Richtlinie für das Niederspannungsnetz noch im Jahr 2011 zu rechnen.

Bei netzfernen Anlagen wird die Energie zwischengespeichert, sofern sie nicht direkt verwendet wird. Das Speichern in Energiespeichern, meist Bleiakkumulatoren, erfordert die Verwendung eines Ladereglers. Um die gespeicherte Energie für konventionelle Elektrogeräte verwenden zu können, wird sie mit Hilfe eines Inselwechselrichters in Wechselstrom umgewandelt.

Netzferne Stromversorgung (Inselsystem, Inselanlage)

Solarbetriebener Parkscheinautomat in Hannover

Merkmal einer netzfernen Stromversorgung ist das Fehlen einer Verbindung zu einem übergeordneten Energieverbundnetz (z. B. dem öffentlichen Stromnetz). Die einzelnen Komponenten der Anlage müssen entsprechend dem vorliegenden Lastprofil der elektrischen Verbraucher aufeinander abgestimmt sein, um einen hohen Nutzungsgrad zu gewährleisten.

Geschichte

Raumstation ISS mit gut sichtbaren Solarmodulen – fotografiert vom Space Shuttle Endeavour während STS-130 (Februar 2010)

Hauptartikel: Geschichte der Photovoltaik

Raumfahrt

Wesentliche Entwicklungsschübe erhielt die Photovoltaik aus der Raumfahrt. Während die ersten künstlichen Erdsatelliten nur Radionuklidbatterien mitführten, wurden schon bald Solarzellen zur Energieversorgung eingesetzt und stellten mit die ersten Anwendungen der Photovoltaik überhaupt dar. Angesicht mangelnder kostengünstigerer Alternativen bei Raumfahrzeugen negierten sich selbst die immensen Kosten am Anfang der Solarmodulentwicklung. Heutzutage ist die Solarzelle in der Raumfahrt mit großem Abstand die wirtschaftlichste Lösung.

Fast alle Satelliten und Raumstationen nutzen Solarzellen für ihre Stromversorgung und für den Betrieb der installierten Instrumente – einzig bei sonnenfernen Missionen werden noch Radionuklidbatterien eingesetzt.

Solarzellen an Raumfahrzeugen sind einer hohen Strahlenbelastung ausgesetzt und erleiden dadurch einen Leistungsverlust (Degradation). Ursache sind die durch hoch-energetische Teilchenstrahlung der kosmischen Strahlung hervorgerufenen Kristalldefekte.

Telegrafenstation

Eine weitere Triebfeder zur Entwicklung stellt die Telekommunikationsbranche dar. Die ersten elektrischen Relaisstationen (welche sich entlegen zwischen den meist größeren Städten befanden) zur Weiterleitung der Morsenachrichten wurden noch mit Bleibatterien realisiert, die zu 48-V-Gleichspannungssystemen verbunden wurden. Der Austausch der entladenen Batterien erfolgte mit Fuhrwerken, die oft Wochen unterwegs waren. Die ersten Solarmodule wurden entwickelt, um eine 12-V-Bleibatterie selbst bei hohen Außentemperaturen sicher zu laden. So entstand das 36-zellige 12-V-Solarmodul, nachdem man festgestellt hat, dass mit 34-zelligen Modulen die Batterie nicht sicher geladen werden konnte. Zur Ladung der Batteriesysteme in Relaisstationen verwendete man vier in Reihe geschaltete Solarmodule. Dieser historische Grund liefert die Erklärung, warum auch heute noch 48-V-Gleichstromgeräte in der Telekommunikationsindustrie Verwendung finden.

Systematik

Industrielle Anwendungen

Kennzeichen dieser Anwendungsgruppe von solaren Energieversorgungen ist der sehr genau definierte, oft geringe Energiebedarf.

• mobile Anwendungen, wie Taschenrechner/Uhr, Handyladegerät, Solarspielzeug, Solarspringbrunnen, leuchtende Wegemarkierungen, …
• stationäre Anwendungen, wie Parkautomaten, automatische Verkehrsschilder (z. B. auf Autobahnen), solarversorgte Messstellen (Trinkwasser, Abwasser, Hochwasser, Verkehr), Schiebereinrichtungen für Trinkwasser bzw. Abwasser, solare Belüftung, Schifffahrtszeichen, …
• Anwendungen für die Telekommunikation, wie Empfangsstationen für Mobiltelefone, WLAN-Hotspots, Richtfunkstrecken, Satelliten.

Viele dieser Anwendungen sind auch in Gegenden mit höchster Stromnetzdichte wirtschaftlich, da die Kosten für eine Netzerweiterung/Netzanschluss auch in diesem Fall in keinem Verhältnis zur autarken Versorgung stehen.

SHS (Solar Home System)

ist die Bezeichnung für ein einfaches Photovoltaikinselsystem, dessen Hauptzweck meist nur in der Versorgung von einfachen Hütten mit Licht ist. Typische Anlagengrößen sind 50–130 W_p, was meist genug ist, um 12-V-Gleichspannungsenergiesparlampen zu betreiben. Oft werden die Anlagen verwendet, um Handys zu laden oder einen kleinen Fernseher/Radio zu betreiben. Manchmal wird ein solches System auch verwendet, um einen 12- bzw. 24-V-Gleichstromkühlschrank zu betreiben.

Solare Pumpenanlagen

sind meistens direkt-betriebene Solaranlagen, die ohne Batterie auskommen. Die Speicherung übernimmt in diesem Fall ein Wasserhochtank, welcher die Versorgung in der Nacht bzw. bei Schlechtwetter gewährleistet. Bei Bewässerungsanlagen kann meist auch auf den Tank verzichtet werden. Anlagen diesen Typs zeichnen sich durch eine extreme Langlebigkeit (> 20 Jahre) aus. Die verwendeten Gleichstrom-betriebenen Unterwasserpumpen können Förderhöhen bis 250 m erreichen.

Hybrid/Minigrid

Hybridanlage zur Versorgung einer Schule im Bergland von Sabah/Malaysia

sind meist größere Anlagen, welche die Versorgung von kleinen Dörfern, Schulen, Krankenhäusern/-stationen oder GSM-Stationen sicherstellen. Das Kennzeichen einer Hybridanlage ist das Vorhandensein von mehr als einer Energiequelle (z. B. Photovoltaik und Dieselgenerator). Als Energiequellen stehen Sonne, Wasser, Wind, Biomasse, Diesel, … zur Verfügung. Die Zwischenpufferung der Energie übernehmen in der Regel Akkumulatoren (Kurzzeitspeicherung). Für die mittelfristige Speicherung sind beispielsweise die Redox-Flow-Zelle oder Wasserstoff Lösungsansätze.

Prinzipiell stehen zwei Möglichkeiten der elektrischen Kopplung zur Verfügung.

Erstere besteht aus eine Kopplung auf der Gleichstromseite in die alle Erzeuger ihre Energie liefern. Die Photovoltaikanlage mit Hilfe eines Ladereglers, der Dieselgenerator durch ein Ladegerät. Alle weiteren Energieerzeuger (z. B. Windgenerator, Wasserturbine, …) brauchen ihr eigenes Ladegerät um auf der Gleichstromseite ihre Energie bereitzustellen. Ein großer Inselwechselrichter übernimmt die Bereitstellung von Wechselstrom.

Eine weitere Möglichkeit ist die Kopplung auf der Wechselstromseite. In diesem Fall gibt es nur ein Ladegerät, welches die Ladung der Akkumulatoren verwaltet. Alle Energieerzeuger liefern Wechselspannung, welche entweder direkt verbraucht wird oder durch das Ladegerät im Akkumulator gepuffert wird. Bei einem Mangel von Energie erzeugt ein Inselwechselrichter die fehlende Energie für die Verbraucher. Da diese zweite Version der Kopplung Schwierigkeiten der Synchronisierung/Regelung hervorruft, konnte diese erst mit dem Vorhandensein von schnellen Mikrocontrollern verwirklicht werden. Man kann diese Kopplungsart als zweite Generation der Hybridanlagen bezeichnen.

• Siehe auch: Hybridkraftwerk Pellworm

Anlagentechnik

Bei Verwendung von Akkumulatoren zur Speicherung der Energie werden Typen verwendet, die eine hohe Zyklenfestigkeit (Ladung und Entladung) aufweisen, sogenannte Solarbatterien. Diese haben einen etwas anderen Aufbau als Starterbatterien, wie sie in Kraftfahrzeugen verwendet werden. Im Vergleich zu allen anderen Akkumulatortypen weist der Bleiakkumulator die geringsten Kosten pro gespeicherter Energieeinheit (kWh) auf.

Bei Verwendung von Akkumulatoren zur Speicherung der Sonnenenergie ist ein Laderegler notwendig. Dessen Hauptzweck besteht darin, den Akkumulator vor Tiefentladung (durch Lastabwurf) sowie vor Überladung zu schützen. Eine Tiefentladung schädigt einen Bleiakkumulator irreversibel.

Zum Betrieb von Wechselstromverbrauchern (z. B. 230-V-Fernseher) wandelt ein Insel-Wechselrichter die Akkuspannung (meist im Bereich 12, 24 oder 48 V Gleichspannung) in Wechselspannung um. Inselwechselrichter gehören zur Gruppe der netzbildenden Anlagen. Das bedeutet, sie erzeugen selbstständig eine Netzspannung (z. B. 230 V, 50 Hz) und stellen Wirk- und Blindleistung zur Verfügung. Netzbildner können nicht mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden werden (Kompetenzverletzung). Zur Netzeinspeisung sind demgegenüber netzgeführte Wechselrichter (Netzfolger) erforderlich (siehe unten).

Fachwerkhaus mit Solardach

In Gegenden mit instabiler elektrischer Versorgung durch das öffentliche Netz bietet es sich an, eine normalerweise netzbetriebene Anlage bei Stromausfall mit Solarstrom zu betreiben (als sogenannte Netzersatzanlage – fällt das Netz aus, so wird die Anlage automatisch oder manuell in den Inselbetrieb umgeschaltet. Diese Umschaltung bedeutet einen kurzzeitigen Netzausfall, um dies zu vermeiden kann man eine unterbrechungsfreie Stromversorgung verwenden.

Netzgekoppelte Anlage

Schaltungskonzept

Durch die Verbindung zu einem großen Verbundnetz (z. B. das öffentlichen Stromnetz) kann sichergestellt werden, dass zu jedem Zeitpunkt genügend Verbraucher vorhanden sind, die den Solarstrom sofort nutzen können. Eine Zwischenspeicherung, Pufferung ist dabei unnötig. Diese Betriebsart nennt man auch Netzparallelbetrieb.

Formen

Aufdachanlage

Photovoltaikanlage auf Block 103 in Berlin

Die häufigste Anlageform ist die Aufdachanlage, bei der das vorhandene Gebäude die Unterkonstruktion für die PV-Anlage trägt. Zugleich kann die Dachneigung eine optimierte Ausrichtung der Anlage ermöglichen, die sonst durch zusätzliche konstruktive Mittel erreicht werden müsste. Auch betrachtet der Gesetzgeber die Dachflächen als bereits vorhandene „natürliche“ Empfangsflächen, ohne zusätzlichen Flächenbedarf.

Gebäudeintegrierte Anlage

Blick in das Gebäude der Akademie Mont Cenis, mit der zur Bauzeit größten gebäudeintegrierten Photovoltaikanlage

→ Hauptartikel: Gebäudeintegrierte Photovoltaik

Bei dieser Anlagenart ersetzt die Photovoltaikanlage Teile der Gebäudehülle, also der Fassadenverkleidung und/oder der Dacheindeckung. Der Vorteil besteht darin, dass ohnehin benötigte Dach- bzw. Fassadenelemente durch die Photovoltaikanlage ersetzt werden. Zudem werden auch ästhetische Argumente für diese Bauweise genannt, weil die oft auch farblich an hergebrachte Dacheindeckungen angepassten Elemente optisch weniger stark auffallen als herkömmliche, auf die Dachhaut montierte Anlagen. Gebäudeintegrierte Anlagen sind jedoch meist weniger gut hinterlüftet, was einen verringerten Wirkungsgrad nach sich zieht. Fassadenelemente sind auch nur selten ertragsoptimal zur Sonne ausgerichtet, dafür lassen sich Flächen nutzen, die sonst nicht zur Energieerzeugung bereitstehen. Die Solarmodule müssen den gleichen Anforderung genügen, denen auch andere Teile der Gebäudehülle entsprechen (Dichtigkeit, Bruchsicherheit, Tragfähigkeit usw.). Der Markt bietet eigens zugelassene Module, die über nötigen Zertifikate und Zulassungen verfügen, andernfalls ist ein Einzelnachweis für die geplante Anlage notwendig.

Freilandanlage

Göttelborner PV-Anlage, fotografiert vom Fördergerüst Schacht IV. Im Hintergrund: Kohlekraftwerk Weiher III

Photovoltaikanlage in Berlin-Adlershof

Im Freien werden Solarmodule entweder in langen Reihen hintereinander mit Hilfe einer geeigneten Unterkonstruktion platziert oder auf Nachführanlagen (Solartracker) befestigt, welche im verschattungsfreien Abstand zueinander stehen. Aus ökonomischen Gründen werden meist Zentralwechselrichter für die Umwandlung des Gleichstromes aus den PV-Modulen in Wechselstrom verwendet. Der erzeugte Wechselstrom wird meist direkt ins Mittelspannungsnetz eingespeist, da die Leistung im Niederspannungsnetz nicht mehr aufgenommen werden kann.

Als besonders geeignet werden Flächen angesehen, deren anderweitige Nutzung schwierig ist (Deponieflächen, z. B. Photovoltaikanlage auf einer stillgelegten Kreismülldeponie in der Gemarkung von Ringgenbach, verlassene Militärgelände, z. B. Solarpark Waldpolenz, Photovoltaikanlage auf einem ehemaligen Militärflugplatz in den Gemeinden Brandis und Bennewitz,^[1] Brachland, …), da es die landwirtschaftliche Nutzfläche nicht schmälert. Der Flächennutzungsgrad kann in kWp pro Quadratmeter angegeben werden und liegt beim Beispiel des Solarparks Lieberose bei ca. 32Wp pro Quadratmeter. Dies entspricht ca. einem Ertrag von 30kWh pro Jahr pro Quadratmeter.

Das nötige Investitionskapital wird häufig durch Bürgergesellschaften aufgebracht.

• siehe auch: Bürgersolaranlage

Anlagentechnik

Für die Einspeisung der Solarenergie in das Stromnetz ist die Wandlung des Gleichstroms in Wechselstrom nötig, sowie eine Synchronisation mit dem vorhandenen Netz, was durch einen Solarwechselrichter bewerkstelligt wird. Diese Wechselrichter nennt man netzgekoppelt.

Einphasige Anlagen dürfen in Deutschland nur bis zu einer maximalen Leistung von 5 kW_p (4,6 kW Dauerleistung) in das Stromnetz einspeisen. Anlagen mit Leistungen ab 100 kW_p verfügen über die Möglichkeit der Wirkleistungsreduzierung in vier Stufen, deren Steuerung über einen Rundsteuerempfänger erfolgt. Anlagen mit einer Spitzenleistung von mehr als 100 kW speisen in das Mittelspannungsnetz ein und müssen zur Sicherung der Netzstabilität die Mittelspannungsrichtlinie erfüllen.

Eine Ausnahme, die keine Wandlung erfordert, stellt die Einspeisung in separate Gleichstrombetriebsnetze dar, zum Beispiel die Direkteinspeisung des Solargenerators in ein Straßenbahnbetriebsnetz. Einige wenige Pilotanlagen für eine solche Anwendung sind seit einigen Jahren in der Erprobung. Als Beispiel sei hier die Anlage auf dem Straßenbahndepot in Hannover-Leinhausen genannt.

Siehe auch: Solarwechselrichter

Energieertrag einer Solarstromanlage

In Deutschland kann ein mittlerer Energieertrag von etwa 650 bis 1150 kWh pro kW_peak installierter Leistung der Anlage und Jahr erwartet werden. Dies entspricht einer über das Jahr gemittelten Leistung von 7,5 % bis 13 %, bezogen auf die kW_peak-Angabe.

Fest installierte Anlagen ohne Sonnenstandsnachführung können dort bis zu 8 kWh/kW_p an Spitzentagen erzeugen. Das Erreichen dieses Wertes wird beeinflusst von folgenden Faktoren:

• Auslegung

Die in Deutschland übliche leichte Überdimensionierung des PV-Generators, welche über das Jahr gesehen zu einem höheren Ertrag führt, begrenzt umgekehrt die Höhe eines Spitzenertrages im Sommer. Der Wechselrichter fährt an solchen Tagen in die Begrenzung, das heißt Teile des Energieangebots werden nicht genutzt.

• Ausrichtung und Montage

Für das Erreichen eines Spitzenertrages wäre eine senkrechte Aufstellung zur Sonne im Sommer nötig (ca. 47° Grad Modulneigung), was aber über das Jahr gesehen zu einem Minderertrag führen würde. Auch beeinflusst die Art der Montage den Ertrag; eine bessere Hinterlüftung der Module führt zu einer besseren Kühlung derselbigen und somit zu einer höheren Effizienz.

• Wetterbedingungen

Zur Erreichung eines Spitzenertrages ist ein wolkenloser, klarer Tag nötig. Ein nächtlicher Regenschauer, der Aerosole aus der Atmosphäre gewaschen hat, trägt zur Erhöhung der Direktstrahlung auf die Modulfläche bei. Letztendlich sorgt ein konstanter Windstrom, der zur Kühlung der Module beiträgt, für das Erreichen einer Spitzenenergieausbeute.

• Höhe des Tagesbogen

Die Höhe des Tagbogens nimmt im Sommer zu, je näher eine Anlage in Richtung der Pole installiert ist. Umgekehrt bedeutet dies, dass die Unterschiede der Tageserträge in Richtung Äquator über das Jahr gesehen abnehmen. In Deutschland beträgt der max. Unterschied der Tageslängen 1:23h, gemessen zwischen dem nördlichsten (List) und südlichsten (Haldenwanger Eck) Punkt an den Tagen der Sommersonnenwende und Wintersonnenwende.

Kilowatt peak beschreibt die Nennleistung der Solarmodule der Anlage bei definierten Testbedingungen. Sie entsprechen maximaler bzw. idealer Sonneneinstrahlung, die jedoch nur selten erreicht wird. Für 1 kW_p sind je nach Art und Wirkungsgrad der Solarzellen 7 bis 10 m² Modulfläche nötig.

Vor allem in den letzten sonnenreichen Jahren gab es in Süddeutschland durchaus Erträge über 1200 kWh pro Jahr und installiertem kW_peak, dies entspricht einer mittleren Leistung von rund 14 % bezogen auf die kW_peak Angabe. Betrachtungen zum Flächenbedarf von Photovoltaikanlagen sind im Kapitel „Potenzial“ des Artikels Photovoltaik zu finden. Insbesondere die höheren Werte sind jedoch nur in guten Lagen (vorwiegend Süddeutschland beziehungsweise Gebirgslagen, sowie auf Rügen) bei Freiflächen- und Dachanlagen zu erzielen. Je nach den lokalen Klimaverhältnissen kann der Wert auch etwas darüber oder darunter liegen und von Jahr zu Jahr abhängig vom Wetter bis zu 20 Prozent von den Vorjahresergebnissen abweichen. Auch eine Verschattung von Modulen oder auch nur Teilen von Modulen zum Beispiel durch Fahnenmasten, Bäume, Nachbarbebauung oder ähnliches kann zu erheblichen Ertragseinbußen führen. Weitere Verluste liegen in der Verkabelung, zu dünne Querschnitte oder lange Kabelstrecken mindern den Ertrag einer Anlage deutlich. Man kann fertig installierte Strings mit Hilfe von sogenannten Kennlinien-Messgeräten oder -Analysatoren (TRI-KA, PVPM) messen. Teilweise sind die Erträge von Anlagen im Internet direkt einzusehen (siehe Weblinks). Des Weiteren gibt es zahlreiche Hersteller von PV-Simulationsprogrammen, die Erträge vor der Anlagenmontage berechnen können.

Der Gesamtwirkungsgrad einer Anlage ist abhängig von den verwendeten Komponenten. Die Kernkomponenten bilden dabei die Solarzellen und die Wechselrichter. Speziell letztere haben mit dem durch staatliche Förderung (EEG) verstärkten Ausbau der Photovoltaik Verbesserungen im Wirkungsgrad und in der Zuverlässigkeit erfahren.

• Anzahl der PV-Anlagen nach BNetzA
• 

  Anzahl der in Deutschland installierten Photovoltaikanlagen nach Leistung

Verschmutzung und Reinigung

Wie auf jeder Oberfläche im Freien (vergleichbar mit Fenstern, Wänden, Dächern, Auto, etc.), können sich auch auf Photovoltaikanlagen unterschiedliche Stoffe absetzen. Dazu gehören beispielsweise Blätter und Nadeln, klebrige organische Sekrete von Läusen, Pollen und Samen, Ruß aus Heizungen und Motoren, Staub und organische Substanzen aus Stallablüftungen (aus der Landwirtschaft im allgemeinen), Futtermittelstäube aus der Landwirtschaft, Wachstum von Pionierpflanzen wie Flechten, Algen und Moosen sowie Vogelkot. Die „Selbstreinigung“ der Module (durch Regen und Schnee) reicht oftmals nicht aus, um die Anlage über Jahre bzw. Jahrzehnte sauber zu halten. Durch Ablagerung von Schmutz auf der Photovoltaikanlage gelangt weniger Sonnenenergie in das Modul. Die Verschmutzung wirkt wie eine Verschattung und ein Ertragsverlust ist die Folge.^[2] Dieser Ertragsverlust kann bei Anlagen mit extremen Verschmutzungen (z. B. Stallabluft) bis zu 30 % und mehr betragen. Im bundesdeutschen Durchschnitt wird von einem schmutzbedingten Ertragsverlust von 6–8 % ausgegangen.^[3][4] Um gleich bleibende Erträge zu sichern, müssten eine Vielzahl von Anlagen regelmäßig auf Verschmutzung hin kontrolliert und, falls notwendig, gereinigt werden. Stand der Technik ist die Verwendung von vollentsalztem Wasser (Demineralisiertes Wasser) um Kalkflecken zu vermeiden. Als weiteres Hilfsmittel kommen bei der Reinigung wasserführende Teleskopstangen zum Einsatz. Die Reinigung sollte schonend durchgeführt werden, um die Moduloberfläche – etwa durch die Verwendung von kratzenden Reinigungsgeräten – nicht zu beschädigen. Zudem sollten Module überhaupt nicht und Dächer nur unter entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen betreten werden.

Blitzschlag

Eine Photovoltaikanlage muss bei bestehendem Blitzschutz des Gebäudes in die Blitzschutzanlage integriert werden.

Beim äußeren Blitzschutz ist Folgendes zu berücksichtigen:

• Da Module, Halterung sowie etwaige Kabelrinnen elektrisch leitfähig sind, müssen sie im Trennungsabstand zu den Betriebsmitteln des Blitzschutzes installiert werden.
• Fangstangen oder Ähnliches können zu Schattenwurf und somit zu Ertragsminderung der PV-Anlage führen. Dies erschwert die Planung eines äußeren Blitzschutzkonzeptes.

Ist die PV-Anlage selbst Teil des Blitzschutzes oder lässt sich die Trennung zum äußeren Blitzschutz nicht vermeiden, ist folgendes beim Anbringen des inneren Blitzschutzes zu beachten:

• DC-Leitungen vom PV-Generator, welche die Gebäudehülle durchdringen, benötigen einen gleichstromfähigen Ableiter am Durchdringungspunkt. Da im Auslösefall der PV-Generator unter Spannung stehen kann (üblicherweise während des Tages, wenn die Sonne scheint), würde der Gleichstrom einen stehenbleibenden Lichtbogen in der Funkenstrecke des Ableiter verursachen. Dies kann zu einem Brand führen.

Um einen indirekten Blitzschaden der Anlage zu vermeiden, gilt der Grundsatz der Vermeidung von großen aufgespannten Flächen (siehe Elektromagnetische Induktion), das heißt die Leitungsführung von plus und minus sollte soweit möglich parallel sein.

Gefahren durch eine Photovoltaikanlage

Wie bei jeder baulichen Anlage bringt der Aufbau, Betrieb sowie der Rückbau Gefahren mit sich. Diese unterscheiden sich aber nicht von denen andere Anlagen des Hoch- bzw. Tiefbaus (z. B. Kabelschächte bei Freilandanlagen).

Eigenheiten sind jedoch bei folgenden Gefahren zu beachten:

Brandgefahr

Treten hohe Übergangswiderstände in Teilen der PV-Anlage (z. B. Module, Steckkontakten, Verteilern, …) auf, kann es zu Schwelbränden kommen. Auch bei Bränden, die nicht durch die PV-Anlage verursacht wurden, kann sie Einfluss auf die Löscharbeiten haben. Die Besonderheit bei der Löschung besteht darin, dass die Anlage selbst dann noch unter Spannung steht, wenn sie abgeschaltet ist, da die Module selbst die Spannungsquellen sind.

In Deutschland sind seit 1. Juni 2006 Lasttrennschalter im Wechselrichter und Generatoranschlusskasten gesetzlich vorgeschrieben, jedoch gibt es keine staatliche Vorgabe, die Module selbst spannungsfrei zu schalten.^[5]

2010 wurden vom Deutschen Feuerwehrverband Handlungsempfehlungen herausgegeben, die speziell auf Photovoltaikanlagen eingehen und die Mindestabstände, wie sie auch bei allen anderen elektrischen Niederspannungsanlagen einzuhalten sind, erläutern.^[6] In einem Positionspapier wird zudem von der Industrie eine bessere Abschaltvorrichtung für Photovoltaikanlagen gefordert.^[7] Das Vorgehen im Brandfall wird in der VDE 0132 „Brandbekämpfung im Bereich elektrischer Anlagen“ geregelt.^[8] Für die Feuerwehren werden spezielle Schulungen zum Brandschutz^[9] durchgeführt.

Infolge der Gefährdung der Feuerwehrleute haben diese sich bereits geweigert,^[10] Gebäude mit Solaranlagen zu löschen, weil das Löschwasser unter Strom stehen kann.^[11] Wenn das Dach vollständig mit Photovoltaikzellen bedeckt ist, kann durch das Dach kein Löschversuch unternommen werden.

In den Fokus rückte die Brandproblematik ab ca. 2003, als von Installateuren immer wieder über verschmorte Anschlussdosen berichtet wurde, ohne dass die Solarindustrie Maßnahmen zur Abstellung dieser Serienfehler ergriffen hätte.^[12]

Ein spektakuläres Beispiel ist die Photovoltaikanlage Bürstadt, die am Sonntag, dem 28. Juni 2009 teilweise in Brand geriet.^[13]

Elektrischer Schlag

Grundsätzlich steht ein PV-Generator unter Spannung, selbst wenn die Anlage nicht im Betrieb ist (vergleichbar mit einer Batterieanlage). Die Installation bzw. Wartung einer Solaranlage kann das Arbeiten unter Spannung beinhalten. Dabei ist auch Fachwissen über hohe Gleichspannungen, wie sie auch in Batterieanlagen vorkommen können, notwendig.

Bei kleinen netzfernen PV-Anlagen ist die Schutzkleinspannung eine geeignete Schutzart gegen gefährliche Körperströme. Um die Schutzkleinspannung zu erreichen, werden Module parallel geschaltet. Dies führt jedoch zu proportional höheren Strömen. Diese Möglichkeit der Energieübertragung bei größeren Anlagen zur Netzeinspeisung würde zu großen Verlusten in den Leitungen bzw. unverhältnismäßig dicken Leitungsquerschnitten führen. Somit ist die Schutzklasse bei netzgekoppelten PV-Anlagen nicht praktikabel.

Normung

Photovoltaikanlage auf der Berliner Genezarethkirche

Mit zunehmender Verbreitung der Photovoltaik und Einbindung in bestehende Strukturen und Techniken der Energieversorgung und -verteilung verstärkt sich der Bedarf an allgemeinen Normen und Festlegungen für photovoltaische Komponenten und Systeme.

Die Normen werden bei der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) erarbeitet und vom Europäischen Komitee für Elektrotechnische Normung (CENELEC) als Europäische Norm übernommen. Die DKE implementiert sie in das Deutsche Normenwerk mit Normprojekten beispielsweise zu: Solarzellen, Solarscheiben, Verifizierung von Simulationsprogrammen (Testdatensätze), Steckverbinder für PV-Systeme, Photovoltaik im Bauwesen, Gesamtwirkungsgrad von Wechselrichtern, Datenblattangaben für Wechselrichter. Außerdem bestehen Normen für die Bereiche: Messverfahren, Anforderungen an die Konstruktion von PV-Produkten, Prüfabläufe für Zulassungsprüfungen, Anforderungen an die elektrische Sicherheit.

Der Verband der Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik gibt durch seine DIN-Normen einzuhaltende Vorschriften für die Errichtung von Photovoltaikanlagen vor.^[14]

Rekorde

• Das Unternehmen Acciona Energy hat ein Solar-Kraftwerk mit einer Photovoltaik-Spitzenleistung von 46 Megawatt (MW) in Amareleja (Moura, Portugal) in Betrieb genommen. In diese Anlage wurden rund 261 Millionen Euro investiert.^[15]

• Im Dezember 2008 wurde eine 40 Megawatt-Photovoltaikanlage im Energiepark Waldpolenz auf einem ehemaligen Militärflugplatz in den Gemeinden Bennewitz und Brandis (bei Leipzig) fertig gestellt. Sie war damals die drittgrößte Photovoltaik-Anlage der Welt.^[16] Das Investitionsvolumen lag bei etwa 130 Millionen Euro.

• Seit September 2011 beherbergt Brandenburg den bisher größten Solarkomplex der Welt. Die aus 330 kristallinen Solarmodulen bestehende Anlage Senftenberg II/III steht auf 200 Hektar eines ehemaligen Tagebaus und hat eine Gesamtleistung von 166 Megawatt (MW).^[17]

• Weitere Rekorde in der englischsprachigen Wikipedia.^[18]

Siehe auch

• Solarstrom
• Solarzelle
• Solarfahrzeug, Solarflugzeug
• Bürgersolaranlage

Literatur

• H. Häberlin: Photovoltaik – Strom aus Sonnenlicht für Verbundnetz und Inselanlagen. 1. Auflage. VDE Verlag, Berlin 2007, ISBN 3-8007-3003-0
• Ralf Haselhuhn: Photovoltaik – Gebäude liefern Strom. Ein BINE-Informationspaket. TÜV-Verlag, Köln 2004. ISBN 3-8249-0854-9
• Thomas Seltmann: Photovoltaik: Strom ohne Ende – Netzgekoppelte Solarstromanlagen optimal bauen und nutzen. Beuth Verlag (vormals Solarpraxis), Berlin 2009 (4. Auflage), ISBN 978-3-410-20033-8 (die erste Auflage 2000 war Solarbuch des Jahres 2002 bei solarserver.de)
• Ralf Haselhuhn, Claudia Hemmerle u. a.: Photovoltaische Anlagen – Leitfaden für Elektriker, Dachdecker, Fachplaner, Architekten und Bauherren. 3. Aufl., Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie e. V., Berlin 2008, ISBN 3-00-023734-8
• DIN VDE 0100-712 (VDE 0100-712):2006-06 Errichten von Niederspannungsanlagen -Teil 7-712: Anforderungen für Betriebsstätten, Räume und Anlagen besonderer Art -Solar-Photovoltaik ( PV) Stromversorgungssysteme (IEC 60364-7-712: 2002, modifiziert); Deutsche Übernahme HD 60364-7-712: 2005 + Corrigendum: 2006 VDE-Verlag, Berlin 2006.
• Hans-Günther Wagemann, Heinz Eschrich: Photovoltaik – Solarstrahlung und Halbleitereigenschaften, Solarzellenkonzepte und Aufgaben. Vieweg+Teubner, GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2010 (2. Auflage), ISBN 978-3-8348-0637-6

Weblinks

 Commons: Photovoltaic system – Album mit Bildern und/oder Videos und Audiodateien

• Photovoltaik – Innovationen bei Solarzellen und Modulen Themeninfo von BINE Informationsdienst – Energieforschung für die Praxis gefördert vom BMWi
• Städte mit Solarkataster im Portal für energieffizentes Bauen und Sanieren
• Photovoltaikanlagen und Brandgefahr, im Ernstfall immer die Feuerwehr
• Photovoltaikanlagen als Gefahr im Brandfall

Einzelnachweise

1. ↑ Solarpark Lieberose – Modellprojekt der ökologischen Nutzung ehemaliger Militärflächen.
2. ↑ Häberlin, Prof. Dr. H. und Renken, Ch. (1999): Allmähliche Reduktion des Energieertrags netzgekoppelter Photovoltaikanlagen infolge permanenter Verschmutzung..(PDF 551KB) Veröffentlichung zum 14. Symposium Photovoltaische Solarenergie März 1999, abgerufen am 23. Mai 2010.
3. ↑ Boie, Johannes (2009): Ein Strahlemann für die Sonne.In: Süddeutsche Zeitung, München, Wirtschaft (vom 1. Oktober 2009)
4. ↑ "suncleX.com: [1], abgerufen am 22. Mai 2010.
5. ↑ Gut zu wissen... Die Photovoltaik Anlage, abgerufen am 5. März 2011
6. ↑ Informationsportal Photovoltaik-Anlagen, Deutscher Feuerwehrverband
7. ↑ „Feuerwehr fordert Abschaltmechanismus bei PV-Anlagen“, DFV – Positionspapier, 8. Nov. 2010
8. ↑ Brandbekämpfung im Bereich elektrischer Anlagen (VDE 0132), Walter Kathrein, vom 14. Mai 2009, abgerufen 5. März 2011
9. ↑ Brandfalle Photovoltaik-Anlage
10. ↑ Feuerwehren wollen Gebäude mit Solaranlagen nicht mehr löschen
11. ↑ Löschwasser unter Strom
12. ↑ BP: Brand von Solarmodulen als Image-Katastrophe. In: Die Presse
13. ↑ Wie gefährlich sind Photovoltaik-Anlagen?. In: Die Welt
14. ↑ VDE Bestimmungen, Beitrag von ARCHmatic
15. ↑ ACCIONA nimmt größtes Photovoltaik-Kraftwerk der Welt in Portugal in Betrieb. auf solarserver.de
16. ↑ Deutschlands größte Photovoltaik-Kraftwerke sind komplett am Netz. auf solarserver.de
17. ↑ http://www.stromvergleich.de/stromnachrichten/4658-groesster-solarkomplex-der-welt-bei-senftenberg-10-10-2011
18. ↑ List of largest power stations in the world in der englischsprachigen Wikipedia