Fotovoltaikkraftwerk

Fotovoltaikkraftwerk
Photovoltaikanlage bei Freiberg (Sachsen)
Fachwerkhaus mit Solardach

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

Inhaltsverzeichnis

Aufbau

Photovoltaikanlage in Berlin-Adlershof
Polykristalline Solarzelle

Eine Photovoltaikanlage besteht aus mehreren Komponenten. Die aus mehreren in Reihe geschalteten Solarzellen aufgebauten Solarmodule empfangen und wandeln die Lichtenergie der Sonne in elektrische Energie in Form von Gleichstrom um. Die Empfängerfläche bildet entweder das Solarmodul selbst oder aber ein optisches System, bei dem Spiegel oder Linsensysteme die Strahlung auf die Solarzellen umleiten und konzentrieren. Eine Konzentration (z. B. mit einer Fresnellinse) findet statt, wenn die Strahlung auf einer Fläche eingesammelt wird, die größer als die Empfängerfläche ist. Dann muss der Spiegel oder das Linsensystem den Strahlengang so ändern, dass die eingefangene Strahlung auf die Empfängerfläche gebündelt wird. Hierbei ist zwar, bei heutigem Stand der Linsentechnik, eine Nachführung nach dem Sonnenstand nötig, es ist jedoch weniger des teureren Halbleitermaterials nötig, als ohne solche Lichtbündelung. Einige Forschungsteams arbeiten bereits daran, die Linsen so zu konstruieren, dass eine Nachführung nach dem Sonnenstand nicht mehr nötig ist.

Die Solarzelle dient als Wandler der Strahlungsenergie durch Ausnutzung des photovoltaischen Effektes. Aufgrund der geringen elektrischen Spannung einer einzelnen Solarzelle (ca. 0,5 Volt) werden mehrere Zellen zu Solarmodulen zusammengefasst. Der Solargenerator besteht aus einem oder mehreren solcher Module.

Die elektrische Energie wird über Kabel dem restlichen System zugeführt. Sie kann dort entweder gespeichert (Inselanlage) oder aber in ein elektrisches Netz, zum Beispiel das öffentliche Stromnetz, eingespeist werden (Hybridanlage, netzgekoppelte Anlage). Abhängig von der Verwendung der Energie besteht der weitere Teil der PV-Anlage aus verschiedenen Komponenten.

Die einzelnen Komponenten einer PV-Anlage müssen entsprechend dem vorliegenden Lastprofil der elektrischen Verbraucher und der jeweils notwendigen Energiespeicher oder der Netzgegebenheiten aufeinander abgestimmt sein, um einen hohen Energieertrag zu gewährleisten.

Inselsystem, Inselanlage

Solarbetriebener Parkscheinautomat in Hannover

Eine Inselanlage hat keine Verbindung zu einem (z.B. dem öffentlichen) Stromnetz. Bei einer photovoltaischen Inselanlage findet meistens eine Pufferung des gewonnenen Stromes in Solarbatterien statt. Am häufigsten werden Bleiakkumulatoren verwendet. Je nach Aufbau der Anlage können nur Gleichstromverbraucher oder mit einem Wechselrichter auch Wechselstromverbraucher oder beide Verbrauchertypen gleichzeitig betrieben werden.

In vielen Kommunen werden z.B. Parkscheinautomaten mit Solar-Inselanlagen betrieben, da diese Form der Energieversorgung billiger ist als die Anschlussverlegung zum öffentlichen Stromnetz. In Wohnmobilen können Solarmodule die Stromversorgung während des Stillstandes übernehmen bzw. ergänzen. Auch Solar-Taschenrechner (ohne Speicherung) stellen ein Inselsystem dar.

Um den Akku vor Überladung zu schützen, ist meist ein Laderegler notwendig. Um schädliche Tiefentladung zu verhindern, ist oft eine Lastabwurfschaltung vorhanden.

Zum Betrieb von Wechselstromverbrauchern (z. B. 230 V-Wasserpumpe) wandelt ein Wechselrichter die Akkuspannung (meist 12 oder 24 V Gleichspannung) in Wechselspannung um. Diese Wechselrichter können nicht mit dem öffentlichen Netzwerk gekoppelt werden, da die Ausgangsspannung solcher Wechselrichter zwar oft eine 50-Hz-Sinuskurve ist, diese jedoch nicht mit der des öffentlichen Stromnetzes synchronisiert ist. Manche Wechselrichter liefern auch nur eine Trapez- oder Rechteckspannung. Zur Netzeinspeisung sind demgegenüber netzgeführte Wechselrichter erforderlich (siehe unten).

In Gegenden mit unsicherer elektrischer Versorgung durch das öffentliche Netz bietet es sich an, eine normalerweise netzbetriebene Anlage bei Stromausfall mit Solarstrom zu betreiben – fällt das Netz aus, so wird die Anlage automatisch oder manuell in den Inselbetrieb umgeschaltet. Hierzu ist ein spezieller Wechselrichter oder aber ein ständiger Betrieb über die Gleichstrom-Zwischenschiene des Akkumulators mithilfe eines Gleich- und eines Wechselrichters notwendig.

Inselanlagen können auch weitere Formen der Energieerzeugung einbeziehen. So werden häufig kleine Windgeneratoren oder Diesel-Stromaggregate zur Erhöhung der Versorgungssicherheit eingesetzt.

Raumstation ISS mit gut sichtbaren Solarmodulen – fotografiert vom Space Shuttle Discovery während STS-114 (August 2005)

Raumfahrt

Wesentliche Entwicklungsschübe erhielt und erhält die Photovoltaik aus der Raumfahrt. Während die ersten künstlichen Erdsatelliten nur Batterien mitführten, wurden schon bald Solarzellen zur Energieversorgung eingesetzt und stellten die ersten Anwendungen der Photovoltaik überhaupt dar - bei Raumfahrzeugen spielten die anfangs sehr hohen Kosten der Solarzellen keine Rolle.

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

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

Hybridsystem oder -anlage

Bei einem Hybridsystem handelt es sich ebenfalls um eine Inselanlage, wobei zur elektrischen Versorgung mehrere verschiedenartige Generatoren vorhanden sind. So ist zum Beispiel die Kombination einer PV-Anlage mit einem Dieselgenerator und Akkumulatoren eine in der Praxis häufiger vorkommende Kombination. Es können aber auch andere Generatoren wie Windkraftanlagen, Biogas-Anlagen usw. in Kombination mit einer PV-Anlage betrieben werden.

Bei Inselanlagen mit normalerweise begrenzter Energielieferkapazität spielt das Lastmanagement eine entscheidende Rolle. Es dürfen nie zu viele Verbraucher im Netz vorhanden sein, da dieses sonst zusammenbricht (Netzüberlastung, Stromausfall). Es muss gleichfalls eine sichere Abnahme der generierten Energie möglich sein, da es sonst zum Beispiel zu Spannungsüberhöhungen und damit verbunden zur Zerstörung von elektrischen Verbrauchern kommen kann. Hier kann ein Pufferakku dazu dienen, überschüssige Kapazitäten zu speichern und diese in Zeiten höheren Bedarfs wieder abzugeben.

Inselnetze haben ähnliche Probleme wie große öffentliche Netze, wobei hier häufig nicht die garantierte Versorgungssicherheit für alle angestrebt wird, sondern zum Beispiel in einem Krankenhaus vor allem die wichtigsten Funktionen (Operationssäle, lebenserhaltende Maschinen) sichergestellt sein müssen. Weitere Verbraucher können nach verschiedenen Abwägungen ab- oder zugeschaltet werden. Oft spielen hier auch soziale Probleme eine Rolle (Prioritäten, wenn zu wenig Leistung zur Verfügung steht).

Siehe auch: Hybridkraftwerk Pellworm

Netzgekoppelte Anlage

Schaltungskonzept.
Photovoltaikanlage auf Block 103 in Berlin
Photovoltaikanlage auf der Berliner Genezareth-Kirche

Eine netzgekoppelte Anlage ist an einem großen eigenständigen Netz (typischerweise am öffentlichen Stromnetz) angeschlossen und speist die elektrische Energie dort ein. Diesen Betrieb nennt man auch Netzparallelbetrieb.

Die Einspeisung der Solarenergie in das Stromnetz erfordert nicht nur die Wandlung des Gleichstroms in Wechselstrom durch einen Wechselrichter, sondern dessen Synchronisation. Solche Wechselrichter nennt man netzgeführt. Die Anlage bzw. der netzgeführte Wechselrichter muss weiterhin die Aufnahmefähigkeit des Netzes überwachen, sodass keine Überspannungen entstehen.
In einigen Europäischen Ländern wird auf der Netzseite eine so genannte ENS benötigt, die den Wechselrichter bei einer unkontrollierten Inselbildung abschaltet. Eine ENS ist nur ausreichend bei Anlagen bis zu einer Nennleistung von 30 kWp. Für Leistungen über 30 kWp ist eine Frequenz- und Spannungsüberwachung mit allpoliger Abschaltung vorgeschrieben.

Der Wechselrichter hat bestimmte Eingangskenngrößen auf der Gleichstromseite, die durch gezielte Verschaltung der Solarmodule zu einzelnen Strängen und eine eventuelle Parallelschaltung der Stränge erreicht werden. In vielen Fällen ist hierzu eine Unterverteilung nötig, die Generatoranschlusskasten oder auch Photovoltaikverteiler genannt wird. Von der Gleichstromseite aus gesehen vor dem Wechselrichter wird eine Freischaltstelle eingebaut, die oft in den Photovoltaikverteiler integriert ist. Sie dient der Trennung des Wechselrichters vom Solargenerator.

Vom Wechselrichter in Richtung öffentliches Stromnetz gibt es ebenfalls einen Schalter, so dass der Wechselrichter zum Beispiel zu Wartungsarbeiten sowohl gleichstrom- als auch wechselstromseitig freigeschaltet werden kann. Die Wechselstromseite führt in der Regel über einen Energiezähler in das öffentliche Netz. Mit Hilfe des Zählers wird die Vergütung mit dem örtlichen Netzbetreiber geregelt.

Eine Ausnahme, die keine Wandlung erfordert, ist 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.

Ertrag einer Solarstromanlage

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

In Deutschland kann ein mittlerer Energieertrag von etwa 650 bis 1150 kWh pro kWpeak (kWp) installierter Leistung der Anlage und Jahr erwartet werden. Kilowatt peak beschreibt die Nennleistung der Anlage bei maximaler bzw. idealer Sonneneinstrahlung, die jedoch nur selten erreicht wird.
Vor allem in den letzten sonnenreichen Jahren gab es in Süddeutschland durchaus Erträge über 1200 kWh pro Jahr und installiertem kWpeak. 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) 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.

Normung

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 z. B. Normprojekten 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.

Rekorde

Göttelborner PV-Anlage, fotografiert vom Fördergerüst Schacht IV. Im Hintergrund: Kohlekraftwerk Weiher III
  • 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 größte Anlage ihrer Art weltweit wurden rund 261 Millionen Euro investiert. [1]
  • Im Dezember 2008 wurde eine 40 Megawatt-Photovoltaikanlage im Energiepark Waldpolenz auf einem ehemaligen Militärflughafen in den Gemeinden Bennewitz und Brandis (bei Leipzig) fertig gestellt. Sie ist damit die drittgrößte Photovoltaik-Anlage der Welt [2]. Das Investitionsvolumen lag bei etwa 130 Mio. Euro.

Siehe auch

Literatur

  • Volker Quaschning: Erneuerbare Energien und Klimaschutz. Hanser Verlag, München, 1. Auflage 2008, ISBN 978-3-446-41444-0
  • H. Häberlin: Photovoltaik - Strom aus Sonnenlicht für Verbundnetz und Inselanlagen VDE Verlag GMBH, Berlin, 1. Auflage 2007, ISBN 978-3-8007-3003-2
  • Volker Quaschning: Regenerative Energiesysteme. Hanser Verlag, München, 5. Auflage 2007, ISBN 3-446-40973-4
  • Ralf Haselhuhn: Photovoltaik - Gebäude liefern Strom. Ein BINE-Informationspaket, TÜV-Verlag, Köln 2004, ISBN 3-8249-0854-9
  • Thomas Seltmann: Photovoltaik: Strom ohne Ende. Solarpraxis-Verlag, Berlin 2005 (erste Auflage 2000 war Solarbuch des Jahres 2002 bei www.solarserver.de, aktualisiert 2004, Ausgabe 2005 vollständig aktualisiert und erweitert), ISBN 3-934595-40-5
  • Ralf Haselhuhn, Claudia Hemmerle et al.: Photovoltaische Anlagen: Leitfaden für Elektriker, Dachdecker, Fachplaner, Architekten und Bauherren. Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie e.V., Berlin 2002, 2. Aufl., ISBN 3-9805738-3-4
  • 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

Weblinks

Quellen

  1. ↑ www.solarserver.de - ACCIONA nimmt größtes Photovoltaik-Kraftwerk der Welt in Portugal in Betrieb
  2. ↑ www.solarserver.de - Deutschlands größte Photovoltaik-Kraftwerke sind komplett am Netz

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