Zusammensetzung und Anwendung von solaren Photovoltaik-Stromerzeugungssystemen

Eine Solaranlage ist ein Stromerzeugungssystem, das mithilfe einer quadratischen Anordnung von Solarzellen Sonnenstrahlung direkt in elektrische Energie umwandelt. Sie besteht aus der Solarzellenanordnung, einem Laderegler, einem DC/AC-Wechselrichter, den Hilfseinrichtungen der Photovoltaikanlage (Gleichstromverteilungssystem, Wechselstromverteilungssystem, Betriebs- und Überwachungssystem, Blitzschutz- und Erdungssystem) und weiteren Komponenten.

Weltweit gibt es derzeit drei kommerziell erhältliche Silizium-Solarzellentypen: monokristalline Silizium-Solarzellen, polykristalline Silizium-Solarzellen und amorphe Silizium-Solarzellen.

Der photoelektrische Wirkungsgrad von monokristallinen Silizium-Solarzellen ist mit 13 % bis 15 % relativ hoch, allerdings sind die Betriebskosten vergleichsweise hoch. Polykristalline Silizium-Solarzellen erreichen einen Wirkungsgrad von 11 % bis 13 % und sind derzeit die am weitesten verbreitete Bauform. Auch amorphe Silizium-Solarzellen finden breite Anwendung. Batterien sind kostengünstige Dünnschichtbatterien, deren photoelektrischer Wirkungsgrad jedoch relativ gering ist und die nicht so stabil wie die von kristallinen Silizium-Solarzellen sind. Sie werden derzeit hauptsächlich in Geräten mit geringer Lichtintensität eingesetzt, beispielsweise in Uhren und Taschenrechnern.

Eine einzelne Solarzelle kann nur etwa 0.5 V erzeugen, was viel zu wenig für praktische Anwendungen ist.

Um den Anforderungen praktischer Anwendungen gerecht zu werden, müssen die Solarzellen zu Modulen zusammengefasst werden. Ein Modul enthält üblicherweise 36 Solarzellen.

Die physikalische Einheit aus durch Drähte verbundenen Solarzellen wird als Photovoltaikmodul bezeichnet. Es weist gewisse Eigenschaften hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit, Wind- und Regensicherheit auf. Die Vorderseite des Moduls besteht aus einer Glasplatte, die Rückseite aus einer Schicht aus Legierungsplättchen, die in eine Polymerschicht eingebettet ist.

Bei diesem Solarmodul können Batterie und Anschlussdose direkt über Drähte verbunden werden. Mögliche Qualitätsprobleme bestehen in der Abdichtung der Kanten und der Anschlussdose auf der Rückseite des Moduls.

Die Teile werden sich stark erhitzen, das ist der sogenannte „Hot-Spot-Effekt“.

Um zu verhindern, dass das Batteriemodul durch den Hotspot-Effekt beschädigt wird, muss eine Bypass-Diode parallel zwischen den positiven und negativen Polen des Batteriemoduls angeschlossen werden, damit die vom Lichtmodul erzeugte Energie nicht vom abgeschirmten Modul verbraucht wird.

Der Wechselrichter ist ein Gerät, das Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt. Da die Solarzelle Gleichstrom erzeugt und das fertige Photovoltaik-Stromerzeugungssystem an eine Wechselstromlast angeschlossen werden muss, ist der Wechselrichter ein unverzichtbares Bauteil.

Je nach Betriebsart lassen sich Wechselrichter in Inselwechselrichter und netzgekoppelte Wechselrichter unterteilen. Inselwechselrichter versorgen netzunabhängige Solaranlagen mit Strom. Netzgekoppelte Wechselrichter hingegen werden in netzgekoppelten Photovoltaikanlagen eingesetzt und speisen den erzeugten Strom ins Stromnetz ein. Sie wandeln den von der Photovoltaikanlage erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um, der die gleiche Phase wie das Stromnetz aufweist. Bei einem Netzausfall schaltet sich der Wechselrichter ab und trennt die angeschlossenen Verbraucher, um einen Inselbetrieb zu verhindern.

Der Inseleffekt bezeichnet das Phänomen, dass bei Stromausfällen ein an das Stromnetz angeschlossenes Stromerzeugungsgerät aufgrund von Störungen oder Wartungsarbeiten an einigen Leitungen des Stromnetzes zusammen mit den umliegenden Verbrauchern eine autarke Insel bildet.

Bevor die Photovoltaikanlage an das Netz angeschlossen wird, muss ein geeigneter Aufwärtstransformator entsprechend der Spannung der netzgekoppelten Hauptleitung ausgewählt werden, um die 400-V-Wechselstromausgabe des Wechselrichters auf das für den Netzanschluss erforderliche Spannungsniveau von 10 kV, 35 kV oder 110 kV zu erhöhen und so die Bedingungen für den Netzanschluss zu erfüllen.

Wenn die vom Solar-Photovoltaiksystem erzeugte Strommenge ausreicht, speist sie den Strom in das Netz ein, was gemeinhin als „Stromverkauf“ bezeichnet wird; wenn die vom Solar-Photovoltaiksystem erzeugte Strommenge nicht ausreicht, bezieht sie Strom aus dem Netz, was gemeinhin als „Strombezug“ bezeichnet wird.

Die Photovoltaikanlage speist keinen Strom in das öffentliche Stromnetz ein, wenn die erzeugte Energie ausreicht. Reicht die Energieerzeugung der Photovoltaikanlage jedoch nicht aus, wird der Strom an die Verbraucher aus dem öffentlichen Stromnetz geliefert.

Das Photovoltaik-Stromerzeugungssystem besteht aus einem Regler und einem Batteriespeicher. Der Batteriespeicher speichert einen Teil des vom Photovoltaikmodul erzeugten Gleichstroms und erhöht so die Versorgungssicherheit. Der Regler schützt den Batteriespeicher vor Tiefentladung, Überladung, Überstrom und Rückladung. Er verfügt über Funktionen zur Lade- und Entladeverwaltung sowie zur optimalen Laderegelung.

Die Anwendungsbereiche der Solarenergieerzeugung sind ebenfalls sehr breit gefächert. Dank der reichlich vorhandenen Sonneneinstrahlung könnte die Wüste Gobi, wenn dort ein netzgekoppeltes Solarkraftwerk installiert würde, eine beträchtliche Menge Strom erzeugen.

In einigen abgelegenen Gebieten oder auf Inseln, wo kein nationales Stromnetz vorhanden ist, kann eine autarke Photovoltaikanlage ohne den Bau von Übertragungsleitungen installiert werden. Der kurze Zyklus und die geringen Gesamtkosten tragen effektiv zur Lösung des Stromversorgungsproblems in abgelegenen Gebieten bei.