Photovoltaik Aufbau – 11 Bestandteile

In diesem Artikel geht es um den Photovoltaik-Aufbau. Am Ende wissen Sie genau, welche Teile für eine funktionale Solaranlage benötigt werden. 

Jede Photovoltaikanlage ist aus mehreren Komponenten aufgebaut. Die 2 wichtigsten Bestandteile sind Photovoltaikmodule und Wechselrichter, welcher den ankommenden Solarstrom in Wechselstrom umwandelt (Wirkungsgrad ca. 98 %). Die Unterkonstruktion verankert die PV-Anlage mit dem Hausdach. Die elektrische Energie wird durch Solarkabel mit einem Querschnitt von 4-6 mm geleitet.

Bevor wir uns die einzelnen Photovoltaik Komponenten anschauen, gibt es wichtige Photovoltaik-Schaubilder, die den Aufbau der Photovoltaikanlage darstellen.

Photovoltaik Schema

Das Schema zeigt die Stromflüsse einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage.

Aufbau Photovoltaikmodul

Auf der Rückseite liegt auch die Anschlussdose mit zwei Solarkabeln. Um den Rand gibt es einen Aluminiumrahmen, welcher die Stabilität vom Modul gewährleistet

Solarzelle Aufbau

Die 7 Bestandteile vom Aufbau einer Photovoltaikanlage

Schauen wir uns jetzt die essenziellen Bestandteile vom Photovoltaik-Aufbau netzgekoppelter Anlagen an.

Solarmodule

Das Solarmodul oder Photovoltaikmodul ist das wichtigste Teil einer Photovoltaikanlage. Ein modernes Modul hat eine Maximalleistung (angegeben in Wattpeak) von ca. 350 Wp. Dabei benötigt es etwa 1,7 Quadratmeter. Mehr zur PV-Modul Größe erfahren Sie hier.

Ausschlaggebend für die maximale Leistung eines Solarmoduls ist der Wirkungsgrad. Dieser wird durch Forschung und bessere Produktionsprozesse immer besser. Noch vor einigen Jahren schafften gute PV-Module lediglich 230 Wp.

In jedem Solarmodul sind mehrere Solarzellen zusammen geschlossen. Das typische Modul hat 60 Zellen. Im Jahr 2021 werden gehäuft PV-Module mit 120 Halbzellen eingesetzt. Dabei ist eine Solarzelle halb so groß. Durch den verringerten Zellwiderstand kann 4-5 % mehr Strom erzeugt werden.

Es gibt verschiedenen Arten von Solarmodulen, basierend auf unterschiedlichen Technologien der Solarzellen:

Für mehr Hintergrundwissen empfehle ich diesen Artikel über Solarpanele.

Die PV-Anlage besteht aus mehreren PV-Modulen. Diese werden in der Regel in Reihe zusammengeschlossen, doch auch eine Parallelverschaltung ist möglich.

Da die Stromspannung und Stromstärke bestimmte Grenzen nicht überschreiten darf, werden die Photovoltaikmodule in sogenannten Strings (oder Stränge) aufgeteilt. Je nach der Anzahl der Solarmodule werden, bei einem Eigenheim, 1-bis 3 Strings benötigt.

Aus eintreffenden Lichtstrahlen erzeugen die Module elektrischen Strom mit Gleichspannung. Da dieser so nicht genutzt werden kann, wird ein sogenannter Wechselrichter eingesetzt.

Wechselrichter

Der Wechselrichter, ist ein Umrichter und wird auch als AC/AC-Konverter bezeichnet. Der ankommende Solarstrom vom Dach ist für elektrische Verbraucher im Haushalt noch nicht nutzbar.

Der Gleichstrom muss vorher in Wechselspannung umgerichtet werden. Diese Aufgabe wird vom Wechselrichter übernommen. Der Vorgang ist technisch sehr aufwändig, erfolgt aber ohne jede Verzögerung.

Der Wechselrichter muss passend zur Größe der Solaranlage dimensioniert werden. Eine Photovoltaikanlage produziert auch bei Schatten Strom. Allerdings ist der Wirkungsgrad bei geringer Eingangsleistung deutlich schlechter. Ein Sunny Tripower von SMA hat bei minimaler Leistung etwa 10 % weniger Wirkungsgrad, als im optimalen Betrieb.

Der Wechselrichter sollte deshalb nie zu groß sein. Eine leichte Unterdimensionierung ist empfehlenswert.

Wieso das? Einerseits bieten die meisten Wechselrichter eine sehr hohe max. Generatorleistung an. Andererseits müssen Photovoltaikanlagen auf 70 % der Wirkleistung begrenzt werden.

Ein wichtiger Bestandteil vom Wechselrichter sind die MPP-Tracker. Dieser verändert einige Parameter zur Optimierung des Ertrages. Denn je nach Temperatur und Stärke der Solarstrahlung ist der bestmögliche Betriebspunkt unterschiedlich.

Moderne Wechselrichter bieten multiple MPP-Tracker in einem Gerät an. Das ist vorteilhaft, weil unterschiedliche Anlagenteile einzeln behandelt werden. Bei in Reihe geschalteter Module ist der Ertrag der Anlage immer vom schwächsten Glied abhängig. Schatten auf einem Solarmodul beeinflusst den gesamten PV-String negativ. 

Dieses Problem wird mit mehrere MPP-Trackern teilweise behoben. Auch können so mehrere Teilanlagen von verschiedenen Dachflächen zusammengeschlossen werden. Ein einzelner Wechselrichter kann heute ohne Probleme eine Ost-West-Anlage verarbeiten.

Solarkabel

Die Verkabelung gehört zum Aufbau der PV-Anlage dazu. Jedes Solarmodul hat zwei fest integrierter Kabel. Das Pluskabel eines Moduls wird mit dem Minuskabel vom nächsten zusammengeschlossen. So ergibt sich ein String. Am Anfang und am Ende werden die beiden Solarkabel verlängert und vom Dach durch das Haus bis in den Anschlussraum zum Wechselrichter geleitet. Die Kabel werden durch einen Kabelkanal oder Rohr geschützt.

Photovoltaik-Kabel werden am Untergestell an den Schienen mit Kabelbinder befestigt. Es ist wichtig, dass die Solarkabel nicht auf den Dachziegel aufliegen. Die Kabel sind sehr UV-Beständig und Wasserfest, dennoch ist es wichtig, dass diese eine hohe Lebensdauer erreichen. Bei der Verkabelung entstehen die meisten Fehler bei der Installation einer Photovoltaikanlage.

Die PV-Kabel haben nur einen geringen Durchmesser. Das liegt am Gleichstrom, welcher einfach weniger Querschnitt benötigt, als Wechselstrom.

Das abgehende AC-Kabel vom Wechselrichter zum Zähler ist deutlich dicker, dementsprechend auch unhandlicher. 

Unterkonstruktion

Jedes Solardach hat eine Unterkonstruktion zur Befestigung von Modulen. Die PV-Unterkonstruktion muss eine hohe Last tragen können. Neben dem eigentlichen Gewicht der Photovoltaikanlage muss auch die zusätzliche Windlast berücksichtigt werden. Auch die eventuelle Schneelast muss getragen werden können.

Eine Verankerung in die tragenden Dachbalken ist notwendig. Diese halten das Hausdach und können mehr Gewicht meistens ohne Probleme aufnehmen. Eine Überprüfung der Statik ist nicht zwangsweise notwendig, bei alten Dächern oder einem Flachdach aber empfehlenswert.

In die Dachbalken werden Dachhaken mit langen Tellerkopfschrauben (80 - 120mm) aus Edelstahl verschraubt. Bei jedem Haken werden mindestens 2 Schrauben eingesetzt.

Bei einer 10 kWp-Photovoltaikanlage werden 40 bis 80 Dachhaken benötigt. Da der Haken aus dem Dachziegel heraus ragt, muss jeder Dachziegel mit einem Winkelschleifer bearbeitet werden.

Sind alle Haken gesetzt, werden diese mit Aluminiumschienen verbunden. Pro Modulreihe werden zwei Schienen benötigt. Auf den Schienen erfolgt die Befestigung von Modulen mithilfe von speziellen Klemmen. 

Überspannungsschutz

Bevor das Solarkabel zum Photovoltaik-Wechselrichter ankommt, wird dazwischen ein Überspannungsschutz montiert. Dieser ist mittlerweile verpflichtend.

Der Überspannungsschutz verhindert unter anderem den Totalschaden vom Wechselrichter bei Blitzeinschlag. Die Wechselrichter-Hersteller schließen Überspannungsdefekte in den Garantiebedingungen grundsätzlich aus.

Stromzähler

Der erzeugte Strom der Photovoltaikanlage wird zunächst selbst verbraucht. Man spricht dabei von Photovoltaik-Eigenverbrauch. Der Überschuss fließt automatisch ins öffentliche Stromnetz. Der verkaufte Solarstrom wird gemäß der EEG-Einspeisevergütung entlohnt.

Der Netzbetreiber muss ablesen können, wie viel Strom vom Haushalt eingespeist wurde. Dafür benötigt es einen Photovoltaik-Zähler (meist als Zweirichtungszähler), welcher Einkauf und Verkauf von Strom misst. Da dieser Zähler nicht Standard sind, wird der Zähler bei der Inbetriebnahme ausgetauscht.

Anlagenüberwachung (Monitoring)

Wenn Photovoltaikanlagen in Betrieb gehen, müssen diese überwacht werden. Bei jeder technischen Anlage kann es zu Störungen oder Problemen kommen.

Zwar gilt eine Solaranlage als wartungsfrei, dennoch ist ein Ausfall einer Komponente nicht ungewöhnlich. Aufgrund der hohen Lebensdauer der Photovoltaik von 30 bis 40 Jahren, ist das nachvollziehbar.

Egal welche Marke von Wechselrichter ihre Photovoltaikanlage verbaut hat, es ist immer eine Anlagenüberwachung dabei. Um diese nutzen zu können, bedarf es einer Internetverbindung. Die meisten Geräte haben ein WIFI-Modul integriert. Die bessere Lösung ist aber das LAN-Kabel, aufgrund der besseren Verbindung.

Auf einem Online-Monitoring-Portal können Sie die Erträge von PV-Anlagen (fast) live mitverfolgen. Zum Beispiel lässt sich die Tagesproduktion sehen, oder wie viel Solarstrom gerade ins Stromnetz eingespeist wird.

4 optional Photovoltaik-Komponenten

Kommen wir nun zu Bestandteilen von PV-Anlagen, die nicht zwingend erforderlich sind:

Stromspeicher 

Solarstrom muss direkt verbraucht werden, sonst wird dieser ins öffentliche Stromnetz gespeist. Am Abend gibt es kein Sonnenlicht mehr. Solaranlagen produzieren dann keinen Strom, wenn im Haushalt die meiste Energie benötigt wird.

Jedoch gibt es eine Lösung zum Problem: der Stromspeicher. Dieser basiert zu 99,9 % auf einer Batterietechnologie, wobei auch neue Ansätze, wie Salzwasserspeicher oder Redox-Flow-Speicher erprobt werden.

Der Batteriespeicher kann den überschüssigen Solarstrom zwischenspeichern. Typische Speicher haben eine Größe von 6 bis 12 kWh. Das Ziel vom Stromspeicher ist die Zeit zwischen Sonnenuntergang und Sonnenaufgang zu überbrücken. Als Saisonspeicher ist dieser aufgrund von der geringen Kapazität nicht geeignet.

Warum entscheiden sich Anlagenbauer für einen Stromspeicher? Je höher der solare Eigenverbrauch, desto besser die Rendite vom selbst erzeugten Strom. Da der Strompreis von Jahr zu Jahr steigt und der Erlös aus verkauften Strom sinkt, wird dieser Faktor immer wichtiger.

Mit dem Solarspeicher soll dieser Faktor ausgenutzt werden, allerdings ist die positive Wirtschaftlichkeit vom Speicher nicht so einfach zu erzielen.

Batteriewechselrichter

Gespeicherter Strom liegt immer als Gleichstrom vor. Damit dieser genutzt werden kann, muss er wieder in Wechselstrom umgewandelt werden. Auch beim Auffüllen vom Speicher muss eine Umwandlung stattfinden.

Ein typischer AC-Batteriewechselrichter kommt als einzelnes Gerät unabhängig von "normalen" Wechselrichter. Es gibt allerdings auch DC-Speicherlösungen und Hybridwechselrichter, welche nur ein Gerät benötigen. Der Hersteller SMA bietet eine breite Palette von Batteriewechselrichter für Speicher an.

Energy Meter

Zu jedem Stromspeicher gehört ein Energy Meter, ein intelligenter Stromzähler zu für das Energiemanagement. Zu jeder Zeit muss geregelt werden, wohin die elektrische Energie geleitet werden muss.

Solarmodule auf dem Dach erzeugen von Moment zu Moment unterschiedlich viel Energie, da sich die Gegebenheiten ständig verändern. Die Sonne wandert und es gibt einen anderen Auftreffwinkel von den Lichtstrahlen. Wolken ziehen auf und ab.

Der intelligente Stromzähler hat deshalb viel zu tun. Für eine bessere Leitung der Stromflüsse werden auch Wetterprognosen in die Berechnung mit einbezogen.

Wallbox

E-Autos etablieren sich immer mehr. Für Besitzer einer Photovoltaikanlage ist es sinnvoll, das Elektroauto mit dem eigenen Strom zu laden. Die Kosten für den gefahrenen km dürften sehr günstig sein.

Prinzipiell kann das E-Auto auch mit einer gewöhnlichen Schuko-Steckdose, oder einem Starkstromanschluss aufgeladen werden. Doch ist ankommende Leistung statisch und nicht von der Erzeugung des Solarstroms abhängig.

Mit einer Wallbox, wird nur so viel Energie zum Laden aufgebracht, wie aktuell vorhanden. Übrigens kann ein E-Auto eine interessante Alternative zum Speicher sein. Insbesondere, wenn der Weg für bidirektionales Laden geöffnet wird.

So funktioniert eine PV-Anlage

Nachdem wir uns den Aufbau von Photovoltaikanlagen im Detail angeschaut haben, komme  ich nun zur grundsätzlichen Funktionsweise.

Die Photonen der Sonnenenergie treffen als Lichtstrahlen auf die Solarzelle. Elektrischer Strom entsteht aus einem Fluss von Elektronen, das sind negative Ladungsträger. Die Solarzelle besteht aus zwei wichtigen Ebenen. In der untersten Ebene sitzen die Elektronen fest und sind unbeweglich. In der zweiten Ebenen (aus Silizium) können sich diese frei bewegen.

Trifft jetzt Sonnenlicht auf die Zelle werden die Elektronen in die zweite Ebene geschleudert. Ein Strom kann fließen und verbraucht werden.

Bei netzgekoppelten Anlagen wandert der Strom zum nächsten Verbraucher. Dieser kann sich direkt im Haus befinden, oder aber weiter entfernt liegen. Dann kommt das öffentliche Netz zum Einsatz. 

Eine netzgekoppelte Anlage benötigt immer eine Verbindung zum Stromnetz, ansonsten schaltet der Wechselrichter aus und die Photovoltaikanlage liefert keinen Strom mehr.

Bei einer Photovoltaik-Inselanlage ist das etwas anders. Dabei ist die Solaranlage nicht netzgekoppelt, sondern ein in sich geschlossenes System. Zwingend notwendig ist ein Stromspeicher.

Solaranlage Aufbau und Installation

Wie wird eine Solaranlage aufgebaut und installiert? Das erkläre ich jetzt.

Der erste Schritt ist der Kauf der Photovoltaikanlage. Übrigens müssen Sie die Komponenten nicht selbst erwerben. Diese werden vom ausführenden Fachbetrieb mitgeliefert.

Haben sie noch kein kostenloses Photovoltaik-Angebot erhalten? Dann rate ich zu einem von diesen Photovoltaik-Anbietern.

Wenn die Planung gemacht, die Anmeldung beim Netzbetreiber durch ist und die Komponenten geliefert sind, geht es mit der Montage der Photovoltaikanlage los.

Ein Team von Solarteuren besteht aus 2 bis 5 Personen. Zunächst beginnt die Installation auf dem Dach, also der Gleichspannungsseite. Das Dach wird genau ausgemessen (gemäß Planung) und die Dachhaken werden gesetzt. Danach wird das Schienensystem aufgebaut und anschließend in der Höhe ausgerichtet. 

Jetzt wird die Verkabelung gemacht. Die String-Enden werden auf dem Hausdach befestigt und unterhalb der Ziegel durch die Dachhaut ins Haus geleitet. Im Anschlussraum wird der Wechselrichter montiert.

Nun kommen die Solarmodule auf die Unterkonstruktion. Ein Monteur schließt dabei die Kabel zusammen, ein anderer hält das Modul währenddessen. Bei der Montage werden die Solarplatten anhand vom Dachfirst und von den Kanten der Dachziegel ausgerichtet. 

Ist der Wechselstrom-Anschluss gemacht erfolgt der Zählertausch und die Inbetriebnahme. Das kann eine einige Tage oder Wochen dauern, weil manche Netzbetreiber sehr lange Wartezeiten für einen Termin haben. Nur sehr wenige Fachbetriebe haben eine Lizenz zum eigenständigen Stromzählerwechsel.