PV-Grundlagenwissen - schneller und einfacher Einstieg in die Photovoltaik

09. November 2023

Photovoltaik 1x1 – alles Wichtige über die Solarstrom-Erzeugung

Die Sonnenenergie für die eigene Stromerzeugung zu nutzen, klingt nicht nur gut, sondern ist unter verschiedensten Gesichtspunkten eine attraktive Investition. Und es bewegt sich viel im Photovoltaik-Bereich. Neue Entwicklungen machen Solarzellen noch effizienter, innovative Solarmodule machen Stromproduktionen möglich, die vor Jahren undenkbar waren, und letztlich gibt es zahlreiche finanzielle Unterstützungen, die die anfänglichen Anschaffungskosten leichter stemmen lassen.

In diesem Beitrag klären unsere PV-Experten über das Thema Photovoltaik auf. Alles, was Sie als Solareinsteiger zu dem Thema wissen müssen, erfahren Sie hier:

» Aus welchen Komponenten setzt sich die Anlage zusammen?

Das und vieles mehr erwartet Sie in unserem kurz zusammengefassten Grundlagenwissen zu Photovoltaik.

Diese Vorteile bringt Photovoltaik

Der größte Vorteil von Photovoltaik ist eindeutig: Die Sonne ist eine unerschöpfliche Energiequelle, die uns tagtäglich mit Energie und Wärme versorgt – und das vollkommen emissions- und kostenfrei. Damit ist die solare Stromerzeugung eine der Schlüsseltechnologien der Zukunft.

Wobei die Motivation, sich eine eigene Solaranlage anzuschaffen, sehr individuell sein kann. Für die einen stehen die Einsparungen der eigenen Stromkosten im Vordergrund, andere sehen in der Solaranlage eine zusätzliche Einkommensquelle und wieder andere möchten ihren Beitrag zum Klimaschutz leisten.

Und in der Tat profitieren Solaranlagen-Besitzer von vielen interessanten Vorteilen, die wir hier kurz zusammenfassen.

Das sind die Vorteile einer Photovoltaik-Anlage:

» Durch smarte Sektorenkopplung kann ein E-Auto geladen werden oder per Heizstab Wasser erwärmt werden.

Was ist Photovoltaik?

Photovoltaik wandelt Sonnenenergie in elektrische Energie um. Dafür wird das Sonnenlicht in den Solarzellen aufgenommen, die sich in Solarmodulen befinden. In den Solarzellen wird durch einen photoelektrischen Effekt Gleichstrom (DC) erzeugt. Dieser wird durch eine entsprechende Verkabelung an einen Wechselrichter weitergeleitet. Dieser wandelt dann den Gleichstrom in Wechselstrom (AC) um und damit wird der gewonnene Solarstrom für elektrische Haushaltsgeräte nutzbar gemacht.

Wie funktioniert Photovoltaik?

Für die Umwandlung von Licht in Strom werden Photovoltaikzellen bzw. Solarzellen genutzt. Das sind kleine elektrische Bauelemente (Halbleiterdioden). Sie bestehen aus Halbleitermaterial (hauptsächlich Silizium – Quarzsand) und in einer Solarzelle befinden sich zwei Halbleiterschichten.

Die elektrische Spannung einer Solarzelle ist jedoch gering, sodass die Zellen zu einem Solarpanel zusammengefasst werden. Durch das reihenweise Verschalten der Zellen werden dann nutzbare Spannungen erzeugt und der Strom fließt über kleine Plättchen aus Silber oder Aluminium an der Zelle, die mit Kabeln verbunden sind.   

Dieses Potenzial bietet uns die Sonne

Die Sonnenenergie, die uns durch Sonnenstrahlen jeden Tag zur Verfügung steht, deckt den Energiebedarf der gesamten Weltbevölkerung um ein Vielfaches. Nach Angaben der Internationalen Energieagentur (IEA) strahlt die Sonne mehr als 120.000 Terawatt auf die Erdoberfläche. Diese auf der Erde auftreffende Sonneneinstrahlung wird Globalstrahlung genannt.  

Wie viel Strom durch die Sonneneinstrahlung dann aber tatsächlich in einer Solaranlage in Deutschland erzeugt werden kann, ist nur bis zu einem gewissen Grad standortabhängig. Denn grundsätzlich lassen sich Solaranlagen im gesamten Bundesgebiet mit Gewinn betreiben und es können mit Werten um 1.000 kWh pro kWp jährlich gerechnet werden. Damit bietet das gemäßigte Klima in Deutschland gute Voraussetzungen für Solaranlagen.

Sonneneinstrahlung – direktes und indirektes Sonnenlicht

Neben der Leistung der PV-Anlage entscheidet die Sonneneinstrahlung (Globalstrahlung) über Ertrag und Gewinn. Dabei lässt sich die Globalstrahlung in Direktstrahlung und Diffusstrahlung unterscheiden:

Das Sonnenlicht erreicht die Erdoberfläche direkt – wie es an klaren, sonnigen Tagen der Fall ist.

Das Sonnenlicht wird durch Wolken, Nebel gestreut – wie es an bewölkten, regnerischen Tagen der Fall ist.

Auch an bedeckten Tagen können moderne Solarmodule ertragreich arbeiten. Zudem werden Solarpaneele in einem schrägen Winkel montiert, um die Ausbeute zu maximieren. Ausschlaggebend für einen hohen Ertrag der PV-Anlage ist der Einsatz moderner PV-Technologien. Dann kann eine optimal geplante und eingerichtete Anlage in Kiel einen ebenso hohen oder sogar höheren Ertrag bringen wie eine schlecht geplante und eingestellte Anlage in Freiburg.

Eine genaue Auskunft über die Globalstrahlung in Ihrer Region gibt beispielsweise das „Photovoltaic Geographical Information System“ der Europäischen Kommission (PVGIS). Hier können Sie erfahren, wie viele Kilowattstunden Solarstrom Sie pro installiertem Kilowatt Peak erzeugen können bei einer optimal ausgerichteten Anlage.   

Voraussetzungen, Planung und rechtliche Fragen zu Photovoltaik-Anlagen

Von der Idee bis zur fertig installierten Solaranlage – auf diesem Weg gibt es einiges zu beachten. Daher ist es empfehlenswert, sich bereits im Vorfeld möglichst umfassend zu informieren. So sichern Sie sich ab, dass Ihre PV-Anlage dann auch die Resultate erzielt, die Sie sich wünschen.

Zunächst sollten Sie prüfen, ob die Voraussetzungen erfüllt werden, um eine Solaranlage überhaupt installieren zu können. Hier können auch rechtliche Aspekte mit hereinspielen, die Sie vorab klären sollten. Abschließend geht es dann in die konkrete Planung Ihrer Anlage.

Welche Voraussetzungen sollten für eine PV-Anlage erfüllt werden?

Grundsätzlich können Solaranlagen auf Schräg- sowie Flachdächern installiert werden und sogar an Fassaden. Bei Schrägdächern wird die PV-Anlage mit einem Gestell auf dem Dach angebracht. Dann spricht man von einer Auf-Dach-Anlage.

Dahingegen werden die Solarmodule auf Flachdächern aufgeständert. Dafür wird ein Gestell auf dem Dach aufgebracht, auf das die PV-Module montiert werden. Das Gestell verfügt über eine gewisse Schräge, die den zuvor optimalen errechneten Ertrag sichert. Ebenfalls können Solaranlagen an Fassaden montiert werden und auch auf Freiflächen.

In der Regel werden jedoch Dachkonstruktionen bevorzugt und dafür müssen einige Voraussetzungen erfüllt sein:

» Die Dachkonstruktion muss über eine ausreichende Tragfähigkeit verfügen.

Für den Solarstromertrag spielt auch die Ausrichtung eine Rolle. So liefert eine Süd-Ausrichtung höhere Leistungsspitzen und eine Ost-West-Ausrichtung eine über den Tag verteilte Stromerzeugung. Auch bei Nord-Ausrichtung lassen sich dank Solarmodulen mit einem guten Schwachlichtverhalten Solarerträge erzielen.

Rechtliche Aspekte einer PV-Anlage – Genehmigungen und Anmeldungen

Zwar sind grundsätzlich gebäudeabhängige Photovoltaik-Anlagen genehmigungsfrei, jedoch gibt es Ausnahmen und dann ist die Einholung einer Baugenehmigung verpflichtend:

PV-Anlagen auf oder an denkmalgeschützten Gebäuden sind grundsätzlich genehmigungspflichtig.

Gebäudegruppen können räumlich und architektonisch dem Ensembleschutz unterliegen und eine PV-Anlage ist dann genehmigungspflichtig.

Gebäudeunabhängige Anlagen mit mehr als 3 Metern Höhe und 9 Metern Länge sind genehmigungspflichtig. Weitere Genehmigungspflichten können der Landesbauordnung des jeweiligen Bundeslandes und der Gemeinde entnommen werden.

Ebenso sollten Sie sich über die Meldepflichten bei den örtlichen Behörden und Ihrem Netzbetreiber informieren, da diese je nach Bundesland unterschiedlich geregelt sein können. Grundsätzlich gilt: Netzgekoppelte PV-Anlagen, die ins öffentliche Stromnetz einspeisen, müssen beim Marktstammdatenregister (MaStR) der Bundesnetzagentur und beim örtlichen Netzbetreiber angemeldet werden.

Wer darf eine PV-Anlage installieren?

Grundsätzlich gibt es keine gesetzlichen Vorschriften, dass ein Fachbetrieb mit der Installation einer PV-Anlage beauftragt werden muss. Dennoch gilt nach der Niederspannungsanschlussverordnung, dass elektrische Anlagen hinter dem Netzanschluss des Hauses nur durch einen im Installateur-Verzeichnis des Netzbetreibers eingetragenen Fachbetrieb durchgeführt werden dürfen.

Auch ist eine Photovoltaik-Eigenmontage mit erheblichen Risiken und Gefahren verbunden:

» mögliche Schäden am Gebäude, Dach und Fassade sowie Anlagenkomponenten

Aus diesen Gründen raten wir zur Beauftragung eines Solarteurs oder spezialisierten Elektro-Fachhandwerksbetriebs in Ihrer Nähe, um Ihre PV-Anlage professionell installieren zu lassen.

Eine gute Planung sichert solide Solarerträge in der Zukunft

Um das Beste aus Ihrem eigenen Solarkraftwerk herausholen zu können, sollte die Planung am besten mit erfahrenen Solarteuren oder spezialisierten Elektro-Fachhandwerksbetrieben durchgeführt werden. Zunächst sollte eine Bedarfsanalyse vorgenommen werden. In dieser wird festgelegt, wie viel Solarstrom durch die Anlage erzeugt werden soll. Darauf folgt eine Überprüfung vor Ort, welche Art von Photovoltaik-Anlage installiert werden kann. Dafür wird die lokale Sonneneinstrahlung, die zur Verfügung stehende Fläche sowie die Statik der entsprechenden Gebäudeteile geprüft.

Im nächsten Schritt wird dann entschieden,

» welche Unterkonstruktion sich eignet (sowie deren Befestigung und etwaiger Ballast).

Falls Sie sich unsicher sein sollten, ob die Errichtung einer Photovoltaik-Anlage auf Ihrem Dach möglich ist oder wie sich Ihre Solaranlage zukünftig rechnen wird, dann können Sie diese Informationen beim Solarkataster (Solaratlas) einsehen und sich auch Ihren zukünftigen Ertrag berechnen lassen. Es gibt Solarkataster für jedes Bundesland. 

PV-Technik in der Praxis – aus diesen Komponenten besteht eine Solaranlage

Beide Arten von Photovoltaik-Anlagen bestehen aus Basis-Komponenten, die überhaupt erst die Solarstromerzeugung ermöglichen. Hierzu zählen die Solarmodule mit ihrer Unterkonstruktion, der Wechselrichter und die Solarkabel. Ebenso können weitere Komponenten hinzukommen, die das Messen, Regeln und Steuern der Solaranlage ermöglichen. Und für Anlagenbesitzer, die möglichst viel selbst erzeugten Solarstrom im Eigenverbrauch nutzen möchten, gibt es zusätzlich Stromspeicherlösungen und Energiemanagementsysteme. Hier erklären wir Ihnen kurz, wie diese technischen PV-Komponenten funktionieren.

Solarmodule sind der Hauptbestandteil einer Solaranlage

Photovoltaik-Module setzen sich aus einer Vielzahl an Solarzellen zusammen. Sie wandeln das Sonnenlicht in elektrischen Strom um. Es gibt verschiedene PV-Modularten, die sich in der Farbe, ihren Materialeigenschaften und ihrem Wirkungsgrad unterscheiden.

Es wird in der Regel zwischen diesen Solarmodularten unterschieden:

Sie sind die leistungsstärksten Module pro Quadratmeter Fläche mit einem Wirkungsgrad von über 20 %. Die Zellen in den Modulen werden aus monokristallinem Silizium gefertigt und verfügen deswegen über ein homogenes Kristallgitter. Sie lassen sich leicht an ihrer schwarz-bläulichen Färbung erkennen.  

Im Vergleich sind diese Solarmodule preisgünstig, jedoch erreichen sie nur einen Effizienzwert von bis zu 16 %. Die Zellen der Module werden ebenfalls aus Silizium hergestellt, jedoch ist die Kristallorientierung nicht einheitlich, da mehrere Siliziumkristalle zusammengeschmolzen werden. Diese Module sind blau.

Der Generatoranschlusskasten (GAK)

Der GAK schützt die weiteren PV-Komponenten vor Überspannungen, die etwa durch Blitzeinschläge entstehen können. Dieser Überspannungsschutz ist in Deutschland für jede PV-Anlage verpflichtend.

Der Wechselrichter wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um

In Deutschland wird für die gesamte elektrische Energieversorgung Wechselstrom (AC) genutzt. Da in einer Photovoltaik-Anlage Gleichstrom (DC) erzeugt wird, muss dieser in Wechselstrom umgewandelt werden, damit er im Haushalt genutzt oder in das öffentliche Netz eingespeist werden kann. Diese wichtige Aufgabe übernimmt der Wechselrichter und er trägt maßgeblich zum Wirkungsgrad der gesamten Solaranlage bei. Zur Maximierung der Leistung sind moderne Wechselrichter mit einem MPP-Tracker ausgestattet. Dieser überwacht die Stromerzeugung in den Solarmodulen und sorgt dafür, dass diese möglichst am Leistungsoptimum arbeiten.      

Mit speziellen Solarkabeln wird der kontinuierliche Stromfluss gewährleistet

Innerhalb einer Photovoltaik-Anlage wird zwischen der Gleichstromverkabelung von den Solarmodulen bis zum Wechselrichter unterschieden und der Wechselstromverkabelung von dem Wechselrichter bis zum Einspeisepunkt. Der zu wählende Kabelquerschnitt hängt von der Leistung der Solarmodule und des Wechselrichters ab. Zum Einsatz kommen spezielle Solarkabel, die den besonderen Anforderungen gerecht werden. Sie verfügen über eine hervorragende Isolierung sowie Wetterbeständigkeit und sind zudem halogen- und säurefrei.   

Für netzgekoppelte Solaranlagen wird ein Einspeisezähler benötigt

Sobald selbst erzeugter Solarstrom in das öffentliche Netz eingespeist wird, muss ein zusätzlicher Einspeisenetzzähler installiert werden. Dabei spielt es keine Rolle, ob der gesamte Solarstrom eingespeist wird oder nur ein Teil. Der Einspeisezähler kann sowohl vom Netzbetreiber zur Verfügung gestellt werden gegen Zahlung einer Nutzungsgebühr als auch durch den Betreiber der PV-Anlage gekauft werden. Der Einspeisezähler verfügt über eine Rücklaufsperre und er muss die Vorschriften der „Technischen Anschlussbedingungen 2007 für den Anschluss an das Niederspannungsgesetz“ erfüllen. Mit dem Einspeisezähler haben Anlagenbesitzer Anspruch auf die Zahlung der Einspeisevergütung.

Energiemanagementsysteme optimieren den Eigenverbrauch

Ein digitaler Energiemanager überwacht und optimiert den Eigenverbrauch und dank ihm kann der selbst erzeugte Solarstrom bestmöglich im Haushalt verbraucht werden. Dafür behält er immer im Auge, wie viel Strom gerade erzeugt und wie dieser bestmöglich an die Stromverbraucher im Haushalt verteilt werden kann. Ähnlich wie in einem Smart Home werden dafür die elektronischen Geräte und Steckdosen mit einer Software bzw. App verknüpft. So kann der Energiemanager die Energieflüsse im Alleingang steuern. Und Anwender können dies zusätzlich über die App von dem Tablet oder Smartphone aus kontrollieren und steuern.

Mit einem Stromspeicher lässt sich überschüssiger Solarstrom für die Nacht speichern

Zusätzlich kann der Eigenverbrauch von bis zu 70 % erhöht werden, indem der überschüssige Strom, der während des Tages erzeugt wird, in einem PV-Speicher gespeichert wird. So kann dieser Strom zu einem späteren Zeitpunkt oder in der Nacht genutzt werden. Dafür gibt es verschiedene Möglichkeiten, den Solarstrom zu speichern:

» Der Stromspeicher ist hinter dem Wechselrichter und speichert Wechselstrom.

Bei der Auswahl der passenden Speicherlösung sollte auf die Speicherkapazität, die Entladetiefe, die Lebensdauer und den Systemwirkungsgrad geachtet werden.

Wenn Sie sich für die wirtschaftliche Rentabilität von Photovoltaik-Anlagen interessieren oder für die neuen Gesetzesänderungen in 2024, dann sind diese Beiträge für Sie interessant.

Sie haben noch Fragen oder wünschen weiterführende Informationen? Dann steht Ihnen unser erfahrenes PV-Team gern zur Seite. Kontaktieren Sie uns!

E-Mail: pv-team@hardy-schmitz.de