Photovoltaik: Wichtige Begriffe

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Photovoltaik – die wichtigsten Begriffe von Ausrichtung bis Zweirichtungszähler kurz erklärt

Photovoltaikanlage: Selbst Stromerzeuger werden mit einer Photovoltaikanlage
Photovoltaikanlage: Selbst Stromerzeuger werden mit einer Photovoltaikanlage

Aufdachanlage

Die meisten Photovoltaikanlagen werden auf einem bestehenden Dach montiert. Die Solarmodule werden dann mit speziellen Montageankern auf dem Dach montiert. Es gibt für verschiedene Dachhäute passende Montagesysteme. Eine Aufdachmontage ist für vorhandene Dächer die einfachste Methode.

Die Dachhaken tragen die Konstruktion
Aufdachmontage: Die Dachhaken tragen die Konstruktion
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Aufständerung

Werden Photovoltaikanlagen auf Flachdächer montiert, so müssen die Solarmodule schräg montiert werden, um die optimale Neigung zu erreichen. Die Aufdach-Montage auf Flachdächern nennt sich Aufständerung. Bei der Aufständerung ist vor allem wegen der Windlast besondere Aufmerksamkeit geboten, die Montagesysteme werden entweder fest mit dem Flachdach verbunden oder über Ballastmodule auf dem Flachdach gehalten.

Aufständerung sorgt für den richtigen Neigungswinkel
Aufständerung sorgt für den richtigen Neigungswinkel

Ausrichtung

Bei der Ausrichtung des Daches geht es um die Himmelsrichtung, in die die Dachfläche zeigt. Optimal ist eine reine Ausrichtung nach Süden, dann ist der Solarertrag am höchsten. Allerdings sind Abweichungen bis zu 45 Grad nach Osten oder Westen mit nur geringen Ertragseinbußen verbunden. Bei einer reinen Ost- und Westausrichtung des Daches ist es sinnvoll, auf beide Dachseiten Solarmodule zu installieren. Damit lässt sich oft der Eigenverbrauchsanteil steigern.

Photovoltaik: Ausrichtung und Neigung haben Einfluss auf den Ertrag
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Bezugszähler

Auch wenn so viel wie möglich eigener Solarstrom genutzt wird, so braucht man dennoch Strom aus dem Netz. Der Bezugszähler ist der „normale“ Stromzähler, mit dem die Menge vom Netzbetreiber bezogenen Stroms gemessen wird. Das Gegenstück hierzu ist er Einspeisezähler.

Bypass-Diode

Bypass-Dioden umgehen sogenannte Hot Spots in Solarmodulen, die bei einer Verschattung oder einer defekten Zelle auftreten können. Bypass-Dioden vermindern damit die Gefahr, dass das ganze Modul zerstört wird und sich der Ertrag vermindert.

Bypass-Dioden erhalten den Ertrag und schützen vor Zerstörung
Bypass-Dioden erhalten den Ertrag und schützen vor Zerstörung

Degradation

Solarmodule unterliegen einem Leistungsabfall im Laufe der Jahre. Dieser Effekt wird Degradation genannt. Die Alterung von Werkstoffen ist normal, die Degradation von Solarmodulen wird bei den Leistungsgarantien, die die Hersteller geben, berücksichtigt. Meist wird davon ausgegangen, dass Solarmodule in den ersten 10 Jahren rund 10 Prozent ihrer Leistung verlieren, und in den zweiten 10 Jahren weitere 10 Prozent. Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass die Degradation oft bei weniger als 0,5 % pro Jahr liegt.

Degradation ist ein natürlicher Vorgang
Degradation ist ein natürlicher Vorgang

Diffusstrahlung

Die Sonnenstrahlung, die auf die Erde trifft, besteht aus direkter und diffuser Strahlung. Die Diffusstrahlung ist der Anteil, der durch Wolken, Luftverschmutzung oder andere Effekte abgelenkt wird und damit nur indirekt auf die Erde trifft. Je nach Wetter und Standort liegt der Anteil der diffusen Strahlung bei 50 %.

Globalstrahlung besteht aus Direkt- und Diffusstrahlung
Diffuse Strahlung hat im Jahresverlauf einen Anteil von rund 50 % an der Globalstrahlung

Direktstrahlung

Im Gegensatz zur Diffusstrahlung ist die Direktstrahlung der Anteil an Strahlung, der direkt auf die Erde trifft. Die direkte Strahlung ermöglicht die größten Erträge der PV-Anlage. Der Anteil an Direktstrahlung ist abhängig vom Standort, je höher und je näher am Äquator, umso höher der Direktstrahlungsanteil an der Globalstrahlung.

Dünnschichtmodul

Dünnschichtmodule werden anders hergestellt als kristalline Solarzellen. Bei Dünnschichtzellen wird eine Halbleiter-Schicht auf ein Trägermaterial wie Glas oder Folie gedampft bzw. gespritzt. Dünnschichtmodule haben einige Vorteile: Sie sind flexibler und preiswerter in der Herstellung. Allerdings sind sie schwieriger zu montieren und benötigen eine deutlich größere Fläche, um denselben Ertrag wie ein kristallines Modul zu erzeugen.

EEG

Das Erneuerbare-Energien-Gesetz, abgekürzt EEG, hat im Jahr 2000 das Stromeinspeisungsgesetz abgelöst und seitdem viele Änderungen erfahren. Geregelt wird im EEG die Einspeisung von Strom aus erneuerbaren Energien in das Netz und die garantierte Vergütung hierfür. Mit der letzten Änderung, dem EEG 2023, wurde die Vergütung leicht auf 82 Cent angehoben bei einer Anlagengröße von bis 10 kWp.

Eigenverbrauch

Eigenverbrauch meint die eigene Nutzung des produzierten Solarstroms. Die sogenannte Eigenverbrauchsquote meint den Anteil des insgesamt produzierten Solarstroms, den der Anlagenbesitzer selbst verbraucht. Dieser Anteil liegt durchschnittlich bei 25 bis 30 % des produzierten Solarstroms. Durch einen Stromspeicher und intelligentes Energiemanagement kann der Eigenverbrauch deutlich gesteigert werden.

Je höher der Eigenverbrauch, umso besser
Je höher der Eigenverbrauch, umso besser
Kluges Energiemanagement für optimale Solarstromnutzung
Kluges Energiemanagement für optimale Solarstromnutzung

Einspeisung

Der Strom, der von Photovoltaikanlagen produziert wird, kann in das öffentliche Netz eingespeist werden. Es handelt sich dann um eine sogenannte netzgekoppelte Anlage. Nur Inselanlagen speisen keinen Strom in das öffentliche Netz.

Einspeisepunkt

Beim Einspeisepunkt überführt der Anlagenbetreiber seinen produzierten Solarstrom in das öffentliche Netz. Von der PV-Anlage produzierter Strom wird in einem Kabel bis zum Einspeisepunkt geleitet. Ab dort gehört der Strom dann dem Netzbetreiber.

Einspeisevergütung

Die Einspeisevergütung wird im EEG festgelegt. Der Netzbetreiber zahlt also dem Anlagenbetreiber einer PV-Anlage für den produzierten Strom ein Entgelt. Die Höhe hängt von verschiedenen Faktoren ab: Teil- oder Volleinspeisung und vor allem Größe der Anlage. Während die Einspeisevergütung von 20 Jahren noch bei rund 50 Cent pro kWh lag, liegt sie 2023 zwischen 5,8 und 13,4 Cent/pro kWh.

Einspeisezähler

Der Einspeisezähler misst die Menge Strom, die vom Anlagenbetreiber in das Netz geleistet wird. Der Einspeisezähler ist notwendig, damit die Vergütung auch exakt berechnet werden kann.

Energierücklaufzeit

Mit Energierücklaufzeit ist der Zeitraum gemeint, über den eine Photovoltaikanlage Strom produzieren muss, bis sie mehr Strom produziert hat, als für ihre Herstellung benötigt wird. Normalerweise dauert dies ein bis drei Jahre.

Die Energierücklaufzeit hängt von der Menge des produzierten Stroms ab
Die Energierücklaufzeit hängt von der Menge des produzierten Stroms ab

Ertrag

Der Ertrag gibt an, wieviel Strom eine Photovoltaikanlage in einem Jahr produziert. Der Ertrag wir immer angegeben als Ertrag pro Jahr und pro installiertem kWp. Er wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst: Standort, Dachneigung und -ausrichtung sowie den verbauten Modulen. In Deutschland kann man mit einem durchschnittlichen Ertrag zwischen 900 und 1100 kWh/kWp ausgehen, wobei der Ertrag im Süden höher ist als im Norden.

Flächenlast

Die Flächenlast, also die Belastung pro qm Dachfläche durch die Solaranlage, ist vor allem bei Flachdächern ein wichtiger Faktor. Vor allem durch Wind können sehr hohe Kräfte auf das Dach einwirken. Auch Schnee kann im Winter die Flächenlast erhöhen. Es muss vorab abgeschätzt werden, ob das Dach der Flächenlast standhalten kann.

Globalstrahlung

Mit Globalstrahlung wird die Sonnenstrahlung bezeichnet, die jährlich auf einen qm Fläche trifft. Sie setzt sich aus diffuser und direkter Strahlung zusammen. Die Höhe der Globalstrahlung ist für den Ertrag von PV-Anlagen entscheidend. Sie liegt in Deutschland bei durchschnittlich rund 1050 kWh pro Jahr und steigt seit Jahren leicht an. Aufschluss über die Verteilung der Globalstrahlung in Deutschland gibt die Einstrahlungskarte, die vom Deutschen Wetterdienst veröffentlicht wird.

Globalstrahlung meint die Jahresmenge an Solarstrahlung pro qm
Globalstrahlung meint die Jahresmenge an Solarstrahlung pro qm

Hinterlüftung

Solarmodule bringen bei höheren Temperaturen weniger Ertrag. Photovoltaikmodule werden bei einer Aufdachmontage mit einem Abstand von rund zehn bis fünfzehn Zentimeter zum Dach montiert. Durch den Kamineffekt kann Luft hinter den Modulen von unten nach oben ziehen. Diese Hinterlüftung bietet einen natürlichen Kühleffekt.

Inbetriebnameprotokoll

Nach der Installation wird eine Photovoltaikanlage in Betrieb genommen. Dies muss durch eine Elektrofachkraft erfolgen und es wird hierüber ein Inbetriebnahmeprotokoll erstellt. Im Protokoll wird auch das Datum der Erstinbetriebnahme festgehalten, ab diesem Datum erhält der Betreiber die Einspeisevergütung. Im Protokoll sind aber auch diverse Prüfergebnisse festgehalten und alle wesentlichen Informationen zur Anlage. Diese Werte werden als Referenzwerte bei späteren Wartungschecks herangezogen.

Indach-Anlage

Im Gegensatz zur Aufdach-Anlage werden bei einer Indach-Anlage die Photovoltaikmodule in das Dach integriert bzw. fungieren als Dachhaut, Ziegel oder ähnliches sind dann nicht nötig. Indach-Anlagen bieten sich daher in erster Linie für neue Häuser bzw. neue Dächer an. Sie haben allerdings den Nachteil, dass keine Hinterlüftung stattfindet und damit der Ertrag bei hohen Temperaturen abnimmt. Auch sind Reparaturen aufwendiger.

Inselanlage

Übliche Photovoltaikanlagen in bebauten Gebieten werden als netzgekoppelte Photovoltaikanlage konzipiert, die den produzierten Strom entweder ganz oder teilweise in das öffentliche Netz einspeist. Bei einer Inselanlage ist dies nicht der Fall. Inselanlagen werden auch off-grid Anlage genannt und können vor allem in entlegenen Gebieten Ferienhäuser, Hütten oder in weniger entwickelten Weltregionen auch Krankenstationen und Ähnliches mit Strom versorgen. Der produzierte Strom muss dann in Stromspeichern gespeichert werden. Mit Inselanlagen kann ein gewisser Grundbedarf gedeckt werden. Sie eignen sich aber nicht für ans Stromnetz angeschlossene Wohnhäuser.

Auch in entlegenen Gebieten bringen PV-Inselanlagen Strom
Auch in entlegenen Gebieten bringen PV-Inselanlagen Strom
Die Hauptkomponenten einer Inselanlage
Die Hauptkomponenten einer Inselanlage

Jahresgang

Die Sonnenstrahlung, die von der Photovoltaikanlage in Strom gewandelt werden kann, schwankt im Verlauf des Jahres stark. Und entsprechend der Schwankung der Globalstrahlung im Jahresverlauf, entwickelt sich der Ertrag der PV-Anlage in einem Jahr. Im Sommer werden deutlich höhere Erträge erzielt als im Winter. Die Erträge über ein Jahr hinweg können mit Datenloggern aufgezeichnet werden. Ein Vergleich der Jahresgänge über mehrere Jahre hinweg kann auch Hinweise auf eine nachlassende Leistung der Anlage geben.

Die Sonnenstrahlung fällt im Norden Deutschlands geringer aus
Die Sonnenstrahlung fällt im Norden Deutschlands geringer aus

kWp = Kilowatt peak

Die mögliche Leistung einer Photovoltaikanlage wir in kWp angegeben. Es ist damit die mögliche Höchstleistung der Anlage (peak) gemeint, die unter festgelegten Testbedingungen erreichbar wäre. Durch die standardisierten Testbedingungen, die bei der Festlegung der Größe kWp genutzt werden, sind verschiedene Photovoltaikmodule für den zukünftigen Betreiber vergleichbar. Bei guten Bedingungen kann man für die Planung davon ausgehen kann, dass pro einem kWp Leistung rund 1000 kWh Strom pro Jahr erzeugt werden können.

Die mögliche Spitzenleistung wird in kWp angegeben
Die mögliche Spitzenleistung wird in kWp angegeben

Kristalline Solarzelle

Mono- oder polykristalline Solarzellen zählen neben den Dünnschichtzellen zu den am meisten verbauten. Kristalline Solarzellen werden aus Siliziumkristallen hergestellt, monokristalline aus einem einzigen Kristall, polykristalline aus mehreren Kristallen. Während monokristalline Zellen einen höheren Wirkungsgrad aufweisen und weniger Platz benötigen, sind polykristalline Zellen deutlich preiswerter in der Herstellung. Beide sind für Photovoltaikanlagen auf Einfamilienhäusern geeignet.

Solarzellen: Polykristalin oder monokristalin
Kristalline Solarzellen sind für PV-Anlagen auf Dächern geeignet

Montagesystem

Es gibt unterschiedliche Photovoltaikmodule und ganz verschiedene Dachformen. Für alle möglichen Einsatzfälle wurden inzwischen Montagesysteme entwickelt. Die richtige Wahl hängt auch vom Aufbau des Daches und der Dachhaut ab. Nur durch das passende Montagesystem ist gewährleistet, dass die Photovoltaikanlage gesichert ist und auch Wind- und Schneelast aushält.

Verschiedene Möglichkeiten der Dachbefestigung
Das richtige Montagesystem muss zum Dach passen

Neigung

Die Neigung ist entscheidend dafür, in welchem Winkel die Sonnenstrahlen auf die Solarzelle trifft. Nur mit einer optimalen Neigung können auch optimale Ergebnisse erzielt werden. Da der Sonnenstand sich jedoch im Laufe des Tages und des Jahres ändert, kann man nur einen optimalen Bereich angeben. Neigungswinkel zwischen 35 und 40 Grad gelten als optimal. Bei Flachdächern können die Neigungswinkel durch Aufständern erreicht werden. Aber auch bei Dachflächen mit einer zu geringen Neigung, kann der Neigungswinkel durch entsprechende Montagesysteme optimiert werden.

Photovoltaik: Ausrichtung und Neigung haben Einfluss auf den Ertrag
Photovoltaik: Ausrichtung und Neigung haben Einfluss auf den Ertrag

Nennleistung

Die Nennleistung einer Photovoltaikanlage gibt an, welche maximale Leistung die Anlage unter standardisierten Bedingungen erreichen könnte. Die Leistung wird in kWp (Kilowatt peak) angegeben. Die tatsächliche Leistung der PV-Anlage weicht sicher von der Nennleistung ab, sie kann geringer ausfallen, aber die Anlage kann durchaus auch höhere Erträge erzielen als in der Nennleistung genannt.

Abweichungen des Ertrags von der Nennleistung sind normal
Abweichungen des Ertrags von der Nennleistung sind normal

Photovoltaik

Bei der Photovoltaik wird Lichtenergie (Sonnenlicht) in elektrische Energie umgewandelt. Dazu werden Solarzellen benötigt, in denen bei Lichteinstrahlung der photoelektrische Effekt auftritt, bei dem mithilfe eines Halbleiters aus Strahlungsenergie Gleichstrom erzeugt werden kann. Auch bei Photovoltaikanlagen handelt es sich um Solaranlagen, die aber oft mit Solarthermieanlagen verwechselt werden, bei denen jedoch lediglich die Sonnenwärme genutzt wird, um die Warmwasserproduktion und die Heizung zu unterstützen.

Solarzelle

Eine Solarzelle wandelt die Sonnenstrahlung in Strom, mehrere Solarzellen ergeben zusammen ein Photovoltaikmodul, mehrere Module zusammen die Photovoltaikanlage. Solarzellen sind also die kleinste Strom erzeugende Einheit in einer Photovoltaikanlage. Sie werden im Modul miteinander verschaltet. Es gibt neben mono- und polykristallinen Solarzellen auch Dünnschichtzellen.

Aufbau einer Solarzelle
Solarzellen ergeben miteinander ein Solarmodul

Strang/String

Verschiedene Photovoltaikmodule auf dem Dach werden üblicherweise zu einem String (deutsch Strang) zusammengeschaltet. Die Solarmodule werden normalerweise in Reihe geschaltet, d.h. der Plusmodul des einen Moduls wird mit dem Minuspol des nächsten Moduls verbunden. Durch die Verschaltung zu einzelnen Strings können die Solarmodule mit ähnlicher Situation (etwa hinsichtlich Verschattung) zusammengeschaltet werden. Diese Strings können dann jeweils an einen Strings-Wechselrichter oder mehrere Strings an Multistring-Wechselrichter angeschlossen werden. Damit werden bei größere Anlagen Leistungsverluste vermieden.

In Reihe geschaltete Solarmodule werden zu Strings zusammengefasst
In Reihe geschaltete Solarmodule werden zu Strings zusammengefasst

Stromspeicher

Stromspeicher oder Akkus werden eingesetzt, um den erzeugten Solarstrom dann verfügbar zu machen, wenn er benötigt wir und die Photovoltaikanlage gerade keinen Strom produziert. Damit wird der Nachteil der Photovoltaik etwas ausgeglichen, die gerade dann sehr viel Strom liefert, wenn nicht so viel benötigt wird. Stromspeicher erhöhen die Eigenverbrauchsquote erheblich. Effizient sind Stromspeicher aber nur, wenn sie richtig dimensioniert sind. Zu kleine Stromspeicher bringen nichts, zu große Speicher leiden unter kurzer Lebensdauer. Noch sind Stromspeicher vergleichsweise teuer.

Die Eigenverbrauchsquote steigt mit einem Stromspeicher
Stromspeicher verbessern die Eigenverbrauchsquote

Tagesgang

Entsprechend dem Jahresgang zeigt der Tagesgang den Leistungsverlauf der Photovoltaik-Anlage im Laufe eines Tages. Auch der Tagesgang kann zum Monitoring der Anlage herangezogen werden und Hinweise enthalten auf neu auftretende Verschattungen oder Verschmutzungen.

Verschattung

Eine Photovoltaikanlage produziert dann Strom, wenn die Sonnenstrahlung auf die Solarzellen trifft. Durch Verschattungen können einzelne Bereiche abgedeckt sein, die dann nicht produzieren können. Es kommen ganz unterschiedliche Quellen für Verschattungen infrage: Dachgauben, aber auch Satellitenschüsseln, Bäume, Nachbarhäuser oder auch Hügel.

Verschattungen unbedingt vermeiden
Verschattungen unbedingt vermeiden

Mögliche Verschattungen sollten unbedingt bei der Planung von PV-Anlagen berücksichtigt werden. So kann es zum Beispiel sein, dass durch die flach stehende Sonne im Winter plötzlich wegen eines Hügels oder Nachbarhauses plötzlich gar keine Sonne auf das Dach fallen kann.

Sonnenbahnindikator: Hilfsmittel bei der Planung
Sonnenbahnindikator: Hilfsmittel bei der Planung

Volleinspeisung

Neben der teilweisen Einspeisung des Solarstroms und der teilweisen Eigennutzung gibt es auch die Möglichkeit, den kompletten Strom aus der PV-Anlage ins öffentliche Netz einzuspeisen. In diesem Fall muss der Strom, den man selbst benötigt, komplett vom Netzbetreiber bezogen werden. Bei einer Volleinspeisung wird zwar eine etwas höhere Einspeisevergütung gezahlt, für Privatnutzer lohnt sich die Volleinspeisung jedoch nicht.

Wechselrichter

Wechselrichter oder auch Inverter sind unverzichtbare Komponenten von Photovoltaikanlagen. Sie wandeln den in der PV-Anlage produzierten Gleichstrom in Wechselstrom, der dann selbst genutzt oder in das öffentliche Netz gespeist werden kann. Es gibt viele unterschiedliche Wechselrichter-Konzepte. Eingesetzt werden Modul-, String-, Multistring- oder Zentralwechselrichter. Die richtige Wahl richtet sich nach Anlagengröße und -konzept.

Wechselrichter wandelt Gleichspannung in Wechselspannung um
Wechselrichter wandelt Gleichspannung in Wechselspannung um

Zweirichtungzähler

Bei Zweirichtungszählern sind die Funktionen des Einspeisezählers und des Bezugszählers in einem Gerät kombiniert. Im Zweirichtungszähler wird also sowohl gemessen, wieviel Strom aus der Solaranlage ins öffentliche Netz eingespeist wird und wieviel Strom der Verbraucher andererseits aus dem öffentlichen Netz bezieht. Hierzu werden zwei unterschiedliche Zählwerke eingesetzt. Es gibt Länder, bei denen die Zähler vorwärts und rückwärts laufen, je nachdem, ob Strom eingespeist oder bezogen wird. Diese sind in Deutschland verboten. Zweirichtungszähler neben weniger Platz ein als zwei verschiedene Zähler und sind häufig auch fernablesbar.

Mehrfamilienhaus mit Photovoltaikanlage © kara, stock.adobe.com
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