• Entdeckt wurde der photovoltaische Effekt 1839 durch Alexander Becquerel (franz.Physiker)
• Wissenschaftliche Erklärung durch Albert Einstein im Jahr 1905
• Erste Entwicklung einer Silizium Solarzelle 1954 in einem Labor in den U.S.A (Wirkungsgrad 5%), Hintergrund war die Energieversorgung von Satelliten im Weltraum.
• Die Ölpreiskrise 1973 war ausschlaggebend für die Nutzung der Solarenergie auf der Erde
• Umsätze: in den 80ern: weniger als 20 MWp/a; 2001: 400 MWp/a, 2004: 1000 MWp/a
• Boom in Deutschland durch das 100.000 – Dächer-Programm der damaligen Bundesregierung 1999, später durch das EEG.

• PV-Module: (mono oder polykristallin)
• Unterkonstruktion (in der Regel Aluminiumgestell)
• Gleichstromkabel
• Wechselrichter (herkömmlicher Stringwechselrichter) oder Hybridwechselrichter
• AC-Kabel
• Ggf. Speicher
• Energiemanagement
• sowie Sicherungselemente (Sicherungsautomaten, Lasttrennschalter usw.)

Prinzip: Die Photovoltaikmodule nehmen die Strahlung der Sonnenenergie auf und wandeln diesen in elektrischen Gleichstrom um. Der Gleichstrom wird mit Hilfe von Stromkabel zum Wechselrichter transportiert, wo dieser dann in haushaltsüblichen Wechselstrom (50Hz) umgewandelt wird. Dieser gibt ihn dann über den Zählerschrank oder einer anderen Verteilung an die Verbraucher im Haushalt ab. Strom, welcher momentan nicht verbraucht wird, wird entweder ins Netz als überschüssigen Strom eingespeist (hierfür erhält der Anlagenbetreiber vom Netzbetreiber eine Vergütung) oder aber in einem Speicher transportiert. Ab dem Zeitpunkt, wo die Verbraucher mehr Energie benötigen wie die Photovoltaikanlage produziert, gibt der Speicher nun seine Energie an die Verbraucher ab. Für diesen Vorgang ist in der Regel ein sog. Hybridwechselrichter erforderlich.

Ein Photovoltaikmodul, kurz PV-Modul genannt, besteht hauptsächlich aus mehreren in Reihe miteinander zusammen geschalteten Solarzellen. Die Solarzellen sind meistens in einem Aluminiumrahmen zusammen gefasst und werden auf ihrer dem Wetter zugewandten Seite durch ein besonders strukturiertes Glas geschützt.

Verschiedene Modularten:

Es gibt verschiedene Modularten, wie z.B. Glas-Folie-Module, Glas-Glas oder die sog. Dünnschichtmodule. Auch in den zuvor genannten verschiedenen Arten sind eine Vielzahl unterschiedlich gefertigter Module zu nennen. So gibt es bei den Glas-Folien oder auch Glas-Glas-Modulen verschiedene Zellarten wie z.B. Monokristalline, Polykristalline, die sog. CIS-Module oder auch Module mit der sog. PERC-Technologie. Bei den Dünnschichtmodulen sind neben den Klassischen z.B. auch CdTe-Module (Cadmium Tellurit) oder auch aSi Module (amorphes Silizium) erhältlich.

Die Marktpreise für Dünnschichtmodule waren mit Beginn der Energiewende deutlich niedriger als die der kristallinen Module. Ebenso wiesen Dünnschichtmodule dabei einen wesentlich niedrigeren Wirkungsgrad auf. Aus diesem Grund kamen diese Module vermehrt bei größeren Dachflächen zum Einsatz. In der Zwischenzeit sind die Marktpreise für Kristalline Module jedoch deutlich gesunken, so dass auch für flächenmäßig große Objekte vermehrt Kristalline Module zum Einsatz kommen.

Die kristalline Solarzelle:

Die klassische kristalline Solarzelle besteht aus zwei unterschiedlich dotierten Silizium-Schichten. An der Grenzschicht entsteht ein elektrisches Feld. Bei 100% eingestrahlter Sonnenenergie werden heutzutage zwischen 16 und 24 % in nutzbare elektrische Energie umgewandelt. Diese Angabe gilt für sog. Monokristalline Zellen. Aus diesem Grund werden Photovoltaikmodule heutzutage i.d.R. mit Monokristalline Zellen gefertigt. Folglich gibt es mindestens 76% Verluste durch z.B. zu geringe Photonen-Energie der langwelligen Strahlung oder überschüssige Photonenenergie der kurzwelligen Strahlung sowie Potentialgefälle in der Zelle.

Das Vorprodukt der Solarzelle ist der sog. Wafer.

Wafer:

Der Wafer wird aus mono- oder polykristallin gefertigten Kristallblöcken geschnitten. Die Blöcke entstehen durch „Herausziehen“ aus einer Schmelze, die durch verschiedene Verfahren gewonnen wird. Anschließend werden auf den geschnittenen Scheiben (0,3mm) die Rückkontaktschichten aufgebracht und an der Vorderseite mit Stromabnahmelinien und einer Antireflexschicht versehen.
Der Wafer besteht aus Silizium, welches nach Sauerstoff das zweithäufigste Element auf der Erde ist. Es liegt nicht in Reinform vor, sondern chem. gebunden als Siliziumdioxid (Quarzsand).
Der Sauerstoff muss daher abgetrennt werden. Anschließend wird das gewonnene Rohsilizium so lange gereinigt, bis nur noch Verunreinigungen von max. Einmilliardstel Prozent vorhanden sind.

2021 wurde seitens der Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ein neuer „Weltrekord“ aufgestellt, indem eine Solarzelle einen Wirkungsgrad von 29,8 Prozent erreichte. Bei dieser Zelle handelte es sich um sog. Perowskit / CIS Tandem-Solarzelle.

Der Wechselrichter ist das Bindeglied zwischen PV-Generator (Photovoltaikmodul) und das Wechselstromnetz.

Der Wechselrichter hat die Aufgabe, den vom PV-Generator erzeugten Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) umformen und an die Frequenz und Höhe der Spannung des Netzes anzupassen.

Vorgeschaltet ist dem Wechselrichter oftmals ein sog. Generatoranschlusskasten. In diesem werden die Gleichstromhauptleitung sowie DC-Strangsicherungen als auch Potenzialausgleichsleitung angeschlossen. Weiterhin befindet sich in diesem ein Überspannungsschutz. Um den Wechselrichter insbesondere vor „Überstrom“ in Folge eines möglichen Blitzeinschlages zu schützen, installieren wir ihn ebenso, sofern die vorgenannten Komponenten nicht bereits im Wechselrichter selbst verbaut sind.

Arten von Wechselrichtern:

Es gibt verschiedene Wechselrichtertypen die bei verschiedenen Anforderungen zum Einsatz kommen.

• Für den Heimbereich kommen i.d.R. die sog. String-Wechselrichter oder (String)-Hybrid-Wechselrichter bei dem Anschluss eines Stroms zum Einsatz.
• Zentralwechselrichter sind für den Einsatz in netzgekoppelten Systemen vorgesehen, hier handelt es sich dann um größere gewerbliche Anlagen,  entweder auf der Niederspannungs- oder auf der Mittelspannungsebene.
• Sogenannte Inselwechselrichter kommen trifft man dort an, wo i.d.R. kein öffentliches Stromnetz vorhanden ist. Hier kann die Stromversorgung durch eine Photovoltaikanlage in einem Inselnetzsystem für den Betrieb von konventionellen Wechselstromverbrauchern vorgenommen werden

Moderne Wechselrichter verfügen heutzutage über ein sog. Verschattungsmanagement. Das bedeutet, dass die Stromausbeute auch bei verschatteten Anlagen noch in einem erträglichen Maße vorhanden ist, wenngleich Verschattungseinflüsse tunlichst vermieden werden sollen.

Der Wechselrichter stellt in einer Photovoltaikanlage das Bindeglied zwischen den vom PV-Generator produzierten Gleichstrom und dem im Hausnetz bzw. öffentlichen Stromnetz anzutreffenden Wechselstrom dar.

Hybridwechselrichter kommen wie beschrieben dort zum Einsatz, wo ein Stromspeicher angeschlossen wird. Je nach Hersteller findet man hier ebenso einen Anschluss für eine Notstromversorgung vor. Das bedeutet, dass im Falle eines Stromausfalls bestimmte auswählbare Verbraucher weiterhin mit Strom aus dem angeschlossenen Speicher versorgt werden können. Der Wechselrichter selbst trennt sich in diesem Fall vom öffentlichen Netz.

Der Stromspeicher speichert die überschüssige Energie, welche im Hausnetz gerade nicht benötigt wird und stellt Sie bei Bedarf diesem wieder zu Verfügung. Auch bei den Stromspeichern gibt es verschiedene Typen. Hier sind z.B. DC- (Gleichstrom) gekoppelte sowie AC – (Wechselstrom) gekoppelte Typen zu nennen.

Die gleichstromgekoppelten Geräte beziehen ihre Energie i.d.R. direkt vom PV-Generator und diese wird dort zwischengespeichert. Erst bei Anforderung wird diese Energie nun zum Wechselrichter geleitet, der den Umwandlungsprozess startet und diese somit dem Hausnetz zur Verfügung stellt.

Bei AC-gekoppelten Systemen wird der vom PV-Generator gelieferte DC-Strom erst zum Wechselrichter geleitet, der diesen umwandelt. Im Falle der Einspeicherung in den Speicher ist nun ein weiterer Umwandlungsprozess in Gleichstrom erforderlich, da die Stromspeicherung ausschließlich in Gleichstrom zu erfolgen hat. In diesem Fall ist folglich ein weiterer Wechselrichter, ein sog. Batteriewechselrichter, erforderlich. Durch die mehrfache Umwandlung kommt es somit, im Gegensatz zu den gleichstromgekoppelten Geräten, zu Wirkungsgradverlusten.

Wie bei allen Komponenten gibt es auch bei den Stromspeichern viele verschiedene Hersteller und damit ebenso verschiedene Systeme. Damit trifft man ebenso auf verschiedene Batterietypen, welche sich sowohl in ihrer Speicherkapazität und ebenso in der Zusammenstellung ihrer verwendeten Zellchemie deutlich unterscheiden können.

Bei den Stromspeichern, wie auch bei den zuvor genannten Komponenten ist eine individuelle technische Auslegung von Vorteil, um das optimale Zusammenspiel dieser zu ermöglichen.

Während mit Beginn der Energiewende Photovoltaikanlagen ausschließlich als sog. Volleinspeiseanlagen gefertigt wurden, bei dem der produzierte Strom ausschließlich dem öffentlichen Netz zur Verfügung gestellt wurde, haben sich die Anforderungen zwischenzeitlich weitestgehend geändert.

In der heutigen Zeit kommt es immer mehr darauf an, sich energetisch unabhängig zu machen. Das bedeutet, dass der selbst produzierte Strom möglichst in erster Linie für die in Eigenheim, Mietwohnung oder auch in Gewerbeobjekten installierten Verbraucher verwendet wird.

An dieser Stelle kommt ein Energiemanagement ins Spiel. Das Energiemanagementsystem oder auch Smart-Metering genannt, sorgt nun dafür, dass die Energie möglichst optimal zu den steuerbaren Verbrauchern gelangt und versorgt diese Systeme dann vorzugsweise mit dem selbst produzierten Strom.

Das Energiemanagement besteht in der Regel aus einer Messeinrichtung, welche den Bezugs- sowie den überschüssigen Strom, welcher ins öffentliche Netz eingespeist wird. Folglich handelt es sich hierbei um einen elektronischen Zähler, ähnlich dem vom Netzbetreiber zur Verfügung gestellten Zweirichtungszähler. Weiterhin erhält das Energiemanagementsystem weitere Daten wie z.B. die momentanen Ertragsdaten der Photovoltaikanlage (durch den oder die Wechselrichter) sowie den Ladezustand des Speichers. Das Energiemanagement entscheidet unter Berücksichtigung der nicht steuerbaren Stromverbraucher also den momentanen Verbrauch, der im Objekt vorherrscht, ob der Speicher entladen oder beladen wird. Nun kommen die steuerbaren Verbraucher ins Spiel:

Bei den steuerbaren Verbrauchern können es sich z.B. um Ladestationen für E-Autos, Wärmepumpen oder auch sog. Smart Plugs (Funksteckdosen) oder auch Haushaltsgeräte wie z.B. Waschmaschinen und Ähnlichem handeln. Die steuerbaren Verbraucher lassen sich nun so einstellen, dass diese ausschließlich oder auch nur zum Teil mit selbst produzierten Solarstrom betrieben werden, was jedoch kein Muss ist. Ebenso können die vorgenannten Verbraucher natürlich auch dann betrieben werden, wenn kein Sonnenstrom zur Verfügung steht.

Welche Verbraucher sich steuern lassen, teilen wir Ihnen selbstverständlich mit.

Sämtliche Geräte müssen hierfür mit dem internen Netzwerk in Form von LAN, WLAN, ggf. manchmal auch anderen Schnittstellen, wie z.B. RS 485 integriert werden. Teilweise können Gerätschaften auch über sog. potenzialfreie Kontakte mit dem System verbunden werden.

Die Elektromobilität schreitet immer weiter voran. Aus diesem Grunde werden immer mehr Ladestationen benötigt. Außer den öffentlichen Ladestationen kommen dabei natürlich auch immer mehr privatbetriebene Ladestationen zum Einsatz. Vor der Installation einer Ladestation sollte möglichst die Photovoltaikanlage zumindest technisch vorausgelegt sein, damit diese vom Energiemanagementsystem später auch angesteuert werden kann. Ladestationen unterscheiden sich in ihrer Leistung und Ausstattung.

Hochwertige Ladestationen lassen sich i.d.R. in ihrer Leistung einstellen, ins Netzwerk einbinden oder auch in einer Ladeinfrastruktur (mehrere Ladestationen gleichzeitig) betreiben. Weiterhin können verschiedene Freigabemöglichkeiten genutzt werden. Hierzu zählen z.B. der Betrieb über Schlüsselschalter oder auch Karten. Wie schon beschrieben können diese dann ebenso „solaroptimiert“ (Laden mit selbst produzierten Sonnenstrom etc.) betrieben werden.