TECHNOLOGIE

Photovoltaik (PV) ist die Erzeugung von Strom aus Sonnenlicht.

Der photovoltaische Effekt (griechisch: Photo = Licht und Volt = Maßeinheit für elektrische Spannung) vollzieht sich dabei in den Solarzellen. Bei der Photovoltaik wird elektrischer Strom durch die Umwandlung von Sonnenstrahlen generiert. Die Technik basiert auf dem von Becquerel 1839 entdeckten Photoeffekt, für dessen Deutung Einstein 1921 den Nobelpreis erhielt. Treffen Lichtteilchen (Photonen oder auch Lichtquanten) auf die äußeren Elektronen der Siliziumatome, werden diese Elektronen mit Energie angereichert. Ist die Energie hoch genug, entfernen sich die Elektronen vom Atomkern und werden zu dem elektrischen Pol hingezogen, an dem Elektronenmangel herrscht. Um den freigewordenen Elektronen eine Richtung zu geben, wird die der Sonne zugewandte Seite der Zelle mit Phosphor verunreinigt, bei dem ein Elektron mehr um den etwa gleich großen Atomkern kreist. Die untere Seite der Zelle wird mit Boratomen verunreinigt, bei denen ein Elektron weniger um den Atomkern kreist. Diesen Vorgang nennt man dotieren - er macht aus der Vorderseite einen Minuspol, aus der Rückseite einen Pluspol und gibt dem von einem Photon getroffenen Elektron eines Siliziumatoms den Weg vor. Diese Spannung kann schließlich über Metallkontakte abgenommen werden. 

Die Hauptkomponente der Anlage ist die Solarzelle. Mehrere dieser Zellen werden je nach Typ in ein Modul eingebettet oder auf ein Trägermaterial aufgetragen. Mehrere dieser Trägereinheiten, Generator genannt, werden an einen Wechselrichter angeschlossen, der den produzierten Gleichstrom in nutzbaren Wechselstrom transformiert. Der Wechselstrom wird dann über den Einspeisezähler, der später für die Abrechnung wichtig ist, ins öffentliche Stromnetz eingespeist. Neben der Verkabelung, den Modulen und den Wechselrichtern wird vor allem eine geeignete Unterkonstruktion benötigt.
Eine Photovoltaik-Anlage besteht aus vier wesentlichen Komponenten:

• Module
• Wechselrichter
• Einspeisezähler
• Unterkonstruktion

Die Module sind das Herzstück der Photovolatik-Anlage. Sie wandeln die von der Sonne gelieferte Strahlung in elektrischen Gleichstrom um. Je nach geographischer Lage, Gebäudeart, Ausrichtung und Neigung der Anlage bieten sich zahlreiche Varianten an, die sorgfältig ausgewählt werden müssen. Die richtige Auswahl der Module ist von großer Wichtigkeit, da hier begangene Fehler später kaum kompensiert werden können.

Kristalline Module erzielen den höchsten Ertrag, wenn sie mit einer Neigung zwischen 30 bis 35° Richtung Süden aufgestellt sind und eine gute Hinterlüftung gewährleistet wird. Eine zu hohe Hitzeentwicklung senkt die Leistungsfähigkeit der Module und verringert somit den Ertrag. Der Minderertrag durch eine Abweichung vom beschriebenen Optimum in der Ausrichtung, z.B Richtung Osten oder Westen oder in der Neigung, ist oftmals zu vernachlässigen.

Dünnschichtmodule erwirtschaften auch bei suboptimaler Ausrichtung und Neigung noch gute Erträge. Sie eröffnen somit neue Einsatzgebiete auf Dachflächen mit Traglastreserven von 20-30 kg/qm, auf denen eine Installation bisher nicht wirtschaftlich darstellbar war. 

Der Wechselrichter hat die Aufgabe, den von den Modulen gewonnenen elektrischen Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln, damit er in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann. 
Die Auswahl des richtigen Wechselrichters ist von großer Wichtigkeit, denn die Effizienz dieses Gerätes entscheidet welche Menge des von den Modulen gelieferten Stroms, und damit des Ertrags, später auch tatsächlich eingespeist werden kann. Ein hoher Wirkungsgrad stellt sicher, dass möglichst wenig Energie auf dem Weg von den Modulen zum Einspeisezähler verloren geht. Generell ist zu sagen, dass Wechselrichter besser arbeiten, je kühler sie sind. Große Hitzeentwicklung bedeutet eine Umwandlung von elektrischer in thermische Energie. Dies geht soweit, dass sich Wechselrichter ab einer gewissen Hitzeentwicklung sogar vollständig abschalten, was eine Verminderung der Einnahmen zur Folge hat. Da die Wärmeentwicklung vor allem in den Sommermonaten auftritt, ist eine Abschaltung besonders ärgerlich, weil in dieser Zeit der höchste Ertrag erzielt wird. 

Mit der Unterkonstruktion werden die Module des PV-Generators auf der gewünschten Fläche fixiert. 
Die Wichtigkeit der Unterkonstruktion wird oft unterschätzt, da sie nicht unmittelbar mit der Stromgewinnung zu tun hat. Doch die Unterkonstruktion ist für den wirtschaftlichen Erfolg eines Projektes oftmals ein entscheidender Faktor.
Generell kann man sagen, dass es genauso viele verschiedene Arten von Unterkonstruktionen wie von Dachflächen gibt. Die Wahl der Unterkonstruktion wird vor allem durch die verfügbare Traglastreserve und die Art des Daches bestimmt. Hier ist zwischen zwei wesentlichen Formen von Dächern zu unterscheiden - Flachdächern und Dächern mit Neigung. Während das Eigengewicht der Anlage auf dem Dach (Module und Unterkonstruktion) für die meisten Dächer kein Problem darstellt, ist der Schutz vor Windsoglasten eine besondere Herausforderung. An dieser Stelle wird klar, warum zwischen flachen Dächern und dem Rest der Dachformen unterschieden wird. Eine Dachparallelanlage bietet dem Wind keine zusätzliche Angriffsfläche, da sie sich dem Neigungswinkel des Daches anpasst. Auf einem Flachdach hingegen werden die Module zur Ertragsoptimierung in einem bestimmten Winkel Richtung Sonne aufgestellt. So entsteht zwischen Dach und Modul ein Zwischenraum, durch den der Wind strömen kann und somit jedes einzelne Modul zu einem kleinen Segel macht. Um bei Wind das Modul auf seiner Position zu fixieren - um es also gegen Windsoglasten zu schützen - muss es entweder mit Ballast beschwert oder mit dem Dach kraftschlüssig verbunden werden. Die wenigsten Flachdächer können den erforderlichen Ballast (mind. 150 kg/qm) aufnehmen, so dass in diesem Fall nur eine Befestigung mit dem Dach in Frage kommt. 

Die Wechselrichter liefern Daten über zahlreiche Parameter wie den aktuellen und historischen Stromertrag, eingesparte CO₂-Menge, Umgebungstemperatur, etc. Es gibt mehrere Möglichkeiten diese Daten zur Auslesung zur Verfügung zu stellen: Entweder direkt über ein Display am Wechselrichter oder durch den Anschluss eines Computers. Der bequemste Weg ist jedoch die Übermittlung der Daten an eine zentrale Datenstelle, die entweder über die Telefonleitung oder das Handynetz online zu erreichen ist. Dabei können Abfrageparameter und -intervalle frei gewählt und auf verschiedene Weisen dargestellt werden. Gleichzeitig überwacht die Software die Anlage auf die Einhaltung vorgegebener Parameter und erstellt eine Fehlermeldung, sobald diese über- oder unterschritten werden.