Grundbegriffe und Definitionen
Erfahren Sie die Grundlagen der Photovoltaik und verstehen Sie die wesentlichen Begriffe, die in der Solarbranche verwendet werden. Diese Antworten legen das Fundament für ein tieferes Verständnis der Technologie und ihrer Anwendungen.
Als Wechselstrom definiert man elektrischen Strom, der seine Richtung (Polung) in regelmäßiger Wiederholung ändert. Negative und positive Augenblickswerte ergänzen sich so, dass der Strom im zeitlichen Mittel null ist. Das Gegenteil von Wechselstrom ist der Gleichstrom, der sich (abgesehen von Schaltvorgängen oder Einflusseffekten) zeitlich nicht ändert, oder, in erweiterter Bedeutung, der ein periodischer Strom ist, dessen Gleichanteil vorrangige Bedeutung hat. Es handelt sich um Mischstrom (in der erweiterten Bedeutung)
Die weltweit am häufigsten vorgenommene elektrische Energieversorgung ist der sinusförmige Wechselstrom. Die einfache Erzeugung und einfache Transformation der Wechselspannung sind die Gründe für diese Bevorzugung.
Air Mass (Luftmasse): Bezeichnung für den Weg der Solareinstrahlung durch die Atmosphäre bis zur Erde. Der Winkel der Sonne am Himmel beeinflusst, wie viel Sonnenlicht in unsere Atmosphäre gelangt. Wenn die Sonne senkrecht steht, nimmt sie den kürzesten Weg, aber wenn sie niedriger an unserem Horizont steht, legt das Licht eine längere Strecke zurück, bevor es uns erreicht. Das bedeutet, dass mehr Sonnenstrahlen gestreut werden und weniger von ihnen die Erdoberfläche erreichen.
Mit zunehmendem Alter der Solarmodule lässt ihre Effizienz nach. Eine gängige Annahme ist, dass die Leistung mit einer Rate von 0,5 % pro Jahr gemindert wird.
Die Unfallverhütungsvorschrift „Elektrische Anlagen und Betriebsmittel“ DGUV V3 schreibt vor, dass elektrische Arbeitsmittel regelmäßig auf ihren ordnungsgemäßen Zustand zu prüfen sind. Diese Prüfung ist Teil der vorbeugenden Instandhaltung und muss ebenfalls in PV-Anlagen regelmäßig durchgeführt werden.
„Due Diligence“ bezeichnet eine sorgfältig durchgeführte Art der Risikobewertung, deren Analyse darauf abzielt, die Stärken und Schwächen eines Objekts, beispielsweise einer PV-Anlage, zu bewerten.
Dünnschicht-Solarmodule sind neben kristallinen Solarzellen der häufigste Modultyp. Sie werden hergestellt, indem photoaktive Halbleiter auf Trägermaterialien wie z.B. Edelstahl oder Glas aufgetragen werden. Dadurch bildet sich eine dünne Schicht. Die Vorteile dieses Beschichtungsverfahrens liegen in relativ niedrigen Produktionskosten und einer hohen Flexibilität. Solarzellen mit einer solchen Beschichtung sind zudem weniger anfällig für Verschattung. Allerdings ist der Wirkungsgrad im Vergleich mit Siliziumzellen, die in kristallinen Solarzellen verwendet werden, geringer.
Das „Gesetz zum Vorrang Erneuerbarer Energien“ ist Bestandteil des umfassenden Richtlinienpakets, mit dem man die Ziele des Klimaschutzes erreichen will. Dazu gehören Ziele wie die Abkehr Deutschlands von fossilen Brennstoffen, das Umbauen der Energieversorgung und eine Steigerung des Anteils der erneuerbaren Energien an der Stromversorgung bis 2050 auf mindestens 80 Prozent. Das EEG bietet Investoren und Anlagenbetreibern Sicherheit durch feste Vergütungssätze. Das EEG wurde von mehr als 50 Ländern und Regionen weltweit kopiert.
Die Einspeisevergütung, eine Vorgabe im entsprechenden Erneuerbare-Energien-Gesetz, hat sich bewährt. Bei PV-Kraftwerken gibt es unterschiedliche Preise für die verschiedenen Größen. Beispielsweise erhalten kleinere Solaranlagen auf dem Dach eine höhere Einspeisevergütung als große Freiflächenanlagen.
Einspeisevergütungen sind ein langfristiger Anreiz, der erhebliche Investitionssicherheit schafft. Der Betrag, für den Sie bezahlt werden, muss von Ihrem Einspeisezähler erfasst werden. Die Rechnung kann dann automatisch an den zuständigen Netzbetreiber gesendet oder direkt vom Netzbetreiber per Guthaben abgerechnet werden.
Einspeisezähler sind in Deutschland seit Einführung des EEG für netzgekoppelte Solaranlagen Pflicht. Mit diesem Einspeisezähler, der zusätzlich zum normalen Gas- und Stromzähler installiert wird, können Sie die in das Netz eingespeiste Energie messen.
Das elektrische Potential eines Punktes ist das Verhältnis von potentieller Energie dieses Punktes und der Ladung des Körpers. Die Spannung ist die Potentialdifferenz zwischen zwei beliebigen Punkten in einem elektrischen Feld.
Installation und Wartung
Entdecken Sie wichtige Aspekte der Installation und laufenden Wartung von Photovoltaiksystemen. Diese Kategorie bietet praktische Einblicke, wie Sie die Effizienz und Langlebigkeit Ihrer Solaranlage maximieren können.
Bei dieser Installation von Solarstromgeneratoren werden die Module in einem Abstand von ca. 5-15 cm über dem Dach mit Stahl- / Aluminium- / Edelstahlvorrichtungen befestigt. Diese Variante wird häufig im privaten Bereich eingesetzt. Hallendächer, Scheunendächer und Dächer von Gewerbegebäuden können von einer Photovoltaikanlage profitieren.
Unter Ausrichtung versteht man sowohl die Montageweise der Solarmodule in eine bestimmte Himmelsrichtung (auf der Nordhalbkugel in der Regel Richtung Süden), als auch den Aufstellwinkel. In Deutschland werden Solarmodule in der Regel zwischen 10° bis zu 30° geneigt, um über das Gesamtjahr gesehen den Einstrahlungsertrag zu optimieren und auf den durchschnittlichen Azimuth der Sonne auszurichten.
1.000.000 x Kilowattstunde (kWh)
1000 x Megawattstunde (MWh)
Diese Einheit wird in der Energiewirtschaft zur Messung der elektrischen Energieerzeugung verwendet. Wenn ein Kraftwerk eine Stunde lang 1000 Watt erzeugt, hat es eine Kilowattstunde produziert. Zwei weitere Energieeinheiten, die üblicherweise zur Messung der Energieabgabe verwendet werden, sind die Megawattstunde und die Gigawattstunde.
Die übliche Maßeinheit für Solarkraftwerke ist Kilowatt. Ein Megawatt entspricht 1 Million Watt, und ein Kilowattpeak entspricht tausend Wattpeak. Das „p“ in diesen Abkürzungen kommt vom englischen Wort „peak“, das sich auf die maximale Leistungsabgabe einer Solarzelle oder eines Panels über einen bestimmten Zeitraum bezieht. Bei Photovoltaikmodulen und -anlagen bezieht sich der Wert auf die Nennleistung. Sie wird unter standardisierten Testbedingungen (Einstrahlung 1000W/m², 25°C Modultemperatur und AM 1,5) gemessen. Bei höherer Einstrahlung oder niedrigeren Temperaturen kann die Leistung auch entsprechend besser sein, bei niedrigerer Einstrahlung, bzw. höheren Temperaturen hingegen schlechter.
Kristalline Solarzellen bestehen aus hochreinem Silizium auf Kristallbasis und werden in mono- oder multikristallin unterschieden. Während des Herstellungsprozesses wird es in dünne Scheiben (Wafer) geschnitten. Unter Berücksichtigung der Produktionskosten sind kristalline Solarzellen teurer als Dünnschicht. Den höheren Preis machen sie jedoch durch ihre wesentlich besseren Wirkungsgrade wett.
Leistung, gemessen in Watt (W), ist die Rate, mit der Strom von einem Generator erzeugt wird. Sie wird durch Multiplizieren von Spannung und Strom bestimmt.
Der Maximum Power Point (MPP) markiert den Punkt, an dem eine Solarzelle ihr Maximum an Leistung produziert. Diese errechnet sich aus der angelegten Spannung multipliziert mit dem Strom und ändert sich, wenn sich die Umgebungsparameter wie z. B. die Sonneneinstrahlung ändern.
Den Winkel zwischen der horizontalen Ebene und den Solarmodulen bezeichnet man als Neigungswinkel. Die Neigung ist ein Versuch, so viel Sonnenlicht wie möglich auf das PV-Modul fallen zu lassen, um den bestmöglichen Ertrag zu erzielen. Der optimale Neigungswinkel ist abhängig vom Standort der Solaranlage und dem durchschnittlichen Sonnenstand (Azimut).
Die Leistung einer PV-Anlage kann ohne regelmäßige Wartung nicht aufrechterhalten werden. Im Rahmen der routinemäßigen Wartung können beispielsweise folgende Kontrollen und Messungen durchgeführt werden: Wir führen eine Sichtprüfung nicht nur der verschiedenen Module, sondern auch der Rahmen und Wechselrichter durch. Beispielsweise messen wir Strom- und Spannungsverläufe. Außerdem prüfen wir alle Steck- und Klemmstellen auf ihren einwandfreien Zustand.
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Technische Aspekte und Komponenten
Hier erläutern wir die Funktionen und Vorteile spezifischer Bauteile und Verfahren, die für den Betrieb und die Wartung von Solaranlagen entscheidend sind.
Das Elektrolumineszenz-Verfahren ist ein einzigartiger Prozess, der Bilder der PV-Module mit einer speziellen Kamera erfasst. Dazu werden die PV-Module bei Dunkelheit rückwärts bestromt, wodurch sie beginnen, Licht im Infrarotbereich zu erzeugen. Dies erleichtert die Identifizierung beschädigter Zellen, die beispielsweise in kleinere Teile zerbrochen sein könnten. Auch andere Probleme wie kurzgeschlossene Solarzellen oder kleinste Haarrisse können identifiziert werden.
(Photovoltaik-) Freiflächenanlagen, sogenannte PVF, umfassen alle nicht Gebäude- oder Objekt-montierten Solaranlagen. Es ist ein fest installiertes System, bei dem die Photovoltaikmodule in einem geeigneten Winkel (dem sogenannten Azimutwinkel) zur Sonne ausgerichtet werden können. Eine Möglichkeit, bei Freiflächenanlagen den Ertrag zu erhöhen, ist die Verwendung von Tracker Systemen, die dem Lauf der Sonne folgen.
Gleichstrom ist eine Stromart, die immer in die gleiche Richtung fließt, während Wechselstrom in regelmäßigen Abständen seine Richtung ändert. Der von einem Solarpanel erzeugte Strom ist Gleichstrom, während das Stromnetz Wechselstrom verwendet. Wechselrichter wandeln Gleichstrom in Wechselstrom um, bevor sie ihn weiterleiten.
Die Messung der Globalstrahlung ist ein gängiges Maß für die an einem Punkt der Erdoberfläche einfallende Gesamtstrahlung. Sie wird in W/m² gemessen und umfasst sowohl direkte als auch diffuse Strahlung.
Defekte, verschmutzte oder verschattete Zellen/Module werden überbrückt. Der Strom fließt daran vorbei, die Leistung des Systems wird nur um die Leistung der überbrückten Zellen/Module reduziert.
Der Datenlogger ist ein stationärer Datenspeicher, der Wechselrichterdaten archiviert und eine ständige Betriebsüberwachung der Photovoltaikanlage ermöglicht. Das geht auch über lange Zeiträume.
Diffuse Sonnenstrahlung bezieht sich auf die Sonnenstrahlen, die von verschiedenen Oberflächen reflektiert oder gestreut werden, bevor sie auf Ihre PV-Module treffen. Auch sie kann zur Gewinnung von Sonnenenergie verwendet werden, insbesondere wenn es im Winter dunkel ist. Sie trägt zu dieser Zeit viel zur Stromproduktion von PV-Anlagen bei.
Die direkte Strahlung ist der Teil der Sonnenstrahlung, der die Erdoberfläche direkt erreicht. Direktstrahlung ist eine Sonneneinstrahlung, die hauptsächlich durch Reflexion, Streuung oder Absorption reduziert wird. Ein häufiger Grund dafür ist, wenn der Himmel bewölkt ist.
„BoS“ steht für Balance of Systems. Das sind alle anderen Komponenten einer funktionsfähigen Photovoltaikanlage, außer Solarmodulen und Wechselrichtern. Das BoS besteht aus allen Unterkonstruktionen, Stromkabeln und anderen Kleinteilen, die für die Installation einer Aufdach- oder Freiland-Solaranlage vor Ort benötigt werden.
Kennlinienmessungen sind eine hervorragende Möglichkeit, wichtige Kennwerte von Modulen in einer PV-Anlage zu ermitteln und mögliche Leistungsprobleme zu lokalisieren. Dies erfolgt in der Regel mit spezialisierten Messgeräten. Die wichtigsten Kennwerte, wie der Maximum-Power-Point, geben an, ob ein Modul ordnungsgemäß funktioniert oder wegen Degradation, Hot-Spots oder sonstiger Schäden mangelhafte Erträge erzielt.
Netzintegration und Sicherheit
Informieren Sie sich über die Einbindung von PV-Anlagen in das Stromnetz und die damit verbundenen Sicherheitsaspekte. Hier behandeln wir Themen wie Netzanschluss, Netzsicherheitsmanagement und die Einhaltung von Sicherheitsstandards.
Photovoltaikanlagen sind in Deutschland in der Regel an das öffentliche Netz angeschlossen und speisen den erzeugten Strom in das Verteilnetz ein. Der in Photovoltaikmodulen erzeugte Gleichstrom wird mithilfe von Wechselrichtern in Wechselstrom umgewandelt, um ihn ins Netz einzuspeisen.
Netzsicherheitsmanagement ist der Prozess der Reduzierung der Leistungsaufnahme eines Solarsystems in Zeiten hoher Netzlast, z. B. wenn Strom aufgrund von Übertragungsbeschränkungen nicht dorthin transportiert werden kann, wo er benötigt wird. Größere PV-Anlagen mit 100 kWp nehmen seit dem 1. Juli 2012 am NSM teil und können je nach Situation auf 60 %, 30 % oder 0 % ihrer Nennleistung gedrosselt werden. Dieser NSM-Prozess ermöglicht maximale Netzwerkkapazität und verhindert auch Stromausfälle. Die Systeme werden in der Regel vom Verteilnetzbetreiber mit Fernwirkgeräten oder Rundsteuerempfängern eingesetzt.
Die Performance Ratio ist eine Zahl, die berechnet wird, um die potenzielle elektrische Produktivität eines bestimmten Photovoltaiksystems darzustellen. Die Performance Ratio ist das Verhältnis zwischen der tatsächlich in das System eingespeisten Energie und der potenziell durch Strahlung erzeugbaren Energie, wenn diese Faktoren berücksichtigt werden. Die Performance Ratio beschreibt, wie viel der gesammelten Energie zum Heizen oder zur Stromerzeugung verwendet wird; Dies kann anhand von In-Loco-Messungen berechnet werden, z. B. durch Betrachten von Daten, die von Strahlungssensoren und Pyranometern bereitgestellt werden.
Ein Photovoltaikmodul besteht aus mehreren hintereinander verschalteter (Reihenschaltung) Solarzellen, die oft mit Kunststoff oder Glas ummantelt sind, um sie vor der Umwelt zu schützen. Als Generator bilden sie das Herzstück einer PV-Anlage, da sie Strom erzeugen. (siehe auch Photovoltaik)
Der Begriff Photovoltaik bezeichnet den Prozess der Umwandlung von Sonnenstrahlung in elektrische Energie. Alle PV-Anlagen basieren auf dem Prinzip des Fotoeffekts, bei dem durch Beleuchtung mit Licht Gleichstrom erzeugt wird. Die Leistung eines Solarpanels wird durch die Intensität der Sonneneinstrahlung und die Ausrichtung, sowie einer Reihe weiterer Faktoren bestimmt.
Der photovoltaische Effekt ist die Erzeugung von Strom aus Licht. Wenn Licht auf einen Halbleiter fällt, werden Elektronen (mit entgegengesetzter Ladung) getrennt und durch ein elektrisches Feld aus dem Material getrieben. In einer Solarzelle bestehen diese Elektroden aus Silizium gemischt mit Bor oder Phosphor. Lichtphotonen in Form von Sonnenlicht lösen die Bindungen zwischen Atomen auf, wodurch eine elektrische Spannung entsteht.
Pyranometer sind die am häufigsten verwendeten Sensoren zur Messung von Global- und Diffusstrahlung. Als Sensor kann eine geschwärzte Thermosäule, Thermoelemente in Reihe geschaltet, verwendet werden und hat Messunsicherheiten kleiner 3 %.
Kristalline Solarmodule können durch HVS (High-Voltage-Stress) beschädigt werden und dadurch ihre Leistung reduzieren. HVS ist eine Art der Degradation. Es tritt hauptsächlich nur bei kristallinen Modulen auf, aber auch einige Dünnschichtmodule sind betroffen. PID kann sowohl durch elektrolumineszente als auch durch thermografische Tests nachgewiesen werden. PID wird durch die hohen Systemspannungen und daraus resultierende Leckströme zwischen den Solarzellen, dem Einbettungsmaterial, dem Glas und dem geerdeten Aluminiumrahmen eines PV-Moduls verursacht. Die Ladungsträger auf der Antireflexionsschicht sammeln sich an und werden elektrisch inaktiv, was bedeutet, dass sie keinen Strom mehr erzeugen. Grundsätzlich ist PID reversibel.
Referenzzellen werden verwendet, um Solarzellen zu kalibrieren und eine bessere Produktion von PV-Modulen sicherzustellen. Sie sind normalerweise das gleiche Material wie Solarzellen. Die Messunsicherheit bei Bestrahlungsstärkemessungen mit Referenzzellen ist höher als bei Pyranometern, sie sind aber auch kostengünstiger.
Als Teil des NSM hat die Fernwirkanlage eine ähnliche Funktion wie der Rundsteuerempfänger. Im Gegensatz zum Rundsteuerempfänger ermöglicht die Fernwirkanlage auch die Übertragung von Netzwerkinformationen zwischen Schaltanlagen in Solaranlagen und anderen Geräten.
Erweiterte Technologien und Überwachung
Lernen Sie fortgeschrittene Technologien und Überwachungssysteme kennen, die zur Optimierung der Leistung und Effizienz von Solaranlagen beitragen. Diese Sektion bietet Einblicke in die neuesten Innovationen und deren Anwendung in der Praxis.
„Snailtrails“ ist ein Begriff, der die optische Veränderung von auf Solarmodulen aufgedruckten Leiterbahnen bei kristallinen Solarzellen beschreibt. Das sind die Korrosionsspuren an den Silberkontakten der Module, die bei einem Mikrohaarriss in der Zelle entstehen. Der Begriff leitet sich vom Aussehen der Linien auf PV-Modulen ab, die bei der Sichtprüfung offensichtlich sind.
Ein Solarkataster erfasst das Energiepotenzial der Dachfläche. Dachausrichtung, -neigung und -verschattung werden bei der Energieeffizienzanalyse berücksichtigt.
Die Spannung in einem elektrischen Feld gibt an, wie viel Energie benötigt wird, um eine Ladung darin zu bewegen. Die Spannung drückt die spezifische Arbeitskapazität des Feldes bei einer bestimmten Ladung aus und wird in der Einheit Volt angegeben.
Die Standard Test Conditions (STC) sind die Bedingungen, unter denen ein Solarmodul getestet wird. Dazu gehören 1000 W/m² Einstrahlung, 25°C Zelltemperatur und eine Luftmasse (Air Mass) von 1,5.
Ein Transformator wird verwendet, um die Spannung in den Solarmodulen auf eine Spannung umzuwandeln, die für die Einspeisung in das Stromnetz geeignet ist. Er besteht meist aus zwei oder mehr Spulen / Wicklungen, die für gewöhnlich aus isoliertem Kupferdraht gewickelt sind. Die Spulen befinden sich auf einem gemeinsamen Magnetkern. Ein Transformator wandelt eine Eingangswechselspannung, welche an einer der Spulen angelegt ist, in eine Ausgangswechselspannung um, die an der anderen Spule abgegriffen werden kann. Die AC-Eingangsspannung und die Ausgangsspannung hängen durch das Verhältnis der Anzahl der Spulen zusammen. Mehr Windungen für eine Spule bedeuten eine höhere Eingangsstärke. Eine höhere Eingangsspannung an einer Spule bedeutet auch eine höhere erzeugte Ausgangsspannung.
Mit Hilfe von Wärmebildkameras und einigen weiteren Qualitätskontrollen können Sie Ihre Systemqualitätskontrolle kontinuierlich im laufenden Betrieb durchführen. So erkennen Sie eventuelle Fehlstellen bereits im Entstehen, ganz ohne Ertragsausfall.
Als gängige Energiequellen wurden Solar- und Windkraft als volatil bezeichnet, da sie zu unterschiedlichen Tageszeiten und bei schlechtem Wetter Energie liefern. Fossile Brennstoffanlagen sind ein Beispiel für eine stabilere Quelle, da der Output viel besser vorhergesagt werden kann.
Dieser Faktor soll das Verhältnis zwischen der von einem PV-Modul erzeugten elektrischen Leistung und der Leistung der auf dieses PV-Modul einfallenden Sonnenstrahlung darstellen.
Photovoltaikmodule haben je nach Technologie einen Wirkungsgrad zwischen 10 und 25 %. Sie können aus verschiedenen Gründen (z.B. Verschmutzung, Modulbeschädigung) degradiert werden. Es gibt viele verschiedene Arten von Management und Verbesserungen, die vorgenommen werden können, um die Stabilität zu gewährleisten.
Einer der wichtigsten Aspekte des technischen Managements ist die Systemüberwachung, das sogenannte „Monitoring“. Dazu gehört die Überprüfung auf Fehler und Störungen in elektrischen Energieerzeugungsanlagen und deren anschließende Beseitigung.
Es dient dazu, kurzfristige Ertragsverluste zu erfassen und zu eliminieren sowie schleichenden Effekten wie der Minderleistung einer Anlage durch fortschreitende Verschmutzung oder Degradation entgegenzuwirken. Dies sichert langfristig eine gute Leistung der Solaranlage.
Die technische Betriebsführung umfasst in der Regel die Wartung (siehe auch Wartung) und Reparatur von technischen Komponenten eines Solarparks wie Solarmodule, Wechselrichter, Datenlogger etc. Weitere technische Betriebsführungsleistungen können die Anlagenüberwachung (Monitoring), Grünschnitt, die Modulreinigung und die Erstellung technischer Berichte umfassen.
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