Photovoltaikanlagen

Definition von Solaranlagen

Solaranlagen erzeugen Elektrizität mit Solarenergie und werden in Photovoltaik- (PV) und konzentrierende Solaranlagen (CSP) unterteilt.

Photovoltaikanlagen

Diese Anlagen wandeln Sonnenlicht direkt in Elektrizität um, indem sie Solarzellen verwenden, und bestehen aus Komponenten wie Solarmodulen, Wechselrichtern und Batterien.

Eine Photovoltaikanlage ist ein groß angelegtes PV-System, das an das Stromnetz angeschlossen ist und darauf ausgelegt ist, elektrische Energie in großem Umfang aus Solareinstrahlung zu erzeugen. Eine Photovoltaikanlage besteht aus mehreren Komponenten, wie:

• Solarmodule: Die Grundbausteine eines PV-Systems, die aus Solarzellen bestehen, die Licht in Elektrizität umwandeln. Solarzellen, normalerweise aus Silizium hergestellt, absorbieren Photonen und geben Elektronen frei, wodurch ein elektrischer Strom entsteht. Solarmodule können je nach Spannungs- und Strombedarf des Systems in Serie, Parallel oder Serie-Parallel-Schaltungen angeordnet werden.

• Montagestrukturen: Diese können fest oder verstellbar sein. Feste Strukturen sind günstiger, folgen aber nicht der Bewegung der Sonne, was möglicherweise die Ausbeute reduziert. Verstellbare Strukturen neigen oder drehen sich, um der Sonne zu folgen und die Energieproduktion zu erhöhen. Sie können manuell oder automatisch sein, abhängig von den erforderlichen Steuerungen.

• Wechselrichter: Diese Geräte wandeln den Gleichstrom (DC), der von den Solarmodulen erzeugt wird, in Wechselstrom (AC) um, der ins Netz eingespeist oder von AC-Lasten verwendet werden kann.

• Wechselrichter können in zwei Typen unterteilt werden: Zentralwechselrichter und Mikrowechselrichter. Zentralwechselrichter sind große Einheiten, die mehrere Solarmodule oder -arrays verbinden und eine einzige AC-Ausgabe liefern. Mikrowechselrichter sind kleine Einheiten, die an jedes Solarmodul oder -panel angeschlossen werden und individuelle AC-Ausgaben liefern. Zentralwechselrichter sind für groß angelegte Systeme kostengünstiger und effizienter, während Mikrowechselrichter für kleinere Systeme flexibler und zuverlässiger sind.

• Laderegler: Regulieren die Spannung und den Strom von Solarmodulen, um Überladung oder Entladung der Batterien zu verhindern. Es gibt zwei Arten: Pulsweitenmodulation (PWM) und Maximum Power Point Tracking (MPPT). PWM-Regler sind einfacher und günstiger, verschwenden jedoch etwas Energie. MPPT-Regler sind effizienter und optimieren die Energieausgabe, indem sie den Maximalleistungspunkt der Solarmodule anpassen.

• Batterien: Diese Geräte speichern überschüssige Elektrizität, die von den Solarmodulen oder -arrays erzeugt wird, für späteren Gebrauch, wenn kein Sonnenlicht vorhanden ist oder wenn das Netz ausfällt. Batterien können in Blei-Säure-Batterien und Lithium-Ionen-Batterien unterteilt werden. Blei-Säure-Batterien sind günstiger und weit verbreitet, haben jedoch eine geringere Energiedichte, eine kürzere Lebensdauer und erfordern mehr Wartung. Lithium-Ionen-Batterien sind teurer und seltener, haben jedoch eine höhere Energiedichte, eine längere Lebensdauer und erfordern weniger Wartung.

• Schalter: Verbinden oder trennen Teile des Systems, wie Solarmodule, Wechselrichter und Batterien. Sie können manuell oder automatisch sein. Manuelle Schalter benötigen menschliche Bedienung, während automatische Schalter auf vordefinierte Bedingungen oder Signale reagieren.

• Zähler: Diese Geräte messen und anzeigen verschiedene Parameter des Systems, wie Spannung, Strom, Leistung, Energie, Temperatur oder Bestrahlung. Zähler können analog oder digital sein, abhängig vom Anzeigetyp und der benötigten Genauigkeit. Analogzähler verwenden Nadeln oder Skalen, um Werte anzuzeigen, während digitale Zähler Zahlen oder Diagramme verwenden, um Werte anzuzeigen.

• Kabel: Diese Drähte übertragen Elektrizität zwischen verschiedenen Komponenten des Systems. Kabel können in DC-Kabel und AC-Kabel unterteilt werden. DC-Kabel führen Gleichstrom von den Solarmodulen zu den Wechselrichtern oder Batterien, während AC-Kabel Wechselstrom von den Wechselrichtern zum Netz oder zur Last übertragen.

Der Erzeugungsteil umfasst Solarmodule, Montagestrukturen und Wechselrichter, die Elektrizität aus Sonnenlicht erzeugen.Der Transmissionspart umfasst Kabel, Schalter und Zähler, die Elektrizität vom Erzeugungsteil zum Verteilungsteil übertragen.

Der Verteilungsteil umfasst Batterien, Laderegler und Lasten, die Elektrizität speichern oder verbrauchen.Das folgende Diagramm zeigt ein Beispiel für eine Photovoltaikanlagenanordnung:

Der Betrieb einer Photovoltaikanlage hängt von mehreren Faktoren ab, wie Wetterbedingungen, Lastbedarf und Netzzustand. Allerdings besteht ein typischer Betrieb aus drei Hauptmodi: Lademodus, Entlademodus und Netzverbundmodus.

Der Lademodus tritt auf, wenn es überschüssiges Sonnenlicht und niedrige Nachfrage gibt. In diesem Modus erzeugen die Solarmodule mehr Elektrizität, als benötigt wird. Die überschüssige Elektrizität lädt die Batterien über die Laderegler auf.

Der Entlademodus tritt auf, wenn kein Sonnenlicht vorhanden ist oder die Lastbedarfe hoch sind. In diesem Modus erzeugen die Solarmodule weniger Elektrizität, als von den Lasten benötigt wird. Der Mangel an Elektrizität wird durch die Batterien über die Wechselrichter gedeckt.

Der Netzverbundmodus kann auch dann auftreten, wenn es einen Netzausfall gibt und Notstrom benötigt wird. In diesem Modus erzeugen die Solarmodule Elektrizität, die durch die Wechselrichter von den Lasten genutzt werden kann.

Vorteile

• Solaranlagen nutzen erneuerbare und saubere Energie, die keine Treibhausgase oder Schadstoffe emittiert.

• Solaranlagen können die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringern und die Energieversorgungssicherheit und -vielfalt erhöhen.

• Solaranlagen können in abgelegenen Gebieten, wo eine Netzanschluss nicht machbar oder zuverlässig ist, Elektrizität bereitstellen.

• Solaranlagen können lokale Arbeitsplätze und wirtschaftliche Vorteile für Gemeinden und Regionen schaffen.

• Solaranlagen können von verschiedenen Anreizen und Politiken profitieren, die die Entwicklung und den Einsatz erneuerbarer Energien unterstützen.

Nachteile

• Solaranlagen erfordern große Flächen und können Umweltauswirkungen auf Wildtiere, Vegetation und Wasserressourcen haben.

• Solaranlagen haben hohe anfängliche Kapitalkosten und lange Amortisationszeiträume im Vergleich zu konventionellen Kraftwerken.

• Solaranlagen haben niedrige Auslastungsfaktoren und hängen von Wetterbedingungen und Tageszyklen ab, die ihre Ausbringung und Zuverlässigkeit beeinflussen.

• Solaranlagen benötigen Rückhalte- oder Speichersysteme, um eine kontinuierliche Energieversorgung bei geringem oder keinem Sonnenlicht sicherzustellen.

• Solaranlagen stellen technische Herausforderungen dar, wie die Netzintegration, Verbindung, Übertragung und Verteilung.