Einleitung: Vom Solarmodul zur Solaranlage

Der Oberbegriff „Solaranlage" bezeichnet sowohl Photovoltaikanlagen als auch Solarthermieanlagen. Photovoltaik- oder kurz PV-Anlagen wandeln Sonnenstrahlen in elektrische Energie um, während Solarthermie-Anlagen Wärmeenergie erzeugen. In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf PV-Anlagen.

Nachdem wir im vorherigen Artikel Von Photon zu Volt: Wie funktioniert eine Solarzelle? die Funktionsweise einer einzelnen Solarzelle kennengelernt haben, betrachten wir nun das große Ganze: Wie wird aus einzelnen Zellen eine vollwertige Solaranlage?

Von der Zelle zur Farm

Die Hierarchie einer Photovoltaikanlage ist klar strukturiert:

• Solarzelle → Modul: Mehrere Zellen werden elektrisch verschaltet und mechanisch in einem Rahmen vergossen
• Modul → String: Module werden in Reihe geschaltet, um die nötige Spannung für den Wechselrichter zu erreichen
• String → Anlage: Mehrere Strings speisen in einen oder mehrere Wechselrichter
• Anlage → Farm: Viele Anlagen zusammen bilden einen Solarpark

Bereits ein einzelnes Solarmodul oder ein String kann als vollwertige Solaranlage gelten – etwa bei einer Balkon-PV-Anlage.

Allerdings ist die Anordnung von Solarzellen und Solarmodulen nur das halbe Bild. Für eine funktionsfähige Anlage werden zusätzlich benötigt:

• Halterungen und Montagesysteme
• Kabel und Anschlussdosen
• Leistungselektronik (Wechselrichter, MPPT)
• Optional: Batteriespeicher
• Stromzähler und Überwachungssysteme

Montage & Aufständerung

Solarmodule können an vielen Orten montiert werden:

Private Anwendungen

• Hausdächer (Schrägdach oder Flachdach)
• Garagen und Carports
• Balkon-Anlagen
• Fassaden

Gewerbliche und industrielle Anwendungen

• Fabrikhallen und Bürogebäude
• Freiflächen-Anlagen (Solarparks)
• Agri-PV (kombiniert mit Landwirtschaft)

Aufständerungsarten

Feste Aufständerung:

• Module sind unbeweglich auf Dächern oder Freiflächen montiert
• Geometrisch an Gebäude oder Halterungen gebunden
• Einfach, kostengünstig, wartungsarm
• Standardlösung für die meisten Anwendungen

Nachgeführte Aufständerung (Tracker):

• Module folgen dem Sonnenlauf über den Tag
• Bewegung durch Elektromotoren oder Hydraulik
• Ertragssteigerung von 15–35% möglich
• Höhere Kosten und Wartungsaufwand
• Vor allem bei Großanlagen wirtschaftlich

Für alle Montagearten gilt: Robustheit, Windlast und bei Gebäuden die Dachstatik bestimmen die Wahl der Halterung.

Strompfad: Vom Modul bis zur Steckdose

Der Weg des Solarstroms lässt sich in fünf Hauptschritte unterteilen:

1. DC-Erzeugung

Die Solarmodule wandeln Sonnenlicht in Gleichstrom (DC) um. Die erzeugte Spannung hängt von der Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen ab.

2. MPPT & DC-Optimierung

Der Maximum-Power-Point-Tracker (MPPT) passt die Arbeitsspannung kontinuierlich an, um die maximale Leistung aus den Modulen zu holen. Bei wechselnder Bewölkung oder Teilverschattung ist das besonders wichtig.

3. AC-Wandlung

Der Wechselrichter wandelt den Gleichstrom in netzkonformen Wechselstrom um:

• 230 V einphasig für kleine Anlagen
• 400 V dreiphasig für größere Anlagen

4. Einspeisung oder Verbrauch

Der Wechselstrom fließt entweder zu Haushaltsverbrauchern, in einen Batteriespeicher oder ins öffentliche Netz.

5. Messung und Abrechnung

Stromzähler erfassen Bezug und Einspeisung für die Abrechnung und das Energiemanagement.

Batterie-Integration: AC- vs. DC-Kopplung

Solaranlagen mit einer installierten Batterie besitzen einen Energiepuffer. Mit intelligenter Ladeelektronik kann der Strom bedarfsgerecht zwischengespeichert werden. Wolkige Tage werden überbrückt, sonnige Tage zum Laden genutzt.

AC-gekoppelte Systeme

• Der Wechselrichter sitzt direkt hinter den Modulen
• Die Batterie wird nachgelagert mit Wechselstrom (AC) geladen und entladen
• Zusätzliche AC/DC-Wandlung für die Batterie nötig
• Einfache Nachrüstung bestehender Anlagen
• Etwas geringerer Gesamtwirkungsgrad durch doppelte Wandlung

Vorteile: Flexibilität bei der Installation, unabhängig vom PV-Wechselrichter, einfache Nachrüstung

DC-gekoppelte Systeme

• Batterie hängt direkt am DC-Pfad der Solarmodule
• Laden und Entladen ohne AC-Zwischenwandlung
• Erst für das Hausnetz wird auf AC gewandelt
• Höherer Gesamtwirkungsgrad

Vorteile: Weniger Wandlungsverluste, bessere Effizienz bei Eigenverbrauch

Strommessung & Zählertypen

Für die Kommunikation zwischen Solaranlage, Batterie und Netz ist eine anlagenumfassende Regelung erforderlich. Die Basis bilden die Messdaten der Stromzähler.

Einrichtungszähler

Messen den Stromfluss nur in eine Richtung:

• Verbrauchszähler: Strom vom Netz zum Haushalt
• Einspeisezähler: Strom von der PV-Anlage ins Netz
• Ertragszähler: Gesamte Stromerzeugung der Anlage

Zweirichtungszähler

Erfassen Bezug und Einspeisung parallel in einem Gerät. Vereinen die Funktionen von Verbrauchs- und Einspeisezähler.

Smart-Meter

Die modernste Variante:

• Digitale Messung und Kommunikation
• Echtzeit-Datenübertragung möglich
• Grundlage für Energiemanagement und variable Tarife
• Kommunikation über das Smart-Meter-Gateway

Lastprofile & Autarkiegrad

Tagesprofile im Haushalt schwanken stark:

• Morgens: Niedriger Verbrauch (Leute bei der Arbeit), niedrige Erzeugung (flacher Sonnenstand)
• Mittags: Geringe Last, maximale Solarerträge → Batterie lädt
• Abends: Hoher Verbrauch (Kochen, TV, Heizung), keine Erzeugung → Batterie entlädt

Für einen hohen Autarkiegrad müssen drei Faktoren zusammenpassen:

1. Erzeugung (kWp): Wie viel kann die Anlage maximal liefern?
2. Speicher (kWh): Wie viel Energie kann gepuffert werden?
3. Verbrauch (kWh/Jahr): Wie viel Strom braucht der Haushalt?

Fazit: So kommt der Strom zur Steckdose

Weiter geht's: Im nächsten Artikel AC/DC in der PV: Wechselrichter und Stromwandlung geht es um die Details der Stromwandlung: Wechselrichter, MPPT und die Unterschiede zwischen ein- und dreiphasigen Systemen.

Quellen

• Solaranlage-Ratgeber: Photovoltaik-Technik
• DZ4: Solar-Installation
• 1KOMMA5°: PV-Aufbau
• HTW Berlin: Effizienzleitfaden für PV-Speichersysteme