Aufbau und Funktion von Photovoltaikanlagen

Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen) wandeln Sonnenenergie in elektrische Energie um und sind heute ein zentraler Bestandteil der Energieversorgung von Gebäuden, besonders im Wohnungsbau. Ihre Komponenten sind modular aufgebaut und folgen einer klaren Systemhierarchie.

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Wie ist eine PV-Anlage aufgebaut?

Die kleinste Einheit einer Photovoltaik-Anlage ist die Solarzelle, die bei Sonneneinstrahlung elektrische Spannung erzeugt, z. B. 0,6 V. Mehrere Solarzellen werden zu einem PV-Modul zusammengefügt und diese dann in Reihe zu einem sogenannten PV-Strang (PV-String) geschaltet. Mehrere PV-Stränge bilden jeweils einen PV-Teilgenerator. Die Gesamtheit aller Teilgeneratoren wird als PV-Generator bezeichnet, der Gleichspannung (DC) liefert. 

Wie wird der Strom an das Hausnetz weitergegeben?

Die elektrische Energie wird über Gleichstromleitungen vom Dach zu einem Generatoranschlusskasten (GAK) geführt – üblicherweise durch die Dachhaut über spezielle Lüftungspfannen. Ausgehend von den Plus- und Minuspolen der PV-Module sind auch die Stränge gepolt und sind entsprechend farblich markiert. Rote Leitungen werden als L+ bezeichnet, blaue als L-. Entsprechend ihrer Polarität werden die Stränge über sogenannte String-Sammelklemmen im Anschlusskasten gebündelt und zusammengeführt und mit den Gleichstrom-Hauptleitungen verbunden.

Der Generatoranschlusskasten (GAK) ist also der Knotenpunkt für die Weiterleitung von Strom aus der PV-Anlage in die Leitungsinfrastruktur des Gebäudes. Der GAK sollte deshalb gut vor direkter Witterung geschützt werden. Neben den String-Sammelklemmen befinden sich hier in der Regel auch ein Gleichspannungs-Lasttrennschalter, die Überspannungsschutzeinrichtungen sowie die Strangsicherungen. 

Wie wird aus Gleichstrom Wechselstrom?

Die PV-Anlage erzeugt Gleichstrom, Haushaltsgeräte und fest im Gebäude installierte Verbraucher benötigen aber Wechselstrom. Es braucht daher einen Wechselrichter, der die Gleichspannung aus der PV-Anlage in dreiphasige Wechselspannung (3AC) umwandelt, die dann im Haushalt genutzt oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann. Wechselrichter und Generatorenkasten sollten möglichst nahe beieinander liegen, um aus Kosten- und Sicherheitsgründen kurze Gleichstromkabelwege zu ermöglichen.

Hybridwechselrichter erweitern diese Funktionalität: Sie können die Gleichstromspannung in einen Batteriespeicher leiten, wo Strom zwischengespeichert wird. Bei Bedarf kann der Hybridwechselrichter den Gleichstrom aus der Batterie oder direkt aus der PV-Anlage in Wechselstrom verwandeln.   

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Wie lässt sich der Strom speichern?

Grundsätzlich lassen sich zwei Betriebsarten unterscheiden: Im Verbundbetrieb ist die PV-Anlage an das öffentliche Stromnetz angeschlossen und speist überschüssige Energie ein. Im Inselbetrieb erfolgt die Energieversorgung unabhängig vom Netz, beispielsweise ausschließlich über einen Batteriespeicher. Diese ermöglichen es, selbst erzeugte Energie zwischenzuspeichern und zeitversetzt zu nutzen. Dabei sind insbesondere Anforderungen an Belüftung und Brandschutz zu berücksichtigen.

Wie funktioniert die Stromeinspeisung ins öffentliche Stromnetz?

Für den Verbundbetrieb, also die Einspeisung des Stromes ins Netz, braucht es ein Netzeinspeisegerät. Das enthält neben dem Wechselrichter auch einen Trenntransformator, eine Wechselstrom-Trennvorrichtung in Form eines AC-Leistungsschalters sowie eine Einrichtung zur Netzüberwachung. Für die Einspeisung in das Netz sind weitere Komponenten erforderlich: ein Netz- und Anlagenschutz (NA-Schutz), Überstrom- und Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCD, Residual Current Device) sowie ein Kuppelschalter, der die Verbindung zum öffentlichen Stromnetz an- und ausschalten kann. 

Wie wird die Strommenge erfasst?

Die vom Wechselrichter erzeugte Wechselspannung wird im Zählerschrank von einem Zweirichtungszähler erfasst, der sowohl den Strombezug aus dem Netz als auch die Einspeisung von Strom ins Netz misst. Darüber hinaus enthält der Zählerschrank Schutz- und Verteilkomponenten wie Leitungsschutzschalter für die abgehenden Stromkreise, Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCD oder FI-Schutzschalter genannt) und Überspannungsschutzgeräte (SPD). Die Versorgung der üblichen Haushaltsgeräte erfolgt über einphasige Wechselspannung (1AC mit 230 V), bei der eine Phase aus dem dreiphasigen Wechselstrom in Kombination mit einem Neutralleiter abgeleitet wird.

Wie ist die Anlage gegen Überspannung und Überhitzung geschützt?

Für den sicheren Betrieb sind die Schutzmaßnahmen gemäß DIN VDE 0100-712: Errichtung von Niederspannungsanlagen – Anforderungen für Betriebsstätten, Räume und Anlagen besonderer Art – Photovoltaik-(PV)-Stromversorgungssysteme maßgeblich. Bei kleineren und mittleren Anlagen liefern PV-Teilgeneratoren Spannungen bis DC 120 V. Als Schutzmaßnahmen gegen den elektrischen Schlag können daher die Sicherheitskleinspannung SELV (Safety Extra Low Voltage) oder die Schutzkleinspannung PELV (Protective Extra Low Voltage) angewendet werden. Dazu zählen insbesondere der Schutz gegen elektrischen Schlag sowie geeignete Erdungs- und Potenzialausgleichssysteme. Zusätzlich kann ein Funktionspotenzialausgleich erforderlich sein, etwa zur Einbindung von PV-Montagesystemen oder Wechselrichtern.

Die gelb-grünen Schutzleiter (PE-Leiter) der verschiedenen Stromkreise dienen der Ableitung von Fehlerströmen und werden über PE-Schienen gebündelt und stellen über die Haupterdungsschiene den Kontakt zur Erdung her (Bild 1). Der pinkfarbene Funktionspotenzialausgleichsleiter ist mit dem Montagegestell der PV-Anlage und einer PE-Schiene als Funktionsschutz des Wechselrichters und Batteriespeichers verbunden.

Wie ist die PV-Technik räumlich am besten geschützt?

Generatoranschlusskasten, Wechselrichter, Batteriespeicher sowie Zählerschrank befinden sich häufig nah beieinander, etwa im Hausanschlussraum. Eine separate Unterbringung kann jedoch Vorteile hinsichtlich Sicherheit und Wartung bieten. Zudem ist auf eine gute Belüftung zu achten, beim Batteriespeicher auch auf einen sicheren Brandschutz.

Zur Überwachung und Optimierung des Anlagenbetriebs bieten viele Hersteller digitale Anwendungen (Apps) an. Sie ermöglichen u. a. die grafische Darstellung der erzeugten Strommenge, der Menge des gespeicherten Stroms oder Verbrauchsprofile. 

Fazit

Photovoltaikanlagen sind komplexe, aber klar strukturierte Systeme zur dezentralen Energieerzeugung. Ihr effizienter und sicherer Betrieb erfordert ein abgestimmtes Zusammenspiel aller Komponenten – von der Solarzelle bis zur Netzanbindung. Neben technischen Anforderungen spielen auch Aspekte wie Schutzmaßnahmen, Speicherintegration und zukünftige Erweiterbarkeit eine wichtige Rolle in der Planung.

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