Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen) sind Solarstromanlagen, die entweder Strom für eine eigene Anwendung erzeugen, oder den erzeugten Strom in das Niederspannungsnetz einspeisen. Im ersten Fall handelt es sich um Inselanlagen, die den erzeugten Gleichstrom in eigenen Akkus zwischenspeichern. Bei Bedarf entnimmt der Verbraucher den Gleichstrom direkt aus den Akkus. Solche Inselanlagen werden überall dort eingesetzt, wo der Anschluss an das Niederspannungsnetz zu lang ist oder nicht realisierbar. Sie werden in der Verkehrsüberwachung eingesetzt, bei Parkautomaten, Navigationshilfen, Beleuchtung von Gebäuden usw.

Photovoltaikanlage, Foto: solarpower-gmbh

Im Gegensatz dazu steht die Energieerzeugung mit direkter Einspeisung in das öffentliche Stromnetz. Bei diesen netzgekoppelten Photovoltaikanlagen ist das Stromnetz Verbraucher und Energiespeicher zugleich.

Generell bestehen PV-Anlagen aus mehreren Solarmodulen, die in Gruppen zusammengefasst sind. Die einzelnen Photovoltaikmodule (PV-Module) sind in Reihe geschaltet, genannt Strings, und mehrere PV-Modul-Reihen werden parallel an einen Wechselrichter angeschlossen. Bei diesem Konzept wird die von den Solarmodulen gelieferte Gleichspannung in einem zentralen Wechselrichter, der sich in dem Netzeinspeisegerät befindet, in Wechselspannung konvertiert. Die Konvertierung muss frequenzgenau und phasensynchron mit der Netzspannung von 230 V und 50 Hz erfolgen. Das Konzept des zentralen Wechselrichters stammt aus den 70er Jahren und sieht vor, dass alle in Reihe geschalteten PV-Module den gleichen Strom und alle parallel geschalteten PV-Modulgruppen die gleiche Spannung generieren, damit die höchste Leistung erzeugt wird. Wenn Anlagenteile verschmutzt sind oder unterschiedliche Neigungswinkel haben oder im Schatten liegen, dann erzeugen sie weniger Strom und der Reihenstrom sinkt. Gleiches gilt für die Spannung. Die PV-Anlage arbeitet dann nicht mit dem optimalen Wirkungsgrad.

Konzepte der Energieumwandlung in PV-Anlagen

Alternativ zu dem zentral arbeitenden Wechselrichterkonzept gibt es dezentralisierte Konzepte. Die Lösungen, die mit kleinen Wechselrichtern, sogenannten Mikro-Invertern (DC to AC), oder mit DC/DC-Wandlern arbeiten, sind so konzipiert, dass jeweils einem PV-Modul ein Wandler zugeordnet wird. Die Wandler sorgen dafür dass die PV-Module immer im maximalen Arbeitspunkt, dem Maximum Power Point (MPP), arbeiten. Im Falle der Mikro-Inverter wird die erzeugte Wechselspannung unmittelbar in das Niederspannungsnetz eingespeist. Bei den Gleichspannungswandlern wird auch weiterhin der zentrale Wechselrichter benutzt. Das Konzept sieht vor, dass die Spannung von den in Reihe geschalteten Gleichspannungswandlern von dem und zentralen Wechselrichter in Netzspannung konvertiert wird.

Der Vorteil beider Konzepte liegt in einem höheren Wirkungsgrad und der Unabhängigkeit durch einzelne PV-Module mit unterschiedlicher Leistung, deren Einstrahlungsbedingungen, Ausrichtungen oder Verschmutzung.