Der PV-Generator oder Solargenerator ist das Herzstück einer PV-Anlage und prägt das Erscheinungsbild der Gebäude oder der Freiflächen, die den PV-Generator aufnehmen.

Der PV-Generator oder Solargenerator ist das Herzstück einer PV-Anlage und prägt das Erscheinungsbild der Gebäude oder der Freiflächen, die den PV-Generator aufnehmen. Er muss verschattungsfrei angebracht oder aufgestellt werden. Bei einigen Objekten wird z.B. vom Denkmalschutz oder Städtebau gefordert, den PV-Generator nicht im Sichtbereich zu installieren.

Er wird auch als Solarpaneel (englischer Sprachgebrauch) oder als Solarbatterie (russischer Sprachgebrauch) bezeichnet. Er setzt sich aus Solarmodulen zusammen. Die kleinsten Bausteine, aus denen die Solarmodule zusammengefügt sind, heißen Solarzellen, nicht zu verwechseln mit Fotozellen. Erstere erzeugen elektrische Energie. Bei einer Fotozelle ändert sich durch Lichteinstrahlung die elektrische Leitfähigkeit des Materials. Sie generiert aber keine Spannung, sondern benötigt eine Spannungsquelle, um funktionsfähig zu sein.

Solarzelle

Der Grundbaustein eines PV-Generators, die Solarzelle, ist ein Energiewandler, mit dem der photovoltaische Effekt realisiert wird. Der Photovoltaische Effekt (PV-Effekt) beschreibt die direkte Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie in einem Festkörper. Er wurde 1839 von Alexandre-Edmond Becquerel (1820 bis 1891) und seinem Vater Antoine César Becquerel (1788 bis 1878) entdeckt. In einer Solarzelle technisch umgesetzt wurde der PV-Effekt erst 1954 in den USA, und 1958 wurden Solarzellen erstmals im US-Satelliten Vanguard I zu dessen Stromversorgung eingesetzt.

Physikalische Vorgänge in einer Solarzelle:
Vier Voraussetzungen müssen für das Auftreten des PV-Effekts in einem Festkörper erfüllt sein:

1. Gute Strahlungsabsorption im gesamten Spektralbereich. Das ist in sehr vielen Festkörpern möglich und damit unproblematisch.
2. Die Strahlungsabsorption muss freie negative und positive Ladungsträger generieren.
3. Im Festkörper muss ein elektrisches Feld existieren oder einbaubar sein, das die freien unterschiedlich geladenen Ladungsträger trennt bzw. eine Potenzialbarriere zwischen ihnen aufbaut, damit die Ladungsträger getrennt bleiben.
4. Das Ableiten der Elektronen (des elektrischen Stroms) über ohmsche Kontakte zum Stromverbraucher soll weitgehend verlustfrei geschehen. Das ist relativ leicht möglich.

Sind diese Voraussetzungen erfüllt, kommt es zu wie im Bild dargestellten Zwischenprozessen bei der photovoltaischen Wandlung.

Schritte bei der Generierung eines elektrischen Stroms durch Lichtquanten

Einteilung von Solarzellen

Die Unterscheidung von Solarzellen ist nach fünf Kriterien möglich:

1. Lage der Potenzialbarriere
2. Gitterstruktur des für die Solarzellenherstellung verwendeten Halbleitermaterials
3. verwendete Halbleiter oder Kombination unterschiedlicher Halbleiter
4. Schichtdicken des Halbleitermaterials
5. konstruktionsbasierte Besonderheiten

Als Gitterstrukturen kommen in Betracht:

• monokristallines Material mit völlig gleichmäßiger Gitterstruktur großer Kristalle
• polykristallines Material mit abschnittsweise gleicher Kristallgitterstruktur
• amorphes, strukturloses Material (α-Solarzellen)

Die weitaus meisten heute hergestellten Solarzellen bestehen aus kristallinem Silizium, obwohl Si zu den sog. indirekten Halbleitern gehört, deren Absorptionskoeffizient für Lichtstrahlung gering ist: Deshalb muss die Solarzelle relativ dick sein (> 50 μm). Ausgangsmaterial ist ein Poly-Si, das bis vor wenigen Jahren ein Abfallmaterial aus der Halbleiterindustrie war. Da dieses Material bei Weitem nicht mehr für den ständig wachsenden Markt ausreicht, wurden inzwischen Fabriken zur ausschließlichen Produktion von Solarsilizium errichtet. Bei der Herstellung von Silizium ist kein Rohstoffmangel zu befürchten: Der Ausgangsstoff Sand ist nahezu unbeschränkt verfügbar. Die Zwischenprodukte bei der Herstellung des Solarsiliziums sind allerdings nicht ganz unproblematisch.

Solarmodule

Da die Arbeitsspannung einer Solarzelle unter 1 V liegt, müssen für technische Anwendungen mehrere Solarzellen in Reihe geschaltet werden. Um z.B. eine 12-V-Batterie mit einer polykristallinen Siliziumsolarzelle, die eine Arbeitsspannung von U ≈ 0,4 V hat, aufzuladen, müssen 32 bis 36 Si-SZ verbunden werden.

Zusammengeschaltete kontaktintegrierte Solarzellen werden Connector-Integrated Solar-Cells (CIC) genannt. Werden sie zwischen zwei Glasplatten eingebettet und mit einem Rahmen versehen, entsteht ein Solarmodul, das das handelsübliche Produkt auf dem Verbrauchermarkt darstellt und in verschiedensten Größen von 1 × 0,5 m² bis 2 × 1 m² geliefert wird. Einige Hersteller bieten maßgefertigte Solarmodule für die Anpassung an vorgegebene Dach- und Fassadenflächen an. Entsprechend den unterschiedlichen Modulflächen sind auch die Werte für Spannung und Strom und damit die Leistungen der Module unterschiedlich. Die Spitzenleistung eines Moduls kann von 60 W bis 260 W reichen.

Wirkungsweise des PV-Generators

Im PV-Generator ändern sich in Abhängigkeit von Verbrauchercharakteristik und solarer Strahlungsintensität φ_Str,ges  sowohl die Stromstärke als auch - wenn auch nur sehr wenig - die Spannung. Im Bild ist das daraus entstehende Kennlinienfeld eines Solargenerators dargestellt.

Kennlinienfeld eines PV-Generators

Aus diesem Bild lässt sich eine Aussage zur Notwendigkeit einer Sicherung gegen Kurzschluss bei PV-Anlagen gewinnen. Bei einem elektrischen Kurzschluss beim Verbraucher sinkt die Spannung am Solargenerator auf den Wert null. Dafür ergeben sich für den Kurzschlussstrom in Abhängigkeit von der Strahlungsintensität die Werte K₁ und K₂. Der Kurzschlussstrom bei K₁ bzw. K₂ ist aber nicht sehr viel größer als in den Leistungsbestpunkten P₁ und P₂: Eine Sicherung gegen Kurzschluss ist deshalb bei einem PV-Generator nicht nötig.

Im Gegensatz dazu hat das elektrische Wechselstromnetz eines Hauses einen konstanten Spannungswert. Der aus der Steckdose entnommene Strom stellt sich entsprechend dem Widerstand des Verbrauchers ein. Bei Kurzschluss wird der Verbraucher abgetrennt, sein Widerstand geht gegen null und damit die Stromstärke gegen unendlich. Damit das Leitungsnetz nicht durchbrennt, sind hier Sicherungen nötig.

Laderegler

Bei akkumulatorgekoppelten Inselsystemen wird zwischen dem PV-Generator und dem Akkumulator ein Laderegler geschaltet. Aus zwei Gründen ist ein direkter Anschluss des PV-Generators an den Akkumulator nicht ratsam:

• Bei fehlender Sonnenstrahlung werden die Solarzellen leitend für den Akkumulatorstrom. Dieser Rückstrom muss durch Zwischenschalten einer Diode (Laderegler) blockiert werden.
• Bei viel Sonnenschein und wenig Stromverbrauch muss der Akkumulator vor Überladung geschützt werden, indem der photovoltaisch generierte Strom reduziert bzw. bei vollgeladenem Akkumulator abgeschaltet wird.

Laderegler sind verfügbar als

• Serienregler, der immer aktiviert ist und damit immer Verluste verursacht, und
• Shuntregler, mit dem der Ladebetrieb optimiert werden kann und die vollen Verluste nur bei vollgeladenem Akkumulator auftreten.

Wechselrichter

Für Verbraucher mit Wechselstromanschluss bzw. für das Einspeisen ins Wechselstromnetz werden Wechselrichter benötigt. Ihr Einsatz ist als

• netzgeführter Wechselrichter oder
• selbstgeführter Wechselrichter

möglich.

Mit einem netzgeführten Wechselrichter wird die Belastung des Netzes mit Blindstrom vermieden. Sein Einsatz ist nur mit netzgekoppelten PV-Anlagen möglich. Wenn der PV-Generator keinen Strom liefert, zieht er für seinen Betrieb Strom aus dem Netz, wirkt also als ständiger Verbraucher.

Für den Einsatz im Inselbetrieb eignet sich ein selbstgeführter Wechselrichter. Bei ihm ist auf die Form des erzeugten Stroms mit einem geringen Gehalt an Oberschwingungsstrom zu achten. Selbstgeführte Wechselrichter können auch für netzgekoppelte PV-Anlagen verwendet werden. Sie verbrauchen keine Energie aus dem Netz.

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