Aufbau Solaranlage – Bauteile, Reihenfolge und Funktionen

Wie ist der Aufbau einer Solaranlage? Welche Bauteile bewirken die effiziente Energieerzeugung von Solarenergie auf dem Dach? Wir werfen einen genauen Blick auf die Funktion und Reihenfolge der einzelnen Komponenten, die zu einer Solaranlage gehören.

Das Wichtigste im Überblick

• Der Aufbau einer Solaranlage umfasst verschiedene Schlüsselkomponenten, darunter Solarzellen, Unterkonstruktion, Wechselrichter, Stromzähler und Solarkabel, die zusammenarbeiten, um Solarenergie zu erzeugen und zu nutzen.
• Die Solarzellen in den Solarmodulen wandeln Sonnenlicht in elektrische Energie um und sind in Schichten aufgebaut, die sie schützen und miteinander verbinden.
• Solarkabel spielen eine entscheidende Rolle beim Leiten des erzeugten Stroms von den Modulen zum Wechselrichter und den Stromzählern.
• Dabei gibt es Gleichstromkabel und Wechselstromkabel mit unterschiedlichen Eigenschaften und Funktionen für den Energietransfer.
• Die Verwendung von Stromspeichern, Wärmepumpen und Wallboxen gewinnt zunehmend an Bedeutung, um den Eigenverbrauch zu steigern und unabhängiger von öffentlichen Energiequellen zu werden.

Der Aufbau eines Netzanschlusses ermöglicht es, den erzeugten Strom sicher ins öffentliche Netz einzuspeisen, wobei verschiedene Schutzvorrichtungen und Zähler eingesetzt werden.

Der Aufbau einer Solaranlage lässt sich leicht verstehen, wenn man die wesentlichen technischen Bauteile und ihre Funktionsweise näher betrachtet. Sinnvoll ist eine Aufteilung nach Stromerzeugung (Gleichstrom-Seite) und nach Stromverwendung (Wechselstrom-Seite), die wir im Folgenden genauer betrachten.

Die Energie-Produzenten einer jeden Solaranlage sind die Solarmodule. Diese bestehen heute hauptsächlich aus monokristallinen Solarzellen. Der Aufbau einer Perowskit-Solarzelle ergibt sich aus einzelnen Schichten, in denen Sonnenlicht mit den Elektronen des Halbleitermaterials Silizium reagiert. Je nach Zusammensetzung besitzen die Zellen unterschiedliche Wirkungsgrade, das heißt, sie produzieren mehr oder weniger Energie.

Ein typisches Solarmodul hat eine Größe von etwa 2 m², ist 400 bis 450 Watt stark und ist aus 72 Wafern aufgebaut, die wiederum mit Bypass-Dioden in 144 Halbzellen verbunden werden.

Solarmodule sind in Schichten aufgebaut und von einem Alu-Rahmen eingefasst:

• Die oberste Schicht besteht normalerweise aus Glas oder in einigen Fällen aus einer Kunststoffschicht, die die Zellen vor Umwelteinflüssen schützt.
• Auch unter dem Glas befindet sich eine Schutzschicht aus Kunststoff, in die die Solarzellen eingebettet sind.
• Darunter folgt entweder eine zweite Glasschicht oder eine Kunststofffolie.
• Die Rückseite des Moduls ist mit einer weiteren Schutzfolie versehen und beherbergt die Anschlussdose, über die die Module miteinander verbunden werden.

In Solaranlagen nennt man in Reihe geschaltete Module „Strings“. Alle Solarmodule in einem String sollten möglichst ähnliche Leistungen haben, da das schwächste Modul die Gesamtleistung bestimmt. Hierbei gilt:

• Verschattungen sollten vermieden werden, da sie die Leistung erheblich beeinträchtigen können.
• Um unterschiedliche Sonneneinstrahlungen zu kompensieren, kann die Anlage in Teilanlagen aufgebaut werden, wobei man Module ähnlicher Leistung in einem String zusammenfasst.
• Es ist möglich, eine Solaranlage aus beliebig vielen Strings zu bilden. Um Verschattungen auszugleichen, können Modulwechselrichter, Leistungsoptimierer oder MPP-Tracking im Zentralwechselrichter eingesetzt werden.

Die Verbindung der Module in einer Solaranlage wird durch die Solarkabel hergestellt. Diese spielen eine zentrale Rolle, indem sie den erzeugten Strom zuverlässig zum Wechselrichter und dem Stromzähler leiten.

Es ist dabei zu beachten, dass die Gleichstromkabel von den Modulen dünner und flexibler sind im Vergleich zu den Wechselstromkabeln, die den umgewandelten Strom ins Stromnetz transportieren.

Die Unterschiede bei Solarkabeln im Detail:

• Gleichstromkabel erfüllen die Aufgabe, den erzeugten Gleichstrom von den Solarmodulen zum Wechselrichter zu transportieren. Wegen dem niedrigeren Spannungsbedarf des erzeugten Gleichstroms sind diese Kabel schlank und flexibel.
• Wechselstromkabel haben die Aufgabe, den umgewandelten Wechselstrom vom Wechselrichter zu den Stromzählern und gegebenenfalls zur Einspeisung in das öffentliche Stromnetz zu leiten. Diese Kabel sind robust und für höhere Spannungen ausgelegt, um den erzeugten Strom sicher und effizient ins Stromnetz einzuspeisen.

Die Auswahl der richtigen Kabel und die sorgfältige Verlegung sind entscheidend, um Energieverluste zu minimieren und die Gesamteffizienz der Solaranlage sicherzustellen.

Die Unterkonstruktionen für Solaranlagen variieren je nach Art des Daches und der Montagemethode. Schrägdächer bieten gängige Optionen wie Aufdach- und Indach-Montagen:

• Aufdach-Montage: Hier werden die Solarmodule auf der Oberfläche des Schrägdachs angebracht. Mithilfe von Halterungen werden die Module auf dem bestehenden Dach befestigt, wodurch ein Abstand zwischen den Modulen und der Dacheindeckung gewährleistet wird. Diese Methode eignet sich gut für Ein- und Mehrfamilienhäuser und ermöglicht eine unkomplizierte Installation von Solaranlagen.
• Indach-Montage: Im Gegensatz zur Aufdach-Montage integriert diese Methode die Solarmodule in die Dachhaut und ersetzt damit die herkömmliche Dacheindeckung. Eine sorgfältige Integration der Module in die Dachstruktur ist erforderlich. Diese ästhetische Lösung verändert das Erscheinungsbild des Dachs weniger stark.

Für Flachdächer sind spezielle Befestigungssysteme notwendig, da die Neigung des Dachs minimal ist. Also werden die Solarmodule für eine bessere Ausrichtung zur Sonne aufgeständert. Metallgestelle, die am Dach angebracht werde, ermöglichen eine optimale Platzierung und Belüftung der Solarmodule zur Maximierung ihrer Leistung.

Um die Solarenergie zu verwenden, wird der Gleichstrom vom Solardach in Wechselstrom umgewandelt. Dieser kann nun direkt im Haushalt verbraucht werden, zum Beispiel durch eine Wärmepumpe oder elektrische Geräte. Er kann aber auch ins Stromnetz eingespeist werden.

Eine weitere Möglichkeit ist die Zwischenspeicherung in einem Stromspeicher oder eine Wallbox, dabei ist allerdings eine erneute Umwandlung der Solarenergie nötig. Wir erklären der Reihe nach, durch welche Bauteile und Funktionen die Verwendung von Solarstrom ermöglicht wird.

Der Wechselrichter ist von entscheidender Bedeutung für den Aufbau einer Solaranlage. Er wandelt den erzeugten Gleichstrom der Solarzellen in Wechselstrom um, der in Haushalten und im öffentlichen Netz verwendet werden kann.

Der Aufbau eines Wechselrichters:

• Wechselrichter bestehen aus Halbleiterbauteilen, die eine elektronische Schaltung bilden.
• Diese Schaltung erzeugt eine Wechselspannung, die durch eine weitere Stufe verstärkt und anschließend einem Transformator zugeführt wird.

Moderne Wechselrichter können die Leistung der Solaranlage optimieren und sicherstellen, dass sie stets nahe an ihrem Leistungsmaximum arbeitet. Batterie-Wechselrichter und Hybrid-Wechselrichter haben zusätzlich die Fähigkeit, einen Stromspeicher mit überschüssiger Solarenergie zu speisen und somit den Eigenverbrauch im Haushalt deutlich zu erhöhen.

Der Solarstromspeicher ist ein geläufiger Akkumulator, der Strom von der Solaranlage bis zum Verbrauch für mehrere Stunden zwischenspeichern kann. Üblicherweise verwendet man Lithium-Ionen-Akkus oder Lithium-Speicher, um etwa 80 % des Strombedarfs zu decken.

Ein nachhaltiger Energiefluss im gesamten Haus wird durch den Solaranlagen-Wechselrichter ermöglicht, der Strom für den Haushalt liefert und durch einen Batteriewechselrichter sowie den angeschlossenen Solar-Speicher optimiert.

Je nach Aufbau unterscheiden wir Speichersysteme mit Gleichstrom-Kopplung zur direkten Speisung der Batterien von der Solaranlage oder Systeme mit Wechselstrom-Kopplung, die einen zusätzlichen Wechselrichter benötigen. Gleichstrom-Kopplungssysteme können höhere Wirkungsgrade erreichen, da sie keinen zweiten Wechselrichter benötigen.

Die Verbindung von Solaranlagen und Elektrofahrzeugen wird zunehmend attraktiver. Besonders vorteilhaft ist die Nutzung überschüssigen Solarstroms für die Batterien des Elektrofahrzeugs, der dann zum Fahren genutzt werden kann.

In der Regel kommt dabei eine sogenannte Wallbox zum Einsatz, die beispielsweise in der Garage oder an der Hauswand montiert wird und Wechselstrom im Bereich von 3,7 bis maximal 22 kW laden kann. Sogenannte „Schnellladesäulen“, wie sie an öffentlichen Parkplätzen und Talkstellen üblich sind, laden die Autobatterie über Gleichstrom, was die Ladezeit erheblich verkürzt.

Der technische Aufbau von Wallboxen ist recht simpel: Da sie fest mit dem Stromnetz Ihres Hauses verbunden sind, verfügen Wallboxen über einen Schutzschalter, mit dem sie vom Netz getrennt werden können.

• Da das Stromnetz mit Wechselstrom läuft, muss dieser für die Speicherung im Elektroauto wieder in Gleichstrom umgewandelt werden.
• Dazu erkennt der Gleichstrom-Fehlerstrommodul mögliche Fehlerströme bei dieser Umwandlung.
• Die Phasenstromerkennung ist dafür verantwortlich, dass die drei Phasen der Drehstromversorgung nicht überlastet werden.
• Der Ladestecker ist schließlich erforderlich, um eine Verbindung zum Elektroauto herzustellen.

Der wesentliche Vorteil einer Wallbox ist jedoch ihre intelligente Steuerung. Eine Antenne oder ein Modem ermöglicht die Verbindung zu Ihrem mobilen Gerät und den Informationsaustausch. Ein Zähler kann Ihnen den genauen Stromverbrauch mitteilen, und an der Ladestation steht möglicherweise eine Anzeige zur Verfügung.

Die Wärmepumpe nutzt kostenlose Wärme aus dem Erdreich, dem Grundwasser oder der Außenluft, um Energie zum Heizen der Räume und für Warmwasser bereitzustellen. In einem thermodynamischen Prozess „fängt“ sie die Umweltwärme ein und führt sie dem Heizkreislauf zu. Für ihren Betrieb benötigt sie nur einen Teil Strom, die anderen drei Teile Energie gewinnt sie aus der Umwelt.

Haushalte, die ihren eigenen Solarstrom nutzen, können die Wärmepumpe komplett klimaneutralbetreiben. Ein weiteres Plus an diesem System-Aufbau: Es gibt Wärmepumpen, die die Räume an heißen Tagen auch herunterkühlen können. Manche Modelle erlauben außerdem eine kontrollierte Lüftung der Wohnräume.

Eine Alternative, um eigenen PV-Strom zum Heizen zu nutzen, stellen Infrarotheizung dar. Sie erzeugen Strahlungswärme über Paneele an Wänden oder Decken, die so die Wärme in den Raum abgeben und vom Menschen allgemein als sehr angenehm empfunden wird. Allerdings wird hier aus 1 kWh Solarstrom immer nur 1 kWh Wärme gewonnen.

Daher eignen sich Infrarotheizungen vor allem in sehr gut gedämmten Häusern wie Niedrigenergie- und Passivhäusern, da der Heizbedarf sehr gering ausfällt. Denn hier lohnen sich die Anschaffungskosten für eine konventionelle Heizung häufig nicht.

In Solaranlagen sind in der Regel verschiedene Stromzähler vorhanden, die spezifische Aufgaben erfüllen:

• Produktionszähler: Dieser Zähler misst die Menge an Solarstrom, die von den Solarmodulen erzeugt wird. Er erfasst die Gesamtproduktion der Anlage und ist entscheidend, um die Effizienz der Solarenergiegewinnung zu überwachen.
• Einspeisezähler: Wenn der überschüssige Solarstrom ins öffentliche Netz eingespeist wird, misst der Einspeisezähler diese eingespeiste Energiemenge. Dieser Zähler ist wichtig, um die gesetzlichen Anforderungen zur Netzeinspeisung zu erfüllen und mögliche Vergütungen zu erhalten.
• Verbrauchszähler: Der Verbrauchszähler misst den Gesamtstromverbrauch im Haushalt, einschließlich des Bezugs von Netzstrom. Dieser Zähler ermöglicht es, den Eigenverbrauch und die Effizienz der Energieverwendung im Auge zu behalten.

Moderne Solaranlagen setzen oft auf sogenannte Zweirichtungszähler, die beide Funktionen integrieren. Diese intelligenten Zähler sind in der Lage, den in das Netz eingespeisten Solarstrom und den aus dem Netz bezogenen Strom genau zu verfolgen. Dies bietet eine umfassende Übersicht über den Gesamtstromfluss und den Eigenverbrauch im Haushalt.

Energiemanagementsysteme können zusätzlich in Solaranlagen integriert werden. Diese Systeme ermöglichen Haushalten, ihren eigenen Stromverbrauch effizient zu steuern und zu optimieren. Sie können den Verbrauch zeitlich an die Solarproduktion anpassen, um den Eigenverbrauch zu maximieren und den Netzbezug zu minimieren.

Das trägt dazu bei, die Unabhängigkeit von konventionellen Stromquellen zu erhöhen und die Energieeffizienz im Haushalt zu steigern.

Für die Integration einer Solaranlage, Wärmepumpe oder eines Energiespeichers sind jeweils eigene Zähler sinnvoll, um den Überblick über den Verbrauch und den selbst erzeugten Strom zu behalten.

Im Zählerschrank sollten außerdem die Wallbox für das elektrische Laden von Elektrofahrzeugen sowie ein Multimediafeld berücksichtigt werden. Dieses Feld beherbergt alle Telekommunikationsbausteine, von Telefonanschluss, Splitter und Router bis zu Sat-Verteiler, ISDN-Adapter und Netzwerkserver. Unverzichtbar sind außerdem Geräte, die vor Strom- und Brandunfällen schützen: selektiver Hauptleitungsschutzschalter, Fehlerstrom-Schutzschalter sowie mehrstufiger Überspannungsschutz.

Hinweis: Wenn der Zählerschrank den Schutzrichtlinien gemäß DIN VDE 0100-712 entspricht, kann auch ein vorhandener Zählerschrank für das Solarsystem verwendet werden. Zur Vorbereitung des Zählerschranks für das Solarsystem benötigen Sie bestimmte Komponenten:

• Ein Verbrauchszähler: Dieser misst den Gesamtstromverbrauch im Haus.
• Ein separates Zählerfeld für die Messung des Solarstroms: Dieser Zähler erfasst die Menge an Strom, die Ihre Solarenergieanlage erzeugt.
• Für die EEG-vergütete Netzeinspeisung benötigen Sie auch einen eigenen Einspeise-Zähler, der vom Messstellenbetreiber installiert wird, wodurch ein weiteres Zählerfeld erforderlich ist.
• In den meisten Fällen wird ein Smart Meter installiert, der Verbrauchszähler und Einspeisezähler kombiniert.
• Ein PV-Überspannungsschutz: Dieser schützt die Anlage vor Überspannungen und Blitzschäden.

Durch die Anordnung mehrerer Stromzähler in Serie können Sie sowohl den selbst erzeugten PV-Strom nutzen als auch, sofern vom Energieversorger angeboten, den günstigen Tarif für Wärmepumpe oder Wallbox verwenden. Dies ermöglicht eine effiziente Nutzung Ihrer Solarenergieanlage und anderer elektrischer Geräte.

Im Netzanschluss einer Solaranlage wird der vom Wechselrichter gewonnene Wechselstrom zum Einspeisepunkt geleitet. Das ist normalerweise der Verbindungspunkt zwischen der Solaranlage und dem öffentlichen Stromnetz. Dort wird der erzeugte Strom in das Netz eingespeist.

• Übergabepunkt: In einigen Fällen kann es einen separaten Übergabepunkt geben, der sich in einem Zählerschrank oder einem Übergabepunkt am Gebäude befindet. Dieser Übergabepunkt ist der Schnittpunkt zwischen der Solaranlage und dem öffentlichen Netz.
• Schutzvorrichtungen: Ein Netzanschluss für Solaranlagen kann verschiedene Schutzvorrichtungen wie Überspannungsschutz und Fehlerstromschutzschalter (FI-Schutzschalter) beinhalten. Diese sind wichtig, um die Sicherheit und den ordnungsgemäßen Betrieb der Anlage zu gewährleisten.
• Verbindung zum öffentlichen Netz: Schließlich wird der erzeugte Strom in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Dies geschieht durch die Verbindung der Solaranlage mit dem öffentlichen Netz, sodass der erzeugte Strom in die allgemeine Stromversorgung fließt.

*Foto: Cesardd, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

**Foto: César Domínguez, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons