Netzgekoppelte PV-Anlage

Die Installation einer Photovoltaikanlage ist die beste Methode, um saubere Energie zu erzeugen und Kosten bei der Stromrechnung zu sparen. Eine netzgekoppelte Anlage ist die optimale Wahl, wenn Sie eine stabile Stromversorgung wünschen und überschüssig erzeugte Energie dem nationalen Netzbetreiber zur Verfügung stellen möchten.

Wie plant man eine netzgekoppelte PV-Anlage?

Wenn Sie eine netzgekoppelte PV-Anlage oder eine andere Art von Photovoltaikanlage planen und sicherstellen wollen, dass sie optimal funktioniert, kann es hilfreich sein, eine spezielle Photovoltaik Planungssoftware zu verwenden. Lassen Sie uns im Detail betrachten, welche Arten von Photovoltaikanlagen es gibt, was die wichtigsten Merkmale sind und welche Tools man verwenden sollte, um Fehler bei der Bewertung zu vermeiden.

Was bedeutet netzgekoppelte PV-Anlage?

Eine netzgekoppelte PV-Anlage ist ein Solarenergiesystem, das mit dem nationalen oder lokalen Stromnetz verbunden ist. Diese Art der Anlage nutzt Sonnenenergie zur Erzeugung von Strom durch Photovoltaikmodulen und speist die erzeugte Energie, ganz oder teilweise, direkt ins Stromnetz ein, um sie in Wechselstrom umzuwandeln.

Um mehr zu erfahren, lesen Sie auch Arten von Photovoltaikanlagen: Eigenschaften und Vorteile.

Hauptkomponenten einer netzgekoppelten Solaranlage

Die netzgekoppelten Systeme umfassen:

• Photovoltaikmodule: monokristallin oder polykristallin, mit spezifischen Eigenschaften;
• Stringwechselrichter, Mikro-Wechselrichter oder zentrale Wechselrichter: DC/AC-Umwandlung, integrierte MPPT, Netzunterstützungsfunktionen;
• DC/AC-Verteilerkästen: Schutz gegen Überströme, Überspannungen und Isolation;
• Überwachungssystem: Gateway, Strahlungssensoren, Modultemperatur;
• Montagestrukturen: belüftete, ballastierte oder in die Dachfläche integrierte Systeme;
• zertifizierte Verkabelungen und Anschlüsse: Klasse II, UV-beständig und gemäß Normen;
• Netzschnittstellengeräte: Anti-Insel-Schutz und Trennvorrichtungen.

Wie funktioniert sie?

Eine netzgekoppelte PV Anlage besteht aus einem Solargenerator, der Sonnenenergie sammelt und in verschiedenen Strings von parallel angeordneten Photovoltaikmodulen aufgeteilt ist.

Es ist entscheidend, die PV-Module optimal zur Sonneneinstrahlung auszurichten. Die beste Ausrichtung ist nach Süden, Südosten/-westen oder Osten, aber auch spezifische lokale Faktoren wie umgebende Bäume oder Gebäude, die Schatten auf die Module werfen könnten, sowie auch  Geländeerhebungen usw., sollten berücksichtigt werden.

Die charakteristische Komponente eines netzgekoppelten Systems ist der Wechselrichter, der erforderlich ist, um die vom Photovoltaikfeld erzeugte Energie, d.h. Gleichstrom (DC), in Energie für das Stromnetz in Form von Wechselstrom (AC) umzuwandeln. Da das System an das Stromnetz angeschlossen ist, sind Anschlusskabel erforderlich, die gegen hohe Temperaturen und UV-Strahlung beständig sind.

Alle diese Komponenten tragen zum Betrieb der Anlage und zur Erzeugung von Energie bei, die später ins nationale Stromnetz eingespeist wird.

3D-Modell einer Photovoltaikanlage mit Solarius-PV modelliert

Arten von Photovoltaikanlagen

Es gibt verschiedene Arten von Photovoltaikanlagen, die sich im Verwendungszweck des erzeugten Stroms unterscheiden:

• Freistehende PV-Anlagen (stand-alone oder off-grid): Diese Systeme sind nicht mit dem Stromnetz verbunden, daher wird die erzeugte Energie ausschließlich zur Deckung des Bedarfs des Gebäudes verwendet, auf dem sie installiert sind, oder in dessen Nähe. Freistehende PV-Anlagen sind die ideale Lösung, um die Energieerzeugung auch in entlegenen Gebieten ohne Anbindung ans Stromnetz zu gewährleisten;
• Netzgekoppelte PV-Anlagen: In diesem Kontext ist die Anlage mit dem Stromnetz verbunden. Der erzeugte Strom wird vom Netzbetreiber bezogen, während bei Nichterzeugung des PV-Stroms Strom vom Netzbetreiber bezogen wird. Der in das Netz eingespeiste Strom stellt für den Nutzer ein Guthaben dar;
• Hybride PV-Anlagen: Diese Anlagen sind mit dem Stromnetz verbunden, aber dank eines Akkus kann der gespeicherte Solarstrom vollständig für den eigenen Bedarf genutzt werden. Sollte auch der gespeicherte Strom verbraucht sein, wird das Gebäude über ein Stromnetz wieder angeschlossen.

Je nach Position der Solarmodule gibt es Photovoltaikanlagen:

• Auf Dachflächen;
• An Fassaden oder als Sonnenschutz („Brise Soleil“) an neuen oder bestehenden Gebäuden;
• Am Boden (Photovoltaikparks – Smartflower-Panels);
• Auf ebenen Dachterrassen;
• Als Photovoltaik-Carports (Parkplätze).

Installation einer Photovoltaikanlage auf einem Dach

Stand-alone und netzgekoppelte Photovoltaikanlagen: Unterschiede

Die Hauptunterschiede zwischen einem netzgekoppelten und einem Standalone-Photovoltaiksystem betreffen die Verbindung zum Stromnetz, das Energiemanagement und die Energieunabhängigkeit. Hier ist ein Überblick über die Unterschiede:

• Netzanschluss
  • netzgekoppelt: Diese Art von Anlage ist mit dem nationalen oder lokalen Stromnetz verbunden. Der erzeugte Strom kann lokal genutzt und/oder ins Netz eingespeist werden. Wenn die Anlage nicht genügend Energie produziert, kann Strom aus dem Netz bezogen werden.
  • Standalone: In einer Standalone-Anlage wird der erzeugte Strom direkt zur Versorgung lokaler Lasten verwendet oder in Batterien zur Speicherung für den Gebrauch bei fehlendem Sonnenlicht (nachts, bei bewölktem Himmel usw.) gespeichert. Es gibt keine Verbindung zum externen Stromnetz.
• Energiemanagement
  • netzgekoppelt: Bei einer netzgekoppelten Anlage kann überschüssige Energie ins Netz eingespeist werden, und der Anlagenbesitzer kann Gutschriften oder Vergütungen für diese Energie erhalten. Bei unzureichender Energieerzeugung ist der Bezug von Energie aus dem Netz möglich.
  • Standalone: Bei einer Standalone-Anlage muss die Energie lokal verwaltet werden. Oft gibt es Energiespeichersysteme wie Batterien, um eine kontinuierliche Versorgung bei fehlendem Sonnenlicht sicherzustellen.
• Energiezuverlässigkeit
  • netzgekoppelt: Netzanlagen bieten eine höhere Zuverlässigkeit, da sie bei unzureichender Solarproduktion Energie aus dem Netz beziehen können.
  • Standalone: Standalone-Anlagen sind vollständig von der Solarenergieerzeugung und der Fähigkeit der Batterien zur Energiespeicherung abhängig. Ihre Zuverlässigkeit hängt von den Wetterbedingungen und der Größe des Speichersystems ab.
• Anwendungen und Nutzung
  • netzgekoppelt: Häufig in städtischen und Vorortgebieten verwendet, ist die netzgekoppelte Anlage für diejenigen geeignet, die zur erneuerbaren Energie beitragen möchten, von der Nettovergütung profitieren und eine zuverlässige Energieversorgung wünschen.
  • Standalone: Standalone-Anlagen sind ideal in abgelegenen Gegenden, in denen kein Zugang zum Stromnetz besteht. Sie werden häufig in Anwendungen wie Wetterstationen, Wasserpumpensystemen oder netzunabhängigen Häusern eingesetzt..

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Hauptunterschied zwischen den beiden Arten von Anlagen die Verbindung zum Stromnetz ist, was zu Unterschieden im Energiemanagement und in der Energiezuverlässigkeit führt.

Wie plant man eine Photovoltaikanlage?

Die Planung einer Photovoltaikanlage erfordert eine genaue Planung und die Berücksichtigung verschiedener Faktoren, darunter:

• Standortanalyse
  Geografische Lage: Bewerten Sie den Standort, um die Sonneneinstrahlung und die verfügbare Sonneneinstrahlung zu bestimmen.
  Verschattung: Identifizieren Sie mögliche Hindernisse wie Bäume oder Gebäude, die Schatten auf die Photovoltaikarrays werfen könnten.
• Dimensionierung der Anlage
  Berechnung des Energiebedarfs: Schätzen Sie den täglichen Energieverbrauch des Gebäudes oder Geräts, an das die Anlage angeschlossen wird.
  Anlagengröße: Bestimmen Sie die Größe der Anlage anhand des benötigten Leistungsbedarfs und der erwarteten Sonneneinstrahlung.
• Komponentenauswahl
  Photovoltaikmodule: Wählen Sie Module mit angemessener Effizienz und Kapazität aus.
  Wechselrichter: Wählen Sie einen Wechselrichter, der zur Leistung der Photovoltaikmodule passt. Je nach Projekt können zentrale Wechselrichter oder String-Wechselrichter verwendet werden.
  Tragstrukturen: Bewerten Sie die Montagemöglichkeiten für die Module, wie feste Gestelle, Nachführsysteme oder in Gebäude integrierte Strukturen.
• Anlagendesign
  Anordnung des Arrays: Bestimmen Sie die optimale Ausrichtung und Neigung, um die Sonneneinstrahlung zu maximieren.
  Verteilung der Elemente: Planen Sie die Positionierung von Modulen, Wechselrichtern und Kabeln basierend auf den Eigenschaften des Standorts.
• Wirtschaftliche Bewertung
  Finanzielle Analyse: Bewerten Sie das Return on Investment (ROI) und steuerlichen Vorteile.
  Kosten: Berechnen Sie die Anfangs- und Betriebskosten der gesamten Anlage.

Alle diese Aspekte können viel einfacher und mithilfe einer geführten Prozedur mit einer Photovoltaik Planungssoftware berücksichtigt werden.
In diesem Video wird ein praktisches Beispiel angezeigt, wie man vorgehen kann.

Wie netzgekoppelte Photovoltaikanlagen in die Gebäudeplanung integriert werden

Die Integration von netzgekoppelten Photovoltaikanlagen in die Gebäudeplanung erfordert einen multidisziplinären Ansatz, der Architektur, Elektro-, Struktur- und Anlagentechnik umfasst. Bereits in den frühen Konzeptphasen muss die PV als integraler Bestandteil des Projekts betrachtet werden, nicht als einfache Zusatzkomponente: Das bedeutet, verfügbare Flächen, günstige Ausrichtungen, ästhetische und landschaftliche Einschränkungen sowie die Energiebedürfnisse des Gebäudes zu bewerten.

Die Integration kann auf zwei Hauptarten erfolgen: BAPV (Building-Applied PV), bei der die Module auf bestehenden Flächen wie Dächern und Fassaden installiert werden, und BIPV (Building-Integrated PV), bei der die Photovoltaikmodule traditionelle Bauelemente ersetzen und auch architektonische Funktionen wie Sonnenschutz, Brüstungen, Fassadenverkleidungen oder Dachkomponenten übernehmen.

Aus elektrischer Sicht muss eine netzgekoppelte Anlage so konzipiert werden, dass Sicherheit, Effizienz und Normenkonformität gewährleistet sind: Dies erfordert eine korrekte Konfiguration der Strings, die Auswahl geeigneter Wechselrichter, die Dimensionierung der Schnittstellenkästen und die Einhaltung der Vorschriften für den Anschluss an das nationale Netz. Architektonisch muss das Design die visuelle Integration der Module, die Zugänglichkeit für Wartung, die von Gebäudeelementen erzeugten Schatten und die zusätzlichen Lasten auf die Struktur berücksichtigen. Der Einsatz von Energiesimulationssoftware und BIM-Tools ermöglicht es, die Photovoltaik in das digitale Modell des Gebäudes zu integrieren, Interferenzen zu überprüfen, die Erzeugbarkeit in Bezug auf die Strahlung zu bewerten und das Layout auf der Grundlage realer Daten zu optimieren.

Eine korrekt integrierte netzgekoppelte PV-Anlage trägt zur Erreichung zeitgemäßer Energiestandards bei – wie NZEB, LEED-Zertifizierungen oder lokale Protokolle – und verbessert die Leistung des Gebäudes sowohl im Hinblick auf den Energieverbrauch als auch auf den Lebenszyklus. Die Berücksichtigung der Bereitstellung von Räumen für Wechselrichter, Kanäle, Überwachungssysteme und zukünftige Integrationen (wie Batterien oder Elektrofahrzeuge) macht das Gebäude flexibler und bereit, sich an zukünftige technologische Entwicklungen anzupassen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Integration von netzgekoppelten Photovoltaikanlagen nicht nur eine technische Angelegenheit ist, sondern ein umfassender Planungsprozess, der Form, Funktion und Energieeffizienz harmonisiert und zur Schaffung nachhaltigerer und intelligenterer Gebäude beiträgt.

Best Practices für Ausrichtung und Neigung von Photovoltaikmodulen

Die Best Practices für die Ausrichtung und Neigung von Photovoltaikmodulen zielen darauf ab, die Strahlung auf der Ebene der Paneele und damit die Energieproduktion zu maximieren, wobei geometrische, umweltbedingte und technische Variablen berücksichtigt werden.

Im Allgemeinen ist im nördlichen Hemisphäre die ideale Ausrichtung nach Süden, mit einer Toleranz von ±15–30°, die minimale Verluste verursacht; größere Abweichungen nach Osten oder Westen reduzieren die jährliche Produktion, können jedoch strategisch sein, wenn man den Eigenverbrauch zu bestimmten Tageszeiten optimieren möchte.

Schatten stellen einen der Hauptfaktoren für Verluste dar und erfordern spezielle Analysen mit professioneller Software und Berechnung der minimalen Abstände zwischen den Reihen auf Flachdächern, um interne Beschattungen zu vermeiden, die oft im Bereich von 1,5–2,5 Mal der Höhe des Moduls liegen.

Auch die Belüftung der Paneele ist entscheidend: Ein Abstand von 5–12 cm zur Trägerfläche reduziert die Betriebstemperaturen und damit die Verluste, die mit dem thermischen Koeffizienten verbunden sind. Der elektrische Aspekt erfordert zusätzliche Aufmerksamkeit, da partielle Schatten auf einem einzigen Modul die gesamte String beeinträchtigen können: Daher ist es ratsam, unterschiedliche Ausrichtungen und Neigungen auf verschiedenen MPPTs zu trennen und gegebenenfalls Optimierer oder Mikro-Wechselrichter in besonders heterogenen Kontexten einzusetzen.

Die Neigung beeinflusst auch die strukturellen Belastungen durch Wind und Schnee, die erheblich zunehmen, wenn die Neigung über 35° oder unter 10° liegt, weshalb auf Flachdächern oft ein Kompromiss zwischen 10° und 15° gewählt wird, was auch hilfreich ist, um die Installationsdichte zu maximieren.

Schließlich können hochreflektierende Flächen oder bifaziale Module unterschiedliche Neigungen erfordern, um den Beitrag der Albedo zu nutzen. Insgesamt ermöglicht ein integrierter Ansatz, der Ausrichtung, Neigung, Schatten, Belüftung, elektrische Anordnung und strukturelle Einschränkungen berücksichtigt, effizientere, zuverlässigere Anlagen zu erhalten, die den Energie- und architektonischen Anforderungen des Projekts entsprechen.