Photovoltaikanlage

Eine Photovoltaikanlage, auch PV-Anlage oder Solaranlage, ist ein Stromsystem, das dazu dient, durch Photovoltaik solaren Strom zu liefern. Es besteht aus einer Anordnung mehrerer Komponenten, einschließlich Sonnenkollektoren zur Absorption und Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität, einem Solarwechselrichter zur Änderung des elektrischen Stroms von Gleichstrom zu Wechselstrom sowie Montage, Verkabelung und anderem elektrischen Zubehör, um ein funktionierendes System aufzubauen . Es kann auch ein Solar-Tracking-System verwenden, um die Gesamtleistung des Systems zu verbessern und eine integrierte Batterielösung zu integrieren, da die Preise für Speichergeräte voraussichtlich sinken werden. Streng genommen umfasst eine Solaranlage nur das Ensemble von Solarpaneelen, den sichtbaren Teil der PV-Anlage, und enthält nicht die gesamte andere Hardware, die oft als Balance of System (BOS) zusammengefasst wird.Darüber hinaus wandeln PV-Anlagen Licht direkt in Elektrizität um und sollten nicht mit anderen Technologien wie konzentrierter Solarenergie oder Solarthermie, die zum Heizen und Kühlen verwendet werden, verwechselt werden.

Die PV-Systeme reichen von kleinen, dachintegrierten oder gebäudeintegrierten Anlagen mit Leistungen von wenigen bis mehreren zehn Kilowatt bis hin zu Großkraftwerken mit mehreren hundert Megawatt Leistung. Heutzutage sind die meisten PV-Systeme netzgekoppelt, während netzunabhängige oder stand-alone Systeme nur einen kleinen Teil des Marktes ausmachen.

Leise und ohne bewegliche Teile oder Umweltemissionen arbeitend, haben sich PV-Systeme von Nischenmarktanwendungen zu einer ausgereiften Technologie für die Hauptstromerzeugung entwickelt. Ein Aufdachsystem gewinnt die investierte Energie für die Herstellung und Installation innerhalb von 0,7 bis 2 Jahren zurück und produziert über eine Nutzungsdauer von 30 Jahren etwa 95 Prozent der sauberen erneuerbaren Energie.

Aufgrund des exponentiellen Wachstums der Photovoltaik sind die Preise für PV-Anlagen in den letzten Jahren stark zurückgegangen. Sie variieren jedoch je nach Markt und Systemgröße. Im Jahr 2014 lagen die Preise für 5-Kilowatt-Anlagen in den USA bei rund 3,29 US-Dollar pro Watt, während im stark durchdrungenen deutschen Markt die Preise für Dachanlagen bis 100 kW auf 1,24 Euro pro Watt gefallen sind. Heutzutage machen Solar-PV-Module weniger als die Hälfte der Gesamtkosten des Systems aus. Der Rest entfällt auf die verbleibenden BOS-Komponenten und auf Soft-Costs wie Kundenakquise, Genehmigung, Inspektion und Zusammenschaltung, Installationsarbeit und Finanzierungskosten.
Modernes System

Maßstab des Systems
Photovoltaische Systeme werden im Allgemeinen in drei unterschiedliche Marktsegmente kategorisiert: Wohndach, gewerbliche Dachanlagen und Freiflächenanlagen. Ihre Kapazitäten reichen von einigen Kilowatt bis zu Hunderten von Megawatt. Ein typisches Wohnsystem ist etwa 10 Kilowatt und wird auf einem geneigten Dach montiert, während kommerzielle Systeme einen Megawatt-Maßstab erreichen können und im Allgemeinen auf flach geneigten oder sogar flachen Dächern installiert werden. Obwohl auf dem Dach montierte Systeme klein sind und höhere Kosten pro Watt aufweisen als große Installationen im großen Maßstab, haben sie den größten Anteil am Markt. Vor allem in der „Sonnengürtel“ -Region des Planeten gibt es jedoch einen zunehmenden Trend zu größeren Kraftwerken im Kraftwerksmaßstab.19]

Utility-Maßstab
Große Solarparks oder landwirtschaftliche Betriebe sind Kraftwerke und in der Lage, eine große Anzahl von Verbrauchern mit Energie zu versorgen. Der erzeugte Strom wird in das Übertragungsnetz eingespeist, das von zentralen Erzeugungsanlagen (netzgekoppelte oder netzgebundene Anlagen) gespeist wird, oder mit einem oder mehreren inländischen Stromerzeugern zur Einspeisung in ein kleines Stromnetz (Hybridanlage) kombiniert. In seltenen Fällen wird erzeugter Strom gespeichert oder direkt von Insel / Standalone-Anlage genutzt. PV-Anlagen sind in der Regel so ausgelegt, dass sie den höchsten Energieertrag für eine bestimmte Investition gewährleisten. Einige große Photovoltaik-Kraftwerke wie Solar Star, Waldpolenz Solar Park und Topaz Solar Farm erstrecken sich über mehrere hundert Hektar und haben eine Leistung von bis zu mehreren hundert Megawatt.
Auf dem Dach, mobil und tragbar

Ein kleines PV-System ist in der Lage, genügend Wechselstrom für die Stromversorgung eines einzelnen Hauses oder sogar ein isoliertes Gerät in Form von Wechselstrom oder Gleichstrom zu liefern. Zum Beispiel können militärische und zivile Erdbeobachtungssatelliten, Straßenlampen, Bau- und Verkehrszeichen, Elektroautos, solarbetriebene Zelte und elektrische Flugzeuge integrierte photovoltaische Systeme enthalten, um eine primäre oder zusätzliche Energiequelle in Form von Wechselstrom oder Gleichstrom bereitzustellen , je nach Design und Leistungsanforderungen. Im Jahr 2013 entfielen auf Dachanlagen 60 Prozent der weltweiten Installationen. Es gibt jedoch einen Trend weg vom Dach und hin zu PV-Anlagen im großen Maßstab, da sich der Schwerpunkt neuer PV-Anlagen auch von Europa in Länder in der Sonnenregion des Planeten verlagert, in denen der Widerstand gegen Freiflächen-Solarparks weniger ausgeprägt ist. Portable und mobile PV-Systeme liefern elektrische Energie unabhängig von Netzanschlüssen für den netzfernen Betrieb. Solche Systeme werden bei Freizeitfahrzeugen und Booten so häufig verwendet, dass es Einzelhändler gibt, die sich auf diese Anwendungen und speziell auf sie ausgerichtete Produkte spezialisiert haben. Da Freizeitfahrzeuge (RV) normalerweise Batterien tragen und Beleuchtungen und andere Systeme mit nominell 12 Volt Gleichstrom betreiben, arbeiten RV-PV-Systeme normalerweise in einem Spannungsbereich, der zum direkten Laden von 12-Volt-Batterien gewählt wird , ein Laderegler und Verkabelung. Sonnensysteme auf Freizeitfahrzeugen sind normalerweise durch die physische Größe des Dachraums des Wohnmobils in Wattleistung beschränkt. Aus diesem Grund ist eine höhere Effizienz von Solarmodulen für diese Anwendungen wichtig.

Gebäude integriert
In städtischen und vorstädtischen Gebieten werden Photovoltaikanlagen üblicherweise auf Dächern verwendet, um den Energieverbrauch zu ergänzen; Oft wird das Gebäude eine Verbindung zum Stromnetz haben. In diesem Fall kann die von der PV-Anlage erzeugte Energie in einer Art Net-Meter-Vereinbarung an das Versorgungsunternehmen zurückverkauft werden. Einige Versorgungsunternehmen wie Solvay Electric in Solvay, New York, nutzen die Dächer kommerzieller Kunden und Telefonmasten, um ihre Verwendung von PV-Modulen zu unterstützen. Solarbäume sind Arrays, die, wie der Name schon sagt, das Aussehen von Bäumen nachahmen, Schatten spenden und nachts als Straßenbeleuchtung funktionieren können.

Performance
Unsicherheiten bei den Einnahmen im Zeitverlauf beziehen sich hauptsächlich auf die Bewertung der Solarressourcen und auf die Leistung des Systems selbst. In den besten Fällen betragen die Unsicherheiten typischerweise 4% für die jährliche Klimavariabilität, 5% für die Schätzung der Solarressourcen (in einer horizontalen Ebene), 3% für die Abschätzung der Bestrahlung in der Ebene des Arrays, 3% für die Leistung Bewertung der Module, 2% für Schmutz- und Schmutzverluste, 1,5% für Schneeverluste und 5% für andere Fehlerquellen. Die Identifizierung und Reaktion auf überschaubare Verluste ist entscheidend für den Umsatz und die Effizienz von O & amp; M. Die Überwachung der Array-Leistung kann Teil vertraglicher Vereinbarungen zwischen dem Eigentümer des Arrays, dem Builder und dem Energieversorger sein, der die erzeugte Energie kauft.In jüngster Zeit ermöglicht eine Methode zur Erstellung von „synthetischen Tagen“ mit leicht verfügbaren Wetterdaten und Verifizierung mithilfe des Open Solar Outdoors Test Field die Vorhersage der Leistung von Photovoltaikanlagen mit hoher Genauigkeit. Mit dieser Methode können dann Verlustmechanismen auf lokaler Ebene bestimmt werden – etwa solche von Schnee oder die Auswirkungen von Oberflächenbeschichtungen (z. B. hydrophob oder hydrophil) auf Verschmutzungen oder Schneeverluste. (Obwohl in starkem Schneefall Umgebungen mit schweren Bodenstörungen zu jährlichen Schneefällen von 30% führen können.) Der Zugang zum Internet hat eine weitere Verbesserung der Energieüberwachung und -kommunikation ermöglicht. Dedizierte Systeme sind von einer Reihe von Anbietern erhältlich. Bei Solar-PV-Anlagen, die mit Mikrowechselrichtern arbeiten (DC-zu-AC-Wandlung auf Panel-Ebene), werden die Leistungsdaten des Moduls automatisch bereitgestellt. Einige Systeme ermöglichen die Einstellung von Leistungswarnungen, die bei Erreichen von Grenzwerten Telefon- / E-Mail- / Textwarnungen auslösen. Diese Lösungen stellen Daten für den Systembesitzer und das Installationsprogramm bereit. Installateure können mehrere Installationen remote überwachen und den Status ihrer gesamten installierten Basis auf einen Blick erkennen.

Komponenten
Eine Photovoltaik-Anlage für die private, gewerbliche oder industrielle Energieversorgung besteht aus der Solaranlage und einer Reihe von Komponenten, die oft als Systembilanz (BOS) zusammengefasst werden. Dieser Begriff ist gleichbedeutend mit „Balance of Plant“ qv BOS-Komponenten umfassen Power-Conditioning-Ausrüstung und Strukturen für die Montage, in der Regel ein oder mehrere DC-AC-Stromrichter, auch bekannt als Wechselrichter, ein Energiespeicher, ein Racking-System, das unterstützt Solar-Array, elektrische Verdrahtung und Verbindungen und Montage für andere Komponenten.

Optional kann eine Systembilanz einige oder alle der folgenden Elemente enthalten: Erneuerbare-Energien-Guthaben-Ertragszähler, Maximum-Power-Point-Tracker (MPPT), Batteriesystem und Ladegerät, GPS-Solartracker, Energiemanagementsoftware, Solarstrahlungssensoren, Anemometer, oder aufgabenspezifisches Zubehör, das speziell auf die Anforderungen eines Systemeigners zugeschnitten ist. Außerdem benötigt ein CPV-System optische Linsen oder Spiegel und manchmal ein Kühlsystem.

Die Begriffe „Solar-Array“ und „PV-System“ werden oft fälschlicherweise synonym verwendet, obwohl die Solaranlage nicht das gesamte System umfasst. Darüber hinaus wird „Solarpanel“ oft als Synonym für „Solarmodul“ verwendet, obwohl ein Panel aus einer Reihe von mehreren Modulen besteht. Der Begriff „Solarsystem“ wird auch häufig für eine PV-Anlage missbraucht.

Solar-Array
Herkömmliche c-Si-Solarzellen, die normalerweise in Reihe geschaltet sind, sind in einem Solarmodul gekapselt, um sie vor Witterungseinflüssen zu schützen. Das Modul besteht aus einem gehärteten Glas als Abdeckung, einer weichen und flexiblen Verkapselung, einer Rückseitenschicht aus wetterfestem und feuerbeständigem Material und einem Aluminiumrahmen um die Außenkante.Elektrisch verbunden und auf einer Tragstruktur montiert, bilden Solarmodule eine Reihe von Modulen, die oft als Solarmodule bezeichnet werden. Eine Solaranlage besteht aus einer oder mehreren solchen Platten. Eine Photovoltaik-Anlage oder Solar-Array ist eine verknüpfte Sammlung von Solarmodulen. Die Leistung, die ein Modul erzeugen kann, ist selten genug, um die Anforderungen eines Hauses oder eines Unternehmens zu erfüllen, so dass die Module miteinander zu einem Array verbunden sind. Die meisten PV-Generatoren verwenden einen Wechselrichter, um den von den Modulen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln, der Licht, Motoren und andere Lasten mit Strom versorgen kann. Die Module in einem PV-Array werden normalerweise zuerst in Reihe geschaltet, um die gewünschte Spannung zu erhalten; Die einzelnen Strings werden dann parallel geschaltet, damit das System mehr Strom erzeugen kann. Sonnenkollektoren werden typischerweise unter STC (Standard-Testbedingungen) oder PTC (PVUSA-Testbedingungen) in Watt gemessen. Typische Panel-Bewertungen reichen von weniger als 100 Watt bis über 400 Watt. Die Array-Bewertung besteht aus einer Summe der Nennwerte der Module in Watt, Kilowatt oder Megawatt.

Modul und Effizienz
Ein typisches „150 Watt“ PV-Modul ist etwa einen Quadratmeter groß. Es wird erwartet, dass ein solches Modul pro Tag im Durchschnitt 0,75 Kilowattstunden (kWh) produziert, nach Berücksichtigung des Wetters und des Breitengrades für eine Sonneneinstrahlung von 5 Sonnenstunden / Tag. In den letzten 10 Jahren stieg der Wirkungsgrad von handelsüblichen kristallinen Silizium-Modulen auf Waferbasis von etwa 12% auf 16% und die Effizienz von CdTe-Modulen stieg im selben Zeitraum von 9% auf 13%. Modulleistung und Lebensdauer verschlechterte sich durch erhöhte Temperatur. Das Zulassen von Umgebungsluft, und wenn möglich hinter PV-Modulen, reduziert dieses Problem. Effektive Modullebensdauern sind typischerweise 25 Jahre oder mehr. Die Amortisationszeit für eine Investition in eine PV-Solaranlage ist sehr unterschiedlich und in der Regel weniger nützlich als eine Berechnung der Kapitalrendite. Während es normalerweise zwischen 10 und 20 Jahren liegt, kann die finanzielle Amortisationszeit mit Anreizen viel kürzer sein.

Aufgrund der geringen Spannung einer einzelnen Solarzelle (typischerweise ca. 0,5 V) werden bei der Herstellung eines „Laminats“ mehrere Zellen in Reihe geschaltet (siehe auch Kupfer in PV-Systemen). Das Laminat wird zu einem schützenden wetterfesten Gehäuse zusammengefügt, wodurch ein Photovoltaikmodul oder ein Solarpanel entsteht. Module können dann zu einer photovoltaischen Anordnung aneinandergereiht werden. Im Jahr 2012 können Solarmodule, die für Verbraucher verfügbar sind, einen Wirkungsgrad von bis zu 17% haben, während kommerziell erhältliche Module bis zu 27% erreichen können. Es wurde berichtet, dass eine Gruppe vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme eine Zelle geschaffen hat, die 44,7% Effizienz erreichen kann, was die Hoffnung der Wissenschaftler, die 50% Effizienzschwelle zu erreichen, deutlich erhöht.

Schattierung und Schmutz
Der elektrische Ausgang der Photovoltaikzelle ist extrem empfindlich gegenüber Verschattung. Die Auswirkungen dieser Schattierung sind bekannt. Wenn sogar ein kleiner Teil einer Zelle, eines Moduls oder eines Arrays schattiert ist, während der Rest im Sonnenlicht ist, fällt die Ausgabe dramatisch aufgrund von internem „Kurzschließen“ ab (die Elektronen kehren den Kurs durch den schattierten Teil des pn-Übergangs um). Wenn der Strom, der aus der Reihenfolge von Zellen gezogen wird, nicht größer ist als der Strom, der durch die schattierte Zelle erzeugt werden kann, ist der Strom (und damit die Leistung), der durch die Folge entwickelt wird, begrenzt. Wenn genügend Spannung von dem Rest der Zellen in einer Kette verfügbar ist, wird der Strom durch die Zelle gezwungen, indem die Verbindung in dem schattierten Abschnitt aufgebrochen wird. Diese Durchbruchspannung in gemeinsamen Zellen liegt zwischen 10 und 30 Volt. Anstatt die Leistung des Panels zu erhöhen, nimmt die abgeschattete Zelle Energie auf und wandelt sie in Wärme um. Da die Sperrspannung einer abgeschatteten Zelle viel größer ist als die Durchlassspannung einer beleuchteten Zelle, kann eine abgeschattete Zelle die Leistung vieler anderer Zellen in der Folge absorbieren, was die Plattenausgabe überproportional beeinflusst. Zum Beispiel kann eine schraffierte Zelle 8 Volt abfallen, anstatt 0,5 Volt bei einem bestimmten Strompegel hinzuzufügen, wodurch die von 16 anderen Zellen erzeugte Leistung absorbiert wird. Es ist daher wichtig, dass eine PV-Anlage nicht durch Bäume oder andere Hindernisse beschattet wird.

Es wurden mehrere Methoden entwickelt, um die Verschattungsverluste von Bäumen zu PV-Systemen in großen Regionen mit Hilfe von LiDAR, aber auch auf individueller Systemebene mittels Sketchup zu bestimmen. Die meisten Module haben Bypass-Dioden zwischen jeder Zelle oder jeder Reihe von Zellen, die die Auswirkungen der Schattierung minimieren und nur die Leistung des schattierten Teils des Arrays verlieren. Die Hauptaufgabe der Bypass-Diode besteht darin, heiße Punkte, die sich auf Zellen bilden, zu beseitigen, die weitere Schäden an der Anordnung verursachen und Brände verursachen können. Sonnenlicht kann von Staub, Schnee oder anderen Verunreinigungen auf der Oberfläche des Moduls absorbiert werden. Dies kann das Licht, das auf die Zellen trifft, reduzieren. Im Allgemeinen sind diese über das Jahr aggregierten Verluste selbst für Standorte in Kanada gering. Durch die Aufrechterhaltung einer sauberen Moduloberfläche wird die Leistung während der Lebensdauer des Moduls erhöht. Google stellte fest, dass die Reinigung der flach montierten Solarmodule nach 15 Monaten ihre Leistung um fast 100% erhöhte, aber dass die 5% geneigten Arrays angemessen durch Regenwasser gereinigt wurden.

Sonneneinstrahlung und Energie
Die Sonneneinstrahlung besteht aus direkter, diffuser und reflektierter Strahlung. Der Absorptionsfaktor einer PV-Zelle ist definiert als der Anteil der einfallenden Sonnenstrahlung, der von der Zelle absorbiert wird. In der Mittagszeit an einem wolkenlosen Tag am Äquator beträgt die Kraft der Sonne etwa 1 kW / m² auf der Erdoberfläche, zu einer Ebene senkrecht zu den Sonnenstrahlen.Daher können PV-Generatoren die Sonne jeden Tag verfolgen, um die Energiegewinnung erheblich zu verbessern. Tracking-Geräte fügen jedoch Kosten hinzu und erfordern Wartung. Daher ist es häufiger, dass PV-Arrays feste Halterungen haben, die das Array neigen und auf die Mittagssonne zeigen (ungefähr nach Süden in der nördlichen Hemisphäre oder genau nach Norden in der südlichen Hemisphäre). Der Neigungswinkel von der Horizontalen kann für die Jahreszeit variiert werden, sollte jedoch festgelegt sein, sollte er so eingestellt sein, dass er während des Spitzenbedarfs eines typischen Jahres für ein Stand-Alone-System eine optimale Feldausgabe liefert. Dieser optimale Modulneigungswinkel ist nicht notwendigerweise identisch mit dem Neigungswinkel für maximale jährliche Energieabgabe der Anordnung. Die Optimierung der Photovoltaikanlage für eine bestimmte Umgebung kann kompliziert sein, da Fragen der solaren Strömung, der Verschmutzung und der Schneeverluste in die Tat umgesetzt werden sollten. Neuere Arbeiten haben zudem gezeigt, dass spektrale Effekte eine Rolle bei der optimalen Auswahl von Photovoltaikmaterialien spielen können. Zum Beispiel kann die spektrale Albedo eine signifikante Rolle in der Ausgabe spielen, abhängig von der Oberfläche um das photovoltaische System und der Art des Solarzellenmaterials. Für die Wetter- und Breitengrade der USA und Europas reicht die typische Sonneneinstrahlung von 4 kWh / m² / Tag in nördlichen Klimazonen bis zu 6,5 kWh / m² / Tag in den sonnenreichsten Regionen. Eine Photovoltaikanlage in den südlichen Breitengraden Europas oder der USA dürfte mit 1 kWh / m² / Tag rechnen. Eine typische 1-kW-Photovoltaikanlage in Australien oder den südlichen Breiten Europas oder der Vereinigten Staaten kann je nach Standort, Ausrichtung, Neigung, Sonneneinstrahlung und anderen Faktoren 3,5-5 kWh pro Tag produzieren. In der Sahara, mit weniger Bewölkung und einem besseren Sonnenwinkel, könnte man idealerweise näher an 8,3 kWh / m² / Tag kommen, vorausgesetzt, der fast allgegenwärtige Wind würde keinen Sand auf die Einheiten blasen. Das Gebiet der Sahara ist über 9 Millionen km² groß.90.600 km² oder rund 1% könnten so viel Strom erzeugen wie alle Kraftwerke der Welt zusammen.

Montage
Die Module werden in Arrays auf einer Art Montagesystem montiert, das als Boden-, Dach- oder Masthalterung klassifiziert werden kann. Für Solarparks wird ein großes Rack auf dem Boden montiert und die Module auf dem Rack montiert. Für Gebäude wurden viele verschiedene Gestelle für Schrägdächer entwickelt. Für Flachdächer werden Regale, Behälter und gebäudeintegrierte Lösungen verwendet. Solarpanel-Racks, die auf Stangen montiert sind, können stationär oder beweglich sein, siehe Tracker unten. Polseitige Halterungen eignen sich für Situationen, in denen ein Mast an einer anderen Stelle montiert ist, z. B. an einer Leuchte oder an einer Antenne. Die Mastbefestigung hebt etwas hervor, was ansonsten eine bodenmontierte Anordnung über Unkrautschatten und Vieh sein würde, und kann elektrischen Anforderungen hinsichtlich der Unzugänglichkeit von freiliegenden Leitungen genügen. Die am Mast befestigten Paneele sind an ihrer Unterseite für mehr Kühlluft geöffnet, was die Leistung erhöht. Eine Vielzahl von Stangenaufbauten kann in einen Parkcarport oder eine andere Schattenstruktur geformt werden. Ein Regal, das der Sonne nicht von links nach rechts folgt, kann saisonale Anpassungen nach oben oder unten ermöglichen.

Verkabelung
Aufgrund ihrer Verwendung im Außenbereich sind Solarkabel speziell für die Beständigkeit gegen UV-Strahlung und extrem hohe Temperaturschwankungen ausgelegt und im Allgemeinen unbeeinflusst von der Witterung. Eine Reihe von Normen legt die Verwendung von elektrischen Leitungen in PV-Anlagen fest, wie z. B. die IEC 60364 von der International Electrotechnical Commission, in Abschnitt 712 „Solar photovoltaic (PV) power supply systems“, der British Standard BS 7671, einschließlich Vorschriften zur Mikroerzeugung und Photovoltaik-Systeme, und der US-Standard UL4703, in Thema 4703 „Photovoltaik-Draht“.

Tracker
Ein Solar-Tracking-System kippt den ganzen Tag über ein Solarpanel. Je nach Art des Trackingsystems richtet sich das Panel entweder direkt auf die Sonne oder auf den hellsten Bereich eines teilweise bewölkten Himmels. Tracker verbessern die Leistung am frühen Morgen und am späten Nachmittag erheblich und erhöhen die Gesamtleistung eines Systems um 20-25% für einen Einachsen-Tracker und um 30% oder mehr für einen Zweiachsen-Tracker, je nach Breitengrad.Tracker sind in Regionen wirksam, die direkt eine große Menge Sonnenlicht erhalten. In diffusem Licht (zB unter Wolken oder Nebel) hat Tracking wenig oder keinen Wert. Da die meisten konzentrierten Photovoltaik-Systeme sehr empfindlich auf den Winkel des Sonnenlichts reagieren, können sie durch Tracking-Systeme jeden Tag mehr als nur eine kurze Zeit lang nutzbare Energie erzeugen. Tracking-Systeme verbessern die Leistung aus zwei Hauptgründen. Erstens, wenn ein Solarpanel senkrecht zum Sonnenlicht steht, empfängt es mehr Licht auf seiner Oberfläche, als wenn es geneigt wäre. Zweitens wird direktes Licht effizienter als Winkellicht verwendet. Spezielle Antireflexbeschichtungen können die Effizienz von Solarzellen für direktes und schräges Licht verbessern, was den Tracking-Effekt etwas verringert.

Tracker und Sensoren zur Optimierung der Leistung werden oft als optional angesehen, aber Tracking-Systeme können die nutzbare Leistung um bis zu 45% erhöhen. PV-Arrays, die ein Megawatt erreichen oder überschreiten, verwenden häufig Solar-Tracker. Unter Berücksichtigung der Wolken und der Tatsache, dass der größte Teil der Welt nicht am Äquator liegt und dass die Sonne am Abend untergeht, ist das richtige Maß für Sonnenenergie die Sonneneinstrahlung – die durchschnittliche Anzahl an Kilowattstunden pro Quadratmeter pro Tag. Für die Wetter- und Breitengrade der USA und Europas liegt die typische Sonneneinstrahlung zwischen 2,26 kWh / m² / Tag in nördlichen Klimazonen und 5,61 kWh / m² / Tag in den sonnenreichsten Regionen.

Bei großen Systemen kann die durch den Einsatz von Tracking-Systemen gewonnene Energie die zusätzliche Komplexität aufwiegen (Tracker können die Effizienz um 30% oder mehr steigern). Bei sehr großen Systemen ist die zusätzliche Wartung der Verfolgung ein wesentlicher Nachteil. Für Flachbildschirm- und Niederdruck-Photovoltaikanlagen ist keine Nachführung erforderlich. Für hochkonzentrierte Photovoltaikanlagen ist eine zweiachsige Nachführung erforderlich.Preisentwicklungen beeinflussen das Gleichgewicht zwischen dem Hinzufügen von mehr stationären Solarmodulen im Vergleich zu weniger Panels, die verfolgen. Wenn die Preise für Solarmodule sinken, werden Tracker zu einer weniger attraktiven Option.

Wandler
Systeme, die Wechselstrom liefern (z. B. netzgekoppelte Anwendungen), benötigen einen Wechselrichter, um den Gleichstrom (DC) von den Solarmodulen in Wechselstrom umzuwandeln.Netzgekoppelte Wechselrichter müssen Wechselstrom sinusförmig, netzfrequenzsynchronisiert, Einspeiseleistung nicht höher als die Netzspannung und bei abgeschalteter Netzspannung vom Netz trennen. Inselwechselrichter müssen nur geregelte Spannungen und Frequenzen in einer sinusförmigen Wellenform erzeugen, da keine Synchronisation oder Koordination mit Netzversorgungen erforderlich ist.

Ein Solar-Wechselrichter kann mit einer Reihe von Solarzellen verbunden werden. In einigen Installationen ist an jedem Solarpanel ein Solar-Wechselrichter angeschlossen. Aus Sicherheitsgründen ist ein Leistungsschalter sowohl auf der AC- als auch auf der DC-Seite vorgesehen, um Wartungsarbeiten zu ermöglichen. Der Wechselstromausgang kann über einen Stromzähler mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden werden. Die Anzahl der Module in dem System bestimmt die Gesamt-DC-Watt, die von der Solaranlage erzeugt werden können; Der Wechselrichter regelt jedoch letztendlich die Menge an AC-Watt, die für den Verbrauch verteilt werden kann. Zum Beispiel wird eine PV-Anlage mit 11 Kilowatt Gleichstrom (kWDC) PV-Modulen, gepaart mit einem 10 Kilowatt Wechselstrom (kWAC) Wechselrichter, auf die Wechselrichterleistung von 10 kW begrenzt. Ab 2014 erreichte die Umwandlungseffizienz für hochmoderne Konverter mehr als 98 Prozent. Während String-Wechselrichter in privaten bis mittelgroßen gewerblichen PV-Anlagen zum Einsatz kommen, decken Zentral-Wechselrichter den großen kommerziellen Markt ab.Der Marktanteil von Zentral- und String-Wechselrichtern beträgt etwa 50 Prozent bzw. 48 Prozent, weniger als 2 Prozent entfallen auf Mikro-Wechselrichter.

Maximum Power Point Tracking (MPPT) ist eine Technik, die netzgekoppelte Wechselrichter verwenden, um die maximal mögliche Leistung von der Photovoltaik-Anlage zu erhalten. Um dies zu tun, tastet das MPPT-System des Wechselrichters die sich ständig ändernde Ausgangsleistung des Solargenerators digital ab und wendet den richtigen Widerstand an, um den optimalen maximalen Leistungspunkt zu finden.

Anti-Islanding ist ein Schutzmechanismus, der den Wechselrichter sofort abschaltet und verhindert, dass er Wechselstrom erzeugt, wenn die Verbindung zur Last nicht mehr besteht. Dies geschieht beispielsweise im Falle eines Blackouts. Ohne diesen Schutz würde die Versorgungsleitung eine „Insel“ mit Strom werden, die von einem „Meer“ von stromlosen Leitungen umgeben wäre, da die Solaranlage während des Stromausfalls weiterhin Gleichstrom liefert. Die Inselbildung stellt eine Gefahr für die Arbeiter dar, die möglicherweise nicht erkennen, dass ein Wechselstromkreis weiterhin mit Strom versorgt wird, und sie können eine automatische Wiederverbindung von Geräten verhindern.

Art Leistung Effizienz(a) Markt 
Anteil(b)
Bemerkungen
String-Wechselrichter bis zu 100 kW p(c) 98% 50% Kosten (b) 0,15 € pro Wattspitze. Einfach zu ersetzen.
Zentralwechselrichter über 100 kW p 98,5% 48% 0,10 € pro Wattspitze. Hohe Zuverlässigkeit. Oft zusammen mit einem Servicevertrag verkauft.
Mikroinverter Modulleistungsbereich 90% -95% 1,5% 0,40 € pro Wattspitze. Erleichterung des Ersatzes betrifft.
DC / DC-Wandler
Leistungsoptimierer
Modulleistungsbereich 98,8% n / a 0,40 € pro Wattspitze. Erleichterung des Ersatzes betrifft. Der Wechselrichter wird immer noch benötigt. Etwa 0,75 GW P im Jahr 2013 installiert.
Quelle: Daten des IHS 2014, Anmerkungen des Fraunhofer ISE 2014, aus: Photovoltaik-Bericht, aktualisiert am 8. September 2014, p. 35, PDF Hinweise (a) beste Effizienz angezeigt, (b)Marktanteile und Kosten pro Watt geschätzt, (c) kW p = Kilowatt-Peak

Batterie
Obwohl immer noch teuer, verwenden PV-Systeme zunehmend wiederaufladbare Batterien, um einen Überschuss zu speichern, der später in der Nacht genutzt wird. Batterien für den Netzspeicher stabilisieren auch das Stromnetz, indem sie Lastspitzen ausgleichen, und spielen eine wichtige Rolle in einem Smart Grid, da sie in Zeiten geringer Nachfrage aufladen und ihre gespeicherte Energie bei hoher Nachfrage ins Netz einspeisen können.

Gemeinsame Batterietechnologien, die in heutigen PV-Systemen verwendet werden, umfassen die ventilgeregelte Blei-Säure-Batterie – eine modifizierte Version der herkömmlichen Blei-Säure-Batterie, Nickel-Cadmium- und Lithium-Ionen-Batterien. Im Vergleich zu den anderen Typen haben Bleibatterien eine kürzere Lebensdauer und eine niedrigere Energiedichte. Aufgrund ihrer hohen Zuverlässigkeit, geringen Selbstentladung sowie geringen Investitions- und Wartungskosten sind sie derzeit jedoch die vorherrschende Technologie in kleinen PV-Anlagen für Privathaushalte, da Lithium-Ionen-Batterien immer noch etwa 3,5-mal so entwickelt werden teuer wie Blei-Säure-Batterien. Da Speichergeräte für PV-Anlagen stationär sind, ist die geringere Energie- und Leistungsdichte und daher das höhere Gewicht von Bleibatterien nicht so kritisch wie beispielsweise beim elektrischen Transport. Andere wiederaufladbare Batterien, die für verteilte PV-Systeme in Frage kommen, sind Natrium – Schwefel- und Vanadium-Redox-Batterien, zwei prominente Arten von geschmolzenem Salz und eine Durchflussbatterie. Im Jahr 2015 lancierten Tesla-Motoren die Powerwall, eine wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterie mit dem Ziel, den Energieverbrauch zu revolutionieren.

Auch PV-Anlagen mit integrierter Batterielösung benötigen einen Laderegler, da die variierende Spannung und der Strom von der Solaranlage ständig angepasst werden müssen, um Schäden durch Überladung zu vermeiden. Grundlegende Laderegler können einfach die PV-Module ein- und ausschalten oder Energiepulse nach Bedarf ableiten, eine Strategie, die als PWM oder Pulsbreitenmodulation bezeichnet wird. Fortgeschrittenere Laderegler werden die MPPT-Logik in ihre Batterieladealgorithmen integrieren. Laderegler können Energie auch zu einem anderen Zweck als dem Batterieladen umleiten. Statt die freie PV-Energie einfach abzuschalten, wenn sie nicht benötigt wird, kann ein Benutzer wählen, Luft oder Wasser zu erhitzen, sobald die Batterie voll ist.

Überwachung und Messung
Die Messung muss in der Lage sein, Energieeinheiten in beiden Richtungen zu akkumulieren, oder es müssen zwei Meter verwendet werden. Viele Meter sammeln sich bidirektional an, einige Systeme verwenden zwei Meter, aber ein unidirektionales Meter (mit Rastung) wird keine Energie von irgendeiner resultierenden Einspeisung in das Netz akkumulieren. In einigen Ländern ist für Anlagen über 30 kWp eine Frequenz- und Spannungsüberwachung mit Trennung aller Phasen erforderlich. Dies geschieht dort, wo mehr Solarstrom erzeugt wird, als vom Energieversorger aufgenommen werden kann, und der Überschuss kann weder exportiert noch gespeichert werden.Die Netzbetreiber mussten in der Vergangenheit Übertragungsleitungen und Erzeugungskapazitäten bereitstellen. Jetzt müssen sie auch Speicher bereitstellen. Dies ist normalerweise Hydrospeicher, aber andere Speichermedien werden verwendet. Anfangs wurde Speicher verwendet, so dass Grundlastgeneratoren bei voller Leistung arbeiten konnten. Mit variabler erneuerbarer Energie wird Speicher benötigt, um die Energieerzeugung zu ermöglichen, wann immer sie verfügbar ist, und den Verbrauch, wann immer es benötigt wird.

Die beiden Variablen, die ein Netzbetreiber hat, speichern Elektrizität, wenn sie benötigt wird, oder sie senden sie dorthin, wo sie gebraucht wird. Wenn beide Fehler auftreten, können Installationen mit mehr als 30 kWp automatisch heruntergefahren werden, obwohl in der Praxis alle Wechselrichter die Spannungsregelung beibehalten und die Stromversorgung unterbrechen, wenn die Last nicht ausreicht. Netzbetreiber haben die Möglichkeit, die Überschussproduktion aus großen Systemen zu reduzieren, obwohl dies häufiger mit Windenergie als mit Solarstrom geschieht und zu erheblichen Umsatzeinbußen führt. Dreiphasen-Wechselrichter bieten die einzigartige Möglichkeit, Blindleistung zu liefern, die bei der Anpassung der Lastanforderungen von Vorteil sein kann.

Photovoltaikanlagen müssen überwacht werden, um Störungen zu erkennen und ihren Betrieb zu optimieren. Abhängig von der Leistung der Anlage und ihrer Art gibt es mehrere Überwachungsstrategien für die Photovoltaik. Die Überwachung kann vor Ort oder remote durchgeführt werden. Er kann nur die Produktion messen, alle Daten vom Wechselrichter abrufen oder alle Daten von den kommunizierenden Geräten (Sonden, Messgeräte usw.) abrufen.Überwachungswerkzeuge können nur für die Überwachung vorgesehen sein oder zusätzliche Funktionen bieten. Einzelne Wechselrichter und Batterieladesteuerungen können eine Überwachung unter Verwendung von herstellerspezifischen Protokollen und Software umfassen. Die Energiemessung eines Wechselrichters kann von begrenzter Genauigkeit sein und ist nicht für die Zwecke der Umsatzmessung geeignet. Ein Datenerfassungssystem eines Drittanbieters kann mehrere Wechselrichter unter Verwendung der Protokolle des Wechselrichterherstellers überwachen und auch wetterbezogene Informationen erfassen. Unabhängige Smart Meter können die gesamte Energieproduktion eines PV-Array-Systems messen. Getrennte Maßnahmen wie Satellitenbildanalyse oder ein Sonnenstrahlungsmesser (ein Pyranometer) können verwendet werden, um die gesamte Sonneneinstrahlung zum Vergleich abzuschätzen. Daten, die von einem Überwachungssystem gesammelt werden, können über das World Wide Web wie OSOTF entfernt angezeigt werden.