Grundlagenwissen

Photovoltaik: wie aus Licht Strom wird

Solarzellen wandeln Sonnenlicht direkt in Gleichstrom (DC) um. Mehrere Zellen bilden ein Solarmodul. Die Leistungsangabe in Watt-Peak (Wp) beschreibt die Leistung unter genormten Testbedingungen (1.000 W/m² Einstrahlung, 25 °C Zelltemperatur). Im Alltag liefert ein Modul meist weniger, weil Einstrahlung und Temperatur abweichen.

• In Deutschland erzeugt eine gut ausgerichtete Anlage grob 850–1.100 kWh pro kWp und Jahr, abhängig von Standort, Neigung und Verschattung.
• Südausrichtung bringt den höchsten Jahresertrag; Ost-West-Anlagen verteilen die Erzeugung gleichmäßiger über den Tag.
• Schon teilweise Verschattung kann den Ertrag eines ganzen Strangs mindern – Optimierer oder Mikrowechselrichter helfen bei schwierigen Dächern.
• Moderne monokristalline Module erreichen Wirkungsgrade von etwa 20–23 %. Glas-Glas- und bifaziale Module sind besonders langlebig bzw. nutzen auch das rückseitig einfallende Licht.

Anlagenarten: netzgekoppelt, hybrid oder autark

Wechselrichter: das Herz der Anlage

Wechselrichter wandeln den Gleichstrom aus Modulen oder Batterie in 230-V-Wechselstrom. Welche Bauart passt, hängt von der Anlagenart ab:

• Netz- bzw. String-Wechselrichter speisen PV-Strom ins Hausnetz ein (netzgekoppelte Anlagen).
• Hybrid-Wechselrichter verbinden PV, Batterie und Hausnetz in einem Gerät.
• Mikrowechselrichter sitzen direkt am Modul – ideal für Balkonkraftwerke und teilverschattete Flächen.
• Batterie-Wechselrichter / Inverter-Charger (z. B. Victron MultiPlus oder Quattro) arbeiten am Batteriesystem, laden aus Netz oder Generator und versorgen bei Netzausfall.
• Insel-Wechselrichter erzeugen im Offgrid- und Mobilbetrieb reinen Sinus aus 12, 24 oder 48 V.

Batteriespeicher: Kapazität, Spannung, Chemie

Die Kapazität eines Speichers wird in Kilowattstunden angegeben. Sie ergibt sich aus Amperestunden und Nennspannung:

Energie (kWh) = Kapazität (Ah) × Spannung (V) ÷ 1.000  ·  Beispiel: 100 Ah × 12,8 V = 1,28 kWh

• LiFePO4 (Lithium-Eisenphosphat) ist heute Standard: sehr zyklenfest (je nach Modell mehrere tausend Vollzyklen), thermisch stabil und nahezu wartungsfrei.
• Blei-Batterien (AGM, Gel) sind günstiger in der Anschaffung, sollten aber nur teilweise entladen werden und altern schneller.
• 12/24/48 V: Je größer die Leistung, desto höher sollte die Systemspannung sein – das reduziert Ströme und Kabelquerschnitte. Heimspeicher arbeiten mit 48 V (Niedervolt) oder mit Hochvolt-Batterien am passenden Hybrid-Wechselrichter.
• Ein Batteriemanagementsystem (BMS) schützt die Zellen vor Über- und Tiefentladung, Überstrom und unzulässigen Temperaturen und kommuniziert idealerweise mit Wechselrichter bzw. Laderegler.

Laderegler: PWM oder MPPT?

In Insel- und Mobilanlagen regelt ein Solarladeregler den Ladestrom vom Modul zur Batterie.

• PWM-Regler sind einfach und günstig, nutzen aber nur einen Teil der Modulleistung, wenn Modul- und Batteriespannung nicht gut zusammenpassen.
• MPPT-Regler halten das Modul im Punkt maximaler Leistung und wandeln höhere Modulspannungen effizient herunter – meist 10–30 % mehr Ertrag, vor allem bei Kälte und Teillast.
• Wichtig bei der Auswahl: Die Leerlaufspannung der Module (Voc) bei niedrigen Temperaturen muss unter der maximalen PV-Eingangsspannung des Reglers bleiben; der maximale Ladestrom muss zur Modulleistung passen.

Kabel & Absicherung

• Der Querschnitt richtet sich nach Strom und Leitungslänge. Bei Niedervolt-DC (12/24 V) fließen hohe Ströme – kurze Wege und ausreichend dicke Kabel halten den Spannungsfall gering (Richtwert: höchstens etwa 3 %).
• Jede Batterieleitung gehört nahe am Batteriepol abgesichert – mit DC-tauglichen Sicherungen (z. B. MEGA-, ANL- oder NH-Sicherungen) passend zum Kabelquerschnitt.
• Solarkabel müssen UV- und witterungsbeständig sein. Steckverbinder (MC4) nur mit kompatiblen Gegenstücken desselben Systems kombinieren.
• Überspannungsschutz und eine fachgerechte Erdung schützen die Anlage, vor allem bei längeren Leitungen auf dem Dach.

Auslegung einer Inselanlage – Schritt für Schritt

1. Tagesverbrauch ermitteln: Leistung jedes Geräts × Betriebsstunden pro Tag, aufsummiert in Wattstunden (Wh).
2. Speicher bemessen: Batteriekapazität (Wh) ≈ Tagesverbrauch × gewünschte Autonomietage ÷ nutzbare Entladetiefe (LiFePO4 etwa 0,8–0,9).
3. Modulleistung abschätzen: PV-Leistung (Wp) ≈ Tagesverbrauch ÷ (Sonnenvolllaststunden pro Tag × Systemwirkungsgrad von etwa 0,7–0,8). Im Winter liegen die Volllaststunden in Deutschland deutlich unter einer Stunde, im Sommer bei mehreren Stunden.
4. Komponenten abstimmen: Laderegler, Wechselrichter-Dauerleistung (inklusive Anlaufströmen der Verbraucher), Kabel und Sicherungen.

Sicherheit & Vorschriften

• Arbeiten am 230/400-V-Hausnetz und der Anschluss netzgekoppelter Anlagen sind Elektrofachkräften vorbehalten.
• Netzgekoppelte Anlagen und Speicher werden beim Netzbetreiber angemeldet und im Marktstammdatenregister eingetragen; für Balkonkraftwerke genügt die vereinfachte Registrierung.
• Herstellerangaben zu Montage, Belüftung, Temperaturbereich und Absicherung sind verbindlich – im Zweifel lieber nachfragen.