Wie funktioniert ein Solarpark? Aufbau, Technik und Stromerzeugung einfach erklärt
Ein Solarpark verwandelt Sonnenlicht in elektrischen Strom – und das auf einer deutlich größeren Fläche als eine klassische Photovoltaikanlage auf einem Einfamilienhaus. Doch wie funktioniert ein Solarpark eigentlich genau? Welche Komponenten werden benötigt, wie wird der erzeugte Gleichstrom in nutzbaren Wechselstrom umgewandelt und wie gelangt die Energie schließlich ins Stromnetz?
In diesem Artikel erklären wir Schritt für Schritt, wie ein Solarpark funktioniert, wie eine Freiflächen-Photovoltaikanlage aufgebaut ist und welche technischen Komponenten dabei zusammenspielen.
Was ist ein Solarpark?
Ein Solarpark, auch Freiflächen-Photovoltaikanlage (PV-Freiflächenanlage) genannt, ist eine größere Photovoltaikanlage, die nicht auf einem Gebäude, sondern auf einer geeigneten Freifläche errichtet wird.
Die einzelnen Solarmodule werden auf einer Unterkonstruktion montiert und zu größeren elektrischen Einheiten zusammengeschaltet. Je nach Projekt können Solarparks eine Leistung von einigen hundert Kilowattpeak bis zu mehreren Megawattpeak erreichen.
In Deutschland werden Freiflächen-Photovoltaikanlagen unter anderem auf geeigneten landwirtschaftlichen Flächen, Konversionsflächen, Flächen entlang bestimmter Verkehrswege, Parkplätzen oder anderen geeigneten Standorten errichtet. Welche Flächen genutzt werden können, hängt unter anderem von den gesetzlichen und planerischen Voraussetzungen des jeweiligen Standorts ab.
Das Umweltbundesamt weist darauf hin, dass bei der Standortwahl insbesondere ökologische und landwirtschaftliche Aspekte berücksichtigt werden sollten. Gleichzeitig können moderne Freiflächenanlagen sehr flächeneffizient Solarstrom erzeugen.
Wie funktioniert ein Solarpark?
Das Grundprinzip ist eigentlich einfach:
Sonnenlicht → Solarmodule → Gleichstrom → Wechselrichter → Wechselstrom → Transformator → Stromnetz
Doch hinter dieser einfachen Kette steckt eine umfangreiche technische Infrastruktur.
1. Sonnenlicht trifft auf die Solarmodule
Das Herzstück eines Solarparks sind die Photovoltaikmodule.
Die Module bestehen aus vielen Solarzellen. Trifft Sonnenlicht auf diese Zellen, entsteht durch den photovoltaischen Effekt elektrische Energie.
Dabei erzeugen die Module zunächst Gleichstrom (DC).
Ein einzelnes Modul produziert jedoch nur einen kleinen Teil der Gesamtleistung eines Solarparks. Deshalb werden viele Module miteinander verbunden.
2. Mehrere Module werden zu Strings verbunden
Die Solarmodule eines Solarparks werden elektrisch miteinander verschaltet.
Mehrere Module bilden dabei sogenannte Strings. Mehrere Strings werden anschließend zu größeren elektrischen Einheiten zusammengeführt.
Die genaue Verschaltung hängt unter anderem von den verwendeten Modulen, Wechselrichtern, der Anlagengröße und den technischen Anforderungen des Projekts ab.
Bei großen Solarparks können dadurch tausende oder sogar zehntausende Module zu einem einzigen Kraftwerk zusammengeschaltet werden.
Zum Beispiel umfasst eines der von JF Solar dokumentierten Projekte in Döggingen 8.760 Longi-Solarmodule mit jeweils 540 Wp und eine geplante DC-Leistung von rund 4,73 MWp.
3. Die Unterkonstruktion hält die Module
Damit die Solarmodule optimal zur Sonne ausgerichtet werden können, werden sie auf einer speziellen Unterkonstruktion montiert.
Bei Freiflächenanlagen kommen häufig gerammte Pfosten beziehungsweise Rammpfähle zum Einsatz. Darauf werden die Montagesysteme befestigt, anschließend werden die Module installiert.
Die Konstruktion muss unter anderem für die örtlichen Bedingungen ausgelegt sein.
Dazu gehören beispielsweise:
- Windlasten
- Schneelasten
- Bodenbeschaffenheit
- Geländeneigung
- Modulabstände
- Ausrichtung
- Verschattung
Bei einem Solarpark ist deshalb nicht nur das Solarmodul selbst entscheidend. Die gesamte Anlage muss auf den jeweiligen Standort abgestimmt werden.
4. Der Wechselrichter macht Gleichstrom zu Wechselstrom
Die Solarmodule erzeugen Gleichstrom. Das öffentliche Stromnetz arbeitet jedoch mit Wechselstrom.
Hier kommen die Wechselrichter ins Spiel.
Der Wechselrichter wandelt den von den Modulen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um und übernimmt gleichzeitig wichtige Aufgaben bei der Überwachung und Steuerung der Anlage.
Bei großen Solarparks werden entsprechend leistungsfähige Wechselrichter eingesetzt.
Ein Beispiel: Beim Solarpark Döggingen mit rund 4,73 MWp sind laut Projektplanung 13 Huawei-Wechselrichter mit jeweils 330 kVA vorgesehen.
5. Die elektrische Energie wird zusammengeführt
Nach der Umwandlung durch die Wechselrichter wird die elektrische Energie über Kabelsysteme gesammelt und innerhalb des Solarparks weitergeleitet.
Dabei spielen unter anderem folgende Komponenten eine Rolle:
- DC-Kabel
- AC-Kabel
- Kabeltrassen
- Sammelstellen
- Wechselrichter
- Schutztechnik
- Mess- und Überwachungssysteme
Die Dimensionierung dieser Komponenten ist ein wichtiger Bestandteil der technischen Planung.
Denn bei einem Solarpark müssen nicht nur möglichst viele Module installiert werden. Die erzeugte Energie muss auch zuverlässig und möglichst verlustarm vom Modul bis zum Netzanschlusspunkt transportiert werden.
6. Der Transformator erhöht die Spannung
Bevor der erzeugte Strom in das öffentliche Netz eingespeist werden kann, muss die Spannung entsprechend den Anforderungen des Netzanschlusses angepasst werden.
Dafür werden Transformatoren beziehungsweise Trafostationen eingesetzt.
Die Trafostation ist ein wichtiger Bestandteil größerer Photovoltaikanlagen. Sie verbindet die elektrische Infrastruktur des Solarparks mit der für die Netzeinspeisung erforderlichen Spannungsebene.
7. Der Solarstrom wird ins Stromnetz eingespeist
Nach der Umwandlung und Spannungserhöhung wird der erzeugte Strom zum Netzanschlusspunkt geführt.
Dort wird die Photovoltaikanlage mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden.
Wie der erzeugte Strom anschließend genutzt oder vermarktet wird, hängt vom jeweiligen Anlagenkonzept ab. Möglich sind beispielsweise die Einspeisung in das öffentliche Netz, eine Direktvermarktung oder andere vertragliche Modelle.
Die Bundesnetzagentur stellt hierzu Informationen zu Anmeldung, Anschluss, Nutzung und Förderung von Solaranlagen bereit.
Wie viel Strom produziert ein Solarpark?
Die Stromproduktion eines Solarparks hängt von zahlreichen Faktoren ab.
Dazu gehören unter anderem:
- installierte Leistung
- Sonneneinstrahlung am Standort
- Ausrichtung der Module
- Neigungswinkel
- Verschattung
- Modultyp
- Wechselrichter
- Temperatur
- Verschmutzung
- technische Verluste
- Verfügbarkeit der Anlage
Deshalb lässt sich aus der installierten Leistung allein nicht exakt bestimmen, wie viel Strom ein Solarpark pro Jahr produziert.
Die Einheit kWp beziehungsweise MWp beschreibt zunächst die installierte Spitzenleistung der Photovoltaikmodule unter definierten Testbedingungen.
Ein Solarpark mit beispielsweise 5 MWp hat also eine installierte PV-Leistung von 5 Megawattpeak. Das bedeutet nicht, dass die Anlage dauerhaft 5 MW Leistung produziert.
Die tatsächliche Leistung verändert sich im Tages- und Jahresverlauf abhängig von der Sonneneinstrahlung.
Warum werden Solarmodule nicht einfach auf den Boden gelegt?
Eine häufige Frage lautet: Warum stehen die Module auf einer Konstruktion und liegen nicht einfach flach auf dem Boden?
Die Antwort ist technisch und wirtschaftlich zugleich.
Durch die richtige Höhe, Neigung und Anordnung können die Module besser zur Sonneneinstrahlung ausgerichtet werden. Gleichzeitig müssen ausreichend Abstände zwischen den Modulreihen berücksichtigt werden.
Diese Abstände reduzieren gegenseitige Verschattung und ermöglichen außerdem Wartungsarbeiten sowie eine angepasste Nutzung und Pflege der Fläche.
Die optimale Anordnung ist deshalb immer ein Kompromiss aus Energieertrag, Flächennutzung, technischen Anforderungen und den Bedingungen des jeweiligen Standorts.
Süd oder Ost-West: Welche Ausrichtung ist besser?
Solarparks können unterschiedlich ausgerichtet werden.
Eine klassische Variante ist die Südausrichtung. Hier werden die Module so ausgerichtet, dass sie über den Tagesverlauf möglichst viel direkte Sonneneinstrahlung erhalten.
Eine weitere Möglichkeit ist die Ost-West-Ausrichtung.
Dabei wird die Stromproduktion stärker über den Tagesverlauf verteilt. Welche Variante sinnvoller ist, hängt vom jeweiligen Projekt ab.
Auch die Neigung der Module und der Abstand zwischen den Modulreihen spielen eine wichtige Rolle.
Bei einem von JF Solar dokumentierten Solarpark in Radolfzell werden beispielsweise 10.164 Longi-Module mit 540 Wp in Ost-West-Ausrichtung eingesetzt. Die geplante Anlagenleistung liegt bei rund 5,49 MWp.
Wie entsteht ein Solarpark?
Der Bau eines Solarparks besteht aus wesentlich mehr als dem Aufstellen von Solarmodulen.
Typischerweise durchläuft ein Projekt mehrere Phasen:
1. Standortprüfung
Zunächst wird untersucht, ob sich eine Fläche grundsätzlich für eine Photovoltaikanlage eignet.
Dabei werden unter anderem Standort, Gelände, Boden, Verschattung, Zufahrt, Netzanschluss und rechtliche Rahmenbedingungen betrachtet.
2. Planung
Anschließend werden Modulanzahl, Unterkonstruktion, Wechselrichter, Kabelsysteme, Trafostationen und weitere Komponenten geplant.
3. Bauvorbereitung
Vor Beginn der Montage müssen beispielsweise Baustellenzufahrten, Logistik und gegebenenfalls vorbereitende Erdarbeiten organisiert werden.
4. Montage der Unterkonstruktion
Die Pfosten beziehungsweise Rammpfähle werden entsprechend der Planung im Boden installiert.
5. Installation der Module
Danach werden die Montagesysteme und Solarmodule installiert und elektrisch verschaltet.
6. Elektrische Installation
DC- und AC-Kabel, Wechselrichter, Schutztechnik, Trafostationen und weitere Komponenten werden installiert.
7. Prüfung und Inbetriebnahme
Vor der Inbetriebnahme werden die elektrischen Systeme geprüft und Messungen durchgeführt.
8. Netzanschluss
Nach erfolgreicher Prüfung wird die Anlage entsprechend dem vorgesehenen Netzanschlusskonzept in Betrieb genommen.
Welche Rolle spielt die Planung bei einem Solarpark?
Bei großen Photovoltaikanlagen entscheidet nicht nur die Qualität der einzelnen Komponenten über den späteren Betrieb.
Eine präzise Planung ist mindestens genauso wichtig.
Schon kleine Fehler bei der Auslegung können sich bei großen Anlagen deutlich auswirken.
Dazu gehören beispielsweise:
- falsch dimensionierte Kabel
- ungünstige Modulabstände
- unnötige Verschattung
- nicht optimal ausgelegte Wechselrichter
- Probleme bei der Baustellenlogistik
- unzureichende Berücksichtigung des Geländes
- Verzögerungen beim Netzanschluss
Deshalb müssen technische Planung, Montage und Bauablauf miteinander abgestimmt werden.
Wie wichtig ist der Netzanschluss?
Der Netzanschluss gehört zu den entscheidenden Punkten eines Solarprojekts.
Eine Photovoltaikanlage kann nur dann sinnvoll betrieben werden, wenn der erzeugte Strom entsprechend dem vorgesehenen Anschlusskonzept genutzt oder eingespeist werden kann.
Bereits in der Projektentwicklung sollte deshalb geprüft werden, welche Netzanschlussmöglichkeiten am Standort bestehen und welche technischen Anforderungen erfüllt werden müssen.
Bei größeren Anlagen kann die elektrische Infrastruktur einen erheblichen Teil der technischen Komplexität eines Projekts ausmachen.
Solarparks und Umwelt
Solarparks werden häufig auch unter dem Gesichtspunkt der Flächennutzung diskutiert.
Das Umweltbundesamt empfiehlt, bei der Standortauswahl ökologische und landwirtschaftliche Kriterien zu berücksichtigen und insbesondere ökologisch wertvolle Flächen zu schützen. Gleichzeitig können Photovoltaik-Freiflächenanlagen auf geeigneten Standorten eine sehr flächeneffiziente Möglichkeit zur Erzeugung erneuerbarer Energie darstellen.
Die konkrete Auswirkung eines Solarparks hängt daher stark vom Standort, der Gestaltung der Anlage und der späteren Bewirtschaftung der Fläche ab.
Eine sorgfältige Planung kann dazu beitragen, Nutzungskonflikte zu reduzieren und die vorhandene Fläche sinnvoll zu nutzen.
Solarparks in der Praxis
Dass ein Solarpark aus vielen einzelnen technischen Komponenten besteht, wird besonders deutlich bei größeren Projekten.
JF Solar arbeitet im Bereich der Freiflächen-Photovoltaik und übernimmt unter anderem die fachgerechte Montage von Freilandanlagen. Das Unternehmen arbeitet dabei mit Solarteuren, Projektplanern, Privatpersonen und Großinvestoren in Deutschland und Europa zusammen.
Im Projektportfolio finden sich unter anderem Freiflächenanlagen mit Leistungen von mehreren Megawatt. Dazu gehören beispielsweise Projekte in Döggingen, Radolfzell, Empfingen, Allensbach und weiteren Standorten.
Dabei wird jedes Projekt an die jeweiligen technischen und örtlichen Bedingungen angepasst.
Fazit: Wie funktioniert ein Solarpark?
Ein Solarpark funktioniert nach einem klaren Grundprinzip:
Sonnenlicht wird von Photovoltaikmodulen in Gleichstrom umgewandelt. Wechselrichter wandeln diesen Gleichstrom in Wechselstrom um. Anschließend wird die Energie über die elektrische Infrastruktur des Solarparks gesammelt, über Transformatoren auf die erforderliche Spannung gebracht und entsprechend dem Anschlusskonzept genutzt oder in das Stromnetz eingespeist.
Hinter diesem scheinbar einfachen Prozess steht jedoch eine komplexe technische Planung.
Von der Auswahl der Fläche über die Unterkonstruktion und Modulbelegung bis hin zu Wechselrichtern, Kabelsystemen, Trafostationen und Netzanschluss müssen zahlreiche Faktoren berücksichtigt werden.
Gerade bei großen Freiflächenanlagen entscheidet das Zusammenspiel aller Komponenten darüber, wie zuverlässig und effizient ein Solarpark langfristig betrieben werden kann.
JF Solar & Baumaschinenverleih GmbH ist im Bereich der Solar- und Photovoltaik-Montage tätig und realisiert Freiflächen- sowie Aufdachanlagen für unterschiedliche Projektgrößen.
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