Strom aus Sonne! Die Funktionsweise einer Photovoltaikanlage

Wie entsteht Strom aus Sonnenlicht? Die Funktionsweise einer Photovoltaikanlage

Teuren Strom muss man nicht vom Netzbetreiber beziehen. Mit einer Photovoltaikanlage können Sie Strom selbst produzieren. Nur wenn der eigene Netzspeicher leer ist, beziehen Sie Strom vom Netzbetreiber.

Im Folgenden möchten wir Ihnen alles, was Sie über Photovoltaikanlagen wissen müssen, strukturiert und übersichtlich darstellen. Sie erfahren wie eine Photovoltaikanlage funktioniert, erfahren etwas über den Aufbau einer Solarzelle und deren Wirkungsgrade und bekommen nützliche Informationen rund um Photovoltaikanlagen. Im letzten Abschnitt räumen wir weitverbreitete Vorurteile zum Thema aus, indem wir kritische Fragen objektiv beantworten.

Was heißt eigentlich Photovoltaik?

Der Begriff Photovoltaik ist eine Wortzusammensetzung aus dem griechischen Wort für „Licht“ und dem Wort „Volt“, das die Einheit für elektrische Spannung bedeutet. Lichtenergie, meist aus Sonnenlicht, wird in elektrische Energie umgewandelt. Dies geschieht durch Solarzellen. Bei der Photovoltaik handelt es sich um einen Teilbereich der Solartechnik. Die Solartechnik weitere technische Nutzung von Sonnenenergie.

Bereits seit 1958 nutzt man Photovoltaik in der Raumfahrt, dann wurde sie zur Energieversorgung elektrische Einzelgeräte wie Taschenrechnern oder Parkscheinautomaten genutzt. Dies geschieht auch heute noch. Das wichtigste Anwendungsgebiet heutzutage ist aber mit Abstand die netzgebundene Stromerzeugung auf Dachflächen oder auch auf Freiflächen.

Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage?

Um aus Sonnenlicht Strom zu erzeugen, wird der sogenannte photovoltaische Effekt genutzt. Bei diesem Effekt wird zwischen zwei Elektroden eine elektrische Potentialdifferenz erzeugt, was bedeutet, dass Licht direkt in elektrischen Energie verwandelt wird.

Ein wesentlicher Bestandteil von Photovoltaikanlagen sind Solarzellen. In Solarzellen gibt es Halbleiterwerkstoffe. Trifft das Sonnenlicht auf die Halbleiterwerkstoffe, werden Elektronen angeregt, die sich in der Folge bewegen. Diese Bewegungsenergie erzeugt Strom. Eine logische Rechnung: Je mehr die Sonne scheint, desto mehr Strom kann auch erzeugt werden. Oder: Je günstiger der Lichteinfall ist, desto mehr Strom wird erzeugt.

Je nach Konzeption funktionieren Photovoltaikanlage etwas anders: So gibt es etwa netzgekoppelte PV-Anlagen und PV-Inselanlagen. Während PV-Inselanlagen völlig unabhängig vom öffentlichen Stromnetz betrieben werden, sind netzgekoppelte PV-Anlagen mit dem öffentlichen Netz verbunden. Sie ermöglichen ein vollständiges oder teilweises Einspeisen des produzierten Solarstroms ins öffentliche Stromnetz. In Deutschland gibt der Gesetzgeber vor, dass Wohnhäuser mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden sein müssen.

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Komponenten einer Photovoltaikanlage

Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen, sind neben dem Solargenerator weitere Komponenten einer Photovoltaikanlage erforderlich. Diese müssen alle optimal aufeinander abgestimmt sein.

Der Wechselrichter

Für die Umwandlung des erzeugten Gleichstroms sorgt der Wechselrichter, der aus dem Gleichstrom den im Haushalt nutzbaren Wechselstrom umwandelt. Der Wechselrichter ermöglicht also erst die Nutzung der Sonnenenergie und sorgt dafür, dass die Solarmodule optimal zusammenarbeiten und einen möglichst hohen Ertrag erzielen.

Der Stromzähler

Der auf dem Dach erzeugte Sonnenstrom fließt vor dem Verbrauch in einen Stromzähler, der auch Ertragszähler genannt wird. Hier wird der solare Ertrag gemessen. Mit dem Einspeisezähler wird gemessen, wie viel Strom ins Netz eingespeist wird. Der Eigenverbrauch ergibt sich nun aus der Differenz zwischen Ertragszähler und Einspeisezähler.

Solarkabel

Die Solarkabel sind für die Verbindung der einzelnen Solarmodule, dem Wechselrichter und weiteren Komponenten verantwortlich. Sie leiten den Sonnenstrom weiter. Da die Solarkabel auf dem Dach montiert sind, werden sie stärker beansprucht als herkömmliche Kabel. Zertifizierte Solarkabel müssen besondere Anforderungen erfüllen. Derartige Solarkabel müssen etwa witterungsresistent, UV-beständig und doppelt isoliert sein. Bei der Installation von Solarkabeln ist auf die Kabellänge und den richtigen Querschnitt zu achten, denn Übertragungsverluste sollen so gering wie möglich gehalten werden. Dabei gilt grundsätzlich: Je kürzer das Solarkabel und je größer der Querschnitt, desto geringer sind die Übertragungsverluste des Stroms.

Solarmodul und Solarzelle

Das Solarmodul ist dasjenige Element einer Photovoltaikanlage, das die Sonnenenergie in elektrische Energie umwandelt. Das Modul wird auch Photovoltaikmodul genannt. Solarmodule bestehen wiederum aus Solarzellen, die in Serie oder parallel geschaltet sind. Durch zwei Siliziumschichten, die eine unterschiedliche Leitfähigkeit aufweisen, wird ein elektrisches Feld erzeugt. Durch das Auftreffen von Licht ändern sich dessen Ladungseigenschaften und an den Kontakten der Solarzelle entsteht die gewünschte Spannung. Die Solarzelle stellt also gewissermaßen ein elektrisches Mini-Kraftwerk dar. Solarmodule werden von oben mit einer Glasscheibe geschützt. Von unten besteht der Schutz durch eine Schutzfolie. Zwischen Solarzellen bestehen kleinere Freiräume, durch welche man hindurch gucken kann. Solarmodule können unterschiedliche groß sein und von einigen wenigen Watt bis zu 300 Watt Leistung bieten. Größen bis zu 3 Quadratmeter sind keine Seltenheit, dennoch sind Solarmodule mit etwa 10 bis 15 Kilogramm Leichtgewichte. Im Durchschnitt liegt die Leistung zwischen 130 und 250 Watt.

Baterriespeicher

Baterriespeicher werden auch Akkumulatoren genannt. Diese stellen selbst erzeugten Strom auch dann zur Verfügung, wenn es draußen etwa dunkel ist. Das immer noch weit verbreitete Vorurteil, wonach Photovoltaikanlage ohne Sonne keine Energie bereitstellen würden, ist daher falsch.

Aufbau und Wirkung einer Solarzelle

Mit einer Größe von circa 95 Prozent werden die meisten Solarzellen aus dem Quarzsand Silizium (Si) hergestellt. Bei Silizium handelt es sich um eines der häufigsten natürlichen vorkommenden Elemente. Bei der Herstellung von Silizium wird lediglich der Quarzsand geformt, dafür wird er gereinigt und kristallisiert. Die Siliziumscheibe wird dann gezielt verunreinigt und mit sogenannten Leiterbahnen versehen, die zum Stromtransport benötigt werden. Bei dem Auftreffen von Licht auf eine Siliziumscheibe, werden Elektronen freigesetzt. Durch die gezielte Verunreinigung der Zelle sammeln sich nun Elektronen als negative Ladungsträger auf der einen Seite und Protonen als positive Ladungsträger auf der anderen Seite. Was entsteht, das ist vergleichbar mit den Minus- und Pluspolen einer Batterie. Durch das Anschließen eines Verbrauchgeräts fließt dann der Strom.

Wirkungsgrade von Solarzellen

Mit dem Wirkungsgrad bezeichnet man den Fakt, dass Solarzellen je nach Beschaffenheit unterschiedlich viel Solarenergie erzeugen. Der Wirkungsgrad eines Solarmoduls liegt zwischen 11 und 25 Prozent. Werden statt den standardmäßig zum Einsatz kommenden Modulen aus Silizium (Si) aber Dünnschichtmodule verwendet, so fällt der Wirkungsgrad wesentlich geringer aus. Bei Dünnschichtmodulen liegt der Wirkungsgrad höchstens bei neun Prozent. Der Vorteil von Dünnschichtmodulen liegt bei ihren extrem niedrigen Kosten, weswegen sie sich vor allem für den Betrieb von Großanlagen eignen, bei denen der Flächenverbrauch nicht entscheidend ist.

Bei der Entscheidung zwischen monokristallinen und polykristallinen Solarzellen, ist zu sagen, dass diese sich sowohl in Form und Farbe voneinander unterscheiden. Das entscheidende Kriterium ist aber der Wirkungsgrad, der bei den monokristallinen Modulen deutlich höher liegt, nämlich zwischen 19 und 23 Prozent je nach Hersteller. Polykristalline Module kommen auf einen Wirkungsgrad zwischen 15 und 18 Prozent. Was die Herstellungskosten angeht, sind allerdings diejenigen der monokristallinen Module höher als bei den polykristallinen Modulen. Eine Entscheidung für eine der beiden Varianten sollte daher je nach individueller Beschaffenheit des Daches (Winkel, Größe, etc.) bedacht und mit einer Fachfirma erörtert werden.

Ausblick - Die Zukunft der Solarenergie

Der Anteil der Photovoltaik an der Bruttostromversorgung im Jahr 2021 in Deutschland lag etwa bei 8,8 Prozent. Wirft man einen Blick über das Wachstum der Energieversorgung dieses Bereichs, so wird deutlich, dass in den Jahren von 2002 bis 2021 ein stetiges Wachstum zu verzeichnen ist. Während der Solarstrom aus Photovoltaikanlagen im Jahr 2008 noch unter einem Prozent lag, waren es im Jahr 2011 bereits über drei Prozent und im Jahr 2015 bereits sechs Prozent.

Insbesondere im Hinblick auf die notwendige und auch gesellschaftlich und politisch gewünschte Energiewende trägt Sonnenstrom immer stärker zur regenerativen Energieversorgung bei. Die durch den Klimawandel bedingte Erderwärmung, die politischen Rahmenbedingungen und der technische Fortschritt bergen für die Solarenergie noch ein enormes Entwicklungspotenzial.

Neue Herstellungsverfahren, aber auch steigende Produktionsmengen sollten den Trend zu preisgünstigeren Photovoltaikanlagen fortsetzen. Im Laufe der nächsten Jahre erscheinen einerseits höhere Wirkungsgrade sowie höhere Speicherkapazitäten bei gleichzeitig geringeren Herstellungskosten möglich. Ein langfristiger Ausblick zeigt, dass die Kosten der Stromerzeugung mit einer eigenen Photovoltaikanlage maximal halb so hoch sein wird wie der von den Energieversorgern bereitgestellte Strom.

Die technischen Entwicklungen weisen ein erhebliches Potenzial auf. So lässt etwa eine neue Solar-Leistungstechnik mittels Nanodrähten zu einem Wirkungsgrad von etwa 90 Prozent führen. Auch Hybrid-Solarmodule, sogenannte Virtu Tubes sollen in Zukunft innerhalb eines Arbeitsgangs Solarenergie in Strom und Wärme umwandeln. Das bedeutet einerseits eine Steigerung der Effizienz um über 45 Prozent und andererseits eine Platzeinsparung. Zu den innovativen Entwicklungen im Bereich Photovoltaik zählen auch Sphelar Solarzellen. Hier spielt etwa der Einfallswinkel, in dem die Sonne auf die Solarzellen trifft, nur noch eine untergeordnete Rolle. Eine weitere vielversprechende Innovation sind etwa Mehrfach- oder Tandemsolarzellen, die mehrere Wellenbereiche des Sonnenlichts nutzen können, was zu einem erhöhten Wirkungsgrad von 40 Prozent führen soll. Welche dieser Techniken und Innovationen sich letztlich durchsetzen wird, bleibt abzuwarten. Feststeht, dass der Solarstrom weiterhin erhebliche Wachstumschancen hat und den Verbraucher langfristig betrachtet auch vor zu hohen Kosten schützen kann.

Wissenswertes zum Thema Photovoltaik

Ist die Herstellung von Solarmodulen überhaupt umweltfreundlich?

Immer wieder wird auch Kritik zu Solarmodulen formuliert. So heißt es etwa, dass die Herstellung von Solarmodulen energieintensiv ist. Dies ist sicherlich nicht ganz falsch, dabei wird allerdings nicht beachtet, dass Solarmodule durch einen physikalischen Effekt arbeiten. Das heißt: Es werden keine mechanischen Verschleißteile beansprucht und es werden keine umweltschädlichen Katalysatoren benötigt, damit Energie erzeugt werden kann.

Sind Photovoltaikanlagen überhaupt wirtschaftlich?

Tatsächlich ist diese Frage nur in Bezug auf individuelle Faktoren vor Ort zu beantworten. Kosten können nämlich aufgrund von baulichen und geografischen Gegebenheiten stark variieren, weshalb es sich anbietet eine Fachfirma dies errechnen zu lassen.

Sind nicht die Kosten für Photovoltaikanlagen viel zu hoch?

Tatsächlich sind Photovoltaikanlagen in den letzten Jahren tendenziell eher günstiger geworden, sodass sich die Amortisation immer schneller rechnet. Insbesondere mit einem Energiespeicher kann der Eigenverbrauch mindestens verdoppelt werden. Zwar sind die Anschaffungskosten für Speichergeräte preisintensiv; aufgrund ihrer langen Lebenszeit und ebenfalls sinkenden Preisen kann sich eine solche Investition rentieren.

Photovoltaik: Wird bei Regen, Bewölkung oder Schnee noch Strom erzeugt?

Photovoltaikanlagen produzieren auch bei bewölktem Himmel Strom. Natürlich ist ein freier Himmel der Garant für eine gute Stromproduktion. Lediglich, wenn Schnee die Solarmodule bedeckt, wird kein Strom mehr produziert. Um dem vorzubeugen sind Solarmodule beschichtet, sodass der Schnee an ihnen abgleitet und sich nicht festsetzen kann.

Was ist der Unterschied zwischen Solarenergie, Solarthermie und Photovoltaik?

Wie bereits erklärt, wird Solarenergie aus Licht, bzw. aus der Sonnenstrahlung gewonnen. Solarenergie kann Wärme als auch Strom sein. Während Photovoltaikanlagen Strom erzeugen, wird durch Solarthermie Wärme erzeugt, die in der Regel zum Heizen verwendet wird

Wann wurde eigentlich der photovoltaische Effekt erfunden?

Der photovoltaische Effekt wurde natürlich nicht erfunden, sondern entdeckt und das vor mehr als 150 Jahren. Die unmittelbare Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom gelang erstmalig einem französischen Physiker, nämlich Edmond Alexandre Becquerel im Jahre 1839. Viele Jahre nutzte man den Effekt lediglich in der Fotografie, etwa bei der Belichtungsmessung. Heute ist die bedeutendste Anwendung die photovoltaische Stromerzeugung mit Solarzellen.

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