Funktionsweise der Photovoltaik-Anlage

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Wie funktioniert eigentlich eine Photovoltaik-Anlage

Solarenergie: Mit Photovoltaik die Sonnenenergie nutzen
Mit Photovoltaik die Sonnenenergie nutzen © suzanmeer, stock.adobe.com

Mit Photovoltaik-Anlagen kann Sonnenstrahlung direkt in elektrische Energie umgewandelt werden. So weit, so bekannt. Nach der genauen Funktionsweise gefragt, müssen viele aber passen. Grundwissen ist beim Kauf, dem Betrieb oder gar der eigenen Installation einer solchen Anlage aber unabdingbar und nützlich. Daher stellen wir im Folgenden das Konzept in verständlicher Form – so kurz wie möglich, so lange wie nötig – vor.

Photovoltaik: Strom erzeugen für den eigenen Gebrauch oder für das Stromnetz
Photovoltaik: Strom erzeugen für den eigenen Gebrauch oder für das Stromnetz

Der Begriff Photovoltaik setzt sich aus dem griechischen Wort für Licht und dem Nachnamen des Physikers Alessandro Volta zusammen. Er gilt als Erfinder der elektrischen Batterie. Ihm zu Ehren wurde im 19. Jahrhundert die Maßeinheit für die elektrische Spannung als Volt benannt. Der photoelektrische Effekt, Grundlage jeder PV-Anlage, wurde indes später von Alexandre Edmond Becquerel entdeckt und erst im 20. Jahrhundert von Albert Einstein beschrieben.

Solarzellen: Gemeinsam sind sie stark

Ein Solarmodul, bekannt beispielsweise von Hausdächern, enthält eine Vielzahl an Solarzellen. Was in deren Inneren passiert, setzt tiefere physikalische Grundkenntnisse voraus. Vereinfacht gesprochen wird durch zwei Siliziumschichten mit unterschiedlicher Leitfähigkeit ein elektrisches Feld erzeugt. Trifft Licht darauf, ändern sich dessen Ladungseigenschaften. An den Kontakten der Solarzelle entsteht so die gewünschte Spannung. „Die Solarzelle stellt damit ein elektrisches Mini-Kraftwerk dar“, resümiert der Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft.

Wirkungsgrad von Solarmodulen
Wirkungsgrad von Solarmodulen

Allerdings ist der Wirkungsgrad dieser Mini-Kraftwerke eingeschränkt: Je nach Photovoltaikmodul-Typ beträgt er maximal 20 Prozent. Das bedeutet, dass ein Großteil der Sonnenenergie ungenutzt verlorengeht. Die Forschung arbeitet an effizienteren Lösungen, doch ist auf absehbare Zeit keine signifikante Steigerung bei Modulen auf dem Massenmarkt zu erwarten. Auf der einen Seite ist das zwar bedauerlich, aber nicht weiter tragisch, da die Hintereinanderschaltung mehrerer Module zu einem sogenannten String trotzdem zu einer ausreichenden und lohnenden Ausbeute führen kann. Auf der anderen Seite macht es die Rechenaufgaben bei der Planung einer PV-Anlage kniffliger, denn es muss genauer darauf geachtet werden, ab wann und unter welchen Bedingungen sich die Investition in eine PV-Anlage lohnt. Mit den Jahren kann die Leistung der Zellen nachlassen und sich damit ihr Wirkungsgrad verringern.

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Ein gewisser Verlust muss auch beim Wechselrichter einkalkuliert werden. Diese Komponente hat die Aufgabe, den im Solarmodul erzeugten Gleichstrom in nutzbaren Wechselstrom umzuwandeln. Je nach Wechselrichter-Typ liegt hier der Wirkungsgrad bei 96 bis 98 Prozent.

Eine gut abgestimmte Anlage verwertet Sonnenenergie zuverlässig
Eine gut abgestimmte Anlage verwertet Sonnenenergie zuverlässig

Stromfluss vom Photovoltaikmodul bis zum Verbraucher

Je nach Konzeption funktioniert das System ein wenig anders:

  • Netzgekoppelte PV-Anlagen erlauben ein vollständiges oder teilweises Einspeisen des selbst produzierten Solarstroms ins öffentliche Netz.
  • PV-Inselanlagen werden völlig unabhängig vom öffentlichen Stromnetz betrieben.
Schema einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage
Schema einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage

In Deutschland müssen Wohnhäuser mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden sein. Dies gilt auch, wenn kein Strom aus der Photovoltaikanlage ins Stromnetz eingespeist wird. Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen benötigen Gleich- und wechselspannungsseitige Verkabelung, einen Generatoranschlusskasten, einen Wechselrichter und einen Stromzähler.

Generatoranschlusskästen sammeln und schützen die Strings und trennen die Module ggf. vom restlichen System. Der Stromertrag wird über den Wechselrichter einerseits mit Umweg über den Stromzähler ins öffentliche Stromnetz eingespeist. Wichtig für die Abrechnung: Zur Ermittlung von Einspeisung und Bezug wird der normale Stromzähler durch einen Zwei-Richtungs-Zähler ersetzt. Zum Eigenverbrauch bestimmter Solarstrom fließt wie gewohnt aus der Steckdose im Haus in die Geräte. Überschüssige Energie kann in einer angeschlossenen Solarbatterie, auch Energiespeicher genannt, gesammelt und bei Bedarf von dort bezogen werden.

Schema einer Photovoltaik- Inselanlage
Schema einer Photovoltaik- Inselanlage

Soweit zum Standard. Abgelegene Orte, Gartenhäuser, Campingwagen o.Ä. sind meist nicht mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden. Mit sogenannten Inselanlagen kommen aber auch diese Standorte in den Genuss selbst erzeugten Solarstroms. Der Hauptunterschied: Der Strombedarf in „schlechten Zeiten“, in denen keine Sonne scheint, kann nicht durch den Bezug von Netzstrom ausgeglichen werden. Ein Energiespeicher sollte also von vorneherein zur Planung gehören. Entscheidend ist die Zwischenschaltung eines Ladereglers. Er verhindert ein lebensverkürzendes Überladen der Batterie und dient zugleich als Schaltzentrale. Geräte mit 12-V-Spannung können ohne Stromreservoir direkt betrieben werden. 

Gut zu wissen: Solarmodule werden immer wieder dafür kritisiert, dass ihre Herstellung sehr energieintensiv ist. Das ist nicht ganz von der Hand zu weisen, doch wird dabei meist ein weiterer Aspekt vergessen: Sie arbeiten aufgrund eines physikalischen Effekts, es werden also weder mechanische Verschleißteile beansprucht, noch benötigen sie etwaige umweltschädliche Katalysatoren, um in Gang zu kommen. Licht drauf – Spot an.

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Viel Sonne – viel Strom. Keine Sonne – trotzdem Strom

Es ist ganz einfach: Je mehr Licht auf die Solarmodule trifft, desto mehr Strom wird erzeugt. Aus diesem Grund sollten die Standortfaktoren für den Aufbau einer PV-Anlage so optimal wie möglich sein. Doch Vorsicht beim Anschluss: Fachleute weisen darauf hin, dass die Solarzellen sofort reagieren, wenn Licht auf die Oberfläche trifft. Deshalb liege bereits vor dem Anschließen eine elektrische Spannung an. Auf jeden Fall sollten beim Umgang besondere Sicherheitshinweise beachtet werden. Wer sich nicht auskennt, wendet sich besser an einen Solar-Fachbetrieb.

Eine ausführliche Fachberatung ist Gold wert
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Doch was tun, wenn nicht zu viel Licht da ist, sondern zu wenig – oder die Sonne zur falschen Zeit scheint? Tatsächlich decken sich Stromerzeugung und aktueller Strombedarf eher selten. Neben der Möglichkeit, die fehlende (teure!) Energieaus dem öffentlichen Netz zu beziehen, bietet sich ein Akkumulator, besser bekannt als Energiespeicher, an. Batteriespeicher stellen den selbst erzeugten Strom auch dann zur Verfügung, wenn es draußen dunkel ist oder Verbrauchsspitzen anstehen. Aufgrund steigender Strompreise, die mit einer ständig sinkenden Einspeisevergütung einhergehen, wird die Autarkie ohnehin immer attraktiver. Eigenverbrauch erhöhen ist geradezu zum Schlagwort für die Wirtschaftlichkeit einer Photovoltaikanlage geworden.

Tipp: Wie interessant der Eigenverbrauch im Vergleich zur Stromeinspeisung ist, lesen Sie in unserem Beitrag Photovoltaik: Netzeinspeisung vs. Eigenverbrauch. Außerdem haben wir Tipps zur Erhöhung des Eigenverbrauchs für Sie zusammengestellt.
Solarstrom: Tagsüber produzieren, Abends und Nachts verbrauchen
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Mit einem Energiespeicher kann der Eigenverbrauch mindestens verdoppelt werden. Speichergeräte sind zwar teuer, doch aufgrund der langen Lebenszeit können sie auch lange in Betrieb bleiben. Und eine gute Nachricht gibt es auch: Seit Jahren fallen die Preise, sodass die Amortisation sich immer schneller rechnet.

Tipp: Sie brauchen Hilfe bei der Einschätzung der Wirtschaftlichkeit? Unser Photovoltaik-Rechner ermittelt die Rendite und Kosten einer Photovoltaikanlage.
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