Funktionsweise der Photovoltaik-Anlage

Teilen:

Photovoltaik-Anlage: Wie funktioniert Sie eigentlich?

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.

Gemeinsam sind sie stark

In den Solarmodulen, die man beispielsweise von Hausdächern kennt, sind eine Vielzahl an Solarzellen eingebaut. Diese wiederum können mit weiteren Modulen verbunden werden, um die Energieausbeute, je nach Bedarf und Größe des Hauses, zu erhöhen. Was im Inneren der Solarzelle passiert, setzt vertiefte physikalische Grundkenntnisse voraus. Vereinfacht gesprochen wird durch zwei Siliziumschichten mit unterschiedlicher Leitfähigkeit ein elektrisches Feld erzeugt. Trifft Licht darauf, ändern sich seine Ladungseigenschaften. An den Kontakten der Solarzelle entsteht so eine Spannung. „Die Solarzelle stellt damit ein elektrisches Mini-Kraftwerk dar“, erklärt der Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft.

Solarzellen Aufbau
Solarzellen Aufbau

Allerdings mit eingeschränktem Wirkungsgrad: Je nach Typ des Solarmoduls beträgt er maximal 20 bis 25 Prozent. Das bedeutet, dass ein Großteil der Sonnenenergie ungenutzt verloren geht. 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 Strang (englisch: 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.

Die Verschaltung von Solarzellen
Die Verschaltung von Solarzellen
bis zu 30% sparen

Preise vergleichen:
Solaranlage günstig kaufen

  • Bundesweit
  • Unverbindlich
  • Qualifizierte Anbieter
  • Top Preise

Zudem ist auch beim Wechselrichter ein gewisser Verlust einzukalkulieren. Da Solarmodule Gleichstrom gewinnen, benötigt eine Photovoltaik-Anlage diesen, um den Gleich- in Wechselstrom umzuwandeln. Soll der Strom ins öffentliche Netz eingespeist werden – handelt es sich also um eine netzgekoppelte Anlage –, ist zudem darauf zu achten, dass die Eigenschaften des Stroms, etwa hinsichtlich der Spannung, mit diesem übereinstimmt. Auch diese Aufgabe übernimmt der Wechselrichter.

Wechselrichter Funktion:Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung
Wechselrichter Funktion:Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung

Heutzutage sind die allermeisten PV-Anlagen netzgekoppelt. Sogenannte Inselanlagen, die nicht mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden sind, können ihre Berechtigung haben, etwa in abgelegenen Regionen. Sie müssen aber anders geplant werden. So können sie beispielsweise den Strombedarf in „schlechten Zeiten“, in denen keine Sonne scheint, nicht durch den Bezug von Netzstrom ausgleichen.

Schema einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage
Schema einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage
Insel-Anlagen bringen Strom in abgelegene Orte
Insel-Anlagen bringen Strom in abgelegene Orte
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.

Viel Sonne, viel Strom

Je mehr Licht auf die Solarmodule trifft, desto mehr Strom wird erzeugt. Das ist der Grund, warum für den Aufbau einer PV-Anlage unverschattete und sonnenbeschienene Standorte empfohlen werden. Thomas Seltmann warnt in seinem Buch „Photovoltaik“ von der Stiftung Warentest allerdings davor, dass bei Solarzellen bereits eine elektrische Spannung anliegt, auch wenn sie noch nicht angeschlossen sind – ähnlich wie bei einer Batterie: „Deshalb sind beim Umgang besondere Sicherheitshinweise zu beachten.“

Eine ausführliche Fachberatung ist gold wert.
Eine ausführliche Fachberatung ist gold wert.

Der Stromverbrauch der Nutzer entspricht meistens nicht der Energie, die aktuell gewonnen wird. Neben der Möglichkeit, diesen ins öffentliche Netz einzuspeisen, können Batteriespeicher, die den erzeugten Strom auch dann zur Verfügung stellen, wenn es draußen dunkel ist, eine gute Alternative sein. Aufgrund stark sinkender Einspeisevergütung empfiehlt sich sogar oftmals , möglichst viel vom Sonnenstrom selbst zu verbrauchen. Batteriespeicher könnten den Eigenverbrauch mindestens verdoppeln. Der Haken: „Sie kosten noch mehrere Tausend Euro.“ Damit er sich lohnt, sollte er günstig sein und lange in Betrieb bleiben.

Entwicklung der Einspeisevergütung
Entwicklung der Einspeisevergütung
Eine Solarbatterie hilft den erzeugten Strom selbst zu nutzen
Eine Solarbatterie hilft den erzeugten Strom selbst zu nutzen

Neben diesen Hauptkomponenten einer Photovoltaik-Anlage gibt es noch kleinere Bestandteile, ohne die es nicht geht. Dazu zählt die Verkabelung, die sich bei Gleichstrom (Weg vom Modul bis zum Wechselrichter) und bei Wechselstrom (Weg vom Wechselrichter zum Nutzungs- beziehungsweise Einspeisepunkt) unterscheidet. Hinzu kommen Sicherungen, die in der Regel in einem Generatoranschlusskasten ihren Platz finden. Als Solargenerator bezeichnet man die Gesamtheit der hintereinandergeschalteten Solarmodule. Zudem hilft er bei der Inbetriebnahme und Wartung der Anlage, weil er im buchstäblichen Sinn als Schaltzentrale dienen kann. Wird der Strom aus der PV-Anlage nicht nur für den Eigenbedarf genutzt, wird zudem ein Einspeisezähler benötigt, um mögliche Einspeisevergütungen genau messen und abrechnen zu können.

PV-Anlage: Stromzähler werden benötigt
PV-Anlage: Stromzähler werden benötigt
bis zu 30% sparen

Angebote für Solaranlagen
von regionalen Anbietern

Unverbindlich
Qualifizierte Anbieter
Kostenlos

Tipp: Jetzt zum Newsletter anmelden

Erhalten Sie die wichtigsten News monatlich aktuell und kostenlos direkt in Ihr Postfach
Ihre Email-Adresse wird nur für den Newsletterversand verwendet Datenschutzerklärung

Artikel teilen: