WIE FUNKTIONIERT EINE PHOTOVOLTAIKANLAGE?

Funktionsweise einer PhotovoltaikanlageSolarenergie ist heute ein wesentlicher Bestandteil der regenerativen Energieerzeugung. Auch für Hausbesitzer und Mieter wird das Thema Photovoltaik zunehmend wichtig. Allerdings fehlt es oft noch am Know-how. Über 1,8 Millionen Photovoltaikanlagen wandeln heute bereits auf vielen Hausdächern die Strahlungsenergie des Sonnenlichts in nutzbaren Sonnenstrom um. Bevor Sie sich für eine Photovoltaik-Anlage auf Ihrem Hausdach entscheiden, ist es wichtig einen Überblick über die Komponenten einer PV-Anlage und deren Funktionen zu gewinnen.

Aber wie funktioniert eine Photovoltaikanlage? Im Prinzip ganz einfach: wenn Sonnenlicht auf die Solarzellen fällt, entsteht darin eine elektrische Spannung, die über Stromleitungen zum Solargenerator geleitet wird. Dieser wandelt die Energie in Gleichstrom um, der wiederum über den Wechselrichter direkt zu nutzbarem Wechselstrom wird. Das „Endprodukt“ Sonnenstrom wird entweder direkt verbraucht, über einen Solarspeicher zum späteren Verbauch gespeichert oder ins öffentliche Stromnetz eingespeist.

Solarzellen als Herzstück der Photovoltaikanlage

Solarzellen FunktionEine Photovoltaikanlage besteht aus mehreren verbundenen Komponenten, wobei die Solarzellen das Herzstück bilden. Diese etwa 15 x 15 großen Scheiben sind mit einer sehr dünnen Siliziumschicht überzogen, welche durch Licht und Wärme leitfähig wird. Ihre blaue Farbe kommt von der obersten „Antireflexionsschicht“, die die Reflexion von Sonnenstrahlen verhindert. In zwei weiteren Schichten wird durch Verunreinigungen der Siliziumschicht mit Phosphor oder Bor ein Überschuss an Elektronen erzielt, während im Rest der Zelle ein Mangel an Elektronen herrscht. Auf diese Weise entstehen in der Solarzelle, genau wie in einer Batterie, ein Minus- und Pluspol.

Treffen die im Sonnenlicht enthaltenen Energieträger (Photonen) auf das Silizium der Solarzellen, setzen sie die negativ geladenen Elektronen frei. Diese werden von dem positiv geladenen Siliziumgitter auf der Rückseite der Photovoltaik-Anlage angezogen. Da die eingebaute Grenzschicht eine direkte Verbindung verhindert, müssen die Elektronen den Weg über die Stromleitung (weiße Streifen auf der Oberfläche) nehmen. Durch diese Grenzschicht und die Stromleitungen, die die Solarzellen verbindet, fließen die Elektronen nur in eine Richtung und erzeugen durch ihre Bewegung Strom.

Grundtypen von Solarmodulen

Da eine einzelne Solarzelle nur eine geringe elektrische Spannung von etwa 0,5 Volt erzeugt, werden 36-72 Solarzellen zu einem Solarmodul zusammengeschlossen. Eine Photovoltaikanlage besteht je nach Energiebedarf aus 10 bis 100 Solarmodulen. Diese Solarmodule oder Solarpanels finden sich vor allem auf Hausdächern, aber auch zunehmend an Hausfassaden oder gebäudeunabhängigen Solarparks.

Je nach Beschaffenheit wandeln Solarzellen unterschiedlich viel Solarenergie in Sonnenstrom um. Dieser als Wirkungsgrad bezeichnete Effekt spiegelt sich in den drei häufigsten Grundtypen wider, die sich hinsichtlich Herstellungsart, Preis und Flächenbedarf unterscheiden:

Solarzellen

Monokristalline Solarzellen erreichen Wirkungsgrade zwischen 20-25%. Sie eignen sich gut, wenn nur wenig Dachfläche zur Installation zur Verfügung steht. Polykristalline Solarzellen eignen sich dagegen gut für größere Dachflächen. Die günstigeren Anschaffungskosten gleichen den geringen Wirkungsgrad aus. Dünnschicht Solarzellen haben einen geringeren Wirkungsgrad und sind teurer, dafür aber leicht und flexibel. Dadurch können Sie auch auf unebenen oder statisch problematischen Flächen installiert werden.

Funktionsweise von Solargenerator, Wechselrichter, Stromzähler & Co.

Der Solargenerator wandelt die von allen Solarmodulen eingefangene Sonnenenergie in elektrische Energie um. Da der hier erzeugte Gleichstrom weder für den Eigenverbrauch noch für die Einspeisung ins öffentliche Netz nutzbar ist, muss er in Wechselstrom umgewandelt werden. Das geschieht über das zweite Herzstück einer Photovoltaikanlage: den Wechselrichter. Der Wechselrichter ermöglicht also erst die Nutzung des erzeugten Sonnenstroms. Weiterhin sorgt er dafür, dass die Solarmodule optimal zusammenarbeiten und den höchstmöglichen Ertrag erzielen.

Zur Messung des erzeugten Sonnenstroms fließt dieser vor dem Verbrauch durch einen Stromzähler. Bei Einspeisung in das öffentliche Stromnetz durch einen Einspeisezähler oder Smart Meter.

Solarkabel verbinden die Solarmodule, Wechselrichter und weitere Komponenten miteinander. Durch die stärkeren Belastungen auf dem Dach erfüllen Solarkabel besondere Anforderungen (UV-beständig, witterungsresistent, doppelt isoliert). Zur passgenauen Befestigung der Solarmodule auf dem Dach ist zudem ein entsprechendes Montagesystem erforderlich.

Die Funktion einer Photovoltaikanlage einfach erklärt

Die Zukunft der Solarenergie

Zukunft der SolarenergieIm Zeichen der Energiewende trägt Sonnenstrom immer stärker zu regenerativen Energieerzeugung bei. Im Jahr 2020 betrug der Anteil der Photovoltaik am erzeugten Strom bereits 9%. Durch die politischen Rahmenbedingungen und die Dringlichkeit aufgrund der Erderwärmung, wird sich die Solartechnologie weiterentwickeln und weiterhin stark wachsen.

Durch neue Herstellungsverfahren und steigende Produktionsmengen wird sich der Trend zu preisgünstigeren Solaranlagen fortsetzen. Welche der vielversprechenden Entwicklungen sich letztendlich durchsetzen wird, ist heute noch nicht abzusehen. Es zeigt sich aber, dass signifikant höhere Wirkungsgrade und höhere Speicherkapazitäten bei gleichzeitig geringeren Herstellungskosten erreichbar sind. Langfristig werden die Kosten der Stromerzeugung mit der eigenen Photovoltaikanlage maximal halb so hoch sein wie der Strom vom Energieversorger.

Besonders vielversprechend ist eine neue Solar-Leitungstechnik mit Nanodrähten, die zu einem Wirkungsgrad von über 90% führt. Eine neue Generation von Hybrid-Solarmodulen (Virtu Tubes) sollen in Zukunft in einem Arbeitsgang Solarenergie in Solarstrom und Wärme umwandeln. Neben der Platzeinsparung bedeutet das eine Effizienzsteigerung von über 45%. Eine weitere Innovation, um Solarenergie effektiver nutzen zu können sind Sphelar Solarzellen, die im Gegensatz zu herkömmlichen Solarzellen die Sonneneinstrahlung aus allen Einfallswinkeln nutzen können. Solaranlagen, die mit einem Motor oder Tracker dem Sonnenlicht nachgeführt werden, sind auf Dächern nur schwer einsetzbar.

Auch mit Mehrfach- oder Tandemsolarzellen wird intensiv geforscht. Hierbei handelt es sich um Solarzellen, in denen mehrere unterschiedliche Halbleitermaterialien wie ein Sandwich übereinandergesetzt werden, die mehrere Wellenbereiche des Sonnenlichts nutzen können. Im Ergebnis kann der Wirkungsgrad auf über 40% erhöht werden. Zwar ist die Herstellung von Tandemsolarzellen teuer, doch reichen aufgrund der stärkeren Strahlungsbündelung wesentlich kleinere Solarflächen aus. Mit weiteren Innovationen bei Solarstromspeichern, Wechselrichtern und Steuerungslösungen lässt sich der Eigenverbrauch auf mehr als 85% erhöhen.

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