WIE FUNKTIONIERT EINE PHOTOVOLTAIKANLAGE?
Solarenergie 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 2,1 Millionen Photovoltaikanlagen wandeln heute bereits auf vielen Hausdächern die Strahlungsenergie des Sonnenlichts in nutzbaren Sonnenstrom um. Bevor Sie sich für eine Photovoltaikanlage auf Ihrem Hausdach entscheiden, ist es wichtig einen Überblick über die Komponenten 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 Solarstromspeicher zum späteren Verbrauch gespeichert oder ins öffentliche Stromnetz eingespeist.
In Deutschland sind fast alle Photovoltaikanlagen netzgekoppelt, d.h. ans öffentliche Stromnetz angeschlossen. Die schwankenden Stromeinspeisungen werden über das EEG Einspeisemanagement ausgeglichen. Inselanlagen ohne Verbindung zum Stromnetz sind nur sinnvoll, wenn der erzeugte Sonnenstrom fast vollständig verbraucht oder gespeichert werden kann.
Aufbau einer Solarzelle
Eine Photovoltaikanlage besteht aus mehreren verbundenen Komponenten, wobei die Solarzellen das Herzstück bilden. Diese 156 mm x 156 mm 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 Solarzelle 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.
Da eine einzelne Solarzelle nur eine geringe elektrische Spannung von etwa 0,5 Volt erzeugt, werden 36-72 Solarzellen zu einem Solarmodul zusammengschlossen. Ein Solarmodul besteht also aus mehreren Solarzellen, die durch Lötbändchen elektrisch zusammengeschaltet sind. Meist sind sie auf einem Alurahmen montiert und von einer Glasplatte abgedeckt. Eine PV-Anlage besteht je nach Energiebedarf aus 10 bis 100 Modulen. Diese Solarmodule oder Solarpanels finden sich vor allem auf Hausdächern, aber auch zunehmend an Hausfassaden oder gebäudeunabhängigen Solarparks.
Sämtliche verbundenen Solarmodule bilden den Solargenerator, der die Sonnenstrahlen in elektrische Energie umwandelt.
Wirkungsgrade Solarzellen
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:
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.
Komponenten einer Photovoltaikanlage
Neben dem Solargenerator sind noch weitere Komponenten einer Photovoltaikanlage erforderlich, die alle optimal miteinander kombiniert werden müssen, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen.
Wechselrichter
Das tritt besonders auf Wechselrichter zu. Da der im Solargenerator erzeugte Gleichstrom in dieser Form nicht nutzbar ist, muss er in Wechselstrom ungewandelt werden. Das geschieht über die zweite wichtige Komponente einer Photovoltaikanlage: dem 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.
Normalerweise wird an den Solargenerator ein Wechselrichter angeschlossen. Zur Leistungssteigerung kann sich aber auch eine Gruppe von Solarmodulen jeweils einen Wechselrichter teilen. Dadurch beeinträchtigt ein schadhaftes oder verschattetes Modul nicht die Leistung des gesamten Solargenerators. Der Nachteil liegt allerdings in einer komplizierten Verkabelung und höheren Kosten.
Stromzähler
Zur Messung des auf dem Dach erzeugten Sonnenstroms fließt dieser vor dem Verbrauch durch einen Ertragszähler. Dieser Stromzähler misst den gesamten solaren Ertrag der Photovoltaikanlage. Um den ins Netz eingespeisten Strom zu messen, ist ein sogenannter Einspeisezähler erforderlich. Aus der Differenz zwischen Ertragszähler und Einspeisezähler ergibt sich der Eigenverbrauch. Umgekehrt erfasst der Bezugszähler den Strom, der aus dem Netz bezogen wird. Das ist der Fall, wenn zeitweise kein Sonnenstrom erzeugt wird und der Solarstromspeicher leer ist.
Zur besseren Umsetzung des EEG Einspeisemanagements werden PV-Anlagen mit einer Leistung von über 7 kWp zukünftig einen Smart Meter erhalten. Diese intelligenten Stromzähler können Stromeinspeisung und -bezug digital erfassen und über das Kommunikationsnetz des Energieversorgers versenden.
Solarkabel
Solarkabel leiten den Sonnenstrom weiter und verbinden die Solarmodule, Wechselrichter und weitere Komponenten miteinander. Durch die stärkere Beanspruchung auf dem Dach erfüllen zertifizierte Solarkabel besondere Anforderungen (witterungsresistent, UV-beständig, doppelt isoliert). Um Übertragungsverluste gering zu halten, ist bei Solarkabeln für Gleichstrom (zwischen Solarmodul und Wechselrichter) und Wechselstrom auf die Kabellänge und den richtigen Querschnitt zu achten. Je kürzer das Solarkabel und je größer der Querschnitt, desto geringer sind die Übertragungsverluste des Stroms.
Funktionsweise einer Photovoltaikanlage
Zukunft der Solarenergie
Im 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 Dringlichkeit aufgrund der Erderwärmung, der politischen Rahmenbedingungen und den technischen Fortschritt birgt die Zukunft der Solarenergie noch ein enormes Verbesserungspotenzial.
Durch neue Herstellungsverfahren und steigende Produktionsmengen wird sich der Trend zu preisgünstigeren Photovoltaikanlagen 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 lassen sich die Einsatzmöglichkeiten von Photovoltaik erheblich ausbauen und der Eigenverbrauch auf mehr als 85% erhöhen.
