Während wir immer mehr Energie für unseren Lebensstil brauchen, soll's trotzdem "gut für's Klima" sein. Deswegen wird es immer wichtiger, die Energie aus erneuerbaren Quellen zu gewinnen. Eine Schlüsseltechnologie kann die Photovoltaik sein. Hier wird Sonnenlicht in elektrische Energie umgewandelt. Photovoltaikanlagen kann fast jede*r auf dem eigenen Dach installieren lassen. Und auch große Anlagen auf Freiflächen leisten einen wichtigen Beitrag zur Stromversorgung. Unsere Info-Seite verschafft Ihnen den Durchblick: Lernen Sie, wie das System funktioniert und die Anlagen aufgebaut sind. Damit es am Ende auch wirklich "gut für's Klima" ist.
Photovoltaik: Aufbau und Funktion der Solaranlage
Wie ist eine Photovoltaikanlage aufgebaut?
Photovoltaikanlagen bestehen aus verschiedenen Bauteilen, von denen jedes einzelne eine wichtige Funktion ausführt. Das zentrale Element solcher Anlagen sind die Solarmodule. Sie bestehen aus mehreren, miteinander verschalteten Solarzellen und befinden sich üblicherweise auf dem Dach eines Gebäudes. Die Solarzellen wandeln dank des "Photovoltaischen Effekts" das einfallende Sonnenlicht in elektrische Energie um. Damit Sie die Energie im Haushalt nutzen oder in das öffentliche Netz einspeisen können, verreichtet Wechselrichter seine Arbeit. Dieser wandelt den erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um.
Die Montagestruktur und Unterkonstruktion stellen sicher, dass die Solarmodule auf dem Dach fest und stabil installiert sind. Einzelne Paneele werden miteinander verkabelt und leiten den erzeugten Strom in den Speicher weiter. Der dort gespeicherte Strom kann dann später genutzt werden. So sind Sie unabhängig vom Wetter und haben immer ausreichende Energiereserven.
Was ist der „Photovoltaische Effekt“?
Unter dem "Photovoltaische Effekt" verstehen wir die Erzeugung von elektrischem Strom in einem bestimmten Material bei Lichteinwirkung. Und dieser Effekt wird von den zahlreichen, miteinander verschalteten Solarzellen genutzt, aus denen die Solarmodule einer Photovoltaikanlage bestehen.
Die Solarzellen bestehen in der Regel aus Silizium, das in einer bestimmten Form angeordnet ist. Wenn Sonnenlicht auf diese Solarzellen trifft, löst sie die Ur-Form des Siliziums auf. Dabei entsteht eine elektrische Spannung, die innerhalb des Moduls weiter geleitet wird.
Solarzellen können neben Silizium aus verschiedenen Materialien (Halbleitern) hergestellt werden und weisen somit unterschiedliche Wirkungsgrade auf. Der Wirkungsgrad hängt aber auch vom einfallenden Sonnenlicht ab. Außerdem spielen die Ausrichtung und Neigung der Solarmodule eine wichtige Rolle. In der Regel liegt der Wirkungsgrad von handelsüblichen Solarmodulen bei etwa 15 bis 20 %. Jetzt mehr über Solarzellen und Solarmodule erfahren.
Wie funktioniert ein Wechselrichter?
Ein Wechselrichter ist ein wesentliches Element einer Photovoltaikanlage. Er wandelt den produzierten Gleichstrom der Solarmodule in Wechselstrom um. Erst dadurch können Sie den Strom im Haushalt nutzen. Wechselrichter arbeiten nach dem Prinzip der Pulswechselrichtung. Das heißt, dass der Gleichstrom in kurzen Intervallen in Wechselstrom umgewandelt wird. Als erstes wird der Gleichstrom vom Solarmodul in den Wechselrichter geleitet. Dieser erfasst dabei kontinuierlich die Spannung und den Stromfluss, um den bestmöglichen Wirkungsgrad zu erreichen.
Dann wird der Gleichstrom mithilfe eines Transformators in eine Wechselspannung umgewandelt. Dabei werden die Frequenz und die Spannung des Wechselstroms so angepasst, dass sie den Anforderungen des öffentlichen Stromnetzes entsprechen. In Deutschland beträgt die Netzspannung 230 Volt mit einer Netzfrequenz von 50 Hertz.
Moderne Wechselrichter verfügen über intelligente Steuerungssysteme, die den Stromverbrauch in Ihrem Haushalt überwachen und die Produktion des Solarmoduls darauf abstimmen. Gibt es mehr Strom als der Haushalt gerade verbraucht, wird dieser in den Speicher geleitet oder ins öffentliche Netz eingespeist. Wird hingegen mehr Strom benötigt als vom Solarmodul produziert wird, bezieht der Wechselrichter den fehlenden Strom aus dem öffentlichen Netz.
Wofür werden Stromzähler bei einer Photovoltaikanlage benötigt?
Stromzähler messen und erfassen verschiedene Stromflüsse bei einer Photovoltaikanlage. Neben dem selbst produzierten und verbrauchten Strom wird auch die Strommenge erfasst, die in das öffentliche Netz eingespeist wird. Außerdem messen Stromzähler auch, wieviel Strom von Ihrem Stromanbieter dazu gekauft wird.
Ein Produktionszähler überwacht Ihre produzierte Energiemenge und damit auch, ob die Photovoltaikanlage richtig funktioniert. Bei Photovoltaikanlagen bis 30 kWp müssen solche Zähler nicht unbedingt verbaut werden. Für sie ist ein Produktionszähler allerdings ein hilfreiches Kontrollinstrument.
Ein Bezugszähler, der zum Standard in Privathaushalten gehört, misst die Menge des dazu gekauften Stroms. Bei den meisten Photovoltaikanlagen werden Sie hin und wieder Strom dazu kaufen müssen.
Der Einspeisezähler ermittelt die Energiemenge, die in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird. Es gibt verschiedene Tarife, mit denen Stromanbieter diese Einspeisung vergüten. Grundlage für die Vergütung des eingespeisten Stroms bildet die EEG-Einspeisevergütung (EEG = Erneuerbare-Energien-Gesetz).
Wofür ist ein Energiespeicher sinnvoll?
Durch einen Energiespeicher können Sie überschüssigen Strom zu einem späteren Zeitpunkt nutzen. So bilden Sie Reserven für Zeiten, in denen weniger Sonne scheint oder Ihr Strombedarf deutlich steigt. Sie machen sich also unabhängiger von Stromlieferanten.
Ein Energiespeicher für eine Photovoltaikanlage befindet sich typischerweise als separates Gerät in der Nähe des Sicherungskastens im Heizungs- oder Hauswirtschaftsraum. Er besteht aus einer Batterie und optional einem Wechselrichter. Der Wechselrichter im Speicher, sofern er nicht bereits als separates Gerät davor geschaltet ist, steuert den Stromfluss zwischen dem öffentlichen Stromnetz, der Photovoltaikanlage und der Batterie. Die Kapazität der Batterie bestimmt, wie viel Strom gespeichert wird. Übliche Größen für Privathaushalte bewegen sich zwischen 5 und 20 Kilowattstunden.
Aber Achtung: Nicht nur die Kapazität des Energiespeichers ist für Ihre Wahl entscheidend. Faktoren wie Effizienz, Lebensdauer, Kosten sowie Lade- und Entladeleistung sollten Sie ebenfalls berücksichtigen. Die meisten Energiespeicher für Photovoltaikanlagen verwenden heute Lithium-Ionen-Batterien, ähnlich wie Smartphones und Laptops. Moderne Geräte sind zudem oft "intelligent", analysieren also den Strombedarf in Ihrem Haushalt und steuern den Stromfluss entsprechend. Jetzt mehr über den Eigenverbrauch und Autarkiegrad erfahren.
Kernstücke der Photovoltaik: Solarmodule und Solarzellen
Was ist unter Solarmodulen zu verstehen?
Solarmodule sind das Herzstück einer Photovoltaikanlage und bestehen aus zahlreichen miteinander verschalteten Solarzellen. Die verschalteten Solarzellen geben die Energie in Form von Gleichstrom ab. Die Menge an erzeugtem Strom hängt davon ab, wie viele Solarmodule verbaut werden und wie stark das einfallende Sonnenlicht ist. Außerdem spielt eine Rolle, wie die Solarmodule ausgrichtet und geneigt sind.
Moderne Solarmodule sind in der Regel mit einer Schicht aus gehärtetem Glas oder Kunststoff überzogen, die die Zellen vor Witterungseinflüssen und mechanischer Belastung schützt. Zudem verfügen viele Solarmodule über eine sogenannte Antireflexschicht, die die Reflexion des Sonnenlichts verringert und somit die Zellen effizienter macht. Einzelne Solarmodule leisten heutzutage etwa 250 bis 350 Watt und werden miteinander zu Strings verschaltet, um höhere Leistungen zu erzielen. Diese Strings werden anschließend zum Wechselrichter geleitet, der den Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt.
Wie funktionieren Solarzellen?
Eine Solarzelle ist das kleinste Bauelement in einer Photovoltaikanlage und besteht aus einem Halbleitermaterial, meistens Silizium. Es gibt zwei Arten von Dickschicht-Solarzellen: monokristalline und polykristalline Solarzellen. Beide Arten sind jedoch grundsätzlich gleich aufgebaut.
Die Solarzelle besteht aus einer dünnen Schicht aus n-dotiertem und p-dotiertem Silizium, die durch eine Grenzschicht (PN-Übergang) voneinander getrennt sind. Das n-dotierte Silizium enthält freie Elektronen, während das p-dotierte Silizium Elektronenlücken (sogenannte "Löcher") aufweist. Wenn nun Licht auf die Solarzelle trifft, werden Elektronen dank des „Photovoltaischen Effekts“ durch die Grenzschicht in das n-dotierte Silizium befördert. Dabei wird eine Spannung erzeugt, die an den Kontakten der Solarzelle abgegriffen werden kann. Die Elektronen wandern durch die Drähte der Solarzelle zu einem Sammelpunkt, wo sie zu einem Strom gebündelt werden. Die Grenzschicht zwischen dem p-dotierten und n-dotierten Silizium ist der Schlüssel zur Funktionsweise der Solarzelle. Sie sorgt dafür, dass die Elektronen nur in eine Richtung fließen können, nämlich vom p-dotierten zum n-dotierten Silizium. Dadurch wird eine Stromrichtung erzeugt, die dafür sorgt, dass elektrischer Strom durch die Solarzelle fließen kann.
Welche Unterschiede gibt es bei den gängigen Solarzellen?
Die am häufigsten verwendeten Solarzellen sind monokristallin oder polykristallin und unterscheiden sich hauptsächlich in ihrer Herstellung und Effizienz. Monokristalline Solarzellen werden aus einem einzigen Siliziumkristall hergestellt, der in einem bestimmten Verfahren gezüchtet wird. Dazu wird zunächst ein Siliziumblock in eine zylinderförmige Form gebracht, aus der dann ein Kristall gezogen wird. Polykristalline Solarzellen hingegen werden aus vielen kleinen Siliziumkristallen hergestellt, die geschmolzen und zu einem Block gegossen werden. Sie weisen eine unregelmäßige, schuppige Form auf. Monokristalline Solarzellen haben aufgrund ihrer Herstellung eine regelmäßige, runde oder eckige Form und sind in der Regel schwarz oder dunkelblau, während polykristalline Solarzellen eher bläulich oder lila aussehen.
Die im Vergleich teureren monokristallinen Solarzellen haben in der Regel eine höhere Effizienz als polykristalline Solarzellen. Je reiner und gleichförmiger das Silizium ist, desto effizienter ist es auch. Die Effizienz von monokristallinen Solarzellen liegt typischerweise bei 18 bis 22 %, während polykristalline Solarzellen eine Effizienz von 15 bis 18 % aufweisen. Bei hohen Temperaturen halten monokristalline Solarzellen ihre Leistung relativ stabil, während die Leistung von polykristallinen Solarzellen abfällt. Insgesamt sind beide Arten von Solarzellen für den Einsatz in einer Photovoltaikanlage geeignet und die Wahl hängt oft von Ihren individuellen Bedürfnissen und Anforderungen ab. Wenn Sie beispielsweise wenig Platz haben, können monokristalline Solarzellen aufgrund ihrer höheren Effizienz die bessere Wahl sein. Wenn für Sie der Preis entscheidend ist, sind polykristalline Solarzellen die bessere Variante.
Gibt es alternative Solarzellen?
Dünnschicht-Solarzellen sind eine alternative Technologie zur kristallinen Silizium-Solarzelle. Hier wird eine dünne Schicht von Halbleitermaterialien auf einen Träger angebracht. Dünnschicht-Solarzellen gelten als kostengünstige Alternative und können aus verschiedenen Materialien hergestellt werden, beispielsweise aus amorphem Silizium (a-Si) und Cadmiumtellurid (CdTe). Amorphes Silizium ist ein Halbleitermaterial, das aus Siliziumatomen besteht, die in einem ungeordneten, nicht-kristallinen Muster angeordnet sind. Es hat den Vorteil, dass es leicht hergestellt werden kann und flexibler als kristallines Silizium ist.
Der Wirkungsgrad ist jedoch geringer und es reagiert anfälliger auf Licht und Feuchtigkeit. Cadmium-Tellurid ist ein Halbleitermaterial, das aus Cadmium- und Tellurid-Atomen besteht. Dünnschicht-Solarzellen aus Cadmium-Tellurid haben einen höheren Wirkungsgrad als amorphes Silizium. Cadmium enthält jedoch ein giftiges Schwermetall, das potenziell schädlich für die Umwelt sein kann, wenn es nicht ordnungsgemäß entsorgt wird.
Photovoltaik: Das könnte Sie zusätzlich beschäftigen
Wie definiert sich der Eigenverbrauch?
Der Eigenverbrauch bei einer Photovoltaikanlage beschreibt den Anteil des selbst produzierten Stroms, der direkt in Ihrem Haushalt verbraucht wird. Er muss also nicht von einem Energieversorger eingekauft werden. Je höher der Anteil - umso wirtschaftlicher die PV-Anlage. Einen höherer Eigenverbrauchsanteil können Sie erreichen, indem Sie die Module optimal ausrichten, einen Speicher einsetzen und intelligente Steuerungssysteme (zum Beispiel bei Stromverbrauchern) nutzen.
Was gibt der Autarkiegrad an?
Mit dem Autarkiegrad wird die Menge des Eigenverbrauchs im Verhältnis zum Gesamtverbrauch ausgedrückt. Es wird also der Grad der Unabhängigkeit von externen Stromquellen, wie dem öffentlichen Stromnetz, beschrieben. Ein hoher Autarkiegrad bedeutet, dass Ihr Haushalt einen Großteil oder sogar die gesamte benötigte Energie selbst erzeugen und nutzen kann. Da Eigenverbrauchsanteil und Autarkiegrad also zusammenhängen, könne Sie ihn ebenfalls steigern, in dem Sie Energie speichern und die Module optimal ausrichten.
Wofür steht die Abkürzung kWp?
Die Abkürzung kWp steht für Kilowatt Peak und beschreibt die Nennleistung, umgangssprachlich oft auch Spitzen- oder Maximalleistung, die Solarmodule unter Normalbedingungen erreichen können. Wenn Sie die Größe Ihrer Photovoltaikanlage planen, ist kWp ein guter Richtwert. Auch können Sie so verschiedene Solarmodule einfach miteinander vergleichen. Die Wahl des Wechselrichters und die Verkabelung richten sich ebenfalls nach dem Wert. In Deutschland gilt die Faustformel, dass 1 kWp umgerechnet etwa 800 - 1.000 kWh (Kilowattstunden) sind.
Was ist bei der Ausrichtung von Photovoltaikanlagen in Deutschland zu beachten?
In Deutschland richten Sie Ihre Photovoltaikanlage am besten nach Süden aus mit einer Neigung von etwa 30 Grad. So profitieren Sie von einer maximalen Sonneneinstrahlung und produzieren damit viel Strom. Ist die Ausrichtung nach Süden nicht möglich, wirkt sich das auf die Leistung Ihrer Photovoltaikanlage aus. Eine nach Osten ausgerichtete Anlage bringt den Vorteil mit sich, dass am Morgen besonders viel Strom produziert wird. Wenn Sie morgens besonders aktiv sind und viel Strom verbrauchen, ist das für Sie optimal. Ist Ihre Solaranlage nach Westen ausgerichtet, steigt die Stromproduktion am Nachmittag und Abend. Eine Kombination aus Ost-West ist ebenfalls möglich. Denken Sie vor allem auch an bestehende oder künftige Verschattung durch (neue) Gebäude und (wachsende) Bäume. Profis beraten Sie individuell und finden die Lösung, die zu Ihnen passt.
