Wie erzeugt eine Photovoltaikanlage Strom?

Die meisten Menschen werden Ihnen heute sagen, dass sie ungefähr wissen, wie Solarmodule funktionieren. Schließlich ist das Funktionsprinzip doch ganz einfach, oder? Die auf dem Dach installierten Module nehmen die Sonnenenergie auf. Diese kann dann genutzt werden, um das eigene Haus bzw. den eigenen Betrieb mit Strom zu versorgen.

Doch wie genau funktioniert das? Wie kann man aus Sonnenlicht Energie gewinnen, und wie können wir diese Energie in Strom umwandeln, mit dem elektrische Anlagen und Geräte in unseren Häusern gespeist werden können? Die meisten Solarexperten werden sagen, dass Hausbesitzer in der Regel zwar das Grundprinzip der Photovoltaik verstehen, mit den Details aber oft weniger genau vertraut sind.

Heute möchten wir Ihnen genau erklären, wie eine Photovoltaikanlage (PV-Anlage) Strom erzeugt. Wir werfen einen detaillierten Blick auf die Komponenten einer PV-Anlage und erläutern, was mit dem überschüssigen Strom geschieht, den eine PV-Anlage erzeugt.

Was ist eine Photovoltaikanlage?

Der Begriff Photovoltaikanlage bzw. PV-Anlage bezeichnet die Gesamtheit der Komponenten, die nötig sind, um Sonnenlicht in nutzbaren Strom umzuwandeln. Dazu zählen unter anderem die eigentlichen Solarmodule, die Materialien für die Befestigung der Module auf dem Dach sowie der Wechselrichter, der den Strom umwandelt.

Der Kauf und die Installation von PV-Modulen allein reichen nicht aus, um Sonnenlicht in elektrischen Strom umzuwandeln. Um kostenlose erneuerbare Energie für ein Haus zu erzeugen, sind mehrere Komponenten erforderlich. Bevor wir uns damit beschäftigen, wie PV-Anlagen Strom erzeugen, ist es wichtig zu verstehen, welche Rolle die einzelnen Komponenten einer PV-Anlage bei der Stromerzeugung spielen.

PV-Anlagenkomponenten

•  Solarzellen: Solarzellen bestehen in der Regel aus Silizium und sind der Hauptbestandteil eines Solarmoduls. Durch den so genannten photovoltaischen Effekt erzeugen sie Energie. Die gebräuchlichsten Solarzellentypen sind monokristalline Zellen (aus einem einzigem Siliziumwafer) und polykristalline Zellen (aus kombinierten Siliziumblöcken/-stücken).
• Solarmodule/PV-Module: Solarmodule bestehen aus eine Gruppe photovoltaischer Solarzellen. Sie können auf Dächern oder auf dem Boden in einer Anordnung installiert werden, die als Modulfeld bezeichnet wird.
• Wechselrichter: Ein Solar-Wechselrichter ist die Komponente einer PV-Anlage, die den von den Solarzellen erzeugten Gleichstrom in den im Haus nutzbaren Wechselstrom umwandelt. Ohne Wechselrichter kann ein PV-Generator keinen nutzbaren Strom liefern.
• Verkabelung: Die Verkabelung umfasst sämtliche Kabel, die zur Verbindung der einzelnen Komponenten der PV-Anlage erforderlich sind. Mithilfe von Kabeln werden die PV-Module zu Modulfeldern verbunden, die Modulfelder an den Wechselrichter und die Trennschalter angeschlossen und die Anlage mit dem Netz und dem Haus verbunden.
• Trägersysteme: Die Solarmodule werden mithilfe von Trägersystemen auf dem Dach oder am Boden befestigt.
• Wechselstrom-/Gleichstrom-Trennschalter: In den meisten Bauvorschriften sind Wechselstrom-/Gleichstrom-Trennschalter vorgeschrieben. Mit ihnen kann der Stromfluss von den PV-Modulen zum Haus und zum Netz im Falle eines Brandes oder eines anderen Notfalls sowie bei Wartungsarbeiten schnell unterbrochen werden. Die Solartrennschalter sind eine Art Not-Aus-Schalter für Ihre PV-Anlage.
•  PV-Nachführsysteme (optional): PV-Nachführsysteme können als Teil einer Freiflächenanlage installiert werden. Sie sorgen dafür, dass die Module dem Lauf der Sonne „folgen“ und immer im optimalen Winkel geneigt sind, um möglichst viel Solarstrom zu erzeugen.

Wie wird aus Sonnenlicht nutzbarer elektrischer Strom?

Im Gegensatz zu Strom, der aus Quellen wie Erdgas, Kohle oder Kernenergie gewonnen wird, wird der Strom bei Solarzellen nicht durch eine chemische Reaktion erzeugt. Stattdessen macht man sich hierbei den photovoltaischen Effekt zunutze, bei dem Lichtteilchen (Photonen) auf bestimmte Kristalle wie etwa das in Solarzellen verwendete Silizium treffen und Elektronen in einer Aluminiumschicht als elektrischen Strom zum Fließen bringen.

Solarmodule bestehen aus zwei Siliziumschichten, einer positiv dotierten so genannten p-Schicht, und einer negativ dotierten so genannten n-Schicht. Das n-dotierte Halbleitermaterial gibt leicht Elektronen ab. Das p-dotierte Halbleitermaterial hingegen ist in der Lage, zusätzliche Elektronen aufzunehmen und so den Strom frei fließen zu lassen.

Vom Modul aus fließt der elektrische Strom über die Kabelverbindungen der Anlage zum Solar-Wechselrichter, der den Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) umwandelt. Solarwechselrichter können als einzelne Zentralwechselrichter für jeden Solarmodul-String oder als Mikrowechselrichter direkt an jedem einzelnen PV-Modul installiert werden.

Nachdem der Strom im Wechselrichter umgewandelt wurde, kann er ins Haus eingespeist werden, und sämtliche Geräte vom Toaster bis zur Heizung können damit betrieben werden.

Was geschieht, wenn die Solarmodule mehr oder weniger Solarstrom erzeugen, als für den Eigenbedarf benötigt wird? 

Im Gegensatz zu anderen Energieformen steht die Sonne nicht immer dann zur Verfügung, wenn man Strom braucht. Solarmodule erzeugen auch dann Strom, wenn es bewölkt ist oder wenn es schneit. Doch was geschieht, nachdem die Sonne abends untergegangen ist? Für die Zeiten, in denen Ihre Photovoltaikanlage mehr oder weniger Strom erzeugt als Sie benötigen, gibt es einige gängige Lösungen.

Solarenergiespeicher/Batteriespeicher

Solarbatterien haben die Solarbranche im Sturm erobert und sind in der Lage, die beiden häufigsten Probleme im Zusammenhang mit PV-Solaranlagen zu lösen:

1. Strom zur Nutzung nach Sonnenuntergang speichern
2. Stromversorgung auch bei Stromausfällen sicherstellen

Vielen Menschen ist nicht klar, dass jede PV-Anlage immer noch an das Stromnetz angeschlossen ist, es sei denn, man entscheidet sich für eine netzunabhängige Anlage. Bei Stromausfällen im öffentlichen Stromnetz verhindert Ihre Anlage, dass Sie während eines Stromausfalls Ihre Solarmodule nutzen können.

Wenn Sie Ihre Anlage um einen Solarspeicher erweitern, können Sie fast vollständig vom Stromnetz unabhängig werden, vorausgesetzt, Ihre Batterie bietet ausreichende Kapazität zum Speichern des Stroms, den Ihr Haus bzw. ausgewählte Geräte benötigen, um sie auch bei einem Stromausfall versorgen zu können.

Nutzung bei Nacht. Bei netzgekoppelten Anlagen werden die Solarmodule oft tagsüber genutzt. Nach Sonnenuntergang wird dann auf die Stromversorgung durch das Versorgungsunternehmen umgeschaltet. Ohne Batterie müssen Sie immer noch ihre Stromrechnung begleichen, wenn Sie mehr Strom benötigen, als Sie erzeugen können.

Auch wenn die Solarbatterien mit Mehrkosten von mindestens rund 10.000 EUR je nach Modell noch recht teuer sind, sparen Sie langfristig Geld und haben die Gewissheit, dass die Stromversorgung auch bei einem Stromausfall noch gewährleistet ist.