Wie funktionieren PV-Module? Umfassender Leitfaden zur PV-Technologie

Die Preise für Solarmodule sind gesunken. Gleichzeitig hat sich die Technologie verbessert. Die Photovoltaik wird für viele Hausbesitzer in aller Welt zu einer attraktiven Option, um ihre Stromrechnung zu senken und ihre Abhängigkeit von „schmutzigen“ Energieträgern zu verringern.

Die meisten Menschen kennen das Grundprinzip der Stromversorgung eines Hauses mithilfe einer PV-Anlage. Viele wissen aber nicht, wie genau der Strom erzeugt wird. In diesem Artikel erfahren Sie alles, was Sie über die Funktionsweise einer PV-Anlage wissen müssen: wie sie aufgebaut ist, wie sie Sonnenlicht in nutzbare Energie umwandelt und wie wir diese Energie nutzen können.

Grundlagen der Sonnenenergie

Mit Hilfe der Sonnenstrahlung kann die Solarenergie zum Heizen, Kühlen und Beleuchten von Häusern und Betrieben genutzt werden. Wenn Photonen von der Sonne auf das Photovoltaikmaterial treffen, werden Elektronen in Bewegung versetzt. Dadurch entsteht ein Energiefluss, der umgewandelt und für alle elektrischen Verbraucher genutzt werden kann.

Der photovoltaische Effekt

Die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie wird als photovoltaischer Effekt bezeichnet und findet in einer so genannten photovoltaischen Zelle statt. Die photovoltaischen Zellen von PV-Solarmodulen bestehen aus positiv und negativ (p und n) dotiertem Halbleitermaterial, das miteinander verbunden ist. Diese unterschiedlichen Halbleitermaterialien erzeugen ein elektrisches Feld und übertragen die Energie durch das Modul, die dann zur Nutzung gewonnen wird.  

Photovoltaikmaterial

PV-Module bestehen aus Photovoltaikmaterial, weshalb der photovoltaische Effekt eintritt. Heute wird zur Herstellung von Solarzellen meist Silizium verwendet. Es gibt aber auch Solarzellen aus Galliumarsenid, Metallchalkogeniden und Organometallverbindungen.

Diese Materialien reagieren ebenfalls photovoltaisch, weil sie eine hohe Fotoleitfähigkeit besitzen. Dieser Begriff beschreibt die Fähigkeit eines Materials, Energie zu absorbieren, wenn es Licht ausgesetzt wird, und diese Photonen in freie Elektronen umzuwandeln. Siliziummaterial besteht beispielsweise aus einer Siliziumdioxidschicht, bei der dies auf effiziente Weise zutrifft.

In jüngster Zeit wird auch intensiv erforscht, andere Materialien für die Herstellung von Solarzellen zu verwenden, die den Prozess der pflanzlichen Photosynthese nachahmen. In solchen Solarzellen werden spezielle Farbstoffe bewegt und dadurch Elektronen freigesetzt. Diese Technologie steckt zwar noch in den Kinderschuhen. Sie hat aber das Potenzial, in Zukunft zu einer kostengünstigen, hocheffizienten Methode der Stromerzeugung zu werden.

Komponenten einer PV-Anlage

Es reicht nicht aus, einfach nur einige Solarmodule zu kaufen, sie auf das Dach zu montieren und zu erwarten, dass sie für Ihren Haushalt nutzbaren Strom erzeugen. PV-Anlagen bestehen aus mehreren Komponenten, die ineinandergreifen, um die Energie der Sonne einzufangen, sie in Strom umzuwandeln, ihn dorthin zu leiten, wo er benötigt wird, und um den Zustand der Anlage zu überwachen. Für eine PV-Anlage werden alle diese Komponenten benötigt:

PV-Module

PV-Module bestehen aus Solarzellengruppen, die mithilfe von Kabeln miteinander verbunden und durch Glas, eine Rückwand, einen Metallrahmen und eine Isolierschicht geschützt sind. Es gibt heute drei Arten von PV-Modultypen auf dem Markt:

Polykristalline PV-Module

Zur Herstellung von polykristallinen Modulen werden Siliziumblöcke geschmolzen und zu einzelnen Solarzellen geformt, die entweder positiv oder negativ geladen sind und zu PV-Modulen verschaltet werden.

Da ihre Herstellung einfacher ist, sind sie oft preiswerter als monokristalline Module. Allerdings ist ihr Wirkungsgrad geringer. Diese Module sind an ihrer gesprenkelten blauen Farbe erkennbar.

Monokristalline PV-Module

Monokristalline PV-Module werden aus einem einzigen Siliziumblock geschnitten und wie polykristalline Zellen zu PV-Modulen verschaltet. Die Herstellung monokristalliner Zellen ist etwas aufwendiger. Daher sind diese Module etwas teurer, doch sie haben einen höheren Wirkungsgrad als polykristalline Module, so dass sich die Investition lohnt.

Man erkennt monokristalline Module leicht an ihrem eleganten, schwarzen Aussehen. Viele Menschen wählen für ihre PV-Anlage diese Module, weil sie einen höheren Wirkungsgrad haben und besser aussehen.

Amorphe PV-Module

Amorphe Module bzw. „Dünnschichtmodule“ werden anders hergestellt als mono- und polykristalline Module, da bei ihrer Herstellung keine Siliziumblöcke oder -scheiben verwendet werden, sondern eine dünne Siliziumschicht direkt auf ein Glassubstrat aufgebracht wird. Auf diese Weise entstehen extrem dünne Module: Diese sind fast 100 Mal dünner als solche aus polykristallinem Silizium.
Von den drei PV-Modul-Haupttypen weisen die amorphen Module den geringsten Wirkungsgrad auf. Es handelt sich aber auch um die kostengünstigsten Module.

Kabel, Montage und Trägersysteme

Die PV-Module müssen per Kabel miteinander verbunden werden, damit sie als Einheit funktionieren. Diese Einheit muss auf dem Dach oder am Boden sicher befestigt werden. Zu diesem Zweck verwendet man Trägersysteme, mit denen die Module auf einer Oberfläche montiert und befestigt werden.

Aufdachanlagen sind die häufigste Bauform von PV-Anlagen, da nicht jeder genügend Platz hat, um eine komplette PV-Anlage im Garten oder auf dem Rasen zu installieren.

Freiflächenanlagen kommen bei großen Gewerbebetrieben, Solarparks und großen Privatgrundstücken zum Einsatz. Sie können fest installiert oder auf Nachführsystemen montiert werden, die dem Lauf der Sonne nachgeführt werden, damit über den Tag verteilt möglichst viel Strom erzeugt werden kann.

Solar-Wechselrichter

Der von den PV-Modulen erzeugte Gleichstrom wird mithilfe von Wechselrichtern in nutzbaren Wechselstrom umgewandelt. Ohne Wechselrichter könnte eine PV-Anlage nicht dafür genutzt werden, Geräte im Haus mit Strom zu versorgen.

Die heute am häufigsten verwendeten Solar-Wechselrichtertypen sind String-Wechselrichter und Mikrowechselrichter. Es gibt aber auch Batteriewechselrichter und Zentralwechselrichter.

Überwachungssysteme

Die meisten der heute installierten PV-Anlagen sind mit einer Überwachungstechnologie ausgestattet, die es Hausbesitzern und Solartechnologiespezialisten ermöglicht, die Stromerzeugung und den allgemeinen Zustand der Anlage zu beobachten und zu überwachen.

Hausbesitzer können über eine App oder ein anderes digitales Gerät, das in der Regel zusammen mit dem Wechselrichter ausgeliefert wird, auf die Anlagendaten zugreifen. Auch Fachkräfte für Solartechnik können auf diese Daten zugreifen, wenn sie Probleme mit der Anlage beheben müssen.

Bedingungen, die die Solarstromerzeugung beeinträchtigen

Solarmodule produzieren nicht immer gleich viel Strom, da die Stromerzeugung von verschiedenen Faktoren abhängt. Die folgenden beiden Einflussfaktoren beeinflussen die Solarstromerzeugung am stärksten:

Stärke der Sonneneinstrahlung

Solarmodule funktionieren zwar auch an bewölkten Tagen oder bei Schneefall, doch ihre Leistung nimmt ab, wenn keine direkte Sonneneinstrahlung erfolgt. Die Menge an Sonnenenergie, die im Laufe des Tages auf die Anlage trifft, hängt auch vom Winkel der Module und der Position der Sonne am Himmel ab, die sich im Tages- und im Jahresverlauf ändert. Auf der Nordhalbkugel, weit vom Äquator entfernt, ist in den Herbst- und Wintermonaten beispielsweise eine geringere Stromproduktion zu verzeichnen.

Eine vorübergehende, aber regelmäßige Verschattung einzelner Module durch in der Nähe befindliche Bäume beeinträchtigt die Gesamtleistung der Anlage, insbesondere wenn die Module in Reihe geschaltet sind.

Temperatur

Auch die Umgebungstemperatur hat Einfluss darauf, wie viel Strom zu einem bestimmten Zeitpunkt durch die Anlage fließt. Solarmodule erreichen ihren maximalen Wirkungsgrad zwischen 15 °C und 35 °C. Bei wärmeren oder kälteren Temperaturen nimmt der Wirkungsgrad ab. Daher ist es wichtig, Module zu wählen, die für die klimatischen Bedingungen Ihrer Region geeignet sind.

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

Bei fast allen Nutzern von Solarstrom gibt es Zeiten, in denen sie mehr oder weniger erneuerbare Energie erzeugen, als sie selbst verbrauchen. Einige Lösungsansätze für dieses Problem finden Sie hier.

Nettoleistungsmessung und netzgekoppelte Anlagen

PV-Anlagen sind in der Regel an das örtliche Stromnetz angeschlossen, es sei denn, der Betreiber strebt vollständige Netzunabhängigkeit an. Einer der Vorteile einer netzgekoppelten Anlage besteht darin, dass Ihr Haus Strom aus dem Netz bezieht, wenn Ihre Solarmodule nicht genug Strom erzeugen bzw. wenn sie nachts gar keinen Strom erzeugen.

Ein weiterer Vorteil einer netzgekoppelten Anlage ist die Teilnahme an Nettoleistungsmessungsprogrammen, die in den meisten Ländern angeboten werden. Sie können überschüssigen Strom aus einer PV-Anlage in das Netz des Energieversorgers einspeisen und erhalten dafür einen Rabatt bzw. eine Gutschrift auf Ihre Stromrechnung. Die Tarife dieser Nettoleistungsmessungsprogramme sind in der Regel sehr wettbewerbsfähig und bieten Hausbesitzern einen starken Anreiz, Solaranlagen zu installieren.

Solarenergiespeicher (Batteriespeicher)

Die Speicherung überschüssiger Solarenergie in einer Batterie ist eine hervorragende Möglichkeit, auch dann auf Solarstrom zugreifen zu können, wenn die Sonne nicht scheint oder wenn ein Stromausfall vorliegt. Zwar sind Solarspeicher immer noch relativ teuer. Viele Menschen entscheiden sich jedoch dafür, neben ihrer PV-Anlage auch einen Batteriespeicher zu installieren, um ihre Abhängigkeit vom Stromnetz zu verringern und so sorgenfreie Energieunabhängigkeit zu genießen.

Schlussbemerkung

Die PV-Technologie wird von Tag zu Tag besser. Doch die Grundprinzipien bleiben stets dieselben. Die Preise sinken von Jahr zu Jahr und der Wirkungsgrad steigt. Deshalb ist das Verständnis der Grundprinzipien der Funktionsweise von PV-Anlagen der erste Schritt, um in dieser sich ständig verändernden und schnelllebigen Branche aktiv zu werden.