Wie funktioniert eine Solaranlage?

Solaranlagen wandeln Sonnenlicht entweder in Strom oder in Wärme um – und machen es so möglich, Gebäude nachhaltig mit Energie zu versorgen. 

„Solaranlage“ ist ein Oberbegriff für zwei unterschiedliche Technologien: Photovoltaikanlagen (PV) und Solarthermieanlagen. Während Photovoltaikanlagen Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln, nutzen Solarthermieanlagen die Sonnenstrahlen zur Erzeugung von Wärme, beispielsweise für die Warmwasserbereitung oder Heizungsunterstützung. 

Streng genommen müssten wir also immer von PV-Anlagen sprechen, wenn wir die Stromerzeugung meinen, um die es in diesem Artikel geht. Da sich das Wort Solaranlage aber mittlerweile so sehr dafür eingebürgert hat, kannst du sicher sein, dass wir im Folgenden immer Photovoltaik meinen.

Wir begeben uns jetzt in die spannende Welt der Kosmologie und klären die Frage: Was ist Solarenergie überhaupt, und wie ist es möglich, dass wir sie zum Kaffeekochen nutzen? Die Sonne ist ein gigantischer Fusionsreaktor, der unvorstellbare Mengen an Energie abstrahlt. Durch Kernfusion verschmelzen Wasserstoffatome zu Helium, wobei enorme Energiemengen in Form von Licht und Wärme freigesetzt werden. Ein kleiner Bruchteil dieser Sonnenenergie erreicht die Erde – aber selbst dieser geringe Anteil reicht aus, um unseren gesamten Planeten zu erwärmen und theoretisch den globalen Energiebedarf zu decken.

Doch was genau trägt diese Sonnenenergie zu uns? Es sind Photonen – winzige Lichtteilchen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen und ihre Energie an Oberflächen abgeben können. Diese Photonen sind der Schlüssel zur Stromerzeugung in einer Photovoltaikanlage, denn sie setzen in Solarzellen elektrische Prozesse in Gang.

Eine Solar- beziehungsweise Photovoltaikanlage besteht aus mehreren Komponenten, die gemeinsam Sonnenlicht in nutzbaren Strom umwandeln. Die wichtigsten Bestandteile sind:

• Solarmodule: Die sichtbarsten Elemente der Anlage. Sie bestehen aus vielen Solarzellen, die das Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln. Darauf werfen wir später noch einen genaueren Blick.

• Montagesystem: Eine stabile Halterung, die die Module auf dem Dach oder einer anderen Fläche befestigt und den optimalen Neigungswinkel sicherstellt.

• Wechselrichter: Er ist das „Gehirn“ der Solaranlage und wandelt den erzeugten Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) um, sodass du ihn im Haushalt nutzen kannst. Außerdem überwacht und optimiert er die Stromerzeugung. Ein konventioneller Zentralwechselrichter ist etwa so groß wie ein Rucksack. Er wird meist in einem gut belüfteten Raum wie dem Keller, Hauswirtschaftsraum oder der Garage installiert, da er während des Betriebs Wärme erzeugt. Moderne Mikrowechselrichter hingegen sind nur so groß wie ein Taschenbuch. Sie befinden sich direkt an den einzelnen Solarmodulen, was die Leistungsüberwachung verbessert und Verschattungsverluste minimiert. Den Unterschied zwischen „normalen“ und Mikrowechselrichtern schauen wir uns später auch noch im Detail an.

• Verkabelung: Robuste, wetterfeste PV-Kabel verbinden die Module mit dem Wechselrichter und weiter mit dem Stromnetz des Hauses. Je kürzer die Kabel, desto geringer die Leitungsverluste.

• Zweirichtungszähler: Für die Messung sowohl des Bezugs von Netzstrom als auch der Einspeisung von überschüssigem Solarstrom gibt es Zweirichtungszähler. Für bestimmte Haushalte besteht die Pflicht, als Zähler einen Smart Meter – ein intelligentes Messsystem, kurz iMSys – zu installieren.

• Energiemanagementsystem (optional): Steuert die effiziente Nutzung des selbst erzeugten Stroms.

• Stromspeicher (optional): Ein Batteriesystem speichert überschüssigen Strom, damit du ihn auch nachts oder bei schlechtem Wetter nutzen kannst.

Eine Solaranlage nutzt die Energie der Photonen im Sonnenlicht, um in vielen kleinen Solarzellen elektrische Energie zu erzeugen. Das Sonnenlicht regt die Elektronen im Silizium der Solarzellen an, sich zu bewegen. Dabei werden Elektronen frei und es entsteht elektrischer Gleichstrom.

Wie funktionieren Solarzellen? Das schauen wir uns jetzt Schritt für Schritt an:

• Sonnenlicht scheint auf Solarzellen: Die in den Strahlen enthaltenen Photonen treffen auf die Halbleitermaterialien der Solarzellen.

• Freisetzung von Elektronen: Die Photonen regen die Elektronen im Halbleitermaterial (Silizium) an, sodass sie sich bewegen und elektrischen Strom erzeugen.

• Gleichstrom entsteht: Der erzeugte Strom ist zunächst Gleichstrom (DC), der so noch nicht direkt nutzbar ist.

• Wechselrichter wandelt den Strom um: Ein Wechselrichter transformiert den Gleichstrom in Wechselstrom (AC), der für deinen Haushalt geeignet ist.

• Nutzung oder Einspeisung: Den erzeugten Strom kannst du direkt im Haus verbrauchen, in einer Batterie speichern oder ins öffentliche Stromnetz einspeisen.

Jetzt steigen wir noch tiefer in die Materie ein: Schauen wir uns den Aufbau und die Funktion der Solaranlage im Detail an!

Der Wechselrichter ist für die Funktionsweise einer Solaranlage essenziell. Deshalb nehmen wir diesen nun noch genauer unter die Lupe.

Ein Zentralwechselrichter ist der klassische Wechselrichtertyp, der in den meisten größeren und bestehenden Photovoltaikanlagen zum Einsatz kommt. Er managt die Solaranlage als eine gesamte Einheit und wandelt den von den Solarmodulen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um. Das bringt je nach Dachaufbau und Verschattungen durch die Umgebung einige Nachteile mit sich. Eine Verschattung oder Verschmutzung auf einem einzelnen Solarmodul kann nämlich die Gesamterzeugungsleistung der Anlage reduzieren.

Mikrowechselrichter hingegen sind kleinere Geräte, die nicht im Haus oder in der Garage, sondern direkt an den einzelnen Solarmodulen installiert sind. Sie wandeln den Gleichstrom von jedem Modul einzeln in Wechselstrom um. Diese dezentrale Lösung hat mehrere Vorteile. Einer der größten ist die Leistungsoptimierung: Da jedes Modul unabhängig von den anderen arbeitet, kann es jederzeit mit maximaler Leistung vorgehen. Verschattungen oder andere Störungen, die nur ein Modul betreffen, wirken sich nicht negativ auf die gesamte Anlage aus. Zudem sind Fehlerdiagnosen einfacher, da jeder Mikrowechselrichter für sein „eigenes“ Modul anzeigt, wenn es eine Störung hat. Obendrein sind Anlagen mit Mikrowechselrichtern flexibler, da sie leicht auf unterschiedlichen Flächen oder Dachneigungen installiert werden können. Du musst dir also hinsichtlich der gesamten Solaranlage keine großen Gedanken um Dachschrägen, Erker und Bäume machen.

Werfen wir nun noch einen Blick auf unterschiedliche Arten von Solarzellen und darauf, wie sie sich auf den Ertrag und die Funktion einer Solaranlage auswirken.

Es gibt drei Haupttypen von Solarzellen: monokristalline, polykristalline und amorphe Solarzellen. Sie unterscheiden sich in ihrer Struktur, Herstellung und ihrem Wirkungsgrad.

• Monokristalline Solarzellen bestehen aus einem einzelnen, durchgehenden Siliziumkristall. Sie sind in der Regel dunkler und haben eine gleichmäßige, homogene Struktur. Diese Zellen sind hochpreisiger als die anderen Typen, bieten aber den höchsten Wirkungsgrad, der bei etwa 18 bis 23 Prozent liegt. Er resultiert aus der hohen Reinheit des Siliziums, das die Elektronen effizienter bewegen kann. Für Solarmodule von 1KOMMA5° setzen wir die TOPCon-Technologie (Tunnel Oxide Passivated Contact) ein, die auf monokristallinem Silizium basiert.

• Polykristalline Solarzellen bestehen aus mehreren Siliziumkristallen, die miteinander verschmolzen sind. Diese Zellen sind meist bläulich und besitzen eine weniger einheitliche Struktur als monokristalline Zellen. Der Wirkungsgrad liegt bei etwa 15 bis 18 Prozent. Das ist niedriger als bei monokristallinen Zellen, dafür sind die Solarzellen kostengünstiger in der Herstellung.

• Amorphe Solarzellen bestehen nicht aus einzelnen Kristallen, sondern aus einem dünnen Film von Silizium, aufgebracht auf ein Trägermaterial. Diese Zellen sind flexibel und auf verschiedenen Oberflächen wie Fenstern oder Dächern integrierbar. Der Wirkungsgrad ist mit 10 bis 15 Prozent niedriger als bei den kristallinen Zellen.

Funktion hin oder her – vielleicht fragst du dich, ob eine Solaranlage in Deutschland überhaupt sinnvoll ist. Schließlich sind wir nicht als Sonnenland schlechthin bekannt. Die Antwort ist einfach: Ja, PV ist auf jeden Fall sinnvoll.

Tatsächlich steht deine Solaranlage so gut wie niemals still – auch im Winter oder bei schlechtem Wetter nicht. Sie produziert nur etwas weniger Strom. Die Technik ist bereits so weit entwickelt, dass sich moderne Solaranlagen auch bei weniger Sonnenstunden lohnen. Gerade Anlagen mit Mikrowechselrichtern fangen mittlerweile produktiv Streulicht ein.

Im Winter sinkt die Leistungseffizienz der Solaranlage dadurch, dass die Sonne niedriger steht und der Einfallwinkel der Sonnenstrahlen nicht mehr ideal ist (je höher die Sonne steht und je steiler die Sonnenstrahlen demnach auf die Module treffen, desto besser). Außerdem sind die Tage im Winter kürzer und haben weniger Sonnenstunden. Somit kann die Solaranlage nur ein kurzes Zeitfenster nutzen, um Sonnenenergie „aufzufangen“. Dennoch bringt sie lohnenden Ertrag.

Bei Schlechtwetter wiederum scheint es nur so, als sei die Sonne „weg“. Denn es gelangt immer noch diffuses (wolkengebrochenes) Licht auf die Erde, das die Solarzellen aber ebenso aufnehmen wie direktes. Du hast an solchen Tagen einen geringeren Output, aber die Solaranlage produziert noch Strom.

Die Nutzung von Solarenergie bietet sowohl für die Umwelt als auch für dich selbst einige Vorteile:

• saubere und emissionsfreie Energiegewinnung

• sehr günstige Stromerzeugung (Solarstrom produzierst du schon ab 5 bis 6 Cent, alle Investitionskosten einberechnet und auf die Lebensdauer umgelegt)

• die günstige Stromerzeugung macht sich vor allem bei der Versorgung großer Verbraucher wie Wärmepumpe, Wallbox oder Klimaanlage bemerkbar – in einer wesentlich niedrigeren Stromrechnung

• Sonnenenergie ist nahezu überall und unendlich verfügbar

• Unabhängigkeit von Energiepreisen

• Photovoltaikanlagen sind langlebig und wartungsarm 

• geringe Betriebskosten 

• derzeit noch Förderung durch den Staat, z. B. Einspeisevergütungen, Steuerbefreiungen

Demgegenüber steht eine Amortisationszeit von 10 bis 15 Jahren – länger dauert es in der Regel nicht, bis deine PV-Anlage ihre Anschaffungskosten wieder rausgeholt hat.

Eine PV-Anlage ist aus Umweltschutz-, aber auch aus Kostengründen absolut sinnvoll. Du sparst langfristig und machst dich zudem ein Stück weit unabhängiger von schwankenden Strompreisen und eventuellen Energiekrisen im Weltgeschehen.

Am schnellsten amortisiert sich deine Solaranlage im cleveren Gesamtpaket mit Speicher, dynamischem Stromtarif und smartem Energiemanagement. Lass dich beraten und starte in deine klimafreundliche Energiezukunft.