Wie funktioniert eine Solaranlage?
Die Sonne strahlt in nur einer Stunde mehr Energie auf unseren Planeten, als die gesamte Menschheit in einem Jahr verbrauchen könnte. Ein enormes Potenzial – das wir mit Solaranlagen nutzen können! Aber wie funktioniert eine PV-Anlage? Überraschend einfach und komplex zugleich. Alle technischen und physikalischen Hintergründe erfährst du hier.
Das Wesentliche in Kürze
Die wichtigsten Komponenten: Eine Solaranlage besteht aus den Solarmodulen auf dem Dach, PV-Kabeln, einem oder mehreren Wechselrichtern zur Stromumwandlung, einem eigenen Stromzähler und optional einem Energiemanagementsystem sowie einem Stromspeicher.
Die grundlegende Funktionsweise: Eine Solaranlage nutzt den photovoltaischen Effekt zur Stromerzeugung aus Sonnenlicht. In den Solarzellen der Module ist ein Halbleiter – meist Silizium – enthalten. Sobald das Silizium die Energie der Photonen im Sonnenlicht aufnimmt, erzeugen dessen Elektronen einen elektrischen Gleichstrom.
Das „Gehirn“ der Anlage: Der Wechselrichter „beaufsichtigt“ die Leistung, misst Spannung und Stromstärke und erkennt Störungen. Moderne Mikro-Wechselrichter überwachen jeweils ein einzelnes Solarmodul, wodurch die gesamte Anlage trotz Teilverschattungen den bestmöglichen Output erzeugen kann.
Die effizienteste Technologie: Monokristalline Solarmodule haben mit 18 bis 23 Prozent den höchsten Wirkungsgrad. Du erkennst sie an der dunklen bis schwarzen Optik. Polykristalline Solarmodule sind etwas weniger effizient und an der blauen Oberfläche erkennbar.
Bekannt aus
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Was ist eine Solaranlage?
Solaranlagen wandeln Sonnenlicht entweder in Strom oder Wärme um – und machen es so möglich, Gebäude nachhaltig mit Energie zu versorgen. „Energie“ kann hierbei mehrere Bedeutungen haben, denn „Solaranlage“ ist ein Oberbegriff für zwei unterschiedliche Technologien: Photovoltaik-Anlagen (PV) und Solarthermie-Anlagen. In diesem Ratgeber geht es ausschließlich um Photovoltaik.
Was ist der Unterschied zwischen Photovoltaik- und Solarthermie-Anlagen?
Während Photovoltaik-Anlagen Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln, nutzen Solarthermie-Anlagen 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 PV meinen.
Wie kann man sich Sonnenenergie vorstellen?
Setz deine kluge Brille auf, wir begeben uns jetzt in die spannende Welt der Kosmologie: 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 Energie erreicht die Erde – aber selbst dieser winzige Anteil reicht aus, um unseren gesamten Planeten zu erwärmen und theoretisch den globalen Energiebedarf zu decken.
Doch was genau trägt diese Energie? 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 Photovoltaik-Anlage, denn sie setzen in Solarzellen elektrische Prozesse in Gang.
Woraus besteht eine Solaranlage?
Eine Solar- beziehungsweise Photovoltaik-Anlage 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 Zentral-Wechselrichter 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 Mikro-Wechselrichter hingegen sind deutlich kleiner, etwa wie ein Taschenbuch. Sie befinden sich direkt an den einzelnen Solarmodulen, was die Leistungsüberwachung verbessert und Verschattungsverluste minimiert. Den Unterschied zwischen Mikro- und „normalen“ Wechselrichtern 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.
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.
Wie funktioniert eine Solaranlage zur Erzeugung von Solarstrom?
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.
Schritt für Schritt erklärt passiert Folgendes:
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 Aufbau eines Solarmoduls
Ein Solarmodul besteht aus mehreren Solarzellen, die meist aus Silizium gefertigt sind. Diese wiederum sind in einer Schutzschicht aus Glas und Kunststoff eingebettet, um sie vor Umwelteinflüssen zu schützen. Mehrere Solarzellen sind in Reihen geschaltet, um die erzeugte elektrische Spannung zu erhöhen.
Das elektrische Feld in der Solarzelle
Das Entscheidende am Aufbau der Solarzellen ist, dass sie immer aus zwei unterschiedlich behandelten Siliziumschichten bestehen:
Die obere Schicht ist mit Phosphor dotiert (n-Schicht). In ihr herrscht ein Überschuss an freien Elektronen.
Die untere Schicht ist mit Bor dotiert (p-Schicht). In ihr herrscht ein Elektronenmangel.
An der Grenzfläche dieser beiden Schichten entsteht eine sogenannte p-n-Übergangsschicht, die ein elektrisches Feld erzeugt. Das Feld wirkt wie eine unsichtbare Barriere, die die freigesetzten Elektronen zwingt, sich in eine bestimmte Richtung zu bewegen. Das ist die Grundvoraussetzung für einen gerichteten Strom.
Der photovoltaische Effekt: Stromerzeugung durch Licht
Der eigentliche Prozess der Stromerzeugung basiert auf dem sogenannten photovoltaischen Effekt. Wenn Sonnenstrahlen – genauer gesagt, die darin enthaltenen Photonen – auf eine Solarzelle treffen, übertragen sie ihre Energie auf die Elektronen des Siliziums.
Silizium ist ein Halbleiter. Das bedeutet, dass es unter bestimmten Bedingungen elektrisch leitfähig wird. Im unbeleuchteten Zustand sind die Elektronen an ihrem festen Platz im Kristallgitter gebunden. Sobald jedoch Photonen mit einer ausreichend hohen Energie – abhängig von ihrer Wellenlänge – auf die Oberfläche der Solarzelle treffen, übertragen sie ihre Energie auf die Elektronen. Diese absorbierte Energie reicht aus, um die Elektronen aus ihrem festen Platz im Kristallgitter des Siliziums zu lösen, wodurch sie sich frei im Material bewegen können. Diesen Prozess bezeichnet man als Photoemission.
Es ist ein bisschen wie beim Billardspielen, wenn du zu Spielbeginn die weiße Kugel auf die Spielkugeln stößt. Anfangs sind die Spielkugeln in einem Dreieck aufgestellt – ruhig und bewegungslos, genau wie die Elektronen im Silizium einer Solarzelle. Dann stößt du die weiße Kugel (das Photon) mit Schwung in das Dreieck (die Silizium-Elektronen). Die Kugeln prallen aufeinander, Energie wird übertragen, und schon wirbeln sie über die Spielfläche. Ungefähr so sieht das auch in einer Solarzelle aus. Die auftreffenden Photonen übertragen ihre Energie auf die Elektronen im Silizium, sodass diese aus ihrer ursprünglichen Position gelöst werden und sich in Bewegung setzen. Diese Bewegung der Elektronen – dieser Fluss von Ladungsträgern – ist der elektrische Strom, den wir dank Photovoltaik nutzen können.
Die Entstehung von elektrischem Strom
Sobald die Elektronen durch den photovoltaischen Effekt freigesetzt werden, beginnt das elektrische Feld der Solarzelle, sie zu lenken. Die Elektronen bewegen sich zur n-Schicht, während an der p-Schicht gleichzeitig Elektronenlücken (auch als „Löcher“ bezeichnet) entstehen. Diese Bewegung erzeugt eine elektrische Spannung zwischen den beiden Schichten. Ist die Solarzelle mit einem äußeren Stromnetz verbunden, fließen die Elektronen durch dieses Netz – dieser gerichtete Elektronenfluss ist der nutzbare elektrische Strom.
Vom Gleichstrom zum nutzbaren Wechselstrom
Da der in den Solarzellen erzeugte Strom Gleichstrom (DC) ist und wir ihn so nicht direkt im Haushalt verwenden können, fließt er über Kabel zum Wechselrichter, der ihn in Wechselstrom (AC) umwandelt. Diesen Wechselstrom kannst du nun für Haushaltsgeräte nutzen, in einer Batterie speichern oder ins öffentliche Stromnetz einspeisen.
Puh, ganz schön viel Technik. Jetzt geht’s sogar noch weiter ins Detail: Ein wesentliches Element im Aufbau und der Funktionsweise einer Solaranlage ist der Wechselrichter. Deshalb nehmen wir den nun noch genauer unter die Lupe.
Was ist der Unterschied zwischen Zentral- und Mikro-Wechselrichtern?
Ein Zentral-Wechselrichter ist der klassische Wechselrichtertyp, der in den meisten größeren und bestehenden Photovoltaik-Anlagen zum Einsatz kommt. Er managt die Solaranlage als eine gesamte Einheit und wandelt den von den Solarmodulen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um. Das kann je nach Dachaufbau und Verschattungen durch die Umgebung einige Nachteile mit sich bringen. Eine Verschattung oder Verschmutzung auf einem einzelnen Solarmodul kann nämlich die Gesamterzeugungsleistung der Anlage reduzieren.
Mikro-Wechselrichter 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 Mikro-Wechselrichter für sein „eigenes“ Modul anzeigt, wenn es eine Störung hat. Obendrein sind Anlagen mit Mikro-Wechselrichtern flexibler, da sie leicht auf unterschiedlichen Flächen oder Dachneigungen installierbar sind. Du musst dir also hinsichtlich der gesamten Solaranlage keine großen Gedanken um Dachschrägen, Erker und Bäume machen.
Wie versprochen, gibt es jetzt auch noch ein paar genauere Angaben zu den Solarzellen – die natürlich ebenfalls ausschlaggebend für die Funktion einer Solaranlage sind.
Welche Arten von Solarzellen gibt es?
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.
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Wie funktioniert eine Solaranlage bei Schlechtwetter oder im Winter?
Funktion hin oder her – vielleicht fragst du dich, ob eine Photovoltaik-Anlage 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 Schlechtwetter nicht. Sie produziert nur etwas weniger Strom.
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 kürzer und haben weniger Sonnenstunden. Somit kann die Solaranlage nur ein kurzes Zeitfenster nutzen, um Strom zu erzeugen. 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 durchschnittlich einen Output von 10 bis 30 Prozent des normalen Ertrags. Aber die Solaranlage produziert noch Strom.
Fazit: Eine PV-Anlage ist immer eine gute Idee.
Richtig gelesen, wir sagen: immer (seltenste Ausnahmen bestätigen die Regel). Eine PV-Anlage ist aus Umweltschutz-, aber auch aus Kostengründen extrem sinnvoll. Du sparst und machst dich zudem ein Stück weit unabhängiger von schwankenden Strompreisen und eventuellen Energiekrisen im Weltgeschehen.
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