Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage?

Worin unterscheiden sich Solaranlagen, Solarmodule und Solarzellen?

Eine Photovoltaikanlage besteht in der Regel aus 10 bis 100 Solarmodulen, die sich auf dem Dach oder an einem anderen geeigneten Ort befinden. Die Solarmodule oder -panele wiederum setzen sich aus 36 bis 72 Solarzellen zusammen. Jede Solarzelle misst etwa 15 x 15 cm. Ihre Spannung beträgt ca. 0,5 bis 0,6 Volt und ihre Stromstärke liegt im Mittel bei 5,5 Ampere. So kann eine einzelne Solarzelle bei maximaler Sonneneinstrahlung eine Leistung von bis zu rund 3,4 Watt bringen.

Die gängigen Solarzellen bestehen hauptsächlich aus Silizium. Silizium ist ein Halbmetall, welches in der Elektro-Industrie unverzichtbar ist. Das hört sich selten und wertvoll an. Tatsächlich aber ist Silizium Hauptbestandteil des Sandes und zählt zu den am häufigsten vorkommenden Elementen auf der Erde. Die Vorkommen gelten als unerschöpflich.

Die Elektronen zum Strömen bringen

Zu jedem Siliziumatom gehören 14 negativ geladene Elektronen. Davon befinden sich 4 Elektronen im äußeren Bereich und werden Valenzelektronen genannt. Sie sind ausschlaggebend für die Bindungseigenschaften von Atomen. Es können also 4 weitere Atome an einem Siliziumatom andocken. In einer Solarzelle jedoch wird das Silizium absichtlich leicht verunreinigt.

Auf einer n-Schicht genannten Seite geschieht das meistens mit Phosphor. Phosphor hat 5 Valenzelektronen, von denen im Silizium-Verbund also eines überflüssig ist. Die andere Seite oder p-Schicht wird häufig mit Bor verunreinigt. Dieses Element hat nur drei bindungsfreudige Außenelektronen - also eines zu wenig. Das fehlende Elektron kann aber vom Phosphor beigesteuert werden. Genau das geschieht auch.

Bei diesem Prozess wandern die Bor-Teilchen, die vom Phosphor ein viertes Valenzelektron gewinnen konnten, zwischen p-Schicht und n-Schicht. Dort bilden sie die sogenannte Grenzschicht. Folge ist, dass eine Spannung entsteht. Die borhaltige p-Schicht wird zum Minuspol und die phosphorhaltige n-Schicht zum Pluspol. Passiert weiter nichts, bleibt es dabei. Treffen aber Sonnenstrahlen auf die Solarzelle, lösen sich die angenommenen Elektronen in der Grenzschicht wieder. Das wird als photovoltaischer Effekt bezeichnet.

Als negativ geladene Teilchen werden die wieder freien Elektronen von der positiv geladenen n-Schicht angezogen. Von dort gelangen sie zu einem leitfähigen Metall und fließen über ein Solarkabel ab. Am anderen Ende der Leitung befindet sich ebenfalls ein leitfähiges Metall, welches jedoch die negativ geladene p-Schicht abschließt. Damit ist der Kreislauf geschlossen und die Elektronen können so lange als elektrischer Strom fließen, wie Sonnenstrahlen auf die Solarzellen treffen.

Polykristalline, monokristalline und amorphe Solarzellen mit unterschiedlichen Wirkungsgraden

Je nachdem, wie die Solarzellen hergestellt werden, variiert ihr Wirkungsgrad. Am häufigsten verwendet werden polykristalline Solarzellen. Für sie wird das Silizium zunächst verflüssigt und dann in Formen gegossen. Dort härtet es aus. Die dabei entstehende polykristalline Struktur wird allerdings zu den Rändern hin immer lückenhafter. Das führt zu Effizienzeinbußen. Dennoch liegt der Wirkungsgrad von polykristallinen Solarzellen bei 15 bis 20 %.

Falls das Flächenangebot geringer ist, kommen monokristalline Solarzellen infrage. Sie werden aus einem Grundmaterial von hoher Reinheit und mit homogenem Kristallgitter gefertigt. Ihre Produktion ist allerdings komplizierter als die von polykristallinen Solarzellen. Daher sind monokristalline Solarzellen mit einem höheren Preis verbunden, liegen jedoch beim Wirkungsgrad mit 20 bis 25 % vorne.

Dünnschicht oder amorphe Solarzellen schließlich sind zwar günstiger als die anderen Varianten, bieten aber nur eine geringe Effizienz. Selbst wenn für sie Hightech-Materialien eingesetzt werden, kommen sie lediglich auf einen Wirkungsgrad von maximal 10 %. Dafür eignen sich die ebenso dünnen wie leichten Solarmodule aus Dünnschicht-Zellen für Wandverkleidungen oder für Dächer mit geringer Traglast.

Was soll es sein? Eine Aufdach- oder eine Indach-Installation

Die üblichen Solarmodule aus polykristallinen oder monokristallinen Zellen können auf dem gedeckten Dach verlegt werden. Als Grundlage dient dazu ein im Dach verankertes Schienensystem, über das oftmals eine Feinjustierung der Solarmodule möglich ist. Es sind sogar Dachziegel erhältlich, die bereits mit einer Befestigung für die Schienen ausgestattet sind. Selbstverständlich muss dabei die Dachkonstruktion stabil und unbeschädigt sowie für die entsprechende Traglast ausgelegt sein.

Alternativ gibt es Solarmodule, die eine herkömmliche Dacheindeckung ersetzen. Sie verschmelzen mit der Architektur des Hauses und verleihen dem Dach ein harmonisches Erscheinungsbild. Es ragt nichts hervor und es muss auch kein Schienensystem auf dem Dach angebracht werden. Außerdem sind diese Indach-Solarmodule besser vor Sturmschäden geschützt. Allerdings kann auf ihrer Unterseite eine hohe Hitze entstehen, die sich ungünstig auf ihre Effizienz auswirkt. Daher sind sie dort mit Lüftungsöffnungen versehen.

Was ist ein Wechselrichter?

Wie beschrieben, kommt es in den Solarzellen abhängig von der Sonneneinstrahlung zu einem Fluss von Elektronen. Dabei handelt es sich jedoch um einen Gleichstrom. Stromnetz und Stromverbraucher sind aber auf Wechselstrom angewiesen. Daher gelangt der Gleichstrom aus den Solarmodulen zunächst in einen Wechselrichter. Wichtig ist, dass auch der Wechselrichter einen hohen Wirkungsgrad erreicht. Bei aktuellen Geräten beträgt dieser etwa 98 %.

Darüber hinaus erfüllt der Wechselrichter zahlreiche weitere Aufgaben. So dient er als Störungsmelder für die Photovoltaikanlage ebenso wie für das Versorgungsnetz. Bei Gefahr kann er Unterbrechungen durchführen. Zudem optimiert und dokumentiert der Wechselrichter die Leistung der Solaranlage. Für einen möglichst verlustfreien Betrieb ist er mit einem wirkungsvollen Kühlsystem ausgestattet und zum Schutz gegen Witterungseinflüsse weist er zumeist ein wetterfestes Gehäuse auf.

Wann lohnt sich ein Energiemanager?

Bei vielen Photovoltaikanlagen ist es ferner sinnvoll, einen Energiemanager zu integrieren. Seine Aufgabe besteht darin, den größtmöglichen Anteil des Solarstroms bedarfsgerecht an die einzelnen Verbraucher beziehungsweise an ein eventuell vorhandenes Speichermedium zu leiten. Das ist insbesondere bei Systemen zweckmäßig, bei denen eine Einspeisung des erzeugten Stromes in das öffentliche Stromnetz vorgesehen ist. Hier sorgt der Energiemanager dafür, dass das im Wesentlichen nur mit Strom geschieht, der gerade nicht verbraucht oder gespeichert werden kann.

Solarstrom speichern und je nach Bedarf nutzen

Da nicht immer gewährleistet ist, dass der Strom genau in dem Moment verbraucht wird, in dem er entsteht, gelangt über den Bedarf hinaus produzierte Elektrizität bei Einspeise-Solaranlagen ins Versorgungsnetz. Das wird zwar vergütet, allerdings zu einem sehr niedrigen Tarif. Um eine möglichst hohe Eigennutzung zu erreichen, kann beispielsweise tagsüber zu viel erzeugter Strom in einer Batterie gespeichert werden. Er steht dann für Zeiten zur Verfügung, in der mehr Strom genutzt als erzeugt wird.

Mehr Details zu Einspeise- und Speichermöglichkeiten für den eigenen Solarstrom gibt es hier.

Welcher Stromzähler ist erforderlich?

In einigen Fällen werden Solaranlagen für den Inselbetrieb installiert. Das kann zum Beispiel in abgelegenen Gegenden vorkommen, die nicht ans Stromnetz angeschlossen sind. Dann dient der Stromzähler lediglich der Ertragsüberwachung. Zumeist aber wird die Photovoltaikanlage in Kombination mit dem Stromnetz genutzt. Steht nicht genug Solarstrom zur Verfügung, springt die öffentliche Versorgung ein, ist zu viel Solarstrom vorhanden, wird ins System eingespeist.

Um hier eine Abrechnung zu ermöglichen, wird zunächst einmal ein Ertragszähler für die Solaranlage benötigt. Der Einspeisezähler zeichnet die Energiemenge auf, die ins Versorgungsnetz abgegeben wird, und der Bezugszähler den Strom, den der Versorger beisteuert. Neuere sogenannte Smart Meter können alle diese Aufgaben übernehmen. Sie sollen nach und nach alle anderen Stromzähler ersetzen, zunächst aber nur bei Betreibern von Photovoltaikanlagen mit einer Leistungskraft von mehr als 7 kW eingesetzt werden.

Für Einsteiger und Mieter: Balkonkraftwerke

Seit 2018 sind überdies kleine Balkonkraftwerke erlaubt. Dabei handelt es sich in der Regel um ein einzelnes oder doppeltes Solarmodul, das leicht unter anderem am Balkon montiert werden kann. Mit dem Stromnetz kann es einfach über einen normalen oder speziellen Stecker verbunden werden. Auch Balkonkraftwerke können sich bei einer günstigen Lage des Balkons oder in Kombination mit einer Wallbox zur Versorgung der E-Mobilität lohnen. Grundsätzlich muss aber auch hier eine eventuelle Genehmigungspflicht abgeklärt werden. Außerdem sollten Mieter das Einverständnis ihres Vermieters einholen.