Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage?
Die Funktionsweise einer Photovoltaikanlage ist einfach erklärt.
Das einfallende Sonnenlicht trifft auf die Solarmodule, die aus Solarzellen bestehen, und versetzt die Elektronen in den Werkstoffen der Zelle in Bewegung. Durch diese Bewegungsenergie entsteht Strom. Je stärker der Lichteinfall, desto höher die Produktion von Solarstrom.
Beim Solarstrom handelt es sich immer um Gleichstrom, der durch einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt werden muss, bevor er genutzt werden kann.
Die Photovoltaik beschreibt somit die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie unter Zuhilfenahme von Solarzellen.
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Komponenten einer Photovoltaikanlage
Den offensichtlichsten Bestandteil einer Solaranlage stellen Solarmodule dar, welche großflächig auf den Dächern angebracht sind.
Der erzeugte Strom wird über die Verkabelung von den Solarmodulen zum Wechselrichter geleitet, der für die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom sorgt.
Die Weiterleitung des Wechselstroms erfolgt über die Wechselstromverkabelung und führt von Wechselrichter zum Einspeisepunkt.
Am Einspeisepunkt übernehmen verschiedene Zähler die Aufgabe, den verbrauchten und eingespeisten Strom zu messen.
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Solarmodule
Solarmodule setzen sich aus vielen einzelnen Solarzellen zusammen, die in den Modulen verbaut sind. Sie bestehen aus in Reihe geschalteten Zellen, um eine Erhöhung der Spannung sicherzustellen. Dieser Effekt gleicht dem von in Reihe geschalteten Batterien.
In den Solarmodulen befinden sich mehrere dieser Zellen in einem Rahmen und sie sind durch Glas vor der Witterung geschützt. In dieser Bauform werden die Solarmodule in verschiedenen Größen auf die Hausdächer montiert.
Für die Stromgewinnung lässt sich vereinfacht sagen, dass sich bei Lichteinfall die Ladungseigenschaften ändern und zwischen zwei Siliziumschichten mit verschiedenen Leitfähigkeiten ein elektrisches Feld entsteht. Infolgedessen wird Spannung erzeugt.
Der Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft bezeichnet die in den Solarmodulen verbauten Solarzellen als ein elektrisches Mini-Kraftwerk. Die Solarmodule sind mit dem Solargenerator verschaltet, der den erzeugten Gleichstrom an den Wechselrichter weiterleitet.
Die Solarzelle
Die Herstellung einer Solarzelle setzt den Quarzsand Silizium voraus. Über 90 Prozent aller Solarzellen bestehen aus diesem Material. Es ist eines der am häufigsten vorkommenden Elemente in der Erdkruste und gilt deshalb als unerschöpflich.
Die einzelnen Solarmodule bestehen aus Solarzellen, die kleine "Kraftwerke" der PV-Anlage sind. Erfahren Sie alles über Solarzellen und lernen über den Aufbau, die Funktionsweise und welche Arten es gibt.
Für den Herstellungsprozess einer Siliziumscheibe muss der Quarzsand gereinigt und kristallisiert werden. Anschließend werden die Scheiben zersägt, gezielt verunreinigt und mit Leiterbahnen bestückt, die für den Stromtransport benötigt werden.
Bei Lichteinfall werden auf der Siliziumscheibe Elektronen freigesetzt. Um dies zu gewährleisten, muss die Ober- und Unterseite jeder Zelle mit verschiedenen Fremdatomen verunreinigt werden. In der Praxis werden zu diesem Zweck Bor und Phosphor verwendet. Durch diese Verunreinigung bilden sich ein Plus- und ein Minuspol, die mit denen einer Batterie vergleichbar sind.
Bei Solarzellen wird zwischen monokristallinen, polykristallinen und amorphen Zellen unterschieden, die sich alle im Wirkungsgrad unterscheiden. Der Wirkungsgrad gibt die Ausbeute an Solarstrom in Relation zu der zur Verfügung stehenden Energie durch Sonnenlicht in Prozent an.
Monokristalline und polykristalline Solarzellen sind die beiden bedeutsamsten Zelltypen. Sie unterschieden sich insbesondere in ihrem Wirkungsgrad.
Wechselrichter
Bedingt durch ihr Design produzieren Solarzellen ausschließlich Gleichstrom. Das Stromnetz hierzulande ist jedoch auf Wechselstrom ausgelegt. Um den erzeugten Solarstrom selbst verbrauchen oder ihn ins Stromnetz einspeisen zu können, wird ein Wechselrichter benötigt. In einer Photovoltaikanlage bildet der Wechselrichter die Schnittstelle zwischen Solarmodulen und Stromnetz.
Die Auswahl an Wechselrichtern ist riesig. Es gibt viele Hersteller, Modelle und Typen. Das sorgt für Verwirrung.
In diesem umfangreichen Ratgeber lernen Sie (fast) alles über Wechselrichter.
Den vollen Wirkungsgrad entfaltet ein Wechselrichter an seinem optimalen Arbeitspunkt, der auch als MPP (Maximum Power Point) bezeichnet wird. Um die Effizienz der PV-Anlage zu gewährleisten, überwacht ein MPP-Tracker die Funktionsweise des Wechselrichters. Neben äußeren Einflüssen wie Sonneneinstrahlung und Temperatur haben auch die Eigenschaften der verbauten Solarmodule Auswirkungen auf den MPP.
Das Stromnetz in privaten Haushalten läuft in der Regel mit 1-Phasen-Wechselstrom, da nur eine Phase aus den drei Phasen des öffentlichen Stromnetzes weitergeleitet wird. Die Einspeisung von 1-Phasen-Wechselstrom in das öffentliche Netz ist aufwendiger und macht bei Anlagen mit einer Leistung von mehr als 4,6 Kilowatt die Verwendung eines 3-Phasen-Wechselrichters notwendig.
Solarstromspeicher
Auch wenn ein Stromspeicher optional ist und sein Fehlen die Funktionalität einer Photovoltaikanlage nicht beeinträchtigt, so ist er eine sehr sinnvolle Ergänzung.
Solaranlagen produzieren tagsüber viel überschüssigen Strom, der nicht verbraucht werden kann. Ohne einen Stromspeicher kann der Solarstrom nur während der Stromerzeugung genutzt werden.
Im Solarstromspeicher kommen meistens Blei- und Lithium-Ionen-Akkus für die Speicherung des nicht benötigten Solarstroms zum Einsatz. Sie erlauben es den Eigentümern, den am Tag produzierten Solarstrom zu einem späteren Zeitpunkt zu nutzen.
Die Schwankungen, denen erneuerbare Energien unterliegen, werden abgemildert und der Betrieb der Anlagen wird rentabler.
Unter anderem lässt sich so die Eigenverbrauchsquote und die Vergütung durch Einspeisung ins öffentliche Stromnetz erhöhen. Außerdem sind Stromspeicher bei der Überbrückung von Stromausfällen nützlich.
Zähler
Mit dem Betrieb einer PV-Anlage halten zusätzliche Zähler Einzug ins Haus. Zum vorhandenen Strom- oder Bezugszähler, der die bezogene Strommenge festhält, gesellen sich der Einspeise- und Zweirichtungszähler.
Das Erneuerbare-Energien-Gesetz verpflichtet Netzbetreiber zur Abnahme von Solarstrom zu einer festen Einspeisevergütung pro Kilowattstunde. Zu diesem Zweck erfolgt der Einbau eines Einspeisezählers, der gewöhnlich Eigentum des Netzbetreibers ist und die abgegebene Strommenge in das öffentliche Netz des Stromanbieters protokolliert.
Das Trio an Zählern komplettiert der Zweirichtungszähler als eine Mischung aus Einspeise- und Bezugszähler. Der Zweirichtungszähler misst sowohl die ins öffentliche Netz eingespeiste Menge an Strom als auch den Eigenverbrauch an selbst produzierten Strom.