Eine Photovoltaikanlage (PV-Anlage) „nutzt“ Photonen im Sonnenlicht, um daraus Strom herzustellen. Dabei besteht die Anlage aus verschiedenen Komponenten, die alle eine bestimmte Rolle bei der Stromerzeugung spielen. In diesem Artikel schauen wir uns genauer an, wie eine PV-Anlage Sonnenlicht in Strom umwandelt und welche Aufgaben die einzelnen Komponenten dabei übernehmen.
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Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage?
Eine Photovoltaikanlage funktioniert mit dem Einfall von Sonnenlicht auf die Solarzellen. Dieses Licht regt die Elektronen in den Zellen zur Bewegung an und es entsteht Gleichstrom. Im Wechselrichter wird dieser in Wechselstrom umgewandelt. Anschließend läuft er zum Stromzähler und schließlich ins Hausstromnetz oder zum Stromspeicher.
Der Prozess der Stromerzeugung ist natürlich deutlich komplexer als oben beschrieben. Im Folgenden schauen wir uns daher die Funktionen der einzelnen Komponenten genauer an und erläutern, welche Rolle sie bei der Stromerzeugung spielen.
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Solarzellen
Die Stromherstellung einer PV-Anlage beginnt mit den Solarzellen. Diese bestehen aus Silizium, einem sogenannten Halbleitermaterial, das photovoltaische Eigenschaften besitzt. Fällt Sonnenlicht auf die Solarzellen, regen die Photonen des Lichts die Elektronen der Solarzellen zur Bewegung an.
Damit die Bewegung auch Strom erzeugt, muss die Solarzelle zwei unterschiedlich dotierte Schichten haben. Die obere Schicht ist die n-dotierte Schicht. Sie besteht aus Silizium und Phosphor. Silizium hat genau vier Elektronen an sich gebunden. Phosphor hat jedoch fünf Elektronen, also eines zu viel für das Silizium. Dieses überschüssige Elektron ist deshalb frei (ungebunden) in der Schicht.
Die untere Siliziumschicht wird p-dotiert durch das Beifügen des Materials Bor. Bor besitzt nur drei Elektronen, also eines zu wenig für Silizium. Da das Bor mit Silizium kombiniert ist, hat es einen freien Elektronenplatz - auch Loch genannt. Die freien Elektronen der n-dotierten Silizium-Phosphorschicht wandern nun automatisch zur p-dotierten Schicht, um sich an die freien Löcher der Boratome zu binden. Daraufhin entsteht die mittlere Grenzschicht aus Boratomen mit vier Elektronen. Diese Atome haben keine Löcher mehr und hören deshalb auf, sich zu bewegen.
Die Wanderung der Elektronen von einer Schicht zur anderen sorgt dafür, dass zwei elektrische Pole entstehen, wie bei einer Steckdose. Durch den Weggang der Elektronen ist die obere Schicht positiv geladen. Die untere Schicht dafür wird durch den Elektronenzuschuss zum negativen Pol. Fällt jetzt Sonnenlicht auf die Solarzellen, werden die Elektronen von den Boratomen abgelöst. Sie werden automatisch vom positiven Pol angezogen und wandern in die obere Schicht. Dieser Prozess passiert in allen Solarzellen des Moduls, auf die Sonnenlicht fällt.
Solarmodule
Die angeregten Elektronen können ferner aus der oberen Solarzellen-Schicht durch einen elektrischen Leiter (in der Regel ein Metallgitter auf der Rückseite des Solarmoduls) abgeführt werden. Solange die Sonne scheint, werden immer mehr Elektronen durch die Metallkontakte gedrückt und durch die Solarkabel geleitet.
Die Unterseite des Solarmoduls hat ebenfalls einen Metallkontakt, der mit den Solarkabeln verbunden ist. Die von oben rein gedrückten Elektronen fließen also durch das Kabel und tauchen in der unteren Schicht wieder auf. Sie bleiben ständig in Bewegung, wodurch eine elektrische Spannung entsteht.
Die Solarzellen werden in Reihen geschaltet, um eine höhere Spannung zu erreichen und eine höhere PV-Leistung zu erzielen. Die meisten Solarmodule bestehen aus 60 oder 72 Solarzellen und haben eine Nennleistung von etwa 300 Wp bis 400 Wp (Wattpeak). In der Regel liegt die Effizienz bzw. der Wirkungsgrad der Solarzellen zwischen 15 und 22 %, was bedeutet, dass etwa 15 bis 22 % des einfallenden Sonnenlichts in elektrische Energie umgewandelt werden können.
Solarkabel
Die einzelnen Module einer Solaranlage sind über Solarkabel miteinander verbunden. Solarkabel sind wetterfeste und UV-beständige Kabel, die den Strom von Modul zu Modul transportieren. Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, diese PV-Kabel zu verbinden bzw. zu schalten. Dies hat verschiedene Einflüsse auf die Stromspannung, Stromstärke und daher auf die Leistung.
Bei der Reihenschaltung werden mehrere Solarmodule der Reihe nach miteinander verbunden. Ein Plus-Kabel wird mit einem Minus-Kabel zusammengesteckt. Die Reihenschaltung addiert die Spannung aller Module, während die Stromstärke gleich bleibt. Am Ende bleiben beim ersten und letzten Modul je ein Kabel übrig, die mit dem Wechselrichter verbunden werden.
Bei der Parallelschaltung werden Minus-Kabel an Minus-Kabel und Plus-Kabel an Plus-Kabel gesteckt. Dadurch wird die Stromstärke addiert, aber die Modulspannung bleibt gleich. Auch hier bleiben am Ende zwei Kabel übrig, die mit dem Wechselrichter verbunden werden. Beide Varianten haben Vor- und Nachteile.
Die Leistung einer PV-Anlage wird von der Stromstärke und der elektrischen Spannung bestimmt. So ergeben beispielsweise eine Spannung von 48 V und eine Stromstärke von 10 A eine Photovoltaik-Leistung von 480 Wp. Das Gleiche gilt für eine halbe Spannung von 24 V und eine doppelte Stromstärke von 20 A. Durch die unterschiedlichen Schaltungen kann die Photovoltaik-Leistung optimiert werden.
Wechselrichter
Ein Wechselrichter macht die Nutzung des erzeugten Solarstroms im Haushalt möglich. Solarstrom ist Gleichstrom, während Haushalte und das öffentliche Netz Wechselstrom verwenden.
Gleichstrom fließt in einer konstanten Richtung, während Wechselstrom seine Richtung periodisch ändert. Um den Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln, verwendet der Wechselrichter spezielle Schalter oder Generatoren, die die Flussrichtung der Elektronen regelmäßig ändern. In Europa beträgt die Frequenz dieser Richtungsänderungen 50 Hz, das heißt, sie ändern sich 50 Mal pro Sekunde.
Moderne Wechselrichter verwenden Schalter, um eine sinusförmige Welle zu erzeugen, die für empfindliche elektronische Geräte verträglich ist. Diese Schalter öffnen und schließen Leitungen im Stromfluss in schnellen Abfolgen und ändern auf diese Weise die Richtung des Stroms. Um eine gleichmäßige Sinuswelle zu erreichen, wird die Schaltfrequenz in mehrere kleine Segmente mit unterschiedlichen Stromstärken aufgeteilt.
Ein weiterer Bestandteil des Wechselrichters sind MPP-Tracker (Maximum Power Point Tracker). Sie überwachen und optimieren die Leistung der PV-Anlage, indem sie die Stromstärke und Spannung beeinflussen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Solaranlage stets nahe an ihrem maximalen Leistungspunkt arbeitet.
PV-Speicher
Wird der Strom nach der Umwandlung nicht direkt im Haushalt verbraucht, kann er entweder ins öffentliche Netz eingespeist oder in einem Stromspeicher für später gelagert werden. Der Stromspeicher ist eigentlich nichts anderes als eine große Batterie. Verwendet werden dafür moderne Lithium-Ionen-Batterien, ähnlich denen, die auch in E-Autos verbaut werden.
Beim Laden des Speichers wird die elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. Hierfür hat der Stromspeicher eine positive Elektrode (Anode), eine negative Elektrode (Kathode) und einen Elektrolyten als leitende Flüssigkeit, die die beiden Elektroden umgibt.
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Wenn die Solarmodule Strom erzeugen, bewegen sich die Elektronen durch den Elektrolyten von der Kathode zur Anode, bis diese vollständig mit Elektronen geladen ist. Die Elektronen reagieren an der Anode zu Atomen um. Der Strom liegt jetzt gespeichert in Form von chemischer Energie vor. Beim Entladen wandern die Atome wieder zurück zur Kathode und werden zurück in Elektronen umgewandelt, die als elektrischer Strom zur Verfügung stehen.
Stromspeicher können Strom nur in Form von Gleichstrom speichern. Das bedeutet, dass der Stromspeicher den Gleichstrom direkt speichern kann, bevor er umgewandelt wird. Diese Art der Stromspeicher wird DC-Seitige Speicher genannt. (DC = Direct Current / Gleichstrom).
Eine andere Möglichkeit ist es, einen Stromspeicher mit integriertem Wechselrichter zu verwenden. Der Stromspeicher wird im PV-System in diesem Fall nach dem Wechselrichter geschaltet und wandelt den Strom selbst im Speicher um und zum Verbrauch wieder zurück. Diese Speicher werden AC-seitige Speicher genannt (AC = Alternating Current / Wechselstrom).
-> Erfahren Sie mehr: PV-Speicher: AC oder DC gekoppeltes Speichersystem?
Fazit
Eine Photovoltaikanlage besteht aus verschiedenen Komponenten, die alle eine bestimmte Rolle bei der Stromerzeugung spielen. Der Prozess der Stromerzeugung beginnt mit den Solarzellen, die aus Silizium bestehen und die Photonen des Sonnenlichts in Elektronenbewegung umwandeln. Die angeregten Elektronen werden über einen elektrischen Leiter aus der oberen Schicht der Solarzellen abgeführt und über Solarkabel miteinander verbunden. Die Solarkabel leiten den Strom in den Wechselrichter, der den Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt. Anschließend fließt der Wechselstrom ins Hausstromnetz oder zum Stromspeicher.
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