Wie funktioniert Photovoltaik?
Aufbau und Funktion einer Photovoltaikanlage

Was ist Photovoltaik?

Photovoltaik bezieht sich auf die Technologie, die Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umwandelt. Diese Technologie nutzt Solarzellen, auch Photovoltaikzellen genannt, um Licht in Strom umzuwandeln. Wenn Sonnenlicht auf diese Solarzellen trifft, erzeugen sie durch den sogenannten photovoltaischen Effekt eine elektrische Spannung. Diese Spannung kann dann genutzt werden, um elektrische Geräte zu betreiben, Haushalte mit Strom zu versorgen oder überschüssige Energie in das öffentliche Stromnetz einzuspeisen.

Photovoltaikanlagen können in verschiedenen Skalen installiert werden, von kleinen Solarmodulen auf Wohnhäusern bis hin zu großen Solarkraftwerken, die Hunderte oder sogar Tausende von Megawatt an Strom erzeugen können. Die Technologie hat sich im Laufe der Jahre weiterentwickelt und ist zu einer wichtigen Quelle für erneuerbare Energie geworden, da sie keine Treibhausgasemissionen verursacht und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringert.

Was ist der Unterschied zwischen Solar und Photovoltaik?

"Solar" und "Photovoltaik" werden oft synonym verwendet, aber es gibt einen subtilen Unterschied zwischen den Begriffen.

"Solar" bezieht sich allgemein auf alles, was mit der Nutzung von Sonnenenergie zu tun hat. Dies schließt verschiedene Technologien ein, die Sonnenlicht nutzen, um Wärme oder Strom zu erzeugen. Dies könnte die Nutzung von Sonnenkollektoren zur Erzeugung von Wärme für Heizung oder Warmwasser sein, aber auch die Nutzung von Photovoltaikzellen zur direkten Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie.

"Photovoltaik" hingegen ist eine spezifische Technologie. Es bezieht sich auf die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie mithilfe von Solarzellen, die auch als Photovoltaikzellen bezeichnet werden. Der Prozess der Photovoltaik umfasst die direkte Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie durch den photovoltaischen Effekt in diesen Zellen.

Und welche Art der Anlage wird mehr genutzt? Bei einer Umfrage zu der Frage "Welche Art von Solaranlage nutzen Sie?" kam folgendes Ergebnis raus:

Wie ist eine Photovoltaikanlage aufgebaut?

Eine Photovoltaikanlage besteht aus mehreren Komponenten, die zusammenarbeiten, um Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln. Hier ist der Aufbau einer typischen Photovoltaikanlage:

• Photovoltaikmodule/Solarzellen: Dies sind die Kernkomponenten der Anlage. Sie bestehen aus vielen Solarzellen, die aus Halbleitermaterialien wie Silizium hergestellt werden. Wenn Sonnenlicht auf die Solarzellen trifft, erzeugen sie Gleichstrom (DC) durch den photovoltaischen Effekt.
• Wechselrichter: Der erzeugte Gleichstrom (DC) aus den Solarzellen wird an den Wechselrichter weitergeleitet. Der Wechselrichter wandelt den Gleichstrom in Wechselstrom (AC) um, der im Allgemeinen in Haushalten und im Stromnetz verwendet wird.
• Verkabelung und Schutzvorrichtungen: Kabel und Leitungen verbinden die Solarzellen, Module und den Wechselrichter miteinander. Sicherheitsvorrichtungen wie Sicherungen und Schutzschalter sind ebenfalls in die Verkabelung integriert, um die Anlage vor Überlastung oder Kurzschlüssen zu schützen.
• Zähler und Steuerungssystem: Ein Stromzähler wird verwendet, um die erzeugte elektrische Energie zu messen. Ein Steuerungssystem kann ebenfalls vorhanden sein, um die Leistung der Anlage zu überwachen und zu optimieren.
• Batteriespeicher (optional): Batteriespeicher können in die Anlage integriert werden, um überschüssige Energie zu speichern, die während sonniger Zeiten erzeugt wird. Diese gespeicherte Energie kann dann genutzt werden, wenn die Sonneneinstrahlung geringer ist. Auf diese Weise kann die Eigenversorgung auf bis zu 80% gesteigert werden.
• Energiemanagement (optional): Für eine optimierte Nutzung der Sonnenenergie besteht die Möglichkeit, ein System zu nutzen, womit die Nutzung der Solarenergie gesteuert werden kann.

Der Aufbau einer Photovoltaikanlage kann je nach Größe, Standort und Anforderungen variieren. Wie die Komponenten im Einzelnen funktionieren, erklären wir jetzt.

Wie ist ein Solarmodul aufgebaut?

Ein Solarmodul, auch Photovoltaikmodul genannt, besteht aus mehreren Schichten und Komponenten.

1. Schicht = Schutzglas: Die oberste Schicht des Solarmoduls ist in der Regel eine Schicht aus gehärtetem Glas. Dieses Glas schützt die inneren Komponenten vor Witterungseinflüssen, Staub und anderen Umwelteinflüssen.
2. Schicht = EVA-Folie (Ethylen-Vinylacetat): Unterhalb des Schutzglases befindet sich eine EVA-Folie. Diese Folie dient als Klebstoff und Haftmittel, das die verschiedenen Schichten des Moduls zusammenhält und gleichzeitig das eindringende Licht schützt.
3. Schicht = Solarzellen: Die eigentlichen Solarzellen sind in Reihen oder Matrixanordnungen auf der EVA-Folie platziert. Diese Solarzellen bestehen aus Halbleitermaterialien, meist Silizium, das in Schichten aufgebaut ist, um den photovoltaischen Effekt zu erzeugen. Ein Solarmodul besteht aus mehreren Solarzellen.
4. Schicht = Rückseitenfolie: Unter den Solarzellen befindet sich eine Rückseitenfolie, die als Schutzschicht dient und die Solarmodule vor Feuchtigkeit und anderen äußeren Einflüssen schützt.
5. Schicht = Rückseitenabdeckung: Die Rückseitenabdeckung besteht oft aus Kunststoff oder einem anderen Material, das die Module vor Feuchtigkeit auf der Rückseite schützt und zusätzliche Isolation bietet.

Optional kann ein Aluminiumrahmen um das gesamte Modul herum angebracht sein, um zusätzliche Stabilität und Schutz zu bieten. Dieser Rahmen erleichtert auch die Montage der Module auf Dächern oder anderen Oberflächen.

Außerdem ist für eine reibungslose Funktionalität die Verkabelung wichtig. Die Solarzellen sind miteinander und mit den Anschlusskabeln verbunden, die den erzeugten Gleichstrom aus dem Modul ableiten.

Wie funktioniert eine Solarzelle?

Um den photoelektrischen Effekt zu erzielen, bedarf es eines genauen Aufbau einer Solarzelle. Bei dem Aufbau spielt der Halbleiter Silizium, welches aus Quarzsand gewonnen wird, eine entscheidende Rolle.

1. Schicht: Metallkontakt
2. Schicht: die n-dotierte Siliziumschicht ist negativ aufgeladen. Das liegt an der Beimischung von Phosphor. Die Elektronen sind frei.
3. Schicht: Zwischen den elektrisch aufgeladenen Schicht ist die Übergangsschicht, oder auch die Grenzschicht. Man spricht auch vom p-n-Übergang, einem elektrischen Feld ohne freie Ladungsträger.
4. Schicht: Durch die Beimischung von Bor entsteht eine positiv geladene Schicht, die p-dotierte Schicht. Hier fehlen die Elektronen.
5. Schicht: Metallkontakt.

Wir können uns eine Zelle wie ein Sandwich zwischen zwei Metallkontakten vorstellen. Mit dem Sonnenlicht treffen mikroskopisch kleine Energieträger, Photonen, auf die Solarzelle. Diese sorgen für den Effekt, dass die negativ geladenen Elektronen aus oberen Schicht von den positiv geladenen aus der unteren Schicht angezogen werden. Die Grenzschicht verhindert jedoch ein Aufeinandertreffen. Über Verkabelungen bewegen sich die negativ geladenen Teilchen untere Schicht und die positiv geladenen in die obere Schicht. Dadurch entsteht ein geschlossener Stromkreis.

Die dadurch entstandene Spannung beinhaltet gerade einmal 0,5 Volt. Aus diesem Grund werden zwischen 40 und 70 Solarzellen zu einem großen Solarmodul zusammengeschlossen.

Welche Solarzellen-Arten gibt es?

Monokristalline Solarzellen: sie bestehen aus reinem Silizium ,was in der Herstellung sehr aufwändig ist, allerdings mit einer hervorragenden Effektivität belohnt wird. Der Wirkungsgrad liegt bei bis zu 22% .

Polykristalline Solarzellen: Sie bestehen aus unterschiedlich großen Siliziumkristallen, was ihren Wirkungsgrad minimal hemmt. Durch geringere Anschaffungskosten und einem vergleichsweise moderaten Wirkungsgrad von 20%, sind diese nicht weniger zu empfehlen

Was macht der Wechselrichter?

Der Wechselrichter ist das Herzstück einer Photovoltaikanlage, da er eine entscheidende Rolle bei der Umwandlung des erzeugten Gleichstroms (DC) aus den Solarzellen in Wechselstrom (AC) spielt, der in Haushalten und im Stromnetz verwendet wird.

Der Wechselrichter hat folgende Hauptaufgaben:

• Gleichstrom-Umwandeln: Die Solarzellen erzeugen Gleichstrom (DC) als Ergebnis des photovoltaischen Effekts. Da die meisten elektrischen Geräte und das öffentliche Stromnetz jedoch mit Wechselstrom (AC) arbeiten, muss der erzeugte Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt werden, um ihn nutzbar zu machen.
• Synchronisierung mit dem Netz: Falls die Photovoltaikanlage mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden ist, muss der erzeugte Wechselstrom so synchronisiert werden, dass er im Einklang mit der Netzspannung und -frequenz steht. Der Wechselrichter sorgt dafür, dass der eingespeiste Strom nahtlos ins Netz integriert wird.
• Maximierung der Energieausbeute: Ein fortschrittlicher Wechselrichter kann die erzeugte Energie optimieren, indem er die maximale Leistungspunktverfolgung (MPPT) verwendet. Dies bedeutet, dass der Wechselrichter die Spannung und den Strom aus den Solarzellen kontinuierlich überwacht und anpasst, um die maximale Energieausbeute unter den aktuellen Lichtverhältnissen zu gewährleisten.
• Überwachung und Kommunikation: Moderne Wechselrichter verfügen oft über Überwachungs- und Kommunikationsfunktionen. Sie können Informationen wie die erzeugte Energie, Leistungsdaten und Fehlerzustände erfassen und an den Anlagenbesitzer oder Installateur senden, um die Leistung der Anlage zu überwachen und eventuelle Probleme zu identifizieren.
• Sicherheitsfunktionen: Wechselrichter sind mit Sicherheitsfunktionen ausgestattet, um die Anlage vor Überlastung, Kurzschlüssen und anderen Störungen zu schützen, da Stromnetze ein sehr sensibles System sind. Damit die Anlage reibungslos funktioniert und keine Schäden entstehen, sollte eine konstante Frequenz von 50 Hertz. vorhanden sein.

Für das Herzstück einer Anlage zahlt man einen angemessenen Preis. Die Kosten eines Wechselrichters belaufen sich bei ca. 10-15% der Gesamtkosten der Photovoltaikanlage. Je mehr Watt eine Anlage produziert, desto günstiger wird der Wechselrichter im Verhältnis. Bei einer Anlage mit 1-5 kWp belaufen sich die durchschnittlichen Kosten bei 240€. Bei einer Anlage mit 15-30 kWp bei 100€.

Wie funktioniert das Energiemanagementsystem?

Ein EnMS sorgt dafür, dass der Strom innerhalb der Photovoltaikanlage möglichst effizient genutzt wird. Um dies zu gewährleisten verfügt es über mehrere Steuermöglichkeiten:

• Überwachung des Systems und der einzelnen Geräte
• Optimierung der Energieeffizienz und des Stromverbrauchs
• Kontrolle und visuelle Darstellung für das digitale Interface

Es verfügt z.B. über die Intelligenz, die Smart Home Geräte, die im Standby Modus sind, bei Nichtbenutzung auszuschalten. Durch diese Fähigkeit können Haushalte mit einem EnMS die Eigenverbrauchsquote von Solarstrom um bis zu 20% steigern. Auf diese Weise können Haushalte ihre Stromkosten noch weiter senken. Dies ist sinnvoll, da die Einspeisevergütung geringer ist, als der zu zahlende Betrag für die Nutzung des Stroms aus dem öffentlichen Netz.

Welche Vor- und Nachteile hat eine Photovoltaikanlage?

Eine Solaranlage bringt mehrere Vorteile mit sich. In erster Linie nutzt die Solaranlage das Sonnenlicht als Energiequelle und ist somit ein Mittel zur umweltfreundlichen Energiegewinnung. Wem es am Herzen liegt, einen Beitrag zum Umweltschutz zu leisten, kann dies mit der Installation einer Solaranlage tun. Sie bringt allerdings noch weitere Vorteile aber auch Nachteile mit sich:

Durch die steigenden Stromkosten und die sinkenden Anschaffungskosten einer Photovoltaikanlage, wird die Kostenersparnis bei den Strompreisen jährlich steigen.

Steigert eine Photovoltaikanlage den Wert meiner Immobilie?

Eine Photovoltaikanlage hat mehrere Einflüsse auf den Wert einer Immobilie. In der Regel handelt es sich jedoch um einen positiven Einfluss. In Fachkreisen geht man davon aus, dass eine Photovoltaikanlage den Wert einer Immobilie um 5-7% steigert. Um welches Ausmaßes des Wertzuwachs es sich handelt ist von mehreren Faktoren abhängig:

Wirtschaftlichkeit einer Anlage Je größer die Anlage, desto mehr Strom wird produziert, desto mehr Stromkosten können eingespart werden. Dies bedeutet im Umkehrschluss, dass der Wertzuwachs größer ist, je größer die Photovoltaikanlage ist. Außerdem ist eine Anlage wirtschaftlich gesehen mehr wert, wenn sie sich schon amortisiert hat.

Alter der Anlage Je älter die Anlage, desto geringer der Wertzuwachs, da sie eine kürzere Lebensdauer hat. Für eine maximale Wertsteigerung sollte sich die Anlage gerade amortisiert haben, also ca. nach 2-5 Jahren.

Optik der Anlage Eine aufgeräumte und ordentlich angeordnete Solaranlage auf dem Dach wird die Käufer weniger abschrecken, als eine chaotische Anlage. Lassen Sie sich in diesem Fall von Fachmenschen beraten.

Wie plane ich die Installation einer Photovoltaikanlage?

Die Installation einer PV-Anlage sollte durchdacht sein. Die Leistungsfähigkeit einer Photovoltaikanlage hängt maßgeblich davon ab, wie gut die Planung vorab durchgeführt wurde. Für eine optimierte Installation ist es ratsam, einen Fachmann für die Beratung hinzuzuziehen. Vor dem Bau einer Anlage gilt es folgende Dinge zu planen:

• Die Finanzierung: Informieren Sie sich, welche Förderungen Sie in Anspruch nehmen können. Achten Sie beim Kauf darauf, dass sich die Anlage nach spätestens 10 Jahren amortisiert hat.
• Größe der Anlage: Die Dachgröße gibt die Anlagengröße vor. Es sollte eine Mindestgröße von 5 kWp installiert werden.
• Stromverbrauch: Gehen Sie die Stromrechnungen der letzten Jahre durch und schätzen auf diese Weise Ihren Eigenverbrauch.
• Steuern: Planen Sie eine Anlage ab Januar 2023, sollten Sie sich mit den neuen Steuerregeln der EEG-Novelle befassen.
• Ausrichtung: Die Ausrichtung und Neigung einer Solaranlage ist entscheidend für die Produktivität. Ein südliche Ausrichtung und ein Neigungswinkel von 30° sind optimale Voraussetzungen. Achten Sie jedoch darauf, dass ein überhitztes Solarmodul an Produktivität verliert.

FAZIT - Photovoltaik die Zukunft des grünen Stroms

Der fortschreitende Klimawandel trägt dazu bei, dass die Forschung sich immer mehr auf erneuerbare Energien konzentriert. Forschung und Entwicklung konzentrieren sich darauf, die Effizienz von Solarzellen weiter zu verbessern. Fortschritte in der Technologie führen zu Solarzellen, die mehr Sonnenlicht in Strom umwandeln können, wie z.B. Perowskit-Solarzellen oder flexible organische Solarzellen.

Durch verbesserte Herstellungsprozesse und die hohe Nachfrage, sind die Kosten für Solarmodule in den letzten Jahren stark gesunken und werden vermutlich weiterhin sinken. Im Gegenzug werden die Energiepreise weiter ansteigen. Dies macht Solarenergie wettbewerbsfähiger und für eine breitere Bevölkerungsschicht zugänglich.

Durch neue gesetzliche Regelunge, welche die Hürden für die Installation einer Photovoltaikanlage senken, sowie Steuervorteile und neue Förderungen, wird die Solarenergie eine immer wichtigere Rolle ind er globalen Energieversorgung spielen und zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen führen.