Wie funktioniert Photovoltaik? Einfach erklärt.

Photovoltaik ist in Deutschland auf dem Vormarsch. Wie eine Photovoltaikanlage funktioniert und aus welchen Komponenten sie aufgebaut ist, erfahren Sie in diesem Artikel.

Wie funktioniert Photovoltaik? 

Eine Photovoltaikanlage wandelt Sonnenlicht in elektrische Energie um. Dafür werden Solarmodule genutzt, die aus Solarzellen bestehen. Das Sonnenlicht bringt die Elektronen in den Solarzellen in Bewegung und erzeugt Gleichstrom. Dieser wird vom Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt und für den Haushalt zur Verfügung gestellt. 

Die Funktionsweise einer Photovoltaikanlage ist etwas komplexer als oben beschrieben. Eine PV-Anlage besteht aus mehreren Komponenten, die essenziell für den effizienten Betrieb sind. 

Welche Komponenten werden für die Stromproduktion benötigt? 

Eine PV-Anlage besteht aus wenigen Komponenten. Die wichtigsten sind: 

• Solarmodule
• Solarkabel
• Solarzähler und Einspeisezähler
• Wechselrichter

Alternativ werden auch ein Stromspeicher und Energiemanager eingesetzt. Nachfolgend beschreiben die einzelnen Komponenten etwas ausführlicher.

Solarmodule und Solarzellen

Solarmodule enthalten Solarzellen, die Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln. Die Solarzellen sind in Reihe geschaltet, damit sich deren Spannung summiert. In der Regel besteht ein Solarmodul aus 60 oder 72 Zellen oder 120 bis 144 Halbzellen. Sie erreichen eine Leistung von 300 bis 400 Wp, wobei mittlerweile Solarmodule mit über 600 Wp auf dem Markt erhältlich sind.

Solarzellen werden überwiegend aus Silizium hergestellt. Silizium ist ein Halbleitermaterial mit photovoltaischen Eigenschaften. Wenn das Sonnenlicht auf die Solarzelle trifft, regt es die Elektronen an. Durch ihre Bewegung entsteht Strom. Es werden zwei unterschiedlich dotierte Schichten gebraucht, damit die Solarzelle Strom erzeugt:

• Die obere Schicht wird als n-dotierte Schicht bezeichnet. Sie enthält Silizium und Phosphor. Silizium hat vier gebundene Elektronen, während Phosphor fünf Elektronen hat. Dieses zusätzliche Elektron ist in der Schicht frei;
• Die untere Siliziumschicht ist mit Bor p-dotiert. Bor hat ein Elektron weniger als Silizium, wodurch ein Loch entsteht;
• Die freien Elektronen aus der n-dotierten Silizium-Phosphor-Schicht wandern in die p-dotierte Schicht und füllen die Löcher. Dadurch bildet sich eine Grenzschicht aus Boratomen mit vier Elektronen. Diese Atome werden stationär, da sie keine Löcher mehr haben;
• Durch Elektronenwanderung entstehen elektrische Pole. Wenn Elektronen abwandern, wird die obere Schicht positiv und die untere negativ aufgeladen. Sonnenlicht löst Elektronen aus Boratomen in Solarzellen. Die Elektronen werden vom positiven Pol angezogen und wandern in die obere Schicht. Dieser Prozess findet in allen Solarzellen statt, die dem Sonnenlicht ausgesetzt sind. 

Aufbau einer Solarzelle

Die angeregten Elektronen werden aus der oberen Solarzellenschicht abgeleitet. Dies geschieht über einen elektrischen Leiter, in der Regel ein Metallgitter auf der Rückseite des Solarmoduls. Wenn die Sonne scheint, werden mehr und mehr Elektronen durch die Metallkontakte geschoben und durch die Solarkabel geleitet.

Auf der Unterseite des Solarmoduls befindet sich ein Metallkontakt, der mit den Solarkabeln verbunden ist. Die Elektronen fließen durch das Kabel und tauchen in der unteren Schicht wieder auf. Indem sie in ständiger Bewegung bleiben, erzeugen sie eine elektrische Spannung. 

Solarkabel

Solarkabel verbinden die Module einer Solaranlage. Sie sind wetterfest und UV-beständig und transportieren den Strom zwischen den PV-Modulen. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, diese Kabel zu verbinden oder zu schalten. Dies hat Auswirkungen auf die Stromspannung, die Stromstärke und die Gesamtleistung:

• Bei der Reihenschaltung werden die Solarmodule in Reihe geschaltet. Das positive Kabel wird mit dem negativen Kabel verbunden. Die Spannung aller Module addiert sich, während die Stromstärke gleich bleibt. Am Ende haben das erste und das letzte Modul jeweils ein Kabel, das mit dem Wechselrichter verbunden ist. Das ist die gängigste Schaltungsart und diejenige mit den wenigsten Kabeln.
• Bei der Parallelschaltung werden negative Kabel mit negativen Kabeln und positive Kabel mit positiven Kabeln verbunden. Dadurch wird der Strom erhöht, während die Modulspannung gleich bleibt. Am Ende gibt es immer noch zwei Kabel, die mit dem Wechselrichter verbunden sind. Vorteil ist, dass die Verschattung eines Moduls keinen Einfluss auf den Stromertrag der anderen hat. Nachteilig ist die höhere Kabelverlegung und die aufwändigere Installation.

Solarzähler

Der Solarzähler misst den gesamten von der Photovoltaikanlage erzeugten Strom. Dieser ist entscheidend, um den erzeugten Ertrag und die Wirtschaftlichkeit der PV-Anlage zu ermitteln. Der Solarzähler ist auf der Gleichstromseite installiert, also vor dem Wechselrichter.

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 konstant in eine Richtung, von negativ nach positiv. Die Stärke des Stroms bleibt über die Zeit konstant;
• Bei Wechselstrom wechselt der Stromfluss regelmäßig die Richtung. Die Frequenz, gemessen in Hertz (Hz), gibt an, wie oft dieser Wechsel pro Sekunde stattfindet. In Europa arbeiten die Stromnetze mit 50 Hz, das heißt die Richtung ändert sich 50 Mal pro Sekunde. 

PV-Wechselrichter erzeugen mithilfe von ausgeklügelte Schaltkreisen eine sinusförmige Welle für elektronische Geräte. Die Schalter öffnen und schließen Stromleitungen schnell und ändern auf diese Weise die Stromrichtung. Um eine gleichmäßige Sinuswelle zu erreichen, wird die Schaltfrequenz in kleinere Segmente mit unterschiedlichen Stromstärken unterteilt.

Zur Überwachung und Optimierung von PV-Anlagen enthalten moderne Wechselrichter MPPT (Maximum Power Point Tracking). Sie beeinflussen den elektrischen Strom und die Spannung, um die Solaranlage in der Nähe ihres maximalen Leistungspunktes zu betreiben.

Stromspeicher

Aufgrund der hohen Strompreise lohnt es sich heutzutage, den überschüssigen Strom zu speichern anstatt ihn ins Netz einzuspeisen. Dafür wird ein Stromspeicher in die PV-Anlage integriert. Dieser erlaubt es, den selbst erzeugten Solarstrom außerhalb der Erzeugungszeiten zu nutzen. Das wiederum erhöht den Eigenverbrauch und die Rentabilität der Anlage.

Ein Stromspeicher besteht aus einer positiven Elektrode (Anode), einer negativen Elektrode (Kathode) und einem Elektrolyten als leitende Flüssigkeit. Der Elektrolyt umgibt die beiden Elektroden. Erzeugt die Solaranlage überschüssig Strom, bewegen sich die Elektronen durch den Elektrolyten von der Kathode zur Anode. Die Anode wird vollständig mit Elektronen geladen. An der Anode reagieren die Elektronen und bilden Atome. Somit wird überschüssiger Strom in Form von chemischer Energie gespeichert.

Bei der Entladung wandern die Atome zurück zur Kathode. Dort werden sie wieder in Elektronen umgewandelt. Die Elektronen stehen als elektrischer Strom zur Verfügung und werden in den Haushaltsstromkreis geleitet. 

Damit sich ein Stromspeicher besonders lohnt, kombinieren Sie ihn mit einem Energiemanagementsystem.

Energiemanagementsystem

Die Aufgabe eines Energiemanagers für PV-Anlagen ist es, den Eigenverbrauch von Solarstrom im Haushalt zu erhöhen und die Stromkosten zu senken. Das Energiemanagement identifiziert und nutzt Energieeinsparpotenziale. Es erfasst und analysiert Energieflüsse und -quellen, entwickelt Verbesserungsideen, bewertet die Wirtschaftlichkeit und setzt sie um. Die meisten Energiemanagementsysteme werden per App oder Software gesteuert.

Verbrauchszähler und Einspeisezähler

Schließen Sie eine PV-Anlage an das öffentliche Stromnetz an, brauchen Sie einen Verbrauchszähler und einen Einspeisezähler:

• Der Einspeisezähler misst den ins Netz eingespeisten Strom;
• Der Verbrauchszähler misst den im Haushalt verbrauchten Strom.

Der Verbrauchszähler ist meist bereits vorhanden. Der Einspeisezähler wird erst mit Inbetriebnahme der PV-Anlage installiert, sobald Sie die Anlage beim Netzbetreiber anmelden und diese von ihm freigegeben wird. Heutzutage werden meist Zweirichtungszähler eingebaut, die Verbrauchs- und Einspeisezähler zusammenführen.