Wie funktioniert Photovoltaik?

Photovoltaik sind eine der Schlüsseltechnologien für die Energiewende. Sie erzeugen aus Sonne Strom. Doch wie genau passiert das eigentlich?

Grundprinzip und Funktionsweise von PV-Anlagen

Photovoltaik (PV) ist der Prozess, bei dem Sonnenlicht in elektrische Energie umgewandelt wird. Dies geschieht durch Solarzellen, die meistens aus einem Halbleitermaterial wie Silizium bestehen. Wenn Sonnenlicht auf eine Solarzelle trifft, werden Elektronen im Material angeregt und beginnen sich zu bewegen – das führt zu elektrischem Strom.

Dieser erzeugte Strom ist zunächst Gleichstrom. Um ihn im Haushalt nutzen zu können, muss er durch einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt werden. Wer mehr Strom produziert als verbraucht, kann den Überschuss ins Netz einspeisen.

Aufbau einer Solaranlage

Eine Photovoltaikanlage besteht aus mehreren Hauptkomponenten:

Solarzellen: Solarzellen bestehen aus mehreren Schichten, darunter eine positive und eine negative Halbleiterschicht, die zusammen ein elektrisches Feld erzeugen. Dieses Feld sorgt dafür, dass die Elektronen in eine bestimmte Richtung fließen können. Vereinfacht gesagt, wird so aus der Sonnenenergie Strom. Solarzellen sind mit einer sogenannten Antireflexschicht ausgestattet. Diese sorgt dafür, dass möglichst viel Sonnenlicht in die Zelle eindringen kann, anstatt reflektiert zu werden.

Module: Mehrere Solarzellen sind zu einem Modul zusammengefasst. Dies vergrößert die Fläche, sorgt für Stabilität und ermöglicht es, mehr Sonnenenergie zu sammeln. Selbst wenn ein Teil des Moduls abgeschattet ist, kann der Rest weiterhin Strom produzieren.

Wechselrichter: Der Wechselrichter wandelt den von den Solarzellen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um, damit er in Haushalten und Betrieben genutzt werden kann. Dies ist notwendig, da die meisten Haushaltsgeräte mit Wechselstrom betrieben werden.

Zähler: Der Zähler misst, wie viel Strom von der PV-Anlage erzeugt und wie viel verbraucht wird. Dadurch kann der Eigenverbrauch des Stroms sowie der eingespeiste Strom ins öffentliche Netz überwacht werden.

Größe und Leistung von Solaranlagen

Photovoltaikanlagen gibt es in verschiedenen Größen und Leistungsstufen. Kleinere Anlagen haben in der Regel eine Leistung zwischen 3 und 10 kWp (Kilowatt Peak). Die Maßeinheit Kilowatt Peak gibt die maximale Leistung einer Solaranlage an. Anlagen mit dieser Leistung sind oft auf Einfamilienhäusern zu finden.

Größere Anlagen auf Firmengebäuden oder Freiflächen können eine Leistung von mehreren hundert kWp bis zu mehreren MWp (Megawatt Peak) erreichen. Die Größe und Leistung hängen vom Energiebedarf und der verfügbaren Fläche ab.

Balkonkraftwerk vs. große PV-Anlage

Balkonkraftwerke funktionieren ähnlich wie große PV-Anlagen, sind jedoch viel kleiner und einfacher zu installieren. Sie verwenden die gleiche Technologie beim Umwandeln des Sonnenlichts in Strom. Ein Vorteil von Balkonkraftwerken: Sie haben meist einen integrierten Wechselrichter, um den erzeugten Gleichstrom direkt in Wechselstrom umzuwandeln. So können die kleinen Solaranlagen direkt an eine Steckdose angeschlossen werden. Balkonkraftwerke decken in der Regel nur den Eigenverbrauch eines Haushalts teilweise ab.

Arten von Photovoltaikanlagen

Netzgekoppelte PV-Anlagen:

• Einspeiseanlagen: Diese Anlagen sind an das öffentliche Stromnetz angeschlossen und speisen den erzeugten Strom, der nicht im Eigenverbrauch genutzt wird, ins Netz ein. Dafür erhält man eine Vergütung. Meist sind das zwischen 8 und 13 Cent pro Kilowattstunde, abhängig von gesetzlichen Regelungen und Tarifen. Solche Anlagen findet man oft auf Hausdächern, Firmengebäuden oder landwirtschaftlichen Betrieben.
• Nulleinspeiseanlagen: Bei der Nulleinspeiseanlage wird der erzeugte Strom nicht in das Stromnetz eingespeist, sondern komplett vom eigenen Haushalt genutzt. Die Anlage ist aber trotzdem an das Stromnetz angeschlossen und kann im Fall der Fälle Strom aus dem Netz beziehen. Die Anlage eignet sich in der Regel nur für Haushalte mit einem sehr hohen Stromverbrauch. Zu einer Nullspeiseanlage sollte auch ein Batteriespeicher installiert werden.

Netzunabhängige PV-Anlagen:

• Inselanlagen: Inselanlagen sind nicht an das öffentliche Stromnetz angeschlossen. Sie funktionieren unabhängig und eignen sich besonders für abgelegene Orte wie Ferienhäuser, Berghütten oder landwirtschaftliche Geräte, die weit weg vom Stromnetz betrieben werden.

Batteriespeicher bei PV-Anlagen

Batteriespeicher sind eine lohnenswerte Ergänzung zu PV-Anlagen, da sie überschüssigen Solarstrom speichern. So kann man den selbst erzeugten Strom auch dann nutzen, wenn die Sonne gerade nicht scheint – zum Beispiel abends oder an bewölkten Tagen. Das führt zu niedrigeren Stromkosten und einer größeren Unabhängigkeit vom Netz. Typische Batteriespeicher sind Lithium-Ionen-Batterien, die eine hohe Speicherkapazität haben und langlebig sind.