Strom ist ein kostbares Gut, das erfahren wir jedes Jahr spätestens bei der Nebenkostenabrechnung, wenn saftige Nachzahlungen auf uns zukommen. Meist wird Strom heutzutage noch in großen Kraftwerken mit Hilfe von Kohle, Erdgas oder Erdöl erzeugt. Diese Rohstoffe sind nicht nur endlich, sondern bei ihrer Verbrennung entsteht auch das umweltschädliche CO2. Die Suche nach Alternativen aus regenerativen Rohstoffen ist bereits voll im Gange und ein wichtiges Standbein ist bereits die Sonnenenergie. Auf vielen Dächern sieht man bereits Solaranlagen in der Sonne glitzern. Dabei handelt es sich entweder um die Kollektoren einer Solarthermie zur Warmwassererzeugung oder die Solarmodule einer Photovoltaik-Anlage zur Stromerzeugung. In diesem Beitrag soll es um die Funktionsweise einer Photovoltaik-Anlage (kurz PV-Anlage) gehen.

Photovoltaik-Anlage

Viele Module werden zu einer Solaranlage

Wie bereits erwähnt, besteht eine Solaranlage aus mehreren Solarmodulen. In einem Solarmodul sind wiederum ganz viele Solarzellen in Kunststoff eingebettet. Zum Schutz der Zellen ist das Solarmodul mit einer Glasscheibe abgeschlossen. Diese muss so beschaffen sein, dass sie auch durch größere Hagelkörner nicht zerbricht. Damit das Sonnenlicht möglichst stark absorbiert wird, ist die Rückseite des Solarmoduls dunkel beschichtet.

Funktionsweise einer Photovoltaikanlage

Funktionsweise einer Photovoltaikanlage

Das absorbierte Sonnenlicht wird in der Solarzelle zu Strom umgewandelt. Dabei handelt es sich um eine chemische Reaktion. Nun war Chemie keine Stärke von mir in der Schule, doch möchte ich trotzdem versuchen zu erklären, was genau passiert. Chemiker können sich gerne melden, sollte etwas nicht stimmen.

So wird aus Sonne Strom

Damit eine chemische Reaktion und die Umwandlung von Sonnenlicht in Strom stattfinden kann, besteht eine Solarzelle aus zwei unterschiedlich aufgeladenen Schichten Silizium. Bei der negativ aufgeladenen Schicht spricht der Fachmann von n-dotiert, die positiv aufgeladene Siliziumschicht wird hingegen als p-dotiert bezeichnet. Der chemische Prozess und damit die Stromerzeugung wird durch den Einfall des Sonnenlichts gestartet.

Treffen die Sonnenstrahlen (die Photonen) auf die Elektronen, werden diese in einen höheren Energiezustand versetzt. Die Elektronen verlassen daraufhin ihre Positionen im Kristallgitter und wandern durch die Grenzschicht in Richtung des negativ aufgeladenen Gebiets. Sie werden richtiggehend dorthin gezogen. Sie Elektronen gelangen zum Frontkontakt an der Oberseite der Solarzelle und es fließt Strom.

Selbst auf einem alten Fachwerkhaus lässt sich eine Photovoltaikanlage montieren

Selbst auf einem alten Fachwerkhaus lässt sich eine Photovoltaikanlage montieren

Im Wechselrichter wird Gleichstrom zu Wechselstrom

Der in der Solarzelle produzierte Strom ist allerdings noch nicht der, der bei uns aus der Leitung kommt – also ein Wechselstrom. Der sogenannte Gleichstrom muss daher zunächst einmal umgewandelt werden, damit er von uns zum Staubsaugen, Rasieren oder für den Computer genutzt werden kann. Die Umwandlung von Gleich- zu Wechselstrom geschieht im Wechselrichter, der quasi das Herz eine Photovoltaik-Anlage darstellt.

Nun gibt es nicht für jede Solarzelle einen eigenen Wechselrichter, der Gleichstrom wird daher zunächst an der Gleichstrom-Hauptschaltung gesammelt. Hier summiert sich der Gleichstrom der in Reihe geschalteten Solarzellen auf und gelangt anschließend zum Wechselrichter, der eigentlich Netzeinspeisegerät (NEG) heißt. Das Gerät wandelt nicht nur den Strom um, sondern regelt auch Strom und Spannung so, dass die Anlage besonders leistungsfähig ist.

Montage eine PV-Anlage im Zeitraffer

Grundsätzlich wird zwischen drei Arten von Wechselrichtern unterschieden. Neben Modulwechselrichtern gibt es noch Strangwechselrichter und Zentralwechselrichter. Bei netzgekoppelten PV-Anlagen kommen am häufigsten Strangwechselrichter zum Einsatz. Dies liegt vor allem daran, dass sie am unkompliziertesten sind, da pro Anlage nur ein Wechselrichter benötigt wird.

Der Strom aus sämtlichen Modulen, die hierfür in Reihe geschaltet werden müssen, läuft beim Strangwechselrichter zusammen. Es wird letztlich also nur ein Kabel benötigt. Nachteil dieses Systems ist, dass die Leistung der gesamten Anlage bereits beeinträchtigt wird, sobald ein Schatten auf eines der Module fällt.

Wenn jedes Modul seinen eigenen Wechselrichter besitzt

Besteht die Gefahr der partiellen Verschattung, kommen die Modulwechselrichter ins Spiel. Die heißen so, weil hier jedes Modul seinen eigenen Wechselrichter besitzt. Die Module können in diesem Fall parallel geschaltet werden, so dass ein Schatten auf einem der Module nicht mehr so stark ins Gewicht fällt. Der Ertrag einer PV-Anlage mit Wechselrichtern ist also höher.

Da allerdings der Installationsaufwand bedeutend höher ist, wird meist auf Strangwechselrichter zurückgegriffen. Zentralwechselrichter kommen im Privatbereich hingegen kaum zum Einsatz. Diese lohnen sich nur bei großen Anlagen mit einer Leistung von über 100 kWp. Die Leistung einer Anlage auf einem Einfamilienhaus beträgt in der Regel jedoch eher 10 Prozent dessen.

Stromertrag einer Photovoltaikanlage

Bei einer Dachfläche zwischen 80 und 100 Quadratmetern sind 10 kW-PV-Anlagen realistisch. Wie groß der Stromertrag einer solchen Anlage genau ist, lässt sich nicht exakt sagen, da er von verschiedenen Faktoren abhängt. So scheint die Sonne zum Beispiel in Deutschland nicht überall gleich oft und gleich stark. Der Standort ist also ein Punkt, der bei der Berechnung des Stromertrags eine Rolle spielt.

Kosten der Photovoltaik werden immer geringer

Kosten der Photovoltaik werden immer geringer

Weitere Faktoren sind die Ausrichtung und der Neigungswinkel der Solarmodule. Optimal ist es, wenn die Module nach Süden ausgerichtet sind und einen Neigungswinkel von 30 Grad besitzen. In diesem Fall ist der optimale Ertrag zu erwarten – sofern kein Schatten auf die Module fällt. Über den Daumen gepeilt kann man sagen, dass bei einer 10 kW-Anlage eine Solarernte von 9.000 bis 12.000 kWh möglich ist. Das ist zwei- bis dreimal soviel, wie ein Vier-Personen-Haushalt im Jahr durchschnittlich benötigt.

Fotos: KfW-Bildarchiv / Thomas Klewar

Grafiken: Agentur für Erneuerbare Energien