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Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage?

Photovoltaik, kurz PV, nennt man die Umwandlung von Licht in Strom. Sie basiert auf dem fotoelektrischen – auch photovoltaischen – Effekt, bei dem bestimmte Materialien Sonnenlicht in Energie umwandeln. Die blau- oder schwarzglänzenden Solarmodule auf den Dächern von Häusern, Supermärkten oder Betrieben, die diese Aufgabe übernehmen, sind heute fester Bestandteil der Landschaft geworden. Dieser Artikel widmet sich daher der Funktion von Solarzellen und Photovoltaikanlagen.

Ein einfaches Photovoltaik-Modul ist etwa anderthalb Meter lang und einen Meter breit und besteht aus vielen einzelnen Solarzellen. Jede Solarzelle ist, je nach Bauart, zwischen 10 und 15 cm groß. Sie werden in Reihe aneinander geschaltet, so dass gängige Photovoltaik-Module heute eine Leistung von bis zu 250 bis 300 Watt erzeugen können.

Eine weitere wichtige Größe ist der Wirkungsgrad. Er gibt an, wie viel Licht in Energie umgewandelt werden kann. Solarzellen sind dabei mittlerweile so hochwertig, dass sie auch bei schlechtem Wetter Wirkung zeigen. Das heißt, dass die PV-Anlage selbst bei Regen noch Strom produzieren kann. Dennoch ist die Zeit von Frühling bis Herbst die reguläre Hochsaison für die Energieerzeugung.

Die Strommenge schwankt aber nicht nur nach Jahres-, sondern auch nach Tageszeit. Sie ist von Vormittag bis Nachmittag am größten, also dann, wenn gewöhnlich am wenigsten Energie gebraucht wird. Der Solarstrom muss also zwischengespeichert oder in das Stromnetz eingespeist werden.

Neben dem Wirkungsgrad der Solarzellen entscheiden zudem die Sonnenstunden am Standort der Anlage und ihre Ausrichtung über den Ertrag.

Zu Zeiten der Volleinspeisung war die Südausrichtung das Maß aller Dinge, da sich so die höchsten Erträge erzielen ließen. Beim Eigenverbrauch erweisen sich auch Ost-West Dächer als gute Ausrichtung. Denn sie erzeugen genau dann den meisten Strom, wenn der Verbrauch in den Haushalten für gewöhnlich am höchsten ist – am Morgen und am Spätnachmittag oder Abend.

Eine Solaranlage erzeugt erst einmal Gleichstrom (DC für direct current). Zur Nutzung dieser Energie wird ein Wechselrichter benötigt, der Gleichstrom aus der Solaranlage in Wechselstrom (AC für alternating current) für das Haus umwandelt. Dieser Strom kann dann direkt selbst verbraucht oder in das Stromnetz eingespeist werden.

Für die Speicherung des Solarstroms gibt es zwei Möglichkeiten. Ist der Speicher direkt an die PV-Anlage angeschlossen, kann er direkt mit Gleichstrom geladen werden. Für den Hausverbrauch muss der Gleichstrom dann in Wechselstrom umgewandelt werden. Ist der Speicher nicht direkt an die PV-Anlage angeschlossen, sondern an den PV-Wechselrichter, dann muss er den Wechselstrom wieder in Gleichstrom wandeln, um seine Batterie zu laden. Beide Systeme haben ihre individuellen Vorteile. Während ein DC-System effizienter speichern kann und häufig etwas günstiger ist, sind AC-Systeme flexibler und können an PV-Anlagen jeder Größe sowie an Windkraftanlagen oder Mikro-BHKWs angeschlossen werden.