Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage?
Komponenten einer Komplettanlage
Erfahren Sie, wie eine Photovoltaikanlage funktioniert und welche Komponenten zu einer Komplettanlage gehören. Außerdem: Welche neuen Technologien gibt es? Ein Überblick.
Das erfahren Sie in diesem Artikel:
Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage?
Eine Photovoltaikanlage wandelt die Energie der Sonne in Strom um. Damit werden Hausbesitzer von Stromverbrauchern zu Stromerzeugern. Das schont nicht nur das Haushaltsbudget, sondern auch die Umwelt.
Solarzellen bestehen aus Halbleiterelementen, die das auftreffende Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln. Der dabei entstehende Gleichstrom wird anschließend in Wechselstrom transformiert, um ihn im Haushalt nutzen oder in das öffentliche Stromnetz einspeisen zu können. Die theoretisch mögliche Leistung einer Photovoltaikanlage wird in kWp (Kilowatt peak) angegeben.
Abhängig von der Region und den örtlichen Gegebenheiten lassen sich mit einer 1 kWp-Anlage im Jahr etwa 800 bis 1.000 kWh Solarstrom ernten. Die dafür benötigte Fläche hängt von der Art der Solarzellen ab und liegt in der Regel zwischen 6 und 8 m² pro kWp. Entscheidend für den tatsächlichen Ertrag sind vor allem Einflussfaktoren wie die Ausrichtung, die verwendete Anlagentechnik und die Sonnenscheindauer am Standort der Photovoltaikanlage.
Die Erzeugung von Strom aus Sonnenlicht beruht auf dem sogenannten photovoltaischen oder photoelektrischen Effekt. Dieser spielt sich in den meisten Fällen auf dem Dach ab, denn hier lässt sich die Sonnenstrahlung am besten einfangen. Trifft das Sonnenlicht auf die Halbleiterwerkstoffe in einer Solarzelle, werden Elektronen angeregt, sodass sie sich bewegen. Die Bewegungsenergie erzeugt Strom. Je mehr die Sonne scheint, desto mehr Solarstrom wird erzeugt.
Eine anschauliche Erklärung liefert dieses Video (Länge: 1:41 Min).
Monokristallin oder polykristallin - der Wirkungsgrad von Solarzellen
Das Halbleitermaterial Silizium ist der wichtigste Bestandteil einer Solarzelle. Je nach Anordnung der Siliziumkristalle spricht man von monokristallinen und polykristallinen Zellen.
Der Wirkungsgrad beträgt bei monokristallinen Solarzellen (unter Laborbedingungen) rund 20 Prozent. Das heißt, dass 20 Prozent der auf die Zelle treffenden Solarstrahlung in elektrische Energie umgewandelt wird. Die etwas günstigeren polykristallinen Zellen bringen es auf rund 15 Prozent.
Funktionsweise einer Solarzelle
Photovoltaik: Wird bei Regen, Bewölkung oder Schnee noch Strom erzeugt?
Photovoltaikanlagen produzieren auch bei bewölktem Himmel Strom - allerdings deutlich weniger als bei blauem Himmel. Nur wenn Schnee die PV-Module bedeckt, kann gar kein Strom mehr produziert werden. Die PV-Module sind jedoch so beschichtet, dass der Schnee normalerweise an ihnen hinabgleitet.
Einzelne Solarzellen sind bei Photovoltaik-Modulen in Reihe zusammengeschaltet. Über Stromkabel wird der Strom weiter ins Haus transportiert. Doch bevor der Strom im Haushalt verwendet werden kann, muss er umgewandelt werden.
Solarstrom ist zunächst einmal Gleichstrom. Da aus der Steckdose Wechselstrom kommt, benötigt jede Photovoltaik-Anlage einen Wechselrichter, um den Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln.
Weitere Komponenten einer Anlage sind ein Netzanschluss zur Einspeisung sowie optional eine Batterie zur Speicherung von Überschussstrom.
Was ist der Unterschied zwischen Solarenergie, Solarthermie und Photovoltaik?
- Solarenergie wird aus Licht bzw. der Strahlung der Sonne gewonnen - das kann sowohl Wärme als auch elektrischer Strom sein.
- Photovoltaik erzeugt Strom,
- Solarthermie produziert Wärme, die zum Heizen verwendet wird.
In diesem Artikel zeigen wir die Unterschiede genauer auf und erklären, wann sich Solarthermie lohnt und wann Photovoltaik. Zum Artikel: Solarthermie oder Photovoltaik? »
Komponenten einer Photovoltaikanlage
Jede Photovoltaikanlage besteht aus den folgenden Komponenten:
- Solarmodule (in der Regel auf dem Dach) zur Erzeugung des Solarstroms
- ein Wechselrichter, der den erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt
- ein Energiemanager verteilt den Strom. Der Strom kann sofort für den Eigenverbrauch im Haushalt genutzt werden. Überschüssiger Strom wird an die Batterie (optional) geleitet oder ins öffentliche Stromnetz eingespeist. Auch ein E-Mobil lässt sich gut mit einer PV-Anlage kombinieren.
- Bei der Einspeisung ins öffentliche Stromnetz sorgt ein Zähler dafür, dass die Einspeisevergütung für den Solarstrom korrekt abgerechnet wird.
- Ein Stromspeicher, also eine Batterie, kann ergänzt werden, um überschüssig produzierten Strom zwischenzuspeichern.
Stromspeicher - ja oder nein?
Stromspeicher werden häufig mit Photovoltaikanlagen kombiniert.Die Kombination einer Photovoltaikanlage mit einem Stromspeicher ist aber nicht zwingend notwendig. Unser Artikel beantwortet die Frage: Wann lohnt sich ein Stromspeicher, wann lohnt er sich nicht?
Aufbaumöglichkeiten: Indach- oder Aufdach-System
Soll die Photovoltaik aufs Dach, hat der Hausbesitzer die Wahl zwischen Indach- und Aufdach-Systemen. Die Entscheidung fällt zwischen unkomplizierter Montage und ästhetischen Ansprüchen.
Aufdach-System
Das Aufdach-System sollte auf ein intaktes Dach montiert werden, da es große Flächen abdeckt. Die Solarmodule werden auf einem Schienensystem befestigt, das aus horizontal, vertikal oder kreuzförmig verlegten Schienen besteht. Die Schienen selbst sind mittels Sparrenhaken am Dach verankert. Spezielle Haken können auch die Neigung der Module beeinflussen, wenn das Dach zu flach ist.
Der Fachhandel bietet inzwischen auch Dachziegel mit integrierten Befestigungen für die Schienen an. Wichtig bei der Montage der Photovoltaikanlage ist ein ausreichender Abstand zum Rand des Daches, damit keine Windsogwirkung entsteht. Aufdach-Systeme sind in der Regel einfacher zu installieren und preiswerter als Indach-Systeme.
Indach-System
Beim Indach-System werden die Solarmodule anstelle der Dacheindeckung in das Dach integriert. Im Gegensatz zu Aufdach-Systemen ragen sie nicht über die Dachoberfläche hinaus. Dadurch entsteht nicht nur eine harmonische Dachoptik, die Module bieten bei starkem Wind oder Stürmen auch keine Angriffsfläche. Für einen sicheren Regenwasserschutz sorgt eine entsprechende Unterkonstruktion. Wenn sich die Module an der Unterseite zu sehr erwärmen, verringert sich die Stromausbeute. Dem entgegen wirken ebenfalls in der Unterkonstruktion eingebaute Lüftungsschlitze.
Wieviel kostet eine komplette Photovoltaikanlage?
Einen Marktüberblick über die aktuellen Preise für Photovoltaikanlagen sowie eine Beispielkalkulation mit allen Kosten finden Sie auf der Website der Wüstenrot Bausparkasse.
Zum Ratgeber: Photovoltaikanlage Kosten »
Neue Technologien fürs Eigenheim
Organische Solarzellen
Sogenannte organische Solarzellen können in sehr dünnen Schichten aufgebracht werden. Im Unterschied zu herkömmlichen Solarzellen bestehen sie aus Kohlenwasserstoff-Verbindungen (Kunststoffen) und nicht aus Silizium.
Bei einem Pilotprojekt in Frankfurt wurden jetzt PV-Module entwickelt, die in die Wärmedämmung integriert werden können.
PV-Anlagen für die Steckdose
Seit 2018 ist in Deutschland die Installation sogenannter Balkonkraftwerke erlaubt. Diese Solarmodule für die Steckdose sind kleine, steckerfertig gelieferte Photovoltaikanlagen, mit denen auf einfache Weise selbst Strom erzeugt werden kann.
