Die Nutzung erneuerbarer Energien gewinnt in unserer Gesellschaft zunehmend an Bedeutung. Nicht erst wegen des neuen Plans der Regierung, ab 2024 möglichst keine herkömmlichen Öl- und Gasheizungen zur Wärmegewinnung zuzulassen. Denn die Geschichte der Photovoltaik reicht bereits bis ins Jahr 1839 zurück. In diesem Jahr entdeckte der französische Physiker Alexandre Edmond Becquerel den photoelektrischen Effekt. Doch die weitere Erforschung maßgeblich vorangetrieben hat Albert Einstein. Dafür wurde er sogar 1921 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Mit den Jahren entwickelte sich das System immer weiter. So wurden Photovoltaikzellen in den 1960er und 1970er-Jahren vor allem in der Raumfahrt eingesetzt. Doch ein Umdenken in der Energieversorgung setzte erst mit der Ölkrise von 1973/74 und den Nuklearunfällen von Harrisburg und Tschernobyl ein.
Damit begann die Zeit der intensiven Erforschung von Photovoltaik. Seither wächst die weltweit installierte Leistung stetig an und trägt zunehmend zur nachhaltigen Energieversorgung bei. Auf immer mehr Dächern sind Solarplatten zu finden. So waren im März 2022 insgesamt 2,2 Millionen Photovoltaikanlagen auf deutschen Dächern und Grundstücken installiert. Ein Grund mehr, sich einmal die Funktionsweise von Photovoltaikanlagen anzusehen.
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Technische Grundlagen einer Photovoltaikanlage
Die Funktionsweise der Photovoltaik basiert auf dem photoelektrischen Effekt des Lichts. Dazu musst du erst einmal wissen, dass Licht aus Photonen besteht. Die auch als Lichtteilchen oder Lichtquant bezeichneten Photonen haben zwar keine Masse. Dafür aber jede Menge Energie. Treffen die geladenen Photonen dann auf Metall oder anderes leitendes Material (etwa Halbleiter), werden die Elektronen aus ihnen herausgelöst und können sich somit frei bewegen. Das ist der photoelektrische Effekt.
Vom photoelektrischen Effekt bis zum Strom
Je nach Solarzelle ist die genaue Funktionsweise etwas unterschiedlich – dennoch aber ähnlich. Am einfachsten lässt sie sich jedoch an Siliziumzellen einer Photovoltaik-Anlage erklären. Das Besondere am Silizium ist, dass es sich hierbei um einen Halbleiter handelt. Halbleiter wiederum sind Materialien, mit einer besonderen chemischen Struktur. Diese erlaubt es ihnen, unter bestimmten Bedingungen Strom zu leiten oder zu blockieren. Die Leitfähigkeit eines Halbleiters kann durch Dotierung mit bestimmten Fremdatomen gezielt verändert werden. Statt Silizium können auch andere Elemente verwendet werden, etwa Zinn, Gallium, Tellur, Indium, Arsen, Kupfer, Cadmium oder Germanium.
- Die obere Siliziumschicht der Solarzelle einer Photovoltaikanlage wird mit Elektronendonatoren (beispielsweise Phosphoratome) durchsetzt.
- Dadurch werden zusätzliche, frei bewegliche Elektronen, hinzugefügt.
- Die darunterliegende Schicht hingegen wird mit Elektronenakzeptoren, sogenannten Empfängern, durchsetzt.
- Durch das auftreffende Sonnenlicht wird eine Elektronenbewegung zwischen den unterschiedlich behandelten Siliziumschichten ausgelöst.
- Dadurch entsteht zwischen den beiden Schichten ein Feld mit elektrischer Ladung.
- Um die Spannung aus der Photovoltaikanlage heraus zu transportieren, sind in allen Solarmodulen zusätzlich kleine Drähte verbaut.
Damit diese den Strom aber auch aus der Anlage vom Dach herausleiten können, sind zusätzlich weitere Komponenten erforderlich:
- Das Solarkabel
- Der Wechselrichter
- Der passende Stromzähler
Bestandteile einer Photovoltaikanlage und ihre Funktion
Wesentlich am Stromfluss beteiligt ist das Solarkabel.
Das Solarkabel
Das Solarkabel sorgt für die Ausleitung des erzeugten Solarstroms aus den Solarmodulen hin zum Wechselrichter. Diese Kabel müssen wegen der starken Beanspruchung sehr robust sein. Nicht nur UV-beständig, auch witterungsbeständig. Damit die Übertragungsverluste der Sonnenenergie von den Solarmodulen hin zum Wechselrichter nicht zu groß sind, achtet der Solarteur bei der Installation auf eine möglichst kurze Kabellänge und einen großen Querschnitt.
Übrigens: Solarteur ist die Bezeichnung für die Fachhandwerker zur Photovoltaikanlageninstallation. Nur Elektroinstallateure mit abgeschlossener Zusatzqualifikation sind zur Installation, Inbetriebnahme und Wartung der Photovoltaikanlagen befugt.
Wechselrichter Funktionsweise
Über das Solarkabel gelangt der Strom zum Wechselrichter. Ohne dieses kleine Gerät würde keine Solaranlage funktionieren. Denn beim gewonnenen Sonnenstrom handelt es sich um Gleichstrom (DC). Doch sämtliche Haushaltsgeräte arbeiten mit 50 Hz Wechselstrom (AC). Deswegen muss der Solarstrom zunächst umgewandelt werden. Dafür nutzt der Wechselrichter die Pulsweitenmodulation (PWM). Generell steht der gewonnene Wechselstrom danach sofort zur Verfügung. Ist ein Speichersystem verbaut, kann ungenutzter Strom für den späteren Verbrauch darin eingespeist werden. Ohne diesen Zwischenspeicher fließt der überschüssige Strom direkt in das öffentliche Erzeugernetzwerk.
Auch der Wechselrichter besitzt zahlreiche Schutzfunktionen. Neben einem Überspannungsschutz und einer automatischen Abschaltung sind das auch Überwachungsfunktionen für die Spannung, den Strom und die Temperatur.
Der richtige Stromzähler
Zur korrekten Funktionsweise einer Photovoltaikanlage muss ein passender Stromzähler installiert sein. Hier überprüft der Elektriker, ob bei dir ein Zähler mit Rücklaufsperre, ein digitaler Zähler oder ein alter Ferraris-Zähler im Sicherungskasten sitzt. Letzterer muss vor der Inbetriebnahme einer Solaranlage zwingend ausgetauscht werden. Denn die alten Drehscheibenzähler würden beim Einspeisen von Solarenergie in das öffentliche Stromnetz rückwärtslaufen. Am Ende hättest du dann weniger Energie verbraucht, als in Wahrheit der Fall ist. Für gewöhnlich werden daher Smart Meter (intelligente Stromzähler) verbaut.
Zum Schluss noch eine kleine Begriffserklärung: Solarthermie oder Photovoltaik – wo liegt der Unterschied?
Oftmals wird im Zusammenhang mit Photovoltaik auch der Begriff Solarthermie verwendet. Doch hierbei handelt es sich um zwei unterschiedliche Dinge.
Solarthermie steht für die Umwandlung von Sonnenenergie in Wärme. Also thermisch nutzbare Energie zum Duschen oder Heizen.
Photovoltaik bezeichnet die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom.
Daher muss zwischen zwei Arten von Solaranlagen differenziert werden:
- Solarthermieanlagen zur Gewinnung von Wärme
- Photovoltaikanlagen zur Stromerzeugung
