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Photovoltaik – aus Sonne wird Strom

Photovoltaik
Photovoltaik © electriceye, fotolia.com

Eine Solarzelle ist ein kleines Wunder der Technik: Um Strom zu produzieren, benötigt sie nichts weiter als Sonnenstrahlen, die auf sie hinabscheinen. Dies liegt zum einen am Material, aus dem sie hergestellt ist, und zum anderen am so genannten Dember-Effekt. Dieses physikalische Gesetz besagt, dass eine elektrische Spannung entsteht, sobald ein Halbleiter mit Licht beschienen wird. Genau das ist bei einer Photovoltaik-Zelle der Fall: Sie wird in der Regel aus Silizium hergestellt – einem Halbleitermaterial. Die in den Strahlen der Sonne enthaltenen Photonen lösen aus diesem Material Elektronen heraus, die als elektrische Energie nutzbar sind. Die elektrische Gleichspannung, die dabei entsteht, hat eine Stärke von etwa 1,4 Volt. Die produzierte Energiemenge steigt mit der Stärke der Sonnenstrahlung, die auf die Solarzellen scheint.

Verschiedene Arten von Solarzellen

Solarzelle ist nicht gleich Solarzelle. Wie bei den meisten Technologien, gibt es auch in diesem Bereich unterschiedliche Herstellungsarten. Bei den Zellen, die aus Silizium produziert werden, lassen sich drei verschiedene Varianten unterscheiden:

  • Monokristalline Zellen: Dieser Typ der Solarzelle erzielt den höchsten Wirkungsgrad. Allerdings wird für die Herstellung auch die größte Energiemenge benötigt.
  • Polykristalline Zellen: In der Herstellung sind polykristalline Zellen kostengünstig, bleiben allerdings hinter der Leistung von monokristallinen Zellen zurück. Dennoch haben polykristalline Zellen den größten Anteil an der Verwendung in Photovoltaik-Modulen
  • Amorphe Zellen: Dieser Zelltyp wird im Dünnschichtverfahren hergestellt, allerdings ist der Wirkungsgrad im Sonnenlicht vergleichsweise gering. Amorphe Zellen kommen vor allem in Kleinanwendungen, zum Beispiel bei Taschenrechnern und Uhren zum Einsatz.
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Viele Zellen, ein Modul – der Aufbau einer Photovoltaikanlage

Eine Solarzelle macht noch keine Photovoltaikanlage. Um Sonnenenergie wirtschaftlich zu nutzen, ist ein komplexes, aufeinander abgestimmtes System notwendig. Die grundlegenden Bestandteile einer Photovoltaikanlage sind:

  • Solarmodule
  • Einspeise- und/oder Verbrauchszähler
  • Wechselrichter

In den bläulich schimmernden Solarmodulen, die inzwischen mehr und mehr das Landschaftsbild prägen, sind die einzelnen Solarzellen zu Einheiten hintereinandergeschaltet. Sie erbringen daher eine deutlich größere Spannung als die einzelne Zelle. Rund 8 bis 10 Quadratmeter Modulfläche sind notwendig, um ein Kilowatt Nennleistung zu erzielen. Die Anlage bringt dann jährlich einen Ertrag von etwa 80 bis 110 Kilowattstunden pro Quadratmeter.

Der Strom kann entweder ins öffentliche Versorgungsnetz eingespeist oder selbst verbraucht werden. Die produzierte Strommenge wird vom Einspeise- oder Verbrauchszähler erfasst.

Bevor eine Nutzung möglich wird, ist allerdings noch ein entscheidender Zwischenschritt zu leisten: Durch Photovoltaik wird Gleichstrom erzeugt. Das deutsche Stromnetz und auch faktisch alle Verbrauchsgeräte werden allerdings mit Wechselstrom betrieben. Es ist also eine Umwandlung von der Gleich- in die Wechselspannung notwendig. Diese wichtige Aufgabe übernimmt der so genannte Wechselrichter.

Selbst nutzen oder einspeisen – was tun mit dem erzeugten Strom?

Die Installation von Photovoltaik-Anlagen war lange Zeit als Geldanlage auf die reine Stromproduktion und -einspeisung ausgerichtet. Die durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) festgelegte Förderung wurde eingerechnet und die Anlage auf einen bestimmten Gewinn angelegt. Der erzeugte Strom wurde komplett gegen eine Einspeisevergütung, die dank des EEG deutlich über dem Preis für eine Kilowattstunde konventionell erzeugten Stroms lag, in das Versorgungsnetz geleitet. Die Förderung über das EEG gibt es heute nach wie vor, aufgrund der sinkenden Preise der Photovoltaik-Anlagen wird sie allerdings immer weiter reduziert. Trotzdem ist der Ansatz einer Photovoltaik-Anlage als Investment immer noch wirtschaftlich.

In Zeiten steigender Strompreise gewinnt allerdings neben der reinen Einspeisung der erzeugten Energie der Eigenverbrauch zunehmend an Bedeutung. Die Idee dahinter: Je mehr Strom des eigenen Bedarfs aus eigener Produktion stammt, desto weniger muss teuer von einem Energieversorger hinzugekauft werden. Diese Denkweise unterstützt auch das EEG seit 2009, indem es den selbst genutzten Strom ebenfalls fördert. Für den Anlagenbesitzer bedeutet der Eigenverbrauch mehr Unabhängigkeit von der preislichen Entwicklung, die auf dem Strommarkt stattfindet.

Clevere Energiespeicherung für beste Ausbeute

Im Zuge der Eigennutzung hat sich in den vergangenen Jahren eine Menge auf dem Gebiet der modernen Speichertechnologie getan. Heute lassen sich clevere Batteriesysteme in die Gesamtanlage einbinden, die den an sonnigen Tagen erzeugten Strom eine gewisse Zeit speichern können. Sie funktionieren nach demselben Prinzip wie ein Akku, nur in einem deutlich größeren Maßstab. So steht der Solarstrom auch in den Nachtstunden zur Verfügung, wenn die Stromerzeugung durch die natürlichen Bedingungen unterbrochen ist. Das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) hat berechnet, dass ein Haushalt durch den Einbau eines lokalen Batteriespeichers den Bezug des Stroms aus der öffentlichen Versorgung um bis zu 60 Prozent verringern kann. Mit Energiespeicher lässt sich der Anteil des selbst erzeugten Stroms mehr als verdoppeln. Damit ist die bestmögliche Ersparnis bei der eigenen Stromrechnung sichergestellt.

Solarer Strom als Treibstoff fürs Auto

Solar erzeugter Strom lässt sich auch weit über die eigenen vier Wände hinaus einsetzen. Denkbar ist beispielsweise, dass ein elektrisch betriebenes Auto in den Zeiten hoher Stromproduktion durch die Solarmodule auf dem Dach aufgeladen wird. Das Potenzial dieser Verknüpfung von dezentraler solarer Energieerzeugung und dem Alltag wird aktuell erforscht.

Tipp: Hier finden Sie ausführliche Informationen zur Photovoltaik

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