Wie funktionieren Photovoltaikanlagen?

Wie funktionieren Photovoltaikanlagen?

Die Nutzung von Solarenergie durch Photovoltaikanlagen gewinnt zunehmend an Bedeutung, sowohl für private Haushalte als auch für Unternehmen. Angesichts steigender Energiepreise und des wachsenden Bewusstseins für Umweltschutz bieten Photovoltaikanlagen eine attraktive Möglichkeit, nachhaltig und kosteneffizient Strom zu erzeugen. In diesem Artikel erfährst du alles Wichtige über die Funktionsweise von Photovoltaikanlagen, die technischen Grundlagen, den Unterschied zwischen Photovoltaik und Solarthermie sowie zwischen AC- und DC-Anlagen. Zudem erhältst du einen Einblick in den Aufbau und die Wartung der Anlagen und lernst die neuesten Technologien und Innovationen in der Photovoltaik kennen.

Technische Grundlagen der Photovoltaik

Photovoltaikanlagen nutzen das Prinzip der Photovoltaik, um Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Dies geschieht durch den sogenannten photovoltaischen Effekt, der in Halbleitermaterialien auftritt. Wenn Photonen (Lichtteilchen) auf ein Halbleitermaterial wie Silizium treffen, übertragen sie ihre Energie auf die Elektronen im Material. Diese Elektronen werden dadurch angeregt und erzeugen elektrische Spannung und Strom.

Der grundlegende Baustein einer Photovoltaikanlage ist die Solarzelle. Solarzellen bestehen aus dünnen Scheiben aus Halbleitermaterialien, meist Silizium, die in der Lage sind, Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln. Eine einzelne Solarzelle erzeugt eine relativ geringe Spannung (typischerweise etwa 0,5 Volt), daher werden viele Zellen in Serie geschaltet, um eine höhere Spannung und Leistung zu erreichen. Diese in Serie geschalteten Solarzellen werden zu Solarmodulen oder Solarpaneelen zusammengefasst.

Unterschied zwischen Photovoltaik und Solarthermie

Es ist wichtig, zwischen Photovoltaik (PV) und Solarthermie zu unterscheiden, da beide Technologien Sonnenenergie nutzen, aber auf unterschiedliche Weise und für unterschiedliche Zwecke.

Photovoltaik: Photovoltaikanlagen wandeln Sonnenlicht direkt in elektrische Energie um. Diese elektrische Energie kann entweder sofort genutzt, in Batterien gespeichert oder ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Die Hauptkomponenten einer PV-Anlage sind Solarmodule, Wechselrichter und Montagesysteme.

Solarthermie: Solarthermieanlagen nutzen die Wärme der Sonne, um Wasser oder eine andere Flüssigkeit zu erhitzen. Diese Wärme kann dann direkt für Heizzwecke, Warmwasserbereitung oder zur Unterstützung von Heizsystemen genutzt werden. Solarthermieanlagen bestehen aus Sonnenkollektoren, die die Sonnenwärme einfangen und an eine Flüssigkeit weitergeben, sowie einem Speicher, in dem die erhitzte Flüssigkeit gespeichert wird.

Während Photovoltaik für die Stromerzeugung genutzt wird, dient Solarthermie primär der Wärmegewinnung. Beide Technologien ergänzen sich jedoch gut und können in einem Haushalt parallel genutzt werden.

Unterschied zwischen AC- und DC-Anlagen

Ein weiterer wichtiger Unterschied bei Photovoltaikanlagen liegt in der Art des erzeugten und genutzten Stroms. Es gibt Anlagen, die auf Gleichstrom (DC) basieren, und solche, die Wechselstrom (AC) nutzen.

Gleichstrom (DC):

• Erzeugung: Solarmodule erzeugen zunächst Gleichstrom.
• Nutzung: DC-Anlagen führen in den Solarkabel Hochspannung. Diese Kabel werden in der Regel bis ins Haus geführt und erst dort wird der Gleichstrom von einem zentralen Wechselrichter in Wechselstrom 230 V umgewandet.
• Speicherung: DC-Strom kann mit dem richtigen Wechselrichtertyp direkt in Batterien gespeichert werden, Heimspeicher verwenden grundsätzlich Gleichstrom, Du sparst den Umwandlungsprozess.

Wechselstrom (AC):

• Erzeugung: Der von den Solarmodulen erzeugte Gleichstrom wird sofort auf dem Dach durch Mikrowechselrichter in 230 Volt umgewandelt.
• Nutzung: AC-Anlagen führen eben keine gefährliche Hochspannung bis ins Haus, sondern liefern direkt 230V zu Deinen Stromverbrauchern, sie fangen früher an Strom zu produzieren und hören später damit auf.
• Speicherung: Die notwendige Umwandlung von AC zu DC verursacht einen geringfügigen Energieverlust, wenn Du einen Batteriespeicher beladen willst, aber die Flexibilität und Kompatibilität mit bestehenden Stromnetzen und Geräten machen diesen Nachteil wett. Man schätzt den Verlust durch Umwandlung auf ca. 2%.

Die Hauptvorteile von AC-Anlagen sind immens. Sie sind beim Thema Brandschutz vorne, produzieren in vielen Fällen mehr Strom, kennen keine Probleme mit Verschattung und Du kannst vor alle, jederzeit jedes Modul einzeln überwachen und weißt was Deine Anlage treibt. Welche Anlage in deinem Fall am meisten Sinn ergibt, können wir dir nach einem Beratungsgespräch sagen.

Aufbau und Funktionsweise einer Photovoltaikanlage

Eine typische Photovoltaikanlage besteht aus mehreren Hauptkomponenten:

1. Solarmodule: Die Module bestehen aus vielen Solarzellen, die das Sonnenlicht einfangen und in Gleichstrom (DC) umwandeln. Die Module sind in der Regel auf dem Dach eines Hauses oder Gebäudes montiert, können aber auch auf dem Boden oder an Fassaden installiert werden.
2. Wechselrichter: Der Gleichstrom, der von den Solarmodulen erzeugt wird, muss in Wechselstrom (AC) umgewandelt werden, bevor er in deinem Haushalt verwendet oder ins Stromnetz eingespeist werden kann. Der Wechselrichter übernimmt diese Aufgabe und sorgt dafür, dass der Strom die richtige Spannung und Frequenz hat.
3. Montagesysteme: Diese Systeme sorgen dafür, dass die Solarmodule sicher und optimal ausgerichtet auf deinem Dach oder einer anderen Struktur installiert sind. Das Montagesystem muss robust und witterungsbeständig sein, um die Lebensdauer der Anlage zu gewährleisten. Es ist das Rückgrat Deiner Dachanlage.
4. Verkabelung und Schutzgeräte: Die Verkabelung verbindet die Solarmodule mit dem Wechselrichter und von dort aus weiter zu deinem Stromnetz. Schutzgeräte wie Sicherungen und Überspannungsschutz sorgen dafür, dass die Anlage sicher und vorschriftsgemäß betrieben werden kann.
5. Batteriespeicher (optional): Ein Batteriespeicher ermöglicht es dir, überschüssigen Strom, der tagsüber erzeugt wird, zu speichern und bei Bedarf, beispielsweise nachts oder an bewölkten Tagen, zu nutzen.

Die Funktionsweise einer Photovoltaikanlage lässt sich in wenigen Schritten zusammenfassen:

• Sonnenlicht trifft auf die Solarmodule: Die Photonen im Sonnenlicht treffen auf die Solarzellen und regen die Elektronen im Halbleitermaterial an, was zur Erzeugung von elektrischem Strom führt.
• Erzeugung von Gleichstrom: Der erzeugte Strom ist Gleichstrom (DC), der durch die Verkabelung zum Wechselrichter geleitet wird.
• Umwandlung in Wechselstrom: Der Wechselrichter wandelt den Gleichstrom in Wechselstrom (AC) um, der in deinem Haushalt genutzt werden kann.
• Nutzung oder Einspeisung: Der erzeugte Wechselstrom kann entweder direkt in deinem Haushalt genutzt, in einem Batteriespeicher gespeichert oder ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden.

Wartung und Lebensdauer von Solarmodulen

Solarmodule sind im Allgemeinen sehr wartungsarm und haben eine lange Lebensdauer. Hier sind einige Aspekte, die du zur Wartung und Langlebigkeit deiner Solaranlage beachten solltest:

1. Regelmäßige Inspektion: Mindestens einmal im Jahr solltest du eine visuelle Inspektion deiner Solarmodule durchführen lassen, um sicherzustellen, dass keine sichtbaren Schäden oder Verschmutzungen vorliegen.
2. Reinigung: Solarmodule sollten sauber gehalten werden, um eine optimale Leistung zu gewährleisten. Staub, Laub und Vogelkot können die Effizienz der Module beeinträchtigen. In der Regel reicht es, die Module nach Herstellervorschrift ein- bis zweimal im Jahr zu reinigen, je nach Standort und Umweltbedingungen.
3. Überwachung der Leistung: Moderne PV-Anlagen sind oft mit Monitoring-Systemen ausgestattet, die es dir ermöglichen, die Leistung der Anlage in Echtzeit zu überwachen. Unregelmäßigkeiten können vor allem bei den AC-Anlagen mit Mikrowechselrichtern so schnell erkannt und behoben werden.
4. Wechselrichter-Wartung: Der Wechselrichter ist ein wesentlicher Bestandteil der Anlage und sollte regelmäßig überprüft werden. In der Regel hat ein Wechselrichter eine Lebensdauer von etwa 10-15 Jahren und muss möglicherweise einmal während der Lebensdauer der Solaranlage ausgetauscht werden.
5. Langfristige Effizienz: Solarmodule verlieren über die Jahre etwas an Effizienz, typischerweise etwa 0,5-1% pro Jahr. Nach 20-25 Jahren haben sie immer noch etwa 80-90% ihrer ursprünglichen Leistung. Den Vorgang nennt man Degradation.

Durch regelmäßige Wartung und Pflege kannst du die Lebensdauer deiner Solaranlage maximieren und sicherstellen, dass sie über viele Jahre hinweg zuverlässig Strom produziert.

Moderne Technologien und Innovationen in der Photovoltaik

Die Photovoltaik-Technologie entwickelt sich ständig weiter. Hier sind einige der neuesten Innovationen, die die Effizienz und Anwendbarkeit von PV-Anlagen verbessern:

1. Bi-faziale Solarmodule: Diese Module können Sonnenlicht von beiden Seiten aufnehmen, was ihre Effizienz erhöht. Sie sind besonders nützlich in Installationen, wo reflektiertes Licht von Oberflächen wie Wasser oder Schnee genutzt werden kann.
2. Perowskit-Solarzellen: Diese neue Art von Solarzellen verspricht hohe Effizienz zu geringeren Kosten. Sie befinden sich noch in der Entwicklungsphase, haben aber das Potenzial, die Photovoltaik-Technologie revolutionär zu verändern.
3. Hocheffiziente monokristalline Module: Diese Module bieten eine höhere Energieausbeute pro Fläche und sind besonders geeignet für Installationen mit begrenztem Platz.
4. Integrierte Solaranlagen: Solaranlagen werden zunehmend in Gebäudestrukturen integriert, wie beispielsweise Solardachziegel oder Fassadenpaneele. Diese ästhetisch ansprechenden Lösungen bieten eine platzsparende Möglichkeit, Solarenergie zu nutzen. Hier kann die notwendige Hinterlüftung zum Thema werden.
5. Smart-Home-Integration: Moderne PV-Anlagen können in Smart-Home-Systeme integriert werden oder bieten eigene Software dafür an, um den Energie-verbrauch zu optimieren. Mit intelligenten Steuerungssystemen kannst du den Energiefluss in deinem Haushalt effizient verwalten und an deinen Bedarf anpassen.
6. Speichertechnologien: Fortschritte in der Batterietechnologie, insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien, machen es möglich, Solarstrom zu speichern und bei Bedarf zu nutzen. Dies verbessert die Unabhängigkeit von der Stromversorgung und erhöht die Nutzung des selbst erzeugten Stroms, verteuer aber die eigenen Stromproduktionskosten.

Fazit

Photovoltaikanlagen bieten eine nachhaltige und wirtschaftlich attraktive Möglichkeit, erneuerbare Energie zu nutzen. Mit dem Verständnis der technischen Grundlagen, der Unterscheidung zwischen Photovoltaik und Solarthermie sowie zwischen AC- und DC-Anlagen, kannst du informierte Entscheidungen treffen. Berücksichtige auch die Wartungsaspekte und die neuesten technologischen Entwicklungen, um die bestmögliche Leistung und Langlebigkeit deiner Solaranlage zu gewährleisten. Da es für den "Otto Normalverbraucher" unmöglich ist, alle Faktoren richtig zu bewerten, empfehlen wir grundsätzlich, dass du dich beraten lässt, damit du das meiste aus deiner Anlage rausholst, ohne Fehler zu begehen, die im Nachgang eventuell einiges Kosten. Schließlich ist eine PV-Anlage eine langfristige Investition die du triffst. Wir können dir gerne dabei helfen.