Wie funktioniert eine Solaranlage?

• Wie funktioniert eine Solaranlage? Eine Solaranlage wandelt Sonnenlicht mittels des photoelektrischen Effekts in den Solarzellen direkt in elektrische Energie um. Dieser Prozess erzeugt zunächst Gleichstrom, der anschließend durch einen Wechselrichter in nutzbaren Wechselstrom für den Haushalt oder die Netzeinspeisung transformiert wird.
• Was macht der Wechselrichter? Der Wechselrichter ist eine essenzielle Komponente jeder Photovoltaikanlage, die den erzeugten Gleichstrom in netzkonformen Wechselstrom umwandelt. Ohne diese Umwandlung könnten elektrische Haushaltsgeräte die gewonnene Solarenergie nicht nutzen und eine Einspeisung in das öffentliche Stromnetz wäre technisch unmöglich.
• Was ist der Photoeffekt? Der photoelektrische Effekt beschreibt die Freisetzung von Elektronen in Halbleitermaterialien wie Silizium durch auftreffende Photonen des Sonnenlichts. Diese Bewegung der Ladungsträger innerhalb der Solarzellen erzeugt eine elektrische Spannung, welche die physikalische Grundlage für die moderne Solarenergie darstellt.
• Wofür dient ein Stromspeicher? Ein Stromspeicher optimiert den Eigenverbrauch, indem er überschüssige Energie der Photovoltaikanlage für eine spätere Nutzung zwischenspeichert. Dadurch lässt sich der selbst produzierte Solarstrom auch nachts oder bei Bewölkung effizient verwenden, was die Unabhängigkeit vom teuren Netzstrom deutlich steigert.
• Lohnt sich Photovoltaik heute? Die Installation einer Solaranlage lohnt sich durch sinkende Systempreise und steigende Stromkosten für die meisten Hausbesitzer sehr schnell. Durch die Kombination aus Eigenverbrauch und staatlicher Einspeisevergütung amortisiert sich die Investition in saubere Solarenergie meist innerhalb weniger Betriebsjahre nachhaltig.

Halbleiter verdanken ihre Bezeichnung der Eigenschaft, dass sie sich sowohl wie ein elektrischer Leiter als auch wie ein Nichtleiter verhalten können. In einer Solarzelle wird das nicht leitende Material dadurch zu einem Leiter, dass die Elektronen durch die Absorption eines Photons aus dem nicht leitenden Kristallverbund gelöst werden. Die Bewegungsenergie, die sie dabei aufnehmen, bildet den erzeugten Strom. Die Energie des Photons muss dazu in einem materialabhängigen Intervall liegen, das exakt begrenzt ist. Photonen mit zu viel oder zu wenig Energie tragen zur Stromerzeugung nicht bei. Die Energie eines Photons ist direkt proportional zu seiner Frequenz.

Daher bedeutet dies, dass der nutzbare Teil des Lichtspektrums begrenzt ist. Die Suche nach neuen Materialien, die das heute meist verwendete Silizium ersetzen sollen, wird weltweit intensiv betrieben. Im Fokus stehen dabei zwei Eigenschaften, die diese neuen Materialien aufweisen sollten. Erstens soll der nutzbare Teil des Lichtspektrums möglichst groß sein. Zweitens soll die so genannte Rekombinationsrate möglichst gering sein. Diese gibt an, wie schnell die Elektronen spontan wieder aus dem leitenden in den nicht leitenden Zustand zurückfallen. Der heute noch geringe Wirkungsgrad der organischen Photovoltaik hängt damit zusammen, dass diese Rekombinationsrate in organischen Halbleitern vergleichsweise hoch ist.

Eine Solarzelle erzeugt Gleichstrom, der vor der Nutzung oder Einspeisung ins Netz in Wechselstrom umgewandelt werden muss. Meist wird dazu nur ein Wechselrichter installiert, der den Strom aus allen Photovoltaik Modulen umwandelt. Möglich ist auch, für jedes Solarmodul der Anlage einen eigenen Wechselrichter zu nutzen. Im Prinzip wird die Photovoltaikanlage dadurch in eine Vielzahl kleiner Anlagen aufgeteilt, die unabhängig voneinander arbeiten. Das hat den großen Vorteil, dass ein schadhaftes oder im Schatten liegendes Modul die anderen nicht beeinträchtigt, was ansonsten der Fall ist. Allerdings sind die Kosten deutlich höher und die Verkabelung erheblich komplizierter. Zu finden sind auch Kompromisslösungen zwischen beiden, bei denen sich einige Module einen Wechselrichter teilen.

Nahezu alle Photovoltaikanlagen sind in Deutschland ans Stromnetz angeschlossen. Inselanlagen ohne Kontakt zum allgemeinen Stromnetz sind deutlich häufiger in Ländern anzutreffen, in denen die Photovoltaik genutzt wird, um Dörfer mit Strom zu versorgen, die nicht an die öffentliche Stromversorgung angeschlossen sind. Der Kontakt zum Stromnetz verursacht Probleme, weil das Netz die schwankende Leistung der Photovoltaik irgendwie ausgleichen muss. Inselanlagen sind heute nur dort sinnvoll, wo der erzeugte Strom ständig sofort verbraucht werden kann. Effektive Stromspeicher können das in Zukunft ändern.

Die Photovoltaik birgt noch enorme Verbesserungspotenziale. Die Herstellung von Silizium ist extrem energieaufwändig und damit teuer. Ein erstes Ziel besteht in der Entwicklung preiswerterer Materialien, die zumindest die gleiche Leistung bieten. Die Einsatzmöglichkeiten der Photovoltaik können erheblich verbreitert werden, wenn effiziente Stromspeicher zur Verfügung stehen.