Aufbau und Funktionsweise von Photovoltaik-Anlagen

Wie funktioniert Photovoltaik?

Photovoltaik bezeichnet die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in Strom. Möglich wird dies durch Solarzellen, die aus zwei Halbleiterschichten bestehen (in der Regel aus Silizium). Bei Lichteinfall werden im Halbleiter negative und positive Ladungsträger freigesetzt. Es kommt zu einer Spannung zwischen den Metallkontakten an der Ober- und Unterseite der Zellen. Wird dieser Kreis geschlossen, fließt ein Gleichstrom. Viele Solarzellen zusammen bilden – in Module integriert – das Kernstück der Photovoltaik-Anlage, den Photovoltaik-Generator. Ein Wechselrichter wandelt den Gleichstrom in Wechselstrom um, der im Haushalt genutzt oder ins Stromnetz eingespeist werden kann.

Welche Bauteile umfasst eine PV-Anlage?

Für eine Solaranlage werden in der Regel aus mehrere Solarmodule zusammengeschaltet. Diese Module sind auf spezielle Unterkonstruktionen montiert. Der Anschluss an einen Wechselrichter ist erforderlich, um den Gleichstrom in netzkonformen Wechselstrom umzuwandeln. Oftmals sind diese bereits mit einem Monitoringsystem gekoppelt, worüber die Anlagenleistung überwacht werden kann. Wird Strom, der nicht vor Ort verbraucht wird, in das öffentliche Netz eingespeist, wird dies über einen Zweirichtungszähler erfasst. Anderenfalls kann der überschüssige Strom in einen Batteriespeicher fließen.

Welche Arten von PV-Anlagen gibt es?

Grundsätzlich müssen zwei Anlagentypen unterschieden werden: Zum einen so genannte Inselanlagen, bei denen Solarbatterien den erzeugten und nicht sofort benötigten Strom speichern. Solche Photovoltaik-Anlagen kommen in stromnetzfernen Gebieten, z.B. auf Inseln oder in Berghütten zum Einsatz. Zum anderen netzgekoppelte Anlagen, bei denen das normale Stromnetz als Speicher dient: Nicht direkt benötigter Strom wird in das Netz eingespeist. Dieser Anlagentyp ist in Deutschland am weitesten verbreitet.

Man unterscheidet weiterhin nach der Art der Einspeisung. Volleinspeiseanlagen geben den produzierten Strom in Gänze direkt ins Stromnetz ab und erhalten dafür eine Vergütung. Eigenverbrauchsanlagen, wie sie auf Wohngebäuden heute üblich sind, liefern den erzeugten Strom vorrangig in den eigenen Haushalt.
Aus wirtschaftlichen und energiepolitischen Gründen ist es am sinnvollsten, wenn der PV-Strom vom eigenen Dach auch selber verbraucht wird. Dann muss weniger Strom vom Energieversorger eingekauft werden. Bei tendenziell steigenden Strompreisen kann das die Stromrechnung erheblich entlasten. Wie viel des erzeugten Solarstroms selber genutzt werden kann, hängt vom eigenen Stromverbrauch und auch von der Auslegung der Anlage ab. Der Strom, der nicht selbst verbraucht wird, wird in das öffentliche Netz eingespeist und mit der Einspeisevergütung vergütet. Um weniger Strom in das Netz einzuspeisen und somit den Eigenverbrauch zu erhöhen, kann über die Installation eines Speichers nachgedacht werden.

Was für unterschiedliche Arten von PV-Modulen gibt es?

Auf dem Markt vorhandene Modultypen unterscheiden sich vor allem in den eingesetzten Halbleitermaterialien der Solarzellen oder spezieller Technologien. Am weitesten verbreitet ist die kristalline Siliziumsolarzelle. Silizium wird aus Quarzsanden hergestellt. Diese werden überwiegend aus Lockersedimenten gewonnen und stehen praktisch unbegrenzt zur Verfügung. Andere Halbleitermaterialen sind das amorphe Silizium (a-Si), Kupfer und Indium, Gallium und Selen oder Schwefel (CIS, CIGS) sowie Cadmiumtellurid (CdTe). Die unterschiedlichen Modultypen unterscheiden sich insbesondere im Modulwirkungsgrad. Der Modulwirkungsgrad gibt das prozentuale Verhältnis von elektrischer Leistungsabgabe eines Moduls zur Leistung des eingestrahlten Lichts unter Standardtestbedingungen an und liegt je nach Modulart zwischen 7-20 %.