Wie funktioniert eine Solaranlage?

Immer häufiger nutzen Menschen die Solarenergie um Energiekosten einzusparen und die Umwelt zu entlasten. Doch wie funktioniert eine solche Solaranlage eigentlich? Die Funktion von Photovoltaikanlage ist grundsätzlich gleich, egal ob eine kleine Solaranlage auf dem Einfamilienhaus oder eine Industrieanlage. Im Prinzip funktioniert eine netzgekoppelte Photovoltaik Solaranlage ganz einfach: Während Licht auf die Solarzellen fällt, erzeugen diese daraus Gleichstrom. Die einzelnen Solarzellen sind zu größeren Solarmodulen verschaltet. Die einzelnen Solarmodule sind wiederum zum Solargenerator zusammengeschaltet. Der erzeugte Gleichstrom wird mithilfe des Wechselrichters zu Wechselstrom umgewandelt. Dank der Umwandlung kann der Wechselstrom direkt ins öffentliche oder privat genutzte Stromnetz eingespeist werden und so entweder die eigenen Stromkosten gesenkt werden.

Wie funktioniert die einzelne Solarzelle einer Photovoltaik Solaranlage?

Nahezu 95 Prozent aller Solarzellen werden aus dem Quarzsand Silizium (Si) hergestellt. Silizium (Si) stellt eins der häufigsten natürlichen in der Erdschicht vorhandenen Elemente dar. Silizium gilt als unerschöpflich. Um aus dem Quarzsand – natürlicher Ursprung von Silizium – eine Siliziumscheibe zu formen muss der Quarzsand zunächst gereinigt und kristallisiert werden. Das fertige Produkt wird im Anschluss in Scheiben gesägt, gezielt verunreinigt und mit Leiterbahnen versehen. Diese werden zum Stromtransport benötigt.
Fällt nun Licht auf die Siliziumscheibe, werden Elektronen freigesetzt. Um diese Elektronen nutzen zu können muss die Ober- und Unterseite einer jeden einzelnen Zelle mit unterschiedlichen Fremdatomen gezielt verunreinigt werden. Häufig kommen hier Bor (Br) und Phosphor (P) zum Einsatz. Dank der gezielten Verunreinigung der Zelle sammeln sich die Elektronen (negative Ladungsträger) auf der einen Seite und die Protonen (positive Ladungsträger) auf der anderen Seite. Auf diese Art und Weise entstehen ein Plus- und ein Minuspol, welcher mit einer Batterie vergleichbar ist. Wird im Nachgang ein Verbrauchsgerät angeschlossen fließt der Strom.
Die kleinen Zellen sind so funktional, dass sie sogar bei geringen Lichtstärken, wie sie beispielsweise bei schlechtem Wetter oder bewölktem Himmel auftreten, Strom erzeugen können. Jedoch ist die Stromstärke immer proportional zur einfallenden Lichtstärke. Analog bedeutet das:

Unabhängig vom Lichteinfall oder der Sonneneinstrahlung verhält sich jedoch die Spannung der Solarzelle. Die Spannung einer Siliziumzelle liegt kontinuierlich bei 0,6 Volt. Abhängig von der Größe der Zelle ist jedoch die Stromstärke. Eine gängige Solarzelle mit einem Maß von 15 x 15 Zentimetern erzeugt im Durchschnitt etwa 5,5 Ampere Strom. Bei vollem Lichteinfall hat eine einzelne Zelle in etwa eine Leistung von 3,4 Watt.

Verschiedenen Solarzellentechniken einer Photovoltaik Solaranlage

Man unterscheidet generell in drei unterschiedliche Zelltypen. Zu den Kristallarten zählen:

1. Monokristalline Zellen
2. Polykristalline Zellen
3. Amorphe Zellen

Die Monokristalline Solarzelle

Monokristalline Siliziumzellen werden aus einem hochreinen Halbleitermaterial gefertigt. Einkristalline Stäbe werden aus der Siliziumschmelze gezogen und im Anschluss in 0,25 Millimeter dünne Scheiben gesägt. Dieses spezielle Herstellungsverfahren garantiert einen hohen Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad der monokristallinen Solarzelle erreicht zwischen 14 bis 16 Prozent.

Die Polykristalline Solarzelle

Etwas kostengünstiger in der Herstellung gestalten sich die polykristallinen Zellen. Flüssiges Silizium wird zur Herstellung von Polykristallinen Solarzellen zunächst in Blöcke gegossen. Bei Erstarrung zeichnet sich eine typische Eisblumenstruktur aus einer Vielzahl von einzelnen Kristallen ab. Diese Kristallstruktur bildet sich unterschiedlich groß. An den äußeren Grenzen treten Defekte auf. Aufgrund dieser Kristalldefekte beträgt der Wirkungsgrad einer polykristallinen Solarzelle lediglich 13 bis 15 Prozent.
Die Monokristalline Solarzelle ist damit effektiver als die polykristalline Solarzelle.

Die Amorphen Solarzellen/ Dünnschichtzellen

Amorphe Solarzellen werden auch als Dünnschichtzellen bezeichnet. In der Herstellung werden die photoaktiven Halbleiter als eine dünne Schicht auf eine Glasscheibe aufgebracht. Direkt zu Modulen verschaltet werden die amorphen Solarzellen mit einer zweiten Glasplatte hermetisch versiegelt. Die Dicke der Schichten betragen weniger als 1 µm. Aufgrund der geringeren Materialkosten fallen auch die Kosten der Produktion im Wesentlichen geringer aus.
Dünnschichtsolarmodule stellen eine kostengünstige Option zur Nutzung von Sonnenenergie dar. Der Wirkungsgrad liegt einer Dünnschichtzelle liegt jedoch lediglich bei 6 bis 8 Prozent. Einen etwas höheren Wirkungsgrad der Dünnschichtzelle kann man beispielsweise mit neuen Materialien gewinnen. Dazu zählen Cadmium-Tellurid (CdT) sowie Kupfer-Indium-Diselenid (CIS). Der Wirkungsgrad einer Dünnschichtzelle kann auf 8 bis 10 Prozent erhöht werden.

Solarmodul einer Photovoltaikanlage

Um das Solarmodul zu gestalten werden die einzelnen Solarzellen miteinander verschaltet und wetterfest verpackt. Von oben werden die Solarmodule – wie üblich – mit einer Glasscheibe geschützt. Von unten wird eine Schutzfolie über die Solarmodule gezogen. Zwischen den Solarzellen bleiben kleinere Freiräume, durch welche man hindurch gucken kann. Die einzelnen Solarmodule werden in verschiedenen Größen angeboten. Von einigen wenigen Watt bis zu 300 Watt Leistung.
Im Durchschnitt verfügen die Module über eine Leistung zwischen 130 und 250 Watt. Alle Solarmodule werden nach gängigen Standards gefertigt und unterliegen einer ständigen Kontrolle. Höchste Qualität ist somit garantiert.
Ein Solarmodul zählt mit einem Gewicht von 10 bis 15 Kilogramm pro Quadratmeter zu den Leichtgewichten. Die Größe des Solarmoduls kann variieren. Größen bis zu 3 Quadratmeter sind jedoch keine Seltenheit.
Auf dem Markt sind mittlerweile auch Solardachziegel erhältlich. Diese werden auf dem Dach montiert wie gewöhnliche Dachziegel.

Wie funktioniert das Modul einer Solaranlage?

Die Solarmodule einer Photovoltaikanlage wandeln Sonnenlicht in elektrische Energie um. Das Licht der Sonne verursacht beim Auftreffen auf die Solarzelle eine elektrische Spannung. Diese wird bereits an der Oberfläche abgenommen. In einem Solarmodul einer Photovoltaikanlage werden mehrere Solarzellen miteinander elektrisch verschachtelt. Die elektrische Spannung wird dabei in Reihenschaltung miteinander addiert. Jede einzelne Zelle besitzt etwa 0,6 Volt.
Ein gängiges Modul mit etwa 60 Zellen erzeugt auf diese Weise eine Modulspannung von etwa insgesamt 36 Volt. Am häufigsten werden Solarmodule aus kristallinem Silizium (Si) verwendet. Hochreines Silizium (Si), welches aus Quarzsand gewonnen wird, wird hierzu weiter verarbeitet.
Der Wirkungsgrad eines Solarmoduls liegt zwischen 11 und 16 Prozent. Standardmäßig zum Einsatz auf Dachanlagen kommen beispielsweise Module aus kristallreinem Silizium (Si). Werden Dünnschichtmodule verwendet, fällt der Wirkungsgrad wesentlich geringer aus. Er liegt bei Dünnschichtmodulen höchsten bei 9 Prozent. Aufgrund ihrer extrem niedrigen Kosten eignen sich Dünnschichtmodule vor allem für den Betrieb von Großanlagen, bei welchen der Flächenverbrauch völlig zweitranig ist.

Die Systemtechnik einer Photovoltaik Solaranlage

Eine Photovoltaikanlage / Solaranlage kann man in eine netzgekoppelte Anlage oder ein Inselsystem unterscheiden. Der Solargenerator bei netzgekoppelten Anlagen erzeugt mit Hilfe des Sonnenlichts Gleichstrom. Dieser wird von einem Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt. Nur so kann die gewonnene Energie in das lokale Nieder- oder Mittelspannungsnetz eingespeist werden.

Das Nieder- oder Mittelspannungsnetz bildet in diesem Fall den Energiespeicher. Die Einspeisung und der Verbrauch sind zumeist im eigenen Haus nicht synchron.
In Regionen ohne Netzanbindung werden sogenannte Inselsysteme mit einem Energiespeicher in Form einer Batterie verwendet.

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