Von der Sonne in die Steckdose: So funktionieren Photovoltaikanlagen
Die Solarenergie ist eine der vielversprechendsten und nachhaltigsten Energiequellen unserer Zeit. Sie basiert auf der Nutzung der Strahlung der Sonne, um saubere und erneuerbare Energie zu erzeugen. Im Jahr 2023 konnten rund 12 % des gesamten Stromverbrauchs in Deutschland mit Solarenergie gedeckt werden. Damit ist Solarenergie nach der Windenergie der wichtigste erneuerbare Energieträger. Im vergangenen Jahr wurden in Deutschland PV-Anlagen mit einer Gesamtleistung von etwa 14.000 MW errichtet. Bis 2030 sollen laut Bundesregierung insgesamt 215.000 MW hinzukommen. Damit tragen die Entwicklung und der Anschluss von PV-Anlagen maßgeblich dazu bei, unsere Klimaziele zu erreichen und die Energiewende zu ermöglichen.
In diesem Blogbeitrag werden wir uns genauer mit der Funktionsweise von Photovoltaikanlagen befassen. Von den verschiedenen Arten der PV-Module bis zur Anregung der Elektronen in den Solarzellen und der Umwandlung in nutzbare Energie. Lasst uns gemeinsam einen Blick auf die faszinierende Welt der Solarenergie werfen.
Die Funktion von Solarzellen
Solarmodule bestehen aus sogenannten Photovoltaikzellen, die wiederum aus verschiedenen Schichten von Siliziumkristallen bestehen. Diese Kristalle sind so angeordnet, dass sie Photonen absorbieren und Elektronen freisetzen können. Der Prozess beginnt, wenn die Photonen auf die Oberfläche der Solarzellen treffen und die Elektronen in Bewegung versetzen.
Wenn die Photonen auf die Solarzellen treffen, absorbieren die Siliziumatome in den Kristallen ihre Energie. Diese Energie wird dann an die Elektronen in den Atomen weitergegeben, wodurch sie aus ihren normalen Positionen herausgeschleudert werden. Diese freien Elektronen bewegen sich durch die Siliziumschichten und bilden einen elektrischen Strom.
Die verschiedenen Solarmodule
Sichtbares Licht ist die Hauptquelle für die Energiegewinnung in Photovoltaikzellen. Damit dieses Licht in nutzbare Energie umgewandelt werden kann, benötigt es Solarmodule, die sich mitunter in ihrer Funktion und ihrem Material unterscheiden.
Die Effizienz von Solarmodulen hängt dabei stark von der Fähigkeit der verwendeten Materialien ab, Photonen aus dem sichtbaren Lichtspektrum zu absorbieren und Elektronen anzuregen. Die meisten kommerziellen Solarmodule sind auf die Nutzung von Photonen im sichtbaren Bereich optimiert, da diese die geeignetste Energie für die Erzeugung von Elektrizität bieten.
1. Bifacial
Bifaziale (zweigesichtliche) Solarmodule existieren bereits seit mehreren Jahrzehnten. Schon 1960 wurde ein Modell von einem japanischen Forscher vorgestellt. Die Funktion solcher Module lässt sich bereits am Namen erahnen. Bifaziale PV-Module funktionieren nämlich mit photoelektrischen Solarzellen auf der Vorder- und Rückseite. Aktuelle bifaziale Solarzellen unterscheiden sich von herkömmlichen Zellen durch eine Modifizierung des Rückkontakts, wodurch ein Eindringen von Photonen auch über die Rückseite der Zelle möglich wird. Das von der Rückseite kommende Licht wird jedoch meist weniger effektiv aufgefangen.
Bifaziale Module entfalten ihre Vorzüge dementsprechend insbesondere dann, wenn das Sonnenlicht sowohl auf die Vorder- als auch auf die Rückseite trifft. Aufgeständerte Module auf Freiflächen, Flachdächern oder Carports bieten aufgrund ihres erhöhten Abstands zum Boden vielfältige Möglichkeiten, sowohl reflektierte als auch direkte Einstrahlung zu nutzen. Des Weiteren erweisen sich aufrechtstehende Installationen wie PV-Zäune oder Lärmschutzwände sowie PV-Anlagen in hochalpinen Gebieten und in der Landwirtschaft als effiziente Anwendungen für bifaziale Solarmodule. Durch die vertikale Installation wird hier ebenfalls sichergestellt, dass Verluste durch Verschmutzung oder Wetterbeeinflussung minimiert werden.
2. Mono- und polykristallin
Kristalline Module bestehen aus Siliziumzellen, die das Sonnenlicht in Strom umwandeln. Dabei existieren zwei verschiedene Arten: mono- und polykristalline Solarzellen.
Die aus einem einzigen Kristall (Monokristall) hergestellten Zellen werden monokristallin genannt- Monokristalline Module sind in der Regel dunkler in der Farbe und haben abgerundete Ecken. Sie zeichnen sich durch eine höhere Effizienz aus, was bedeutet, dass sie mehr Strom pro installiertem Watt erzeugen können. Allerdings sind sie dafür oft teurer in der Herstellung, bieten aber auch eine höhere Leistungsdichte und sind platzsparender, was sie für Installationen mit begrenztem Platzangebot attraktiv macht.
Im Gegensatz dazu bestehen polykristalline Module aus Siliziumblöcken, die aus vielen kleinen Siliziumkristallen bestehen. Während des Herstellungsprozesses wird das Silizium geschmolzen und in rechteckige Formen gegossen, die dann zu Zellen geschnitten werden. Polykristalline Module sind in der Regel bläulich und haben oft eine charakteristische kristalline Struktur. Sie sind im Allgemeinen kostengünstiger herzustellen als monokristalline Module, weisen jedoch eine etwas niedrigere Effizienz auf. Dennoch sind sie eine beliebte Wahl für Installationen, bei denen der Platzbedarf nicht so begrenzt ist und die Kosteneffizienz eine größere Rolle spielt.
3. Dünnschicht
Statt aus einzelnen kristallinen Siliziumzellen bestehen Dünnschicht-Solarmodule aus einer dünnen Schicht lichtabsorbierenden Materials, das auf einem Trägersubstrat aufgebracht wird. Die am häufigsten verwendeten Materialien für die aktive Schicht in Dünnschicht-Solarmodulen sind amorphes Silizium (a-Si), Cadmiumtellurid (CdTe), Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS) und organisches Material wie Polymere.
Der Vorteil solcher Module liegt in ihrer Flexibilität, dem geringeren Kostenfaktor sowie einem schwachen Lichtverhalten. Dieses ermöglicht auch bei bewölktem Wetter oder Schattenwurf eine effiziente Stromerzeugung. Allerdings haben Dünnschicht-Solarmodule in der Regel eine niedrigere Energieumwandlungseffizienz als kristalline Module, was bedeutet, dass sie eine größere Fläche benötigen, um die gleiche Menge an Strom zu erzeugen. Sie werden oft in großen kommerziellen Anlagen, integrierten Gebäudeanwendungen oder tragbaren Geräten eingesetzt, wo Flexibilität und Kosteneffizienz wichtiger sind als die maximale Leistung pro Fläche.
Umwandlung in nutzbare Energie
Der erzeugte elektrische Strom muss nun in nutzbare Energie umgewandelt werden. Dafür ist der sogenannte Wechselrichter verantwortlich.
Ein Wechselrichter ist ein Schlüsselbestandteil von Solarstromanlagen und wandelt den erzeugten Gleichstrom (DC) von den Solarzellen in nutzbaren Wechselstrom (AC) um. Dieser Schritt ist entscheidend, da die meisten Haushalte und das öffentliche Stromnetz Wechselstrom verwenden.
Anpassung an Netzfrequenz und Spannung
Der Wechselrichter passt die erzeugte Wechselspannung an die spezifische Netzfrequenz und Spannung an. In den meisten Ländern beträgt die Netzfrequenz 50 oder 60 Hertz, und die Spannung kann variieren.
Synchronisation mit dem Stromnetz
Bei netzgekoppelten Systemen synchronisiert der Wechselrichter den erzeugten Wechselstrom mit dem öffentlichen Stromnetz. Dies ermöglicht es, überschüssige Energie ins Netz einzuspeisen oder bei Bedarf zusätzlichen Strom aus dem Netz zu beziehen.
Einspeisung ins Stromnetz oder lokale Nutzung
Der umgewandelte Wechselstrom kann nun entweder direkt vor Ort für den Eigenverbrauch genutzt oder ins Stromnetz eingespeist werden. Bei einem Solarpark können Bewohner/innen vor Ort dabei oft direkt mit profitieren. Vergünstigte Angebote wie sogenannte Bürgerstromtarife wie u. a. bei der ASG Solar Unternehmensgruppe ermöglichen die direkte und günstige Nutzung regionalen Solarstroms.
Moderne Wechselrichter verfügen über Überwachungsfunktionen, die die Leistung der Solarmodule überprüfen, Fehler erkennen und eine effiziente Energieumwandlung gewährleisten. Sie sind somit unverzichtbar für die Integration von Solarenergie in bestehende Stromnetze und ermöglichen eine nahtlose Nutzung von Sonnenenergie.
Fazit
Die Solarenergie ist eine vielversprechende Möglichkeit der nachhaltigen Energiegewinnung. Die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie durch Solarmodule zeigt bereits heute ihr Potenzial zur Reduzierung der Umweltauswirkungen. Doch die Zukunft verspricht noch mehr Innovationen: Fortschritte in der Technologie, wie effizientere Solarmodule, verbesserte Speichertechnologien und intelligente Netzintegration, könnten die Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Solarenergie weiter steigern. Die Sonne als unerschöpfliche Energiequelle wird in der globalen Energielandschaft eine zunehmend zentrale Rolle spielen und die Aussichten auf eine nachhaltige und grüne Zukunft durch Solarenergie sind vielversprechend.
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Im Jahr 2000 waren weltweit ca. 1.000 MWp an Leistung installiert. Heute sind es bereits etwa 1.500 GWp, was einen Anstieg um den Faktor 1.500 bedeutet. Bis 2030 könnte sich dieser Wert noch einmal auf 6.000 GWp erhöht haben. Diese Zahlen machen deutlich, welche Entwicklung die Solarenergie genommen hat und welches Potenzial sie noch besitzt. Sowohl der Zubau an Leistung als auch der Ausbau der Netzkapazitäten tragen zur Energiewende und einer nachhaltigeren Zukunft bei. Solarenergie wird aus dieser nicht mehr wegzudenken sein.
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