Wie fließt der Strom bei einer PV Anlage?

Es ist kostengünstig, hilft dem Klima und macht unabhängig. Immer häufiger sieht man Solarmodule auf den Dächern von Privathäusern – aber wie funktioniert eine Solarzelle eigentlich? In diesem Artikel erklären wir Ihnen vom Aufbau der Solarzellen bis hin zum Strom aus der Steckdose, wie Photovoltaik funktioniert.

Inhalt:

• Solaranlage – Aufbau und Funktion im Überblick
• Solarmodule und Solarzellen – Aufbau und Funktion im Detail
• Wie funktioniert eine Solarzelle?
• Die Aufgabe des Wechselrichters
• Stromspeicher und Wallbox – die Photovoltaikanlage funktional nutzen
• Fazit

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Solaranlage – Aufbau und Funktion im Überblick

Die Solaranlage besteht aus unterschiedlichen Komponenten. Da sind zunächst einmal die Solarmodule auf dem Dach, Kabel, der Wechselrichter und gegebenenfalls ein Stromspeicher und/oder eine Wallbox für das Elektroauto. Alles zusammengeschlossen ergibt dann Sonnenstrom aus der heimischen Steckdose? Fast. Ganz so einfach funktioniert Solarstrom nicht. Um die Sonnenergie nutzen zu können, wird diese im Solarmodul in Gleichstrom umgewandelt und an den Wechselrichter geleitet. Dieser wandelt den Strom erneut um – in Wechselstrom, welcher im Haushalt nutzbar ist.

In vier Schritten kommt Solarstrom in die Steckdose:

1. Sonnenstrahlen treffen auf das Solarmodul und werden in Gleichstrom umgewandelt.
2. Der Wechselstrom wird mittels Solarkabel zum Wechselrichter geleitet.
3. Der Wechselrichter wandelt den Gleichstrom in haushaltsüblichen Wechselstrom um.
4. Wechselstrom kann direkt verbraucht, in einem Stromspeicher zwischengespeichert oder ins öffentliche Netz eingespeist werden.

zolarSolarstrom einfach zu Hause nutzen

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Solarmodule und Solarzellen – Aufbau und Funktion im Detail

Das Herzstück einer Solaranlage sind die Solarmodule auf dem Dach. Immer häufiger sieht man sie auf Privathäusern liegen und den Haushalt mit Solarstrom versorgen. Wenngleich die Nutzung von weiteren Komponenten abhängig ist, sind es die Solarzellen, die Sonnenlicht zunächst in elektrischen Strom umwandeln. Überwiegend bestehen Solarzellen aus dem Halbleitermaterial Silizium. Hierbei handelt es sich um Quarzsand, welcher gereinigt und in unterschiedlichen Formen in der Solarzelle für eine verbesserte Leitfähigkeit sorgt. Es gibt verschiedene Arten von Solarmodulen, deren Aufbau und Herstellung sich leicht voneinander unterscheiden:

Monokristalline Solarzellen

Aufgrund ihrer schwarzen Farbe erfreuen sich Solarmodule mit monokristallinen Solarzellen immer größerer Beliebtheit, aber auch Hersteller setzen zunehmend auf diesen Modultyp. Für monokristalline Solarzellen wird das Silizium als Einkristall verwendet, was die Solarzelle auch von der polykristallinen Zelle unterscheidet. Die Siliziumkristalle werden eigens gezüchtet und in Scheiben (sogenannte Wafer) geschnitten. Um die Leistung zu erhöhen und weniger Abfall zu produzieren, werden die Wafer in beinahe quadratische Formen geschnitten. Durch die zwischen den abgerundeten Ecken entstehenden Lücken, ist die weiße Rückseitenfolie des Solarmoduls zu sehen. Dies ergibt das kachelartige Muster, welches Sie von monokristallinen Solarmodulen kennen. Mit einem Wirkungsgrad von rund 20 Prozent sind monokristalline Solarzellen die effektivste Variante.

Polykristalline Solarzellen

Genau wie die monokristallinen Solarzellen, bestehen auch polykristalline Zellen aus Silizium. Allerdings, wie es der Name bereits verrät, nicht nur aus einem, sondern aus mehreren Kristallen. Für die Herstellung polykristalliner Solarzellen, werden Siliziumkristalle geschmolzen und anschließend gekühlt, sodass ein gehärteter Siliziumblock entsteht. Von diesem werden nun dünne Scheiben abgeschnitten – jede von ihnen ist eine Solarzelle. Durch die weniger aufwändige Modulherstellung waren polykristalline Solarzellen lange Zeit deutlich günstiger als die monokristalline Variante. Heutzutage ist der preisliche Unterschied weniger deutlich, jedoch schneiden polykristalline Solarzellen mit ihrem Wirkungsgrad von etwa 15 Prozent deutlich schlechter in der Effizienz ab als monokristalline Zellen.

Dünnschichtzellen

Anders als die zuvor beschriebenen Solarzellen, wird bei den Dünnschichtzellen das Silizium mit anderen Materialien gemischt und auf einen Träger gedampft. Durch ihren sehr geringen Wirkungsgrad von fünf bis sieben Prozent, müssen Dünnschichtzellen auf einer großen Fläche ausgelegt werden, um die geringe Leistung zu kompensieren. Je nach Trägermaterial sind die Zellen flexibel und können somit eine Solaranlage auf beinahe jeder Dachform realisierbar machen.

zolarDie Installation der Solarmodule ist auf fast jedem Dach möglich

Wie funktioniert eine Solarzelle?

In den Solarzellen wird Sonnenlicht in elektrische Energie umgewandelt. Dafür benötigt die Zelle das Halbleitermaterial Silizium. Dieses ist in drei Schichten innerhalb der Solarzelle vorhanden:

• Eine negative (n-dotierte) Schicht, in der dem Silizium Phosphor beigemischt wird
• Eine Grenzschicht, durch welche freigesetzte Ladung mithilfe von Sonnenlicht passieren kann
• Eine positive (p-dotierte) Schicht, in welcher dem Silizium Bor beigemischt wird

Trifft Sonnenlicht auf die Solarzelle, aktivieren die darin enthaltenen Energieträger (Photonen) das Silizium, welches nun Elektronen löst. Diese bewegen sich je nach Ladung zu positiven oder negativen Elektroden und hinterlassen an der Oberseite (n-dotierte Schicht) der Zelle „Löcher“, welche sich zur Unterseite (p-dotierte Schicht) der Solarzelle begeben. Während die Ladungen nun an der Oberseite der Solarzelle durch die Metallschicht zum Verbraucher geleitet werden, wandern die Elektronen zurück zu der Schicht mit den Löchern.

Um die Ladung in einem Stromkreis fließen zu lassen, ist die Solarzelle an ihrer Rückseite mit mehreren Metallkontakten und einem Kabel bestückt. Die Metallschicht auf der Vorderseite der Zelle ist gitterförmig angeordnet und sorgt dafür, dass Licht auf die Oberfläche der Solarzelle fallen kann.

Strom in der Photovoltaikanlage

Der in den Leitbahnen befindliche Strom ist Gleichstrom, welcher nicht direkt im Haushalt genutzt werden kann. Um ihn nutzbar zu machen, muss der Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt werden, weshalb der Weg der elektrischen Energie zunächst über den Wechselrichter geht, ehe er verbraucht werden kann. Damit der Gleichstrom aus den Solarmodulen den Wechselrichter erreicht, wird er in sogenannten Solarkabeln transportiert. Diese sollten gut isoliert, halogen- sowie säure- und witterungsbeständig sein, da sie nicht nur den Strom innerhalb des Hauses transportieren, sondern auch zwischen den einzelnen Modulen.

Die Verschaltung der Solarmodule

Damit die Photovoltaikanlage funktionieren kann, müssen die Module miteinander verschaltet werden. Dabei gibt es unterschiedliche Möglichkeiten: Die Reihenschaltung und die Parallelschaltung. Bei der Reihenschaltung werden die Module miteinander in einem String verschaltet und an einen Stringwechselrichter angeschlossen. Die Spannung innerhalb der Module addiert sich und wird an den Wechselrichter geleitet. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, Strings (mehrere miteinander verschaltete Module) gleicher Leistung parallel zu schalten. Bei großen Anlagen mit sehr vielen gleichgroßen Strings wird ein sogenannter Zentralwechselrichter angeschlossen. Für eine Solaranlage auf einem Einfamilienhaus, reicht in der Regel ein Stringwechselrichter.

Vorteilhaft an der Reihenschaltung ist die einfache Verkabelung, welche mit wenig Material und geringem Aufwand umsetzbar ist. Für diese Form der Verschaltung wird ein langes Solarkabel benötigt, welche die nebeneinander auf dem Dach angebrachten Module miteinander verbindet. Nachteilig an der Reihenschaltung ist der Einfluss der einzelnen Solarmodule auf die Gesamtleistung der Solaranlage. Da der Strom durch alle Module hindurch zum Wechselrichter transportiert wird, sinkt die Leistung ab, sobald ein verschmutztes oder verschattetes Modul in der Reihe angeschlossen ist. Durch die wandernde Sonneneinstrahlung und natürliche Faktoren wie Bäume im Garten, ist eine Teilverschattung der Anlage nicht ungewöhnlich. Um diesen Effekt zu mindern, sind moderne Solarmodule mit sogenannten Bypass-Dioden ausgestattet. Diese ermöglichen den Stromtransport an den verschatteten oder verdreckten Modulen vorbei, so dass die Leistungsminderung weitestgehend vermieden wird. In eine fundierte Anlagenplanung werden alle Möglichkeiten miteinbezogen, um die optimale Verschaltung für Ihre Anlage zu planen.

zolarPhotovoltaikanlagen funktionieren auch bei Teilverschattung

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Die Umwandlung im Wechselrichter

So wichtig wie die Solarmodule ist auch der Wechselrichter für die Funktion der Photovoltaikanlage. Er wandelt den in den Solarzellen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um und macht ihn damit überhaupt erst für den Haushalt verwendbar. Ohne den Wechselrichter würde die gesamte Photovoltaikanlage nicht funktionieren, da der Solarstrom nicht zu gebrauchen wäre.

Doch der Wechselrichter hat mehr als nur eine Funktion innerhalb der Solaranlage. Er ist dafür verantwortlich, dass die Strings stets innerhalb ihres Leistungsmaximums arbeiten - mittels sogenannter Maximum Power Point Trackern. Der Maximum Power Point stellt den Punkt dar, an dem die Solaranlage am meisten Leistung erbringt. Er ist abhängig von Sonneneinstrahlung und kann sich durch die Temperatur beeinflussen lassen. Um jederzeit den MPP (Maximum Power Point) zu erkennen, ist ein Wechselrichter mit einem Maximum Power Point Tracker ausgestattet, um die Anlage auf ihrem höchsten Wirkungsgrad arbeiten zu lassen. Durch den, dem Wechselrichter vorgeschalteten DC-Überspannungsschutz wird die Solaranlage zusätzlich vor Beschädigung geschützt: Sollte es beispielsweise zu einer Störung im öffentlichen Stromnetz kommen, kann die Solaranlage von diesem getrennt werden, um alle Komponenten vor Schäden zu schützen. Grundsätzlich wird zwischen drei unterschiedlichen Formen von Wechselrichtern unterschieden:

Der PV-Wechselrichter, der Hybridwechselrichter und der Batterie-Wechselrichter
Der Solarwechselrichter, auch PV-Wechselrichter genannt, wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um, damit dieser im Haushalt genutzt werden kann. Wird die Solaranlage mit einem Batteriespeicher gekoppelt, muss der Wechselstrom allerdings wieder in Gleichstrom umgewandelt werden, da Batteriespeicher nur Gleichstrom speichern können. Diese Aufgabe übernimmt der Batterie-Wechselrichter. Der Hybridwechselrichter vereint die Funktion beider Geräte in sich. Er wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um und kann gleichzeitig die Batterie mittels Laderegler jederzeit mit Gleichstrom versorgen. Durch die Nutzung von nur einem Gerät werden Umwandlungsverluste reduziert – so kann mehr Strom verwendet werden.

zolarEigenverbrauch erhöhen mit eigener Wallbox

Stromspeicher und Wallbox – die Photovoltaikanlage funktional nutzen

Eine Photovoltaikanlage funktioniert simpel: Solarzellen werden aus Silizium-Kristallen gefertigt und innerhalb von Solarmodulen auf dem Hausdach angebracht. Über metallische Leiter wird die Sonnenenergie in Solarkabeln vom Dach zum Wechselrichter transportiert. Dieser wandelt den in den Solarmodulen produzierten Gleichstrom in haushaltsüblichen Wechselstrom um. Mittels eingebauter maximum Power Point Tracker ist er in der Lage, die Anlage stets den optimalen Wirkungsgrad zu ermitteln und die maximale Leistung zu erzeugen. Durch den vorgeschalteten DC-Überspannungsschutz ist die Solaranlage vor Systemschäden durch Störungen im Netz geschützt. Weitere Komponenten einer Solaranlage wie etwa Stromspeicher oder integrierte Wallboxen dienen nicht der grundsätzlichen Funktion der Photovoltaikanlage, sondern sorgen für einen erhöhten Autarkiegrad des Haushaltes und damit höhere Einsparungen bei den Stromkosten. Um die richtigen Komponenten der Photovoltaikanlage auszuwählen und eine zuverlässige Installation zu gewährleisten, sollten Sie sich von einem Experten beraten lassen.

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