Die dahinterstehende Technik ist eigentlich ganz einfach:
Strom aus Sonnenlicht kann von Solarzellen erzeugt werden, deren Hauptbestandteil ein Halbleiter, in der Regel Silizium, ist. Ein Halbleiter ist ein Material, dass weder den Isolatoren noch den Leitern zugeordnet werden kann und dessen elektrische Eigenschaften durch die Beimengung von Fremdstoffen (Dotierung) gravierend beeinflusst werden kann. Die Solarzelle besteht aus zwei aneinander grenzenden und mit separaten Metallkontakten versehenen Halbleiterschichten, die jeweils so dotiert wurden, dass eine so genannte "n" Schicht (n = negativ) mit einem Elektronenüberschuss und eine darunter liegende "p" Schicht (p = positiv) mit einem Elektronenmangel entsteht. Dem Konzentrationsgefälle folgend fließen deshalb Elektronen vom n- in das p-Gebiet, so dass sich im Inneren dieser Halbleiterstruktur ein elektrisches Feld ausbildet, die so genannte "Raumladungszone".
Der photovoltaische Effekt
Bei einer Solarzelle ist die obere n-Schicht so dünn, dass die Photonen des einfallenden Sonnenlichts sie durchdringen können und erst in der Raumladungszone ihre Energie an ein Elektron abgeben. Das so angeregte Elektron ist beweglich, folgt dem inneren elektrischen Feld und gelangt so aus der Raumladungszone heraus zu den Metallkontakten der n-Schicht. Beim Anschluss eines Verbrauchers wird der Stromkreis geschlossen: Die Elektronen fließen über den Verbraucher zum Rückseitenkontakt der Solarzelle und schließlich zur Raumladungszone zurück. Diesen Effekt nennt man "Photovoltaik" (zusammengesetzt aus dem griechischen Wort für Licht "phos" und dem Namen des Physikers Alessandro Volta). Der von den Solarzellen produzierte Gleichstrom wird von einem Wechselrichter, dem "Herz" Ihrer Anlage, in Wechselstrom umgewandelt.
Von der Zelle zum Modul
Bei voller Sonneneinstrahlung (ca. 1.000 Watt pro Quadratmeter) fällt auf eine Solarzelle der Größe 10 x 10 cm eine Strahlungsleistung von etwa 10 Watt. Eine solche Zelle kann dann je nach Qualität eine elektrische Leistung von 1 - 1,5 Watt abgeben. Um die Leistung zu erhöhen, werden mehrere Zellen kombiniert und zu einem Solarmodul verschaltet. Die Verbindung mehrerer Module bezeichnet man schließlich als Solargenerator. Mehr zum Thema "Photovoltaik" erfahren Sie über die Menüleiste rechts oben.
Das Solarmodul
Solarzellen für PV-Anlagen werden zunächst in Form von Solarmodulen zusammengefügt, um für die unterschiedlichen Anwendungsbereiche gut handhabbare Einheiten mit einem geeigneten Spannungsniveau zu erhalten. Der Wirkungsgrad eines Moduls liegt immer ein wenig unter dem der einzelnen Solarzelle, da die aktive Zellenfläche etwas kleiner ist, als die Gesamtfläche des Moduls. Marktübliche Solarmodule haben je nach Qualität einen Wirkungsgrad von etwa 12 - 15 %. Das heißt, 12 - 15 % der Strahlungsenergie der Sonne werden in elektrische Energie umgewandelt. Als Faustregel gilt: Je geringer der Wirkungsgrad der Solarzellen bzw. des Moduls, desto größer ist die benötigte Modulfläche auf dem Dach, um eine bestimmte Energiemenge zu erzeugen.
Module - je kühler desto besser
Oft wird auch übersehen, dass PV-Anlagen bei rund 25°C optimal laufen.
Der Anteil direkter Sonnenstrahlen z.B. am Äquator ist zwar höher, als in unseren Breiten. Allerdings mindern die hohen Außentemperaturen den Ertrag der Anlage: Denn je heißer die Solar-Module werden, desto weniger Strom erzeugen sie. Bei den gängigen Siliziumzellen beträgt der Leistungsabfall rund 0,4 % pro °C. Die kühleren Temperaturen in Deutschland kompensieren also die schwächere Einstrahlung merkbar.
Aber: Photovoltaik funktioniert nicht nur im Süden! Moderne Anlagen rechnen sich auch in nördlichen Breiten. Nicht nur, weil die Sommertage dort besonders lang sind, sondern auch, weil die Module durch die ständig wehende "frische Brise" besser gekühlt werden. Denn je kühler die Komponenten, desto höher die Leistung und damit Ihr Ertrag!
Der Wechselrichter: Das Herz Ihrer Anlage
Der völlig lautlos und emissionsfrei erzeugte Gleichstrom wird von einem Wechselrichter in netzkonformen Wechselstrom (230 Volt, 50Hz) umgewandelt und über einen Einspeisezähler in das öffentliche Netz eingespeist. Dabei wird der jeweilige Wechselrichter entsprechend der Leistungsfähigkeit und der Anzahl der Solarmodule ausgewählt. Bei der Umwandlung des Stromes ist wiederum der Wirkungsgrad entscheidend: Moderne Wechselrichter verfügen heute über Wirkungsgrade von bis zu 98 %, so dass der Gleichstrom nahezu vollständig in Wechselstrom umgeandelt wird. Da der Wechselrichter die Photovoltaikanlage direkt mit dem Stromnetz verbindet, spielt er eine Schlüsselrolle hinsichtlich Energieeffizienz und Zuverlässigkeit. Er hat die Solarstromanlage so zu betreiben, dass ständig der maximal mögliche Energieertrag erzielt wird. Alle Wechselrichter übernehmen deshalb mindestens die Funktionen "Umwandeln", "Einspeisen", "Optimieren" und "Überwachen".
Leistung einer Photovoltaikanlage
Die Leistung einer Photovoltaikanlage wird in der Einheit kWp (Kilowatt Peak) angegeben. Peak bedeutet Spitzenleistung, d.h. die Anlage erbringt diese Leistung nur bei voller Sonneneinstrahlung. Als Faustregel gilt in unseren Breitengraden ein Energieertrag von durchschnittlich 850 kWh pro kWp installierter Leistung im Jahr. In sonnenreichen Gebieten und bei optimaler Ausrichtung lassen sich auch Werte bis 1.050 kWh pro kWp erzielen.
Zur Orientierung: Eine Photovoltaikanlage mit einer Nennleistung von 1.000 Watt (1 kWp) benötigt rund 10 m² Dachfläche bei einem Schrägdach.
Eignung Ihres Daches
Im Prinzip können Photovoltaikanlagen überall dort installiert werden, wo ausreichend Licht vorhanden ist. Einen optimalen Ertrag bietet eine nach Süden ausgerichtete Fläche mit etwa 30° Neigung. Aber keine Sorge: auch Abweichungen nach Südwest/Südost oder Neigungen zwischen 25° und 60° verringern den Energieertrag nur geringfügig. Verschattungen durch Bäume, Nachbarhäuser oder Schornsteine sollten allerdings vermieden werden, da sie den Stromertrag deutlich reduzieren. Fest steht in jedem Fall: Die Strahlungsintensität in Deutschland ist in allen Regionen des Landes groß genug, um Photovoltaikanlagen wirtschaftlich zu betreiben.
Photovoltaische Systeme unterscheidet man in Inselanlagen und netzgekoppelte Systeme.
Inselanlagen
sind nicht ans öffentliche Stromnetz angeschlossen. Stattdessen wird der Solarstrom in Batterien zwischengespeichert. Bei Bedarf wird er aus diesem Speicher wieder als Gleichstrom entnommen und entweder speziellen Gleichstromverbrauchern zur Verfügung gestellt (sogenannte Solar Home-Systems) oder mit dem Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt und in eine Wechselstrominstallation eingespeist (AC-Kopplung). Dann können wieder gewöhnliche Wechselstromgeräte (Kühlschrank, Fernseher, Pumpe etc.) versorgt werden.
In Deutschland finden Inselanlagen vor allem in Wochenendhäusern, Gärten und Parks Anwendung. Auch im Urlaub dienen Inselsysteme zur Energieversorgung von Ferienhäusern in netzfernen Gebieten. In Entwicklungs- und Schwellenländern sind sie oftmals die einzige Möglichkeit, abgelegene Dörfer mit Strom zu versorgen. Der Bedarf ist immens: Weltweit leben heute noch rund zwei Milliarden Menschen ohne Strom, fern ab von öffentlichen Stromnetzen.
Netzgekoppelte Anlagen
sind in Deutschland häufiger anzutreffen. Sie sind mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden und speisen den gewonnenen Strom dort ein. Die elektrische Energie wird also weder gespeichert, noch selbst verbraucht, sondern zu lukrativen Vergütungssätzen an den örtlichen Stromversorger verkauft. Dieser nutzt "Ihren" Strom zur Deckung des allgemeinen Bedarfs - und Sie werden weiterhin durch das öffentliche Netz mit Strom versorgt.