Wie funktioniert eine Solaranlage?

Jeder kennt Sie, Solarpanels auf Dächern oder Freiflächen. Sie werden genutzt um Energie aus der Sonne zu gewinnen, unabhängiger vom Stromanbieter zu werden, Energiepreise zu senken und zur Energiewende beizutragen. Die wenigsten wissen jedoch wie dies genau funktioniert. In diesem Artikel gehen wir der Sache auf den Grund und beantworten die Frage: Wie funktioniert eine Solaranlage?

Bevor wir jedoch tiefer in den Aufbau und die Funktionsweise einer Solaranlage eintauchen, sehen wir uns zuerst an was Solarenergie genau ist.

Grundlagen der Solarenergie

Was ist überhaupt Solarenergie?

Solarenergie ist die Energie, die von der Sonne in Form von Licht und Wärme abgestrahlt wird. Sie ist eine erneuerbare Energiequelle und eine der saubersten und umweltfreundlichsten, die der Mensch nutzen kann.

Wie wird Solarenergie genutzt?

Solarenergie wird auf verschiedene Arten genutzt, darunter:

Photovoltaik-Systeme:

Diese Systeme wandeln das Sonnenlicht direkt in Strom um, indem sie Solarzellen aus Halbleitermaterialien wie Silizium verwenden. Mehr dazu im nächsten Abschnitt..

Solarthermie-Systeme:

Diese Systeme nutzen die Wärme der Sonne, um Wasser oder Luft zu erwärmen und für Heizzwecke zu nutzen.

Konzentrierte Solarenergie-Systeme:

Diese Systeme nutzen Linsen oder Spiegel, um das Sonnenlicht auf einen Punkt zu konzentrieren, an dem es Wasser oder Luft erhitzt und für Stromerzeugung genutzt werden kann.

Solarenergie wird aufgrund ihrer vielen Vorteile immer häufiger eingesetzt, darunter die Senkung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen, die Reduzierung von Treibhausgasemissionen und die Senkung der Energiekosten auf lange Sicht.

Um tiefer in die Funktionsweise einer Solaranlage einzutauchen müssen wir uns jedoch ca. 180 Jahre in der Geschichte zurückbegeben um den Photovoltaik-Effekt zu verstehen.

Der Photovoltaik Effekt

Der Photovoltaik-Effekt wurde erstmals im Jahr 1839 von dem französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel entdeckt. Er beobachtete, dass eine elektrochemische Zelle Strom erzeugte, wenn sie dem Sonnenlicht ausgesetzt wurde. Dieses Phänomen war jedoch noch nicht gut verstanden und wurde in den folgenden Jahrzehnten wenig untersucht.

Es dauerte bis zum Jahr 1954, als eine Gruppe von Wissenschaftlern bei Bell Laboratories in den USA den ersten funktionsfähigen Solarzellensatz entwickelte, der auf dem Photovoltaik-Effekt basierte. Die Forscher, unter der Leitung von Daryl Chapin, Gerald Pearson und Calvin Fuller, nutzten Silizium als Halbleitermaterial und erzeugten eine elektrische Spannung von etwa 0,1 Volt. Dies war der Durchbruch, der den Weg für die heutigen Photovoltaik-Systeme ebnete.

Seitdem hat die Photovoltaik-Technologie viele Fortschritte gemacht und ist zu einer der wichtigsten erneuerbaren Energiequellen geworden. Die Effizienz von Solarzellen wurde verbessert, die Produktionskosten wurden gesenkt und die Technologie wird heute weltweit eingesetzt, um umweltfreundliche und kosteneffektive Stromversorgung zu ermöglichen.

Die Funktionsweise des Photovoltaik-Effekts

Das Grundprinzip des Photovoltaik-Effekts beruht auf der Wechselwirkung von Licht mit den Elektronen im Halbleitermaterial. Wenn ein Photon auf das Halbleitermaterial trifft, kann es ein Elektron aus seiner Bindung lösen und dadurch ein freies Elektron und ein sogenanntes “Loch” (eine fehlende Bindung) erzeugen. Wenn diese freien Elektronen und Löcher durch eine spezielle Konstruktion des Halbleiters aufgefangen werden, können sie einen Stromfluss erzeugen.

In einer typischen Photovoltaikzelle besteht der Halbleiter aus Schichten von positiv und negativ geladenen Silizium-Atomen. Wenn Licht auf die oberste Schicht des Halbleiters fällt, wird ein Teil der Elektronen freigesetzt und fließt durch einen elektrischen Leiter aus Kupfer oder Aluminium, um elektrischen Strom zu erzeugen.

Die wichtigsten Komponenten einer Solaranlage

Eine Solaranlage besteht aus unterschiedlichen Komponenten. Diese können unterschiedlich konfiguriert werden um das Optimum an Produktion und Speicherung von Solarenergie für den Haushalt oder das Gewerbe zu finde. Im Nachfolgenden einmal die wichtigsten Komponenten einer herkömmlichen PV Anlage:

• Solarmodule
• Wechselrichter
• Batteriespeicher (optional)
• Stromzähler (Smart Meter)
• Kabel und Anschlüsse
• Überspannungsschutz

Wie funktioniert eine Solaranlage?

Wenn Sonnenlicht auf eine Solarzelle trifft, absorbiert das Halbleitermaterial das Licht und gibt dabei Energie ab, die Elektronen in der Zelle anregt. Diese Elektronen können sich dann frei durch das Halbleitermaterial bewegen, was dazu führt, dass ein elektrisches Feld erzeugt wird. Dieses elektrische Feld erzeugt eine elektrische Spannung, welches genutzt wird um elektrische Energie zu erzeugen.

Die Solarzellen sind in der Regel in Module eingebettet, die aus mehreren Solarzellen bestehen und eine höhere Stromproduktion ermöglichen. Die Module sind mit Kabeln verbunden, die den erzeugten Strom aus den Solarzellen herausführen.

Der erzeugte Strom aus den Solarzellen ist in der Regel als Gleichstrom (DC) bezeichnet, was bedeutet, dass der Strom in nur eine Richtung fließt. Da die meisten elektrischen Geräte jedoch Wechselstrom (AC) benötigen, muss der Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt werden. Dies wird durch den Einsatz eines Wechselrichters erreicht, der den Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt und so für die Verwendung durch elektrische Geräte bereitstellt.

Die elektrische Energie, die von den Solarzellen erzeugt wird, kann direkt für den Eigenverbrauch verwendet werden, z.B. für Beleuchtung oder zum Betrieb von Geräten. Wenn der erzeugte Strom nicht sofort verwendet wird, kann er in Batterien gespeichert werden. In größeren Anlagen wird der erzeugte Strom jedoch oft in das Stromnetz eingespeist um Rendite zu erwirtschaften.

Was passiert mit dem erzeugten Strom?

Der erzeugte Strom aus Solarenergie kann für verschiedene Zwecke verwendet werden, abhängig von der Art der Installation und der Bedürfnisse des Anwenders. Hier sind einige der gängigsten Verwendungszwecke für den erzeugten Strom:

1. Eigenverbrauch: Der erzeugte Strom wird direkt im Haushalt oder Betrieb genutzt, um elektrische Geräte und Beleuchtung zu betreiben.
2. Netzeinspeisung: Der erzeugte Strom wird in das öffentliche Stromnetz eingespeist und von anderen Verbrauchern genutzt. In vielen Ländern gibt es Gesetze und Vorschriften, die regeln, wie viel Strom von einer Solaranlage in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden darf und wie der erzeugte Strom vergütet wird.
3. Energiespeicherung: Der erzeugte Strom wird in Batterien oder anderen Energiespeichersystemen gespeichert, um ihn später zu nutzen, wenn der Strombedarf höher ist als die Stromproduktion aus den Solarzellen.
4. Notstromversorgung: Wenn ein Energiespeichersystem installiert ist, kann der erzeugte Strom im Falle eines Stromausfalls als Notstromversorgung genutzt werden. Die funktioniert allerdings nur in Kombination mit einem Batteriespeicher.

Wie funktioniert eine Solaranlage bei Stromausfall oder Überproduktion?

Bei einem Stromausfall kann die Energieversorgung aus Solarenergie nicht aufrechterhalten werden, es sei denn, es handelt sich um eine Solaranlage mit Speicher. Wir werden oft gefragt warum die Anlage nicht weiterproduziert wenn das öffentliche Netz keinen Strom mehr liefert. Da die Anlage mit dem Netz verbunden ist, muss das öffentliche Netz geschützt werden um Reperatur und Wartungsarbeitungen sicher gewährleisten zu können. Mit einer Batterie kann die Anlage in eine ,,Insel” umschalten und in einem Modus der Nulleinspeisung zum Netzt, den Haushalt oder das Gewerbe weiter mit Energie versorgen.

Bei Überproduktion, wenn mehr Strom aus den Solarzellen erzeugt wird, als benötigt wird, kann dieser Strom entweder in das Stromnetz eingespeist oder in einem Energiespeichersystem gespeichert werden. Wenn der Strom in das Stromnetz eingespeist wird, wird er von anderen Verbrauchern genutzt, die in der Nähe an das Stromnetz angeschlossen sind. Meist gibt es eine Einspeisevergütung für den Strom der ins Netz geleitet wird.

Vorteile und Nachteile von Solaranlagen

Solaranlagen haben verschiedene Vorteile und Nachteile. Hier sind einige wichtige Punkte:

Vorteile von Solaranlagen:

• Solarenergie ist eine erneuerbare Energiequelle, die unbegrenzt und kostenlos zur Verfügung steht.
• Solarenergie produziert keine Treibhausgasemissionen oder Luftverschmutzung und trägt damit zur Reduzierung von Umweltbelastungen und Klimawandel bei.
• Solarenergie ist eine dezentrale Energiequelle, die die Abhängigkeit von zentralen Stromversorgern verringern und eine höhere Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen ermöglichen kann.
• Solaranlagen haben eine lange Lebensdauer von mindestens 25 Jahren und benötigen nur minimale Wartung.

Nachteile von Solaranlagen:

• Die einmaligen Anschaffungskosten können zu Buche schlagen
• Solarenergieproduktion hängt von der Sonneneinstrahlung und der Tageszeit ab, was zu Schwankungen in der Stromproduktion führen kann. (Ein Speicher verschafft hier Abhilfe)
• Solaranlagen benötigen genügend Sonnenlicht, um effektiv zu arbeiten, was sie weniger geeignet für Gebiete mit geringer Sonneneinstrahlung macht.
• Die Herstellung und der Transport von Solarzellen in weit entfernten Regionen kann energie- und ressourcenintensiv sein und umweltbelastende Materialien enthalten.

Fazit – Wie funktioniert eine Solaranlage?

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass Solaranlagen eine umweltfreundliche und nachhaltige Art der Stromerzeugung sind. Die Funktionsweise einer Solaranlage basiert auf der Nutzung von Sonnenlicht, um elektrische Energie zu erzeugen. Durch die Verwendung von Solarzellen wird die Energie des Sonnenlichts in Gleichstrom umgewandelt, der dann durch einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt wird, der für den Haushaltsgebrauch genutzt werden kann.

Eine Solaranlage ist eine Investition in die Zukunft und bietet viele Vorteile, wie z.B. Einsparungen bei den Stromkosten, eine unabhängige Stromversorgung und eine Reduzierung der CO2-Emissionen. Es gibt verschiedene Arten von Solaranlagen, die je nach Standort, Nutzung und Anforderungen ausgewählt werden können.