In unserem Artikel werfen wir einen detaillierten Blick darauf, wie eine Photovoltaikanlage (PV-Anlage) die Energie der Sonnenphotonen in elektrischen Strom umwandelt. Die PV-Anlage setzt sich aus mehreren entscheidenden Komponenten zusammen, von denen jede eine spezifische Funktion bei der Erzeugung von Strom aus Sonnenlicht übernimmt. Tauchen Sie mit uns ein und erfahren Sie, welche Aufgaben diese individuellen Komponenten im Prozess der nachhaltigen Energieerzeugung spielen.
Funktionsweise einer Photovoltaikanlage
Eine Photovoltaikanlage nutzt die Einstrahlung von Sonnenlicht auf die Solarzellen. Dieses Licht setzt Elektronen in den Zellen in Bewegung, wodurch Gleichstrom erzeugt wird. Durch den Wechselrichter erfolgt die Umwandlung dieses Gleichstroms in Wechselstrom. Der erzeugte Strom gelangt daraufhin zum Stromzähler und wird schließlich entweder ins Hausstromnetz eingespeist oder in einem Stromspeicher gespeichert.
Es ist wichtig zu beachten, dass der Prozess der Stromerzeugung deutlich komplexer ist als die vorangegangene Beschreibung. Im weiteren Verlauf werfen wir daher einen genaueren Blick auf die Funktionen der einzelnen Komponenten und erläutern, welche Rolle sie bei der Stromerzeugung spielen.
Solarzellen
Die Erzeugung von Strom in einer Photovoltaikanlage beginnt mit den Solarzellen, die aus Silizium bestehen, einem Halbleitermaterial mit photovoltaischen Eigenschaften. Wenn Sonnenlicht auf die Solarzellen trifft, werden die Elektronen der Solarzellen durch die Photonen des Lichts in Bewegung versetzt.
Damit diese Bewegung Strom erzeugt, müssen die Solarzellen zwei unterschiedlich dotierte Schichten aufweisen. Die obere Schicht ist die n-dotierte Schicht, bestehend aus Silizium und Phosphor. Silizium hat normalerweise vier Elektronen gebunden, während Phosphor fünf Elektronen hat. Das überschüssige Elektron des Phosphors ist daher frei in der Schicht.
Die untere Siliziumschicht wird durch Zugabe von Bor p-dotiert. Bor hat nur drei Elektronen, also eines zu wenig für Silizium. Durch die Kombination mit Silizium entsteht ein freier Elektronenplatz oder auch Loch genannt. Die freien Elektronen der n-dotierten Silizium-Phosphorschicht wandern automatisch zur p-dotierten Schicht, um sich an die freien Löcher der Boratome zu binden. Dadurch entsteht die mittlere Grenzschicht aus Boratomen mit vier Elektronen, die nicht mehr wandern.
Die Elektronenwanderung von einer Schicht zur anderen führt zur Bildung von zwei elektrischen Polen, ähnlich einer Steckdose. Durch den Austritt der Elektronen wird die obere Schicht positiv geladen, während die untere Schicht durch den Elektronenzuwachs zum negativen Pol wird. Wenn nun Sonnenlicht auf die Solarzellen trifft, werden die Elektronen von den Boratomen abgelöst. Sie werden automatisch zum positiven Pol gezogen und wandern in die obere Schicht. Dieser Prozess wiederholt sich in allen Solarzellen des Moduls, auf die Sonnenlicht fällt.
Solarmodule
Die angeregten Elektronen können zudem aus der oberen Schicht der Solarzellen über einen elektrischen Leiter abgeleitet werden, der in der Regel als Metallgitter auf der Rückseite des Solarmoduls angebracht ist. Während die Sonne scheint, werden kontinuierlich Elektronen durch die Metallkontakte gedrängt und über die Solarkabel geleitet.
Die Unterseite des Solarmoduls ist ebenfalls mit einem Metallkontakt verbunden, der mit den Solarkabeln verknüpft ist. Die Elektronen, die von oben eintreten, fließen durch das Kabel und tauchen in der unteren Schicht wieder auf. Diese fortwährende Bewegung sorgt für die Entstehung einer elektrischen Spannung.
Um eine höhere Spannung und somit eine höhere PV-Leistung zu erzielen, werden die Solarzellen in Reihen geschaltet. Die meisten Solarmodule bestehen aus 60 oder 72 Solarzellen und weisen eine Nennleistung von etwa 300 Wp bis 400 Wp (Wattpeak) auf. Die Effizienz oder der Wirkungsgrad der Solarzellen liegt in der Regel zwischen 15 und 22 %, was bedeutet, dass etwa 15 bis 22 % des einfallenden Sonnenlichts in elektrische Energie umgewandelt werden können.
Solarkabel
Die Module einer Solaranlage sind untereinander durch Solarkabel miteinander verbunden. Solarkabel sind robuste Kabel, die wetterfest und UV-beständig sind und dazu dienen, den erzeugten Strom von Modul zu Modul zu transportieren. Es gibt verschiedene Methoden, diese PV-Kabel zu verbinden oder zu schalten, und diese haben unterschiedliche Auswirkungen auf die Stromspannung, Stromstärke und somit auf die Gesamtleistung.
Bei der Reihenschaltung werden mehrere Solarmodule in Serie geschaltet, indem ein Plus-Kabel mit einem Minus-Kabel verbunden wird. Diese Reihenschaltung führt zur Addition der Spannungen aller Module, während die Stromstärke konstant bleibt. Am Ende der Reihe bleiben jeweils ein Plus- und ein Minus-Kabel übrig, die mit dem Wechselrichter verbunden werden.
In der Parallelschaltung hingegen werden Minus-Kabel mit Minus-Kabel und Plus-Kabel mit Plus-Kabel verbunden. Hierdurch erfolgt eine Addition der Stromstärken, während die Spannung der einzelnen Module konstant bleibt. Auch bei dieser Konfiguration bleiben am Ende zwei Kabel übrig, die mit dem Wechselrichter verknüpft werden. Es ist wichtig zu beachten, dass beide Varianten, die Reihen- und Parallelschaltung, jeweils Vor- und Nachteile aufweisen.
Die Leistung einer Photovoltaikanlage wird durch die Kombination von Stromstärke und elektrischer Spannung bestimmt. Zum Beispiel ergibt eine Spannung von 48 V und eine Stromstärke von 10 A eine Photovoltaik-Leistung von 480 Wp. Diese Formel gilt auch für eine halbe Spannung von 24 V und eine doppelte Stromstärke von 20 A, die ebenfalls zu einer Photovoltaik-Leistung von 480 Wp führt. Durch verschiedene Schaltungen, wie Reihen- oder Parallelschaltungen, kann die Photovoltaik-Leistung optimiert werden.
Wechselrichter
Ein Wechselrichter ermöglicht die Integration des erzeugten Solarstroms in den häuslichen Energieverbrauch. Solarstrom wird als Gleichstrom erzeugt, während Haushalte und das öffentliche Netz Wechselstrom nutzen.
Gleichstrom zeichnet sich durch eine konstante Flussrichtung aus, während Wechselstrom periodisch seine Richtung ändert. Um den erzeugten Gleichstrom in nutzbaren Wechselstrom umzuwandeln, nutzt der Wechselrichter spezielle Schalter oder Generatoren, die regelmäßig die Elektronenflussrichtung verändern. In Europa erfolgt diese Richtungsänderung mit einer Frequenz von 50 Hz, was bedeutet, dass sie sich 50 Mal pro Sekunde ändert.
Moderne Wechselrichter verwenden Schalter, um eine sinusförmige Welle zu erzeugen, die mit empfindlichen elektronischen Geräten kompatibel ist. Diese Schalter öffnen und schließen die Leitungen im Stromfluss in schneller Abfolge und ändern dadurch die Flussrichtung des Stroms. Um eine gleichmäßige Sinuswelle zu gewährleisten, wird die Schaltfrequenz in mehrere kleine Segmente mit unterschiedlichen Stromstärken aufgeteilt.
Ein integraler Bestandteil des Wechselrichters sind die MPP-Tracker (Maximum Power Point Tracker). Ihre Funktion besteht darin, die Leistung der Photovoltaikanlage zu überwachen und zu optimieren, indem sie die Stromstärke und Spannung beeinflussen. Dies gewährleistet, dass die Solaranlage kontinuierlich in unmittelbarer Nähe ihres maximalen Leistungspunktes arbeitet.
PV-Speicher
Wenn der erzeugte Strom nach der Umwandlung nicht unmittelbar im Haushalt verbraucht wird, gibt es zwei Optionen: Er kann entweder ins öffentliche Netz eingespeist werden oder in einem Stromspeicher für spätere Verwendung gespeichert werden. Der Stromspeicher fungiert im Wesentlichen als eine große Batterie, wobei moderne Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden, ähnlich denen, die in Elektroautos verbaut sind.
Während des Ladevorgangs des Speichers wird die elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. Zu diesem Zweck verfügt der Stromspeicher über eine positive Elektrode (Anode), eine negative Elektrode (Kathode) und einen Elektrolyten als leitende Flüssigkeit, der die beiden Elektroden umgibt.
Wenn die Solarmodule elektrischen Strom erzeugen, bewegen sich die Elektronen durch den Elektrolyten von der Kathode zur Anode, bis diese vollständig mit Elektronen geladen ist. An der Anode reagieren die Elektronen zu Atomen, und der Strom liegt nun in Form von chemischer Energie im Speicher vor. Beim Entladevorgang wandern die Atome zurück zur Kathode und werden erneut in Elektronen umgewandelt, die dann als elektrischer Strom zur Verfügung stehen.
Stromspeicher sind darauf beschränkt, Strom in Form von Gleichstrom zu speichern. Das bedeutet, dass der Stromspeicher den Gleichstrom direkt speichern kann, bevor er umgewandelt wird. Solche Stromspeicher werden als DC-seitige Speicher bezeichnet (DC = Gleichstrom).
Alternativ dazu besteht die Möglichkeit, einen Stromspeicher mit integriertem Wechselrichter zu verwenden. In diesem Fall wird der Stromspeicher nach dem Wechselrichter im PV-System geschaltet und wandelt den Strom selbst im Speicher um, um ihn später wieder als Wechselstrom zum Verbrauch bereitzustellen. Solche Speicher werden als AC-seitige Speicher bezeichnet (AC = Wechselstrom).
Fazit
Eine Photovoltaikanlage setzt sich aus verschiedenen Komponenten zusammen, von denen jede eine spezifische Rolle bei der Stromerzeugung spielt. Der Prozess der Stromerzeugung beginnt mit den Solarzellen, die aus Silizium bestehen und die Photonen des Sonnenlichts in Elektronenbewegung umwandeln. Die durch das Sonnenlicht angeregten Elektronen werden über einen elektrischen Leiter aus der oberen Schicht der Solarzellen abgeführt und mittels Solarkabeln miteinander verbunden. Diese Solarkabel leiten den erzeugten Strom zum Wechselrichter weiter, der seine Aufgabe darin sieht, den Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln. Nach dieser Umwandlung fließt der erzeugte Wechselstrom entweder ins Hausstromnetz oder wird in einem Stromspeicher gespeichert.
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