fünf animierte Glühbirnen, die als Pendel den Energieerhaltungssatz symbolisieren, nach dessen Prinzip Photovoltaik funktioniert

Wie funktioniert Photovoltaik?

Solarzellen in Photovoltaikmodulen generieren Elektrizität, indem sie Sonnenlicht absorbieren. Diese Lichtenergie nutzen sie dazu, elektrischen Strom zu produzieren. In einer einzelnen Solarpaneele sind viele PV-Zellen verbaut. Der Strom, den diese Zellen gemeinsam produzieren, reicht aus, um Ihre Wohnung oder Ihr Haus zu versorgen. Oder jedes andere Kommunal- und Gewerbegebäude.

Ähnlich wie Lithiumzellen in einer Batterie, sind auch Photovoltaikzellen darauf ausgelegt, Elektrizität zu generieren. Mit dem Unterschied, dass Batterien die Elektrizität aus chemischen Substanzen gewinnen. Solarzellen hingegen generieren Strom, indem sie das Sonnenlicht einfangen.

Das Wichtigste zur Funktionalität von PV-Anlagen in Kürze:
  • Eine Photovoltaikanlage besteht aus mehreren, in Reihe geschalteten Paneelen (Panels); die Panels bestehen aus mehreren Modulen. Und ein Modul aus einer Vielzahl Solarzellen.
  • Damit eine PV-Anlage funktioniert, benötigt es Photovoltaikmodule, einen Wechselrichter und einen Smart Meter genannten Stromzähler.
  • Für die reine Funktionsfähigkeit einer Photovoltaikanlage sind Batterie und Energiemanager optional. Sie optimieren aber den Eigenverbrauch.
  • Der Vorgang, bei dem Solarenergie in Elektrizität umgewandelt wird, wird Photovoltaik genannt und wird dank Energieerhaltungsgesetzes möglich.
  • Bei der Solarstromproduktion entsteht Gleichstrom, der durch einen Wechselrichter (auch: Inverter) in Wechselstrom umgewandelt und so nutzbar gemacht wird.


Wie funktioniert eine Solarzelle?

Wenn man die Funktion von Photovoltaik einfach erklärt, muss man zunächst einen Blick auf die Energiequelle werfen, aus der es den Solarstrom generiert. Sonnenlicht.

Dieses Sonnenlicht besteht aus solarenergetischen Strahlenpartikeln – Photonen genannt. Photonen enthalten verschieden viel Energie. Je nach Wellenlänge des Sonnenspektrums.

Treffen die Photonen auf eine Solarzelle, werden manche absorbiert, manche reflektiert. Absorbiert das Material ausreichend Photonenenergie, lösen sich Elektronen innerhalb der PV-Zelle von ihren Atomen und bewegen sich an die Oberfläche der Zelle. Die ist so konzipiert, dass sie empfänglicher ist für freie Elektronen.

Nun bewegen sich bei einer Photovoltaikanlage eine Vielzahl dieser negativ geladenen Elektronen sich in Richtung der Oberfläche der Zelle. Dadurch entsteht zwischen der Vorder- und Rückseite der Zelle ein Ungleichgewicht der Ladungen. Ähnlich wie zwischen den Polen einer Batterie entsteht so ein Spannungspotential zwischen der Ober- und Unterfläche der PV-Zelle.

Werden die beiden Oberflächen von extern miteinander verbunden, kann Elektrizität fließen.

Einzelne Solarzellen können so klein konzipiert werden, dass sie gerade einmal einen Zentimeter Durchmesser aufweisen. Die größten Photovoltaikzellen messen circa 10 Zentimeter. Eine Zelle dieser Größe kann höchstens 1 oder 2 Watt Strom produzieren. Das ist für kaum ein strombetriebenes Endgerät genug. Um also die Strommenge zu erhöhen, muss man mehrere Zellen elektrisch miteinander verbinden, um sie so zu einem Modul zusammenzufügen.

Mehrere dieser Module ergeben dann ein Panel oder eine Paneele. Und die Gesamtheit dieser Paneelen wiederum dann die eigentliche Photovoltaikanlage oder das Photovoltaiksystem. Dabei kann die PV-Anlage aus gerade mal einem Modul oder mehreren Tausend bestehen.

Komponenten eines Photovoltaik-DC-Systems von der Zelle bis zur PV-Anlage

Die potenzielle Leistung einer Photovoltaikanlage hängt von deren Größe und der Wahl der entsprechenden Modultypen ab. Die tatsächliche Leistung natürlich vor allem von der Sonneneinstrahlung. Die Witterung (Wolken, Nebel etc.) hat großen Einfluss auf die Menge an Solarenergie, die eine PV-Anlage einfangen kann. Und damit auf deren Leistung.

Photovoltaik einfach erklärt:

Definition: Photovoltaik ist eine Wortkreation, die sich einerseits aus dem griechischen Wort "photo" und andererseits aus dem modernen Wort "Volt" zusammensetzt. "Photo" bedeutet "Licht". "Volt" gibt die Einheit elektrischer Spannung an; benannt nach dem italienischen Physiker Alessandro Volta (1745 – 1827).

  • Photovoltaik ist die Stromgewinnung aus Sonnenenergie mit Hilfe von Solar- oder Photovoltaikzellen.
  • Solarzellen nennt man zwei verschiedene Siliciumschichten, die mit speziellen Verfahren so aufbereitet werden, dass sie Elektrizität leiten.
  • Solarpanels (auch: Solar- bzw. Photovoltaikmodule) bestehen aus vielen Solarzellen.
  • Photovoltaikanlagen sind ein Zusammenschluss mehrere Solarpaneelen zu einem System, das dazu in der Lage ist, Elektrizität zu erzeugen.

Eines der wichtigsten physikalischen Gesetze ist der Energieerhaltungssatz. Dieser besagt, dass Energie nicht erzeugt oder vernichtet werden kann. Stattdessen kann Energie zwar durch Umwandlung ihre Form ändern, sie geht aber nie verloren.

Nach diesem Prinzip funktioniert auch Photovoltaik: Es wandelt Lichtenergie der Sonne in elektrische Energie um.

Damit es das kann und Sie die elektrische Energie für sich nutzbar machen können, sind einige Komponenten nötig, aus denen eine komplette Photovoltaikanlage besteht:

  1. den Photovoltaikmodulen,
  2. dem Wechselrichter,
  3. dem Energiemanager,
  4. dem Zähler und
  5. optional der Batterie bzw. dem Batteriespeicher.

Entscheidend, dass Photovoltaik funktioniert: die Module

Aufbau eines Solarmoduls

Der Vorgang, der Sonnenstrahlen in elektrische Energie umwandelt, findet in der Photovoltaikzelle statt. Diese Zellen bestehen aus zwei Silicium-Schichten, sogenannte Halbleiter. Eine dieser Schichten hat einen Elektronenmangel, die andere einen Elektronenüberschuss. Treffen nun die Photonen des Sonnenlichts auf die Zellenoberfläche, macht das Licht die Elektronen beweglich: die Halbleiter werden leitfähig. Elektrischer Strom entsteht.

Jede Photovoltaikzelle produziert nur eine kleine Menge Energie. Darum besteht ein Modul in der Regel aus 60 einzelnen Zellen. Längst sind aber sogenannte Halbzellenmodule der Standard geworden. Diese bestehen aus 2 x 60 oder auch 2 x 72 einzelnen Solarzellen.

Schaltet man mehrere dieser Module zusammen, hat man ein Photovoltaiksystem. Acht bis zehn solcher Panels sind im Schnitt ausreichend, um ein kleines Haus mit Strom zu versorgen. Natürlich hängt das von vielen individuellen Faktoren ab: die Sonnenstunden an Ihrem Standort, dem persönlichen Energieverbrauch und dem Wirkungsgrad der Module.

Als Wirkungsgrad von Solarmodulen wird das Verhältnis der Menge Lichtenergie, die sie einfangen, zu der Menge elektrischer Energie, die sie herstellen, bezeichnet. Der Rest wird in Wärme umgewandelt. Ein Wirkungsgrad von 20% bedeutet demnach, dass 20% der Sonneneinstrahlung in Elektrizität umgewandelt wird. Die restlichen 80% in Wärme. Je höher der Wirkungsgrad, desto mehr Strom kann ein PV-Modul produzieren.

Grundsätzlich gelten monokristalline Solarzellen in dieser Hinsicht als leistungsstärker. Ihr Wirkungsgrad bewegt sich im Schnitt zwischen 16 und 24%. Der von polykristallinen PV-Zellen zwischen 14 und 20%. Monokristalline Module sind aufgrund des effizienteren Wirkungsgrades teurer und empfehlen sich vor allem dort, wo die zur Verfügung stehende Fläche ein limitierender Faktor ist.

Unabhängig davon, für welche Photovoltaikmodule Sie sich entscheiden: Um Strom produzieren zu können, müssen die PV-Zellen in Reihe geschaltet werden. Bei der generierten Elektrizität handelt es sich in jedem Fall um Gleichstrom. Das heißt auch, um den Strom nutzbar zu machen, muss er durch einen Wechselrichter geleitet werden. Dieser wandelt ihn in Wechselstrom um, wie er üblicher Weise in Gebäuden, Steckdosen, Glühbirnen und Elektrogeräten benötigt wird.

Macht Strom aus Photovoltaik nutzbar: der Wechselrichter

Der Wechselrichter ist neben den Photovoltaikmodulen der wichtigste Bestandteil eines Solarstromsystems. Es handelt sich dabei um ein Gerät, das den Gleichstrom, den die Solarpanels generieren, in Wechselstrom, wie ihn das Hausnetz verwendet, umwandelt.

Gleichstrom bedeutet, dass die Elektrizität in nur eine Richtung fließt und das bei konstanter Spannung. Wechselstrom lässt Elektrizität in beide Richtungen des Stromkreises fließen, wobei sich die Spannung von positiver in negative Ladung ändert. Man kann also sagen, der Wechselrichter reguliert den Fluss elektrischer Energie.

Das schafft er, indem er den Richtungsfluss des eingehenden Gleichstroms sehr, sehr schnell von vorwärts und zu rückwärts und rückwärts zu vorwärts ändert. Oder anders: eben wechselt. Dadurch wird aus Gleichstrom-Input Wechselstrom-Output.

Damit eine Photovoltaikanlage funktioniert, wird der Wechselrichter per Stromkabel an die Solarmodule angeschlossen. Der Gleichstrom fließt durch den Wechselrichter (auch: Inverter) hindurch, wird währenddessen in Wechselstrom umgewandelt, bevor der Wechselrichter ihn als Wechselstrom ins Hausnetz einspeist. Von dort kann der Strom seine Reise in drei Richtungen fortsetzen: In Ihren Eigenverbrauch, wo er Ihre Haushaltsgeräte speist. In öffentliche Netz, wofür Sie mit der Einspeisevergütung entlohnt werden und den Strommix der Allgemeinheit mit mehr Ökostrom anreichern. Oder in einen Batteriespeicher, sofern Sie einen installiert haben.

Alle wichtigen Komponenten für eine funktionierende Photovoltaikanlage

Weist Ihrem Solarstrom die Richtung: der Energiemanager

Ein Energiemanager ist das Herzstück eines Energymanagement-Systems. Er kann nicht nur Ihren selbst produzierten Strom nach Ihren Präferenzen und Bedürfnissen verteilen. Er kann das auch automatisiert. Dank zugrunde liegender Algorithmen, Managementmethoden und -techniken, kann der Energiemanager Verbrauch und Bedarf in Echtzeit analysieren und bedienen.

Mit einem Energymanager können Sie effektiv Ihren Energie- bzw. Stromverbrauch reduzieren und optimieren. Für die meisten Photovoltaikanlagenbesitzer hat die Deckung des Eigenverbrauches oberste Priorität – also, den täglichen Bedarf mit günstigerem, selbst produzierten Solarstrom zu decken, statt mit teurem Netzstrom. Hier hilft der Energymanager bei der Optimierung des Nutzlastprofils und unterstützt Sie etwa dabei, den Großteil Ihres Stromverbrauches in die leistungsfähigste Zeitspanne Ihrer PV-Anlage zu verlagern.

Spannender ist, was mit dem Stromüberschuss passiert. Wenn Sie eine besonders autarke PV-Anlage konzipiert haben, wird der Energiemanager dafür sorgen, dass mit dem Energieüberschuss zunächst einmal Ihr Batteriespeicher aufgeladen wird.

Haben Sie indes (noch) keinen Speicher, dafür aber eine Wallbox mit einer Überschussladefunktion, dann wird der Energiemanager diese als nächstes ansteuern. Angenommen Ihr E-Auto ist in diesem Moment an Ihre Wallbox angeschlossen und dessen Batterie nicht voll aufgeladen. In dem Fall wird der Energiemanager ganz automatisch dafür sorgen, dass als nächstes Ihr Auto vollgeladen wird.

Wenn Sie keinen Speicher haben oder der voll ist oder keine Wallbox bzw. einfach Ihr Auto nicht an die Ladestation angeschlossen, dann geht der Überschuss direkt ins öffentliche Stromnetz. Das gleiche passiert auch, wenn ein eventueller Speicher und/oder die Autobatterie vollständig aufgeladen sind.

Sie können aber dank einem Energiemanager die Versorgungspriorisierung vollkommen nach Ihrem Bedarf oder Ihrer Vorstellung anpassen. So verfügen Sie vollkommen unabhängig, individuell und selbstbestimmt darüber, was mit dem Strom aus Ihrer PV-Anlage passiert.

Sie wollen mehr über Energiemanagement wissen? Jede Photovoltaikanlage von Klarsolar ist mit einer eigenen, für Sie kostenfreien Energymanagement-Gridbox ausgestattet.

Kontrolliert, dass Ihre Solarstromdistribution funktioniert: der Zähler

Der Zähler, in der Regel ein sogenannter Smart Meter, ist die vollautomatische Kontrollstelle, die Ihren Energieverbrauch aufschlüsselt und nachvollziehbar macht.

Er übermittelt Ihrem Netzbetreiber bzw. Energieversorger genaue Informationen über Ihren Stromverbrauch. Dabei schlüsselt der Zähler auch auf, wie viel Ihres Verbrauches Sie selbst mit Ihrer PV-Anlage erzeugen und wie viel Strom Sie ins öffentliche Netz einspeisen.

Für Sie bietet der moderne Stromzähler den Komfort und die Sicherheit, dass das Ablesen vollautomatisch passiert. Mit Hilfe des Smart Meters können Sie Ihre Energierechnungen genau nachvollziehen: Ihren Gesamtverbrauch anteilig aus Eigenproduktion und ggf. Netzstrom, sowie die eingespeiste und gemäß EEG vergütete Einspeisemenge.

Zweckgebundener, optionaler Bestandteil einer PV-Anlage: der Speicher

Vorweg sei gesagt: Es ist kein Batteriespeicher notwendig, damit Photovoltaik funktioniert oder Ihre PV-Anlage Strom produziert. Stand heute (11/2022) sind Batteriespeicher vor allem dann sinnvoll, wenn man ein vorrangig auf Autarkie ausgelegtes Photovoltaiksystem installieren möchte.

Ein Speicher erhöht rechnerisch natürlich Ihren Eigenbedarf – vorausgesetzt, sie verbrauchen ihn auch. Andernfalls kann er schnell zum Energiefresser werden, der den gespeicherten Strom vor allem selbst verbraucht.

Das gesagt, funktioniert ein Photovoltaik-Stromspeicher so, dass er entweder den Gleichstrom direkt aus der PV-Anlage speichert oder ihn zunächst in Wechselstrom umwandelt und diesen dann speichert.

Gleichstromspeicher werden an einen Wechselrichter angeschlossen, der die Energie in Wechselstrom umwandelt, sobald der Speicher angezapft wird.

Wechselstromspeicher laden sich vor allem mit Überschussenergie auf. Darum durchläuft der Gleichstrom aus den Modulen zunächst den Wechselrichter, wo er in Wechselstrom umgewandelt wird, den das Hausnetz direkt verwenden kann. Überschüssige Elektrizität fließt dann durch einen anderen Wechselrichter zurück, wo er wieder in Gleichstrom zurückgewandelt wird, der für einen späteren Zeitpunkt gespeichert werden kann. Wird dieser Batteriespeicher angezapft, muss der Strom erst wieder erneut durch den Wechselrichter fließen, um wieder in "Haushaltsstrom" umgewandelt zu werden.

Photovoltaikanlagen von Klarsolar funktionieren mit einem sogenannten Hybridwechselrichter.

Dieser ist in der Lage, Strom in beide Richtungen umzuwandeln. Egal mit welchem Speichersystem, dank eines Hybridwechselrichters brauchen Sie keinen zweiten Inverter, um Ihren Solarstrom zu speichern. Noch besser: Hybridwechselrichter funktionieren auch komplett ohne Speicher und! Sie können Sie jederzeit nachrüsten und zu jedem späteren Zeitpunkt ein Speichersystem anschließen.

Ein Speichersystem für Solarmodule kann eine gute Möglichkeit sein, Ihren Eigenverbrauch und Ihre Autarkie zu optimieren. Sie macht es möglich, überschüssige Solarenergie zu speichern, um Ihren eigenen Strom zu nutzen, statt aus den Netz zu ziehen, wenn Ihre PV-Module wetter- oder tageszeitbedingt nicht genug produzieren. Unter bestimmten Umständen kann eine Batterie sich durchaus lohnen. Unsere Experten beraten Sie gerne dazu:

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