So funktioniert eine Photovoltaik-Anlage zur Stromerzeugung

Solaranlage gibt es entweder zur Stromerzeugung oder Wärmegewinnung, bei ersterem handelt es sich dann um eine Photovoltaik-Anlage (PV-Anlage), im zweiten Fall wird von einer Solarthermie gesprochen. Mit einer Solarthermie wird Warmwasser erzeugt oder die Heizung unterstützt, sie dient also der eigenen Versorgung. Der mit einer Photovoltaik-Anlage erzeugte Strom wird hingegen meist in das allgemeine Stromnetz eingespeist und steht damit allen zur Verfügung.

KfW-Bildarchiv / Fotograf: Thomas Klewar

Erneuerbaren-Energien-Gesetz (EEG)

Die Vergütung erfolgt nach den Vorgaben des Erneuerbaren-Energien-Gesetz (EEG) über einen Zeitraum von 20 Jahren. Wer möchte, kann den Strom auch für den Eigenbedarf verwenden und nur die Überschüsse ins Netz einspeisen. Dies rentiert sich spätestens seit der EEG-Novelle von 2009, wird seitdem doch auch der selbst verbrauchte Strom vergütet. Sinn dieser Vergütung ist, dass Photovoltaik-Anlagen wirtschaftlich betrieben werden können. Nur durch eine gesteigerte Nachfrage nach solchen Anlagen, können sie irgendwann so kostengünstig produziert werden, dass keine Förderung mehr notwendig ist.

Und so funktioniert's

Dass überhaupt Strom produziert werden kann, dafür sind bei einer PV-Anlage die Photovoltaik-Module zuständig. Diese setzen sich aus Solarzellen zusammen, in denen durch bestimmte Reaktionen Strom produziert wird.

Die Solarzelle

Eine Solarzelle besteht meist aus zwei Schichten Silizium, die unterschiedlich aufgeladen sind. Eine Siliziumschicht ist positiv geladen, der Fachmann nennt das p-dotiert. Die andere Schicht ist n-dotiert, also negativ aufgeladen. Sie ist der Sonne zugewandt, befindet sich also auf der Oberseite der Solarzelle. Insgesamt entsteht eine Raumladungszone, die bei Auftreffen eines Sonnenstrahls einen Photoeffekt auslöst. Der genaue Ablauf mit Elektronen, die sich auf die Elektroden zu bewegen, soll hier nicht beschrieben werden. Auf jeden Fall entsteht eine Spannung, die beim Schließen des Stromkreises zu einem fließenden Strom wird. Dieser kann in einem Akku zwischengespeichert werden (wenn der Strom für den Eigengebrauch genutzt wird) oder direkt über einen Wechselrichter ins Stromnetz eingespeist wird.

Der Wechselrichter

Somit sind wir beim sogenannten Herz einer netzgekoppelten PV-Anlage gelandet – dem sogenannten Wechselrichter, der eigentlich Netzeinspeisegerät (NEG) heißt. Ein Wechselrichter ist notwendig, da es sich bei dem erzeugten Strom um Gleichstrom handelt, ins Netz jedoch ein Wechselstrom eingespeist werden muss. Der Wechselrichter ändert jedoch nicht nur die Stromart, er sorgt auch dafür, dass die Solaranlage besonders leistungsfähig und damit die Energieausbeute maximal ist. In diesem Zusammenhang spielt der Wirkungsgrad des Wechselrichters eine große Rolle. Er gibt Aufschluss darüber, wie viel der von den Solarzellen produzierten Leistung nach der Umwandlung an das Stromnetz weitergegeben wird. 

Wirkungsgrad

Es muss hierbei zwischen maximalem und europäischem Wirkungsgrad unterschieden werden. Der Realität kommt hierbei eher der europäische Wirkungsgrad näher, da er berücksichtigt, dass der Wechselrichter nicht immer voll belastet wird, sondern meist im Teillastbereich arbeitet. Er liegt daher immer unter dem maximalen Wirkungsgrad.

Netzgekoppelten PV-Anlagen

Es werden bei netzgekoppelten PV-Anlagen verschiedene Typen von Wechselrichtern unterschieden. Neben Modulwechselrichtern gibt es zum Beispiel noch Strangwechselrichter und Zentralwechselrichter.

Modulwechselrichter treten immer im Rudel auf, weil es hier für jedes Solarmodul einen eigenen Wechselrichter gibt. Das hat Vor- und Nachteile. Größter Vorteil ist sicherlich, dass es nicht so ins Gewicht fällt, wenn auf ein einzelnes Modul ein Schatten fällt, die anderen Module sind dann davon nicht betroffen. Das ist dann auch der Nachteil eines Strangwechselrichters, an den mehrere Module angeschlossen wird. Liegt hier ein Modul im Schatten, wirkt sich das auf die gesamte PV-Anlage aus. Vorteil dieser Reihenschaltung ist allerdings, dass die Installationsaufwand nicht so groß ist wie bei der Parallelschaltung. Bei der ist aus oben genannten Gründen allerdings ein höherer Ertrag zu erwarten. Bei großen PV-Anlagen kommen meist Zentralwechselrichter zum Einsatz. Diese Anlagen haben dann eine Leistung von 100 KWp oder mehr. Bei einem „normalen“ Einfamilienhaus ist solch eine Leistung überhaupt nicht möglich, weil einfach die (Dach-)Fläche fehlt. Stehen 80 bis 100 qm Fläche zur Verfügung, kann eine PV-Anlage mit einer Leistung von etwa 10 KW betrieben werden. Über die genaue Solarstromernte gibt dies aber noch nicht Auskunft. Diese hängt zunächst einmal vom Standort in Deutschland ab, da in manchen Gegenden mehr Sonne scheint als in anderen. Auskunft darüber gibt die sogenannte Solarkarte. Tendenziell ist es aber so, dass die Süddeutschen mit mehr Sonne verwöhnt werden als die Norddeutschen.

Strahlungswerte

Die Strahlungswerte liegen aber in der Regel zwischen 900 kWh/m² und 1200 kWh/m². Bei einer 10 KW-Anlage liegt die Solarernte also zwischen 9.000 und 12.000 KWh. Zum Vergleich: Ein Vier-Personen-Haushalt verbraucht im Jahr etwa 4.000 KWh Strom. Einfluss auf den Ertrag haben auch die Ausrichtung und die Neigung der Solarmodule. Optimal sind eine Südausrichtung und ein Neigungswinkel von 30°.