Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage?

Photovoltaikanlagen sind aus einer Anzahl an Photovoltaik-Modulen aufgebaut, die wiederum aus Photozellen bzw. Solarzellen bestehen. In den Solarzellen wird das einfallende Sonnenlicht in Strom umgewandelt.

Licht besteht aus Photonen, den Trägern der elektromagnetischen Strahlung. Das Photon, auch als Lichtquant oder Lichtteilchen bezeichnet, hat zwar keine Masse aber eine Energie. Diese Energie ist dafür verantwortlich, dass beim Auftreffen des Photons auf Halbleitern oder Metallen Elektronen aus den Strukturen herausgelöst und somit frei beweglich werden (photoelektrischer Effekt). Liegt ein äußeres Potential, eine Spannung an, kommt es zum Stromfluss.

Wie entsteht Strom aus Sonnenlicht?

Die Solarzelle ist ein elektronisches Bauteil, das aus verschiedenartig aufgebauten Halbleiterschichten besteht. Meist handelt es sich um hochreines Silizium, das gezielt mit anderen chemischen Elementen „verunreinigt“ wurde. Dabei wird eine Schicht mit einem Mangel an Elektronen (p-Schicht mit „Löchern“) und eine Schicht mit einem Überschuss an Elektronen (n-Schicht) geschaffen. Dort wo sich die beiden Schichten berühren, entsteht eine neutrale Grenzschicht, in die Elektronen einwandern, um den „Mangel“ auszugleichen. Mit den Elektronen bzw. den „Löchern“ wird die Ladung verschoben und es entsteht ein Plus- und ein Minuspol in der Zelle. Treffen Photonen auf die Grenzschicht werden die Elektronen aktiviert und sie wandern zum Pluspol. Wird zwischen den beiden Schichten der Stromkreis geschlossen, kann ein Strom fließen, somit wird Lichtenergie direkt in elektrische Energie umgewandelt.

Eine einzelne Solarzelle liefert nur eine geringe elektrische Leistung*. Deshalb schaltet man viele Solarzellen in Serie oder parallel zu einem Modul zusammen. Untereinander sind die Zellen mit Lötbändchen verbunden, die man deutlich im fertiggestellten Modul erkennt. Fachsprachlich heißen diese Verbindungen „Busbars“.

Zum Schutz des Moduls werden ByPass-Dioden verwendet, die den Strom an defekten Solarzellen vorbeileiten.

Im Modul liegen die dünnen, zerbrechlichen Solarzellen hinter Glasscheiben geschützt. Glas-Glas-Module verhindern durch ihren Aufbau eine Beschädigung der Solarzellen aufgrund der Durchbiegung der Module, wie sie z.B. infolge von Schnee oder starkem Wind auftritt. Die empfindlichen Zellen befinden sich hier in der sogenannten neutralen Faser.

Vom Solarmodul zur Photovoltaikanlage

Durch die Verbindung mehrerer Solarmodule lässt sich die Leistung und damit die Menge an erzeugtem Solarstrom entsprechend vergrößern. Die Verbindung kann in Reihen- oder Parallelschaltung erfolgen. Bei der Reihenschaltung werden die Module immer Pluspol an Minuspol hintereinander verbunden. Dabei summiert sich die Spannung der einzelnen Module zur Gesamtspannung auf. Die reihenverschalteten Module werden als Strang (englischen „String“) bezeichnet. Minus- und Pluspol des Strangs werden dann mit dem (Strang)Wechselrichter verbunden.

Bei der Parallelschaltung wird jeweils eine Verbindung zwischen dem Minus- und dem Pluspol der einzelnen Module und dem (Zentral)Wechselrichter hergestellt. Die erzielte Spannung entspricht der Spannung eines einzelnen Photovoltaik-Moduls, dafür addieren sich die Ströme. 

Vor- und Nachteile der Reihen- und Parallelschaltung von Modulen

Die Verkabelung bei Reihenschaltung der Module ist sehr einfach und deutlich weniger materialaufwändig als bei der Parallelschaltung. Allerdings bestimmt bei in Reihe geschalteten Modulen das „schwächste Glied der Kette“ die Gesamtleistung. Das heißt, ist zum Beispiel ein Modul verschattet und liefert nur noch 50 % der Leistung, können die anderen Module auch nicht mehr als 50 % liefern. Mithilfe der erwähnten ByPass-Dioden lässt sich dieser Effekt mindern. Parallel geschaltete Photovoltaik-Module haben den Vorteil, dass Verschattungen keinen großen Effekt zeigen. Allerdings dauert es länger am Tag, bis sie eine Spannung erzeugen, die hoch genug ist, um nutzbar zu sein. Im Sommer ist das nicht entscheidend, wenn die Tage aber kürzer werden, macht sich dieses Defizit bemerkbar. Um die Vorteile beider Varianten zu verbinden ist auch eine Kombination von Reihen- und Parallelschaltung denkbar, bei der nur ein Teil der Module zu einem Strang zusammengeschaltet wird und die Stränge dann parallel.

Wegen der längeren Zeit, in der ein Solarertrag erzielt wird sowie aufgrund der einfacheren und kostengünstigeren Installation hat sich die Reihenschaltung von Modulen weitestgehend durchgesetzt. Im Allgemeinen werden für eine Photovoltaikanlage immer Module gleicher Leistung eingesetzt, um nicht unnötig die Gesamtleistung zu begrenzen. Bei der Erweiterung einer Anlage um neue Module aber auch bei Ost-West-Anlagen, bei denen nicht zu erwarten ist, dass beide Teilanlagen gleichzeitig die selbe Leistung liefern, fasst man die Module in Strängen zusammen. Jeder Modulstrang wird dann mit einem eigenen Wechselrichter verbunden, die dann auf Wechselstromseite parallelgeschaltet werden. Alternativ kann auch ein Multistringwechselrichter eingesetzt werden, der mehrere Geräte in sich vereint.

Aus PV-Strom wird Haushaltsstrom

Photovoltaische Bauteile erzeugen grundsätzlich immer Gleichstrom, die meisten elektrischen Geräte im Haushalt laufen jedoch mit Wechselstrom. Die Umwandlung von Gleich- in Wechselstrom ist Aufgabe des Wechselrichters, der auch als Netzeinspeisegerät bezeichnet wird.

Die Wahl des Wechselrichters ist abhängig von der Größe der Anlage und der Art der Verschaltung, da die Geräte immer für maximale und minimale Eingangsspannungen bzw. -ströme ausgelegt sind. Bei der DC-seitigen Kombination mit einem Stromspeicher muss dessen Leistung bei der Auslegung des Wechselrichters ebenfalls berücksichtigt werden. Soll eine bestehende Photovoltaik-Anlage mit einem Stromspeicher nachgerüstet werden, kann es deshalb erforderlich sein, den Wechselrichter auszutauschen. Alternativ empfiehlt sich der Einsatz eines AC-seitig eingebundenen Stromspeichers.

Um die Auswirkungen von Verschattung oder unterschiedlicher Leistung zu mindern, verwenden moderne Wechselrichter das sogenannte MPP-Tracking; MPP steht dabei für Maximum Power Point. Aufgabe des MPP-Trackers ist es, abhängig von Sonneneinstrahlung und Temperatur immer die optimale Leistung des Moduls bzw. des Strangs abzurufen. Jeder Wechselrichter hat einen MPP-Spannungsbereich, innerhalb dem er das MPP-Tracking betreiben kann.

Neben den Solarmodulen und dem Wechselrichter gehören Unterkonstruktion, Verkabelung, Anschlusselektrik zwischen Wechselrichter und Hausinstallation sowie der Stromzähler zur Photovoltaikanlage. Während die anderen Komponenten „nur“ den Wirkungsgrad der Anlage beeinflussen, ist der Zähler zumindest indirekt notwendig, damit die Photovoltaikanlage ihre Funktion erfüllen kann.

Jeder Haushalt, der ans öffentliche Netz angeschlossen ist, wird vom Netzbetreiber mit einem Bezugszähler ausgestattet, der nur messen kann, wie viel Strom aus dem Netz entnommen wurde. Bei Einspeisung kann dieser Zähler den Photovoltaik-Strom nicht messen, im schlimmsten Fall läuft er rückwärts. Daher ist der Einbau eines Zwei-Wege-Zählers notwendig (und auch gesetzlich vorgeschrieben), mit dem sich die bezogene und eingespeiste Strommenge unabhängig voneinander messen lassen. Das ist nicht nur die Voraussetzung für eine korrekte Stromrechnung, sondern auch für die Auszahlung der Einspeisevergütung. Die Photovoltaikanlage darf erst nach Setzen des Zählers in Betrieb gehen.

Erweitert werden kann die PV-Anlage um ein Energiemanagementsystem, mit dem sich unter anderem der Verbrauch des erzeugten Solarstroms steuern lässt. Während der Eigenverbrauchsanteil bei einer herkömmlichen Photovoltaikanlage bei 30 % liegt, kann er mittels Energiemanagement auf bis zu 50 % erhöht werden. Bei zusätzlicher Einbindung eines Speichers ist eine Steigerung des Eigenverbrauchs auf bis zu 80 % möglich.