Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage?
Mit einer Photovoltaikanlage (Solarstromanlage) wird das Sonnenlicht in elektrischen Strom umgewandelt. Verantwortlich für die Umwandlung ist der sogenannte photovoltaische Effekt. Im Detail handelt es sich dabei um die Wechselwirkung zwischen dem einstrahlenden Sonnenlicht und dem dotierten Halbleitermaterial der Photovoltaikzelle (Solarzelle). Durch die Umwandlung werden elektrische Ladungsträger freigesetzt und diese werden über metallische Kontakte abgeführt. Der erzeugte Gleichstrom wird über einen nachgeschalteten Wechselrichter in den netztauglichen Wechselstrom transformiert. Dieser Strom wird danach in das öffentliche Stromnetz eingespeist und durch einen Zähler kontrolliert. An trüben Tagen oder an Tagen mit geringer Sonnenscheindauer wird der Strom automatisch aus dem Netz bezogen. Das öffentliche Stromnetz ist somit eine Art Speicher für den Strom, der aus der Solaranlage gewonnen wird. Dieser Speicher ist besonders wichtig, da der Verbrauch und die Einspeisung in der Regel nicht synchron sind. Photovoltaik-Anlagen mit diesem Funktionsbetrieb werden als netzgekoppelte Anlagen bezeichnet. In Gebieten ohne eine direkte Netzanbindung werden keine netzgekoppelten Anlagen, sondern Inselsysteme eingesetzt. Diese sind mit einer Batterie ausgestattet und verfügen somit über einen eigenen Energiespeicher.
Das Herzstück jedes Solargenerators ist die Photovoltaikzelle oder Solarzelle. Eine Solarzelle besteht aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien. Im Detail handelt es sich um Stoffe, die Unterzufuhr von Wärme oder Licht elektrisch leitfähig werden. Bei tiefen Temperaturen wirken sie wiederum isolieren. Die meisten Solarzellen bestehen aus Silizium und besitzen im Durchschnitt eine Kantenlänge von 10 bis 20 cm. Mehrere Solarzellen werden in einer elektrischen Einheit zusammengefasst, diese Einheit wird als Solarmodul bezeichnet. Ein handelsübliches Solarmodul hat eine durchschnittliche Leistung von 170 bis 265 Wp (Kilowatt peak) und einen Wirkungsgrad von rund 20 Prozent. Die abgrenzbare Spannung hängt direkt vom Halbleitermaterial ab. Wird Silizium verwendet, dann liegt dieser Wert bei 0,5 V. Während die Spannung immer gleich bleibt, ist die Stromstärke von der Lichtstärke und von der Größe der Solarzelle abhängig. Je stärker die Sonne scheint, desto mehr Solarstrom kann erzeugt werden. Eine 15 x 15 cm große Sollarzelle erzeugt im Durchschnitt 5,5 Ampere Strom.
Die Photovoltaik-Module werden an der Vorderseite von einer Glasscheibe abgedeckt, während die Hinterseite von einer Folie geschützt wird. Bei Fassaden kommen spezielle Module zum Einsatz. Bei diesen befinden sich die Zellen zwischen 2 Glasscheiben. Im Handel werden die Solarmodule in zahlreichen Größen, von wenigen Watt bis hin zu 300 Watt, angeboten. Herkömmliche Module haben eine Leistung von 130 bis 250 Watt. Anstelle von normalen Dachziegeln können auch Solardachziegel zum Einsatz kommen. Um mit einer Photovoltaikanlage den optimalen Stromertrag erwirtschaften zu können, muss diese auf jeden Fall nach Süden ausgerichtet werden. Der optimale Anstellwinkel liegt zwischen 20 und 35°. In Deutschland werden mit Solaranlagen, die optimal ausgerichtet sind, im Durchschnitt zwischen 800 bis 1050 KWh pro kWp erwirtschaftet. Der Solarstrom ist zu 100 Prozent sauber. Pro kWp-Generatorleistung entlastet eine Photovoltaik-Anlage die Umwelt jährlich mit ca. einer halben Tonne Kohlendioxid. Bei Anlagen mit einem höheren oder geringeren an Stellwinkel oder Anlagen, die nach Osten oder Westen ausgerichtet sind, verringert sich der Ertrag nur um rund 20 Prozent. Durch diese Tatsache lohnt sich eine Solaranlage auch, wenn sie aufgrund der Haus- oder Dachlage nicht optimal ausgerichtet werden kann.