Wie erzeugen Solarmodule Strom?
Wie erzeugen Solarmodule Strom?
Solarmodule sind eine der umweltfreundlichsten und nachhaltigsten Energiequellen und bilden das Herzstück moderner Energiesysteme. Ihr grundlegendes Funktionsprinzip basiert auf der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie. Dieser Umwandlungsprozess erfolgt durch einen physikalischen Effekt namens photovoltaischer Effekt.
In den letzten Jahren hat die Bedeutung von Solarmodulen durch steigende Strompreise und umweltfreundliche politische Maßnahmen zur Reduzierung der CO₂-Emissionen stark zugenommen.
Aber wie genau erzeugen Solarmodule eigentlich Strom? Hier ist eine ausführliche Erklärung:
Ein großes Solarmodulfeld auf dem Dach wandelt Sonnenlicht in elektrische Energie um und versorgt Haushalte und Unternehmen mit Strom – eine beliebte Technologie im Bereich der erneuerbaren Energien.
Obwohl der Prozess zunächst komplex erscheinen mag, basiert er auf einem relativ einfachen Prinzip.
In jedem Solarmodul befinden sich spezielle Solarzellen, die das Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom umwandeln.
Jede Solarzelle besteht in der Regel aus dünn geschnittenem Silizium.
Silizium ist ein Halbleitermaterial, das in der Lage ist, Lichtenergie in elektrische Energie umzuwandeln.
Im Inneren der Solarzellen befinden sich Schichten mit positiven und negativen Ladungsträgern – zwischen diesen beiden Schichten bildet sich ein konstantes elektrisches Feld.
Diese innere Struktur ist die Grundlage für die Stromerzeugung aus Sonnenlicht.
Das von der Sonne auf die Erde treffende Licht besteht aus energiereichen Teilchen, sogenannten Photonen.
Wenn eine Solarzelle dem Sonnenlicht ausgesetzt wird, absorbiert das Zellmaterial die Energie der Photonen.
Diese Energie bringt Elektronen dazu, sich aus ihren Atombindungen zu lösen. Die freigesetzten Elektronen werden durch das elektrische Feld in eine Richtung gelenkt und erzeugen so einen elektrischen Strom.
Dieser Vorgang wird als photovoltaischer Effekt bezeichnet und führt dazu, dass an den Anschlüssen der Zelle Gleichstrom (DC) erzeugt wird.
Damit dieser erzeugte Gleichstrom im Alltag nutzbar wird, muss er in Wechselstrom (AC) umgewandelt werden, wie er in Haushalten und dem öffentlichen Stromnetz verwendet wird.
Diese Umwandlung übernimmt ein Gerät namens Wechselrichter (Inverter).
Der Wechselrichter wandelt den vom Modul gelieferten Gleichstrom in netzkompatiblen Wechselstrom um.
Dank des Wechselrichters kann der von den Solarmodulen erzeugte Strom sicher in Haushaltsgeräte und das öffentliche Netz eingespeist werden.
Der über den Wechselrichter erzeugte AC-Strom kann nun für alle elektrischen Geräte im Haushalt genutzt werden.
Ein auf dem Dach installiertes PV-System besteht meist aus mehreren Solarmodulen. Je mehr Module installiert werden, desto höher ist die erzeugte Strommenge.
Solarmodule erzeugen Strom, solange Sonnenlicht vorhanden ist;
in der Nacht oder bei stark bewölktem Himmel kann die Produktion reduziert oder vorübergehend unterbrochen sein.
In diesem Fall können Batteriespeicher verwendet werden, um überschüssigen Strom vom Tag zu speichern.
Ist Ihr System mit dem Netz verbunden, können Sie überschüssigen Strom ins Netz einspeisen und bei geringerer Produktion wieder Strom aus dem Netz beziehen.
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A) ENERGIEPOTENZIAL DES SONNENLICHTS
Die Sonne sendet pro Sekunde etwa 173.000 Terawatt Energie zur Erde – ein Vielfaches des jährlichen weltweiten Energiebedarfs der Menschheit. Diese Energie erreicht uns in Form von Photonen, die sichtbares Licht, Infrarot- und UV-Strahlung umfassen.
Photovoltaik(PV)-Module wandeln diese Photonen direkt in elektrische Energie um. Damit dieser Prozess effektiv abläuft, muss eine gewisse Sonnenstrahlungsintensität (Globalstrahlung) vorhanden sein. Die Effizienz hängt von Faktoren wie Sonnenscheindauer, atmosphärischer Dichte, Bewölkung und Neigungswinkel der Module ab.
B) GRUNDSTRUKTUR VON PHOTOVOLTAIKZELLEN
PV-Module bestehen aus vielen in Reihe oder parallel geschalteten Solarzellen. Diese Zellen basieren meist auf hochreinem Silizium als Halbleitermaterial.
Eine typische Solarzelle besteht aus zwei Halbleiterschichten:
- n-Typ: mit Phosphor dotiert – enthält freie Elektronen
- p-Typ: mit Bor dotiert – enthält Elektronenlöcher (positive Ladungsträger)
An der Grenzschicht (p-n-Übergang) entsteht ein internes elektrisches Feld, das als Voraussetzung für den Stromfluss dient.
C) EINFLUSS DER PHOTONEN: FREISETZUNG DER ELEKTRONEN
Wenn ein Photon mit genügend Energie (meist >1,1 eV) auf eine Zelle trifft, kann es ein Elektron aus dem Siliziumverband lösen:
- Das Elektron (negativ) wird frei
- Ein Elektronenloch (positiv) bleibt zurück
Dieses Elektron-Loch-Paar wird durch das elektrische Feld getrennt: Elektronen wandern zur n-Schicht, Löcher zur p-Schicht. Wird ein Stromkreis geschlossen, fließt Gleichstrom (DC) durch die externe Last.
Technischer Hinweis: Eine einzelne Solarzelle erzeugt eine Spannung von etwa 0,5–0,6 V. In Reihe geschaltete Zellen erhöhen die Spannung, parallele Schaltungen erhöhen den Strom (Ampere).
D) ENTSTEHUNG VON GLEICHSTROM (DC)
Die freigesetzten Elektronen bewegen sich über die Kontakte der Zelle – es entsteht Gleichstrom (DC), bei dem die Elektronen in eine Richtung fließen. Die genaue Spannung hängt von der Zellart, Einstrahlungsintensität und Verschaltung ab.
Beispiel: Ein monokristallines 60-Zellen-Modul erzeugt in Deutschland typischerweise 30–38 V DC.
Dieser Gleichstrom kann gespeichert oder per Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt werden.
E) UMFORMUNG DURCH DEN WECHSELRICHTER
DC-Strom ist mit Haushaltsgeräten nicht kompatibel. Daher wird ein Wechselrichter eingesetzt, der DC in 230 V / 50 Hz AC-Strom (Netzstandard in Deutschland) umwandelt.
Ein moderner Wechselrichter übernimmt zudem:
- MPPT (Maximum Power Point Tracking) zur Effizienzoptimierung
- Netzeinspeisung (bei Einspeiseanlagen nach EEG)
- Spannungs- und Frequenzstabilisierung
- Überwachung des Energieflusses und ggf. Notabschaltung bei Störungen
F) SPEICHERLÖSUNGEN
Da Energieerzeugung und -verbrauch zeitlich nicht immer übereinstimmen, wird in vielen PV-Anlagen ein Speicher integriert. Übliche Technologien:
- Lithium-Ionen-Akkus
- Blei-Gel- oder AGM-Batterien
Vorteile von Speichern:
- Energieversorgung nachts
- Backup bei Stromausfällen
- Unabhängigkeit vom Netz (Off-Grid-Betrieb)
- Eigenverbrauchsoptimierung
G) FAKTOREN, DIE DEN WIRKUNGSGRAD BEEINFLUSSEN
Obwohl ein PV-Modul unter Standard-Testbedingungen (STC) seine Maximalleistung erreichen kann, wird die tatsächliche Leistung im Betrieb durch viele Faktoren beeinflusst:
- Verschattung: Schon 5 % Schatten können die Leistung um 30 % mindern
- Verschmutzung: Staub, Vogelkot, Pollen senken die Lichtaufnahme
- Temperatur: Wirkungsgrad sinkt über 25 °C Modultemperatur
- Witterung: Nebel, Schnee, Wolken verringern die Einstrahlung
- Ausrichtung & Neigung: Optimal in Deutschland: 25°–35° Südneigung
Hinweis: In Deutschland erzielt man die höchsten Erträge im Süden (z. B. Bayern, Baden-Württemberg), aber auch in Norddeutschland sind wirtschaftlich sinnvolle Erträge erreichbar.
PRAXISBEISPIEL AUS DEUTSCHLAND
Eine 5-kWp-Anlage in Frankfurt am Main:
- Produziert jährlich ca. 5.000–5.500 kWh
- Entspricht etwa dem Bedarf eines 3–4-Personen-Haushalts
- Amortisiert sich nach ca. 10 Jahren
- Hat eine technische Lebensdauer von über 25 Jahren
- Spart pro Jahr ca. 2–2,5 Tonnen CO₂ ein
- Entspricht der Umweltleistung von rund 100 Bäumen jährlich
