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Photovoltaikanlage Aufbau und Funktion

Mithilfe der Photovoltaikanlage wird die Strahlungsenergie der Sonne in nutzbaren Strom umgewandelt.

Doch wie funktioniert Photovoltaik und was unterscheidet sie von Solarthermie?

Aus welchen Komponenten besteht diese Technik und welche Rolle spielt der Wechselrichter?

Hier erhalten Sie Antworten auf diese und andere Fragen, denn bevor Sie sich für eine PV-Anlage entscheiden, sollten Sie diese kennen. 

Die Unterschiede zwischen Photovoltaik und Solarthermie

Einfach erklärt produziert Photovoltaik Strom, während mit Solarthermie Wärmeenergie erzeugt wird. Bei beiden handelt es sich um technische Verfahren, mit denen durch die Sonnenstrahlung Energie beziehungsweise Solarenergie gewonnen wird. Im Gegensatz zur Photovoltaikanlage wird mit Solarenergie sowohl Wärme als auch elektrischer Strom gewonnen.

Photovoltaik

Bei der Photovoltaik kommen für die Stromerzeugung Solarzellen zum Einsatz, die in sogenannten Modulen zusammengefasst sind. Die Solarthermie verwendet für die Erzeugung von Wärme sogenannte Kollektoren. Erfolgt die Stromerzeugung aus Photovoltaik in kleinem Maße, spricht man von Photovoltaikanlagen, während in größerem Maße von Solarkraftwerken oder von Photovoltaikkraftwerken die Rede ist.

Solarthermie

Bei der Solarthermie handelt es sich um Solarheizwerke, Solarwärmeanlagen oder um Solarthermieheizwerke. Sie sind von thermischen Solarkraftwerken abzugrenzen, in denen die gewonnene Wärme auf industrieller Ebene in Strom umgewandelt wird.

Erfolgt die Stromerzeugung aus Photovoltaik in kleinem Maße, spricht man von Photovoltaikanlagen, während in größerem Maße von Solarkraftwerken oder von Photovoltaikkraftwerken die Rede ist. Bei der Solarthermie handelt es sich um Solarheizwerke, Solarwärmeanlagen oder um Solarthermieheizwerke. Sie sind von thermischen Solarkraftwerken abzugrenzen, in denen die gewonnene Wärme auf industrieller Ebene in Strom umgewandelt wird.

Die Funktionsweise einer Photovoltaikanlage

Photovoltaikanlage Aufbau und Funktion
Photovoltaikanlage Aufbau und Funktion ©Dariusz T. Oczkowicz – stock.adobe.com

Sie besteht aus Photovoltaik-Modulen, die aus Photozellen beziehungsweise aus Solarzellen gefertigt sind. Es sind die Zellen, die die Sonnenenergie in Strom umwandeln. Dies geschieht durch Photonen, aus denen das Licht besteht. Sie sind Träger der elektromagnetischen Strahlung. Deshalb wird das Photon, das keine Masse, sondern Energie aufweist, auch als Lichtteilchen oder Lichtquant bezeichnet.

Diese Energie bedingt, dass Elektronen aus den Strukturen herausgelöst werden, wenn das Photon auf Metalle oder Halbleiter trifft. Dadurch sind die Elektronen frei beweglich, was auch als photoelektrischer Effekt bezeichnet wird. Der so in der Solarzelle erzeugte Strom wird dann über ein Stromkabel weiter transportiert.

Die Komponenten und der Aufbau einer Photovoltaikanlage

Die Photovoltaikmodule, die die Sonnenenergie in Strom umwandeln und mithilfe eines Montagesystems am Dach befestigt werden, sind das Herzstück einer Photovoltaikanlage. Sie erzeugen Gleichstrom, der über einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt wird. Der erzeugte Strom wird über Solarkabel ins Haus transportiert beziehungsweise in das öffentliche Stromnetz eingespeist.

Die meisten Anlagen verfügen deshalb über einen zusätzlichen Einspeisezähler, mit dem die ins öffentliche Stromnetz eingespeiste Strommenge erfasst wird. Möglich ist auch, die Photovoltaik Funktion mit einem Stromspeicher zu erweitern. Er speichert überschüssigen Solarstrom, der bei Bedarf abgerufen wird, wenn die PV Anlage weniger Strom produziert als tatsächlich benötigt wird.

1. Photovoltaikmodule als wichtigste Einheit einer PV Anlage

Die wichtigste Einheit einer PV Anlage ist das Photovoltaikmodul, das aus miteinander verbundenen Solarzellen besteht, die das direkte Sonnenlicht in Strom umwandeln. Es werden mono- und polykristalline Module unterschieden. Während monokristalline Module einen hohen Wirkungsgrad von bis zu 21 Prozent aufweisen, erreichen polykristalline Module einen Wirkungsgrad zwischen 12 bis 16 Prozent.

Dafür sind die Herstellungskosten bei einem niedrigeren Wirkungsgrad niedriger als bei monokristallinen Modulen. Die durchschnittliche Leistung eines Moduls liegt zwischen 250 und 300 Watt (W). Das bedeutet, dass für ein Einfamilienhaus rund 18 Module benötigt werden, was einer Dachfläche von ungefähr 30 Quadratmetern entspricht.

2. Montage einer Photovoltaikanlage

Es gibt verschiedene Systeme, um die PV Anlage auf dem Dach zu befestigen beziehungsweise im Freiland aufzustellen, nämlich Aufdach-Montagesysteme, Indach-Montagesysteme, Flachdach-Montagesysteme und Freiland-Montagesysteme. Aufdach-Montagesysteme werden auf normalen Hausdächern mit Ziegeleindeckung montiert.

Dabei werden die einzelnen Module mit Dachhaken am Dach befestigt. Die Indach-Systeme werden in die Dachoberfläche integriert, wodurch eine verbesserte Optik erzielt wird. Bei Flachdach-Montagesystemen werden die Module in einem Winkel von 10 bis 20 Grad auf dem Dach montiert mit einer Ausrichtung gen Süden oder in Ost-West-Richtung. Ihrem Namen entsprechend werden die Module von Freiland-Montagesystemen auf dem Boden befestigt.

3. Der Wechselrichter als wichtigstes Element einer PV Anlage

Ohne einen Wechselrichter funktioniert eine Photovoltaikanlage nicht. Er wandelt den in den Modulen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um, mit dem das Stromnetz betrieben wird. Der Wechselrichter verfügt über zahlreiche weitere Funktionen.

Er übernimmt unter anderem in Störfällen eine Schutzfunktion, indem er die Anlage vom Netz trennt. Meistens hat er auch eine Monitoring Funktion, über die die Anlagenerträge überwacht und dokumentiert werden. Diese Daten können auch dazu verwendet werden, den Eigenverbrauch an Strom zu optimieren.

Unabhängig vom Montagesystem werden die einzelnen Module durch Kabel miteinander verbunden. Der Stromtransport von den Modulen bis zum Wechselrichter erfolgt mit speziellen zertifizierten Solarkabeln, die hohen Standards entsprechen müssen, da sie der Witterung ausgesetzt sind. Hinter dem Wechselrichter fließt der Strom durch Wechselstromkabel.

4. Die verschiedenen Zählertypen zur Messung der Strommenge

Es gibt zwei verschiedene Zählertypen, den Einspeisezähler und den Verbrauchszähler. 

  • Der Einspeisezähler misst, seinem Namen entsprechend, die Strommenge, die aus der Photovoltaik in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird und für die eine Einspeisevergütung bezahlt wird.
  • Der Verbrauchszähler ist der Stromzähler, der ohnehin in jedem Haushalt vorhanden ist. Er zeigt die Strommenge an, die aus dem öffentlichen Stromnetz bezogen wird und auf deren Grundlage die jährlichen Haushaltsstromkosten ermittelt werden.
  • Besitzer einer Photovoltaikanlage sollten einen zusätzlichen Eigenverbrauchszähler installieren, mit dem der Anteil des erzeugten Photovoltaikstroms ermittelt wird, der selbst verbraucht wird.

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