Die Nutzung der Sonnenenergie ist keine neue Erfindung – schon die alten Griechen nutzten sie vor mehr als 2500 Jahren

Heutzutage, wo 85% des weltweiten Energiebedarfs immer noch durch fossile Brennstoffe gedeckt werden, ist die direkte Nutzung der Sonnenenergie überraschend niedrig, bei weniger als 1%

Wie funktioniert ein Solarpanel und warum hat es sich nicht früher weiter verbreitet? Seit dem Durchbruch des Solarpanel-Erfinders Russell Ohl im Jahr 1941 hat diese Technologie eine bedeutende Entwicklung durchgemacht. Die Fortschritte bei der Nutzung der Sonnenenergie zeigen sich darin, dass die globale Solarenergiekapazität im Jahr 2020 590 Gigawatt erreicht hat, was ein signifikantes Wachstum darstellt.

In diesem Artikel stellen wir detailliert das Funktionsprinzip von Solarpanels, ihre Hauptkomponenten und den Weg vor, auf dem Sonnenlicht in elektrischen Strom umgewandelt wird. Wir lernen den Prozess kennen, durch den der Betrieb des Solarpanelsystems die Energieversorgung unseres Hauses sicherstellt.

Grundlagen des photovoltaischen Effekts

Die Entdeckung des photovoltaischen Effekts geht auf das Jahr 1839 zurück, als der französische Physiker Alexandre Edmond Becquerel im Alter von nur 19 Jahren dieses Phänomen erfolgreich im Labor seines Vaters demonstrierte. Dieser wissenschaftliche Durchbruch legte den Grundstein für das Funktionsprinzip moderner Solarpanels.

Das Wesen des photovoltaischen Effekts ist ein einfacher, aber genialer Prozess: Halbleitermaterialien wandeln Licht direkt in elektrischen Strom um. Wenn Photonen des Sonnenlichts auf die Oberfläche eines photovoltaischen Materials treffen, übertragen sie ihre Energie auf die Elektronen innerhalb des Materials, die dadurch beweglich werden. Dieser Elektronenfluss erzeugt den elektrischen Strom, den wir später nutzen können.

Das Herzstück der Solarpanels sind die photovoltaischen Zellen, die am häufigsten aus Silizium bestehen. Silizium – aufgrund seiner Stabilität – bleibt theoretisch unbegrenzt lange unverändert und ist daher für diesen Zweck sehr geeignet. Die Zellen enthalten zwei verschiedene Arten von Halbleiterschichten:

• N-Typ-Halbleiter bestehen aus kristallinem Silizium, das mit Phosphor dotiert ist. Dadurch entstehen freie Elektronen im Material, wodurch es eine negative Ladung erhält.
• P-Typ-Halbleiter bestehen ebenfalls aus kristallinem Silizium, werden aber mit Bor dotiert, was zu einem Elektronenmangel (“Löcher”) führt, wodurch diese Schicht positiv geladen wird.

An der Schnittstelle der beiden unterschiedlich dotierten Schichten neutralisieren sich Löcher und Elektronen gegenseitig, während sich zwischen ihnen eine Spannung aufbaut. Wenn Licht mit der richtigen Wellenlänge auf die Oberfläche des Solarpanels trifft, übertragen die Photonen Energie an die Elektronen, die freigesetzt werden und durch ihre Wanderung den Strom leiten.

Unter dem Einfluss des Sonnenlichts fließen also die Elektronen zur negativen Seite und die Löcher zur positiven Seite, wodurch das elektrische Feld und die Spannung erzeugt werden. Dieser Prozess erzeugt geräuschlos, sauber und ohne Nebenprodukte Strom. Der Wirkungsgrad von Solarpanels liegt derzeit zwischen 11-18%, wobei die modernsten monokristallinen Solarpanels unter Laborbedingungen sogar einen Wirkungsgrad von 25% erreichen können.

Die Hauptkomponenten eines Solarpanelsystems

Ein Solarpanelsystem bedeutet weit mehr als nur die auf dem Dach montierten Paneele. Tatsächlich sprechen wir von einem komplexen System aus eng zusammenarbeitenden Komponenten, von denen jede eine entscheidende Rolle spielt.

Das Herzstück des Systems ist das Solarpanel, das die Sonnenstrahlung einfängt und durch den photovoltaischen Effekt in Gleichstrom umwandelt. Diese Paneele bestehen aus Halbleitermaterialien, meist Silizium, und werden typischerweise auf dem Dach installiert, wo sie das meiste Sonnenlicht erhalten.

Der Wechselrichter ist eine der wichtigsten Komponenten des Systems – er wandelt den von den Solarpanels erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um, den Haushaltsgeräte verwenden. Moderne Wechselrichter arbeiten mit einem Wirkungsgrad von 97-98% und wandeln die von den Solarpanels erzeugte Energie nicht nur um, sondern optimieren sie auch. Nach der Vorschrift vom 30. April 2021 dürfen bei Systemen über 2,5 kVA nur Dreiphasen-Wechselrichter installiert werden.

Die entsprechende Tragstruktur stellt sicher, dass die Paneele bis zu 30 Jahre lang stabil und sicher an ihrem Platz bleiben. Eine grundlegende Anforderung ist, dass das Material vollständig rostfrei ist und den Witterungsbedingungen standhält.

Zum System gehören auch spezielle Solarkabel, die den Strom zwischen den Paneelen und dem Wechselrichter leiten, sowie herkömmliche Energiekabel, die den Wechselrichter mit dem Stromnetz des Hauses verbinden. Sicherheitseinrichtungen – Überspannungsschutz, Trennschalter – sind ebenfalls unerlässlich.

Die meisten Solarsysteme verfügen auch über ein Überwachungssystem, das die Echtzeitverfolgung der Produktionsdaten ermöglicht. Es hilft, etwaige Fehler oder Leistungsabfälle sofort zu erkennen.

Der bidirektionale Stromzähler (Zweirichtungsmessgerät) misst sowohl die aus dem Netz bezogene als auch die ins Netz eingespeiste Energie und zeigt diese Werte auf zwei separaten Zählern an.

Das System kann auch mit Batterien ergänzt werden, die überschüssige Energie speichern – diese dienen hauptsächlich für Inselsysteme oder zur Erhöhung des Eigenverbrauchs.

Der Weg des elektrischen Stroms vom Solarpanel zum Haushalt

Die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrischen Strom ist ein mehrstufiger, komplexer Prozess, der auf dem koordinierten Betrieb spezieller Geräte basiert. Wenn wir jedoch den Weg des Stroms vom Solarpanel bis zu den Haushaltsgeräten verstehen, können wir die Funktionsweise des gesamten Systems leicht überblicken.

Zunächst, wenn Sonnenlicht die Solarpaneele erreicht, entsteht in den nach dem photovoltaischen Prinzip arbeitenden Paneelen Gleichstrom (DC). Dieser Gleichstrom ist allein noch nicht für den Betrieb von Haushaltsgeräten geeignet, da diese Wechselstrom (AC) benötigen.

Das Herzstück des Systems ist der Wechselrichter, der den Gleichstrom in 230V Wechselstrom mit einer Frequenz von 50Hz umwandelt, mit dem die Haushaltsgeräte betrieben werden können. Dieser Umwandlungsprozess ist mit einem Energieverlust von 3-5% verbunden.

Das Solarsystem passt sich automatisch an die Verbrauchsgewohnheiten an: Tagsüber erzeugt es die benötigte Energiemenge, während nachts, wenn keine Produktion stattfindet, der Strom aus dem Netz bezogen wird. In Solarsystemen hat die von den Solarpaneelen kommende elektrische Energie immer Vorrang – der Haushalt nutzt primär diese.

Wenn die Produktion den aktuellen Verbrauch übersteigt, kann der Überschuss auf verschiedene Weise genutzt werden:

• Er kann ins Stromnetz zurückgespeist werden (bei netzgekoppelten Systemen)
• Er kann in Batterien gespeichert werden (bei Inselsystemen oder Hybridsystemen)
• Er kann für Warmwasserbereitung oder zum Laden von Elektroautos verwendet werden

Bei netzgekoppelten Systemen installiert der Stromanbieter einen bidirektionalen, sogenannten “Geben-Nehmen”-Zähler, der die aus dem Netz bezogene und die zurückgespeiste Energiemenge auf getrennten Kanälen misst.

Für eine effiziente Energienutzung ist es ratsam, energieintensive Haushaltsgeräte (Waschmaschine, Geschirrspüler, Trockner) tagsüber während der Produktionsspitze zu betreiben. Die intelligente Energienutzung kann mit Zeitschaltuhren und Smart-Home-Systemen weiter optimiert werden.

Moderne Hybridsysteme werden bereits mit Batterien ergänzt, mit denen ein durchschnittlicher Haushalt bis zu 70-80 Prozent seines Stromverbrauchs aus Sonnenenergie decken kann, und zudem ist der Betrieb der wichtigsten Geräte auch bei Stromausfall gewährleistet.

Fazit

Heutzutage hat die Solarpaneltechnologie eine bedeutende Entwicklung durchgemacht und ist zu einer zuverlässigen und umweltfreundlichen Energiequelle geworden. Nur wenige Quadratmeter Dachfläche reichen aus, um einen erheblichen Teil des Energiebedarfs einer durchschnittlichen Familie zu decken.

Dank ihres einfachen Funktionsprinzips benötigen photovoltaische Systeme wenig Wartung und führen langfristig zu erheblichen Einsparungen. Besonders bemerkenswert ist, dass mit entsprechender Planung und intelligenter Energienutzung bis zu 70-80 Prozent des Energiebedarfs eines Haushalts durch Sonnenenergie gedeckt werden können.

Dank moderner technologischer Lösungen und intelligenter Steuerung passen sich diese Systeme perfekt an die Bedürfnisse der Benutzer an. Ob wir uns für ein netzgekoppeltes oder ein Hybridsystem entscheiden, die Investition in Solarpanels dient nicht nur dem Schutz unserer Umwelt, sondern erweist sich auch langfristig als finanziell vorteilhafte Entscheidung.

FAQs

1. Wie wandelt ein Solarpanel Sonnenlicht in elektrischen Strom um?
Ein Solarpanel funktioniert nach dem Prinzip des photovoltaischen Effekts. Wenn Photonen des Sonnenlichts die Oberfläche des Solarpanels erreichen, übertragen sie ihre Energie an Elektronen, die dadurch in Bewegung geraten. Dieser Elektronenfluss erzeugt den elektrischen Strom, den wir dann nutzen können.

2. Aus welchen Hauptkomponenten besteht ein Solarsystem?
Die Hauptkomponenten eines typischen Solarsystems sind die Solarpaneele, der Wechselrichter, die Tragstruktur, spezielle Kabel, Sicherheitseinrichtungen, Überwachungssystem und der bidirektionale Stromzähler. Optional können auch Batterien Teil des Systems sein, um Energie zu speichern.

3. Welche Rolle spielt der Wechselrichter im Solarsystem?
Der Wechselrichter spielt eine entscheidende Rolle im Solarsystem. Seine Aufgabe ist es, den von den Solarpaneelen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln, den Haushaltsgeräte verwenden. Moderne Wechselrichter arbeiten mit einem Wirkungsgrad von 97-98% und optimieren auch die erzeugte Energie.

4. Wie wird überschüssige Energie aus Solarpaneelen genutzt?
Wenn die von den Solarpaneelen erzeugte Energie den aktuellen Verbrauch übersteigt, kann der Überschuss auf verschiedene Weise genutzt werden: Er kann ins Stromnetz zurückgespeist werden, in Batterien gespeichert werden oder beispielsweise für Warmwasserbereitung oder zum Laden von Elektroautos verwendet werden.

5. Welche Vorteile bietet die Installation eines Solarsystems?
Die Installation eines Solarsystems führt langfristig zu erheblichen Einsparungen und bietet eine umweltfreundliche Energiequelle. Mit entsprechender Planung und intelligenter Energienutzung können bis zu 70-80 Prozent des Energiebedarfs eines Haushalts durch Sonnenenergie gedeckt werden. Darüber hinaus benötigen die Systeme wenig Wartung und haben eine lange Lebensdauer.