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Wie funktioniert eine Solaranlage?

04.02.2020 Kevin Murkisch Lesezeit 9 Minuten

Photovoltaikanlagen erfreuen sich weltweit wachsender Beliebtheit. Denn sie erzeugen umweltfreundlichen und kostengünstigen Solarstrom. Dieser kann anschließend im Haushalt verbraucht werden, wodurch die Stromkosten deutlich sinken. Doch wie funktioniert eine Photovoltaikanlage eigentlich genau?

Klar ist: Die Anlage nutzt die Energie der Sonne, um sie in Strom umzuwandeln. Also einfach Solarmodule auf dem Dach installieren, verkabeln und los geht's? Ganz so einfach ist es dann doch nicht. Wir möchten dir daher zeigen, wie eine Solaranlage Strom erzeugt - erfahre mehr!

Solaranlage


Komponenten und Funktion einer Solaranlage im Überblick

Solaranlagen brauchen nicht viel, um Solarstrom zu erzeugen - im Grunde genommen reichen dafür bereits die Photovoltaik-Module aus. Sobald die Sonne scheint, absorbieren diese die Strahlung und wandeln sie in elektrische Energie, genauer gesagt in Gleichstrom, um. Dieser Gleichstrom (DC) kann jedoch noch nicht im Haushalt verbraucht oder in das öffentliche Netz eingespeist werden. Dafür muss er zuerst in Wechselstrom (AC) umgewandelt werden.

Hierfür wird der sogenannte Wechselrichter benötigt, der den erzeugten Strom in Wechselstrom umwandelt. Dieser kann anschließend von den Verbrauchern im Haushalt genutzt oder gegen die Einspeisevergütung in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Der von den PV-Modulen erzeugte Gleichstrom wird also mit Hilfe spezieller Solarkabel zum Wechselrichter geleitet und kommt als handelsüblicher Wechselstrom wieder heraus.

Überschüssiger Strom, der nicht direkt verbraucht wird, muss jedoch nicht zwingend sofort in das öffentliche Netz eingespeist werden. Stromspeicher machen es möglich, den Solarstrom zu speichern und zu einem späteren Zeitpunkt zu verbrauchen. Dadurch steigt der Eigenverbrauch auf bis zu 80 Prozent und du kannst den Großteil deines Strombedarfs mit Solarstrom decken. Dabei ist der PV-Eigenverbrauch längst sinnvoller als die Einspeisung, denn mit 8-10 Cent pro Kilowattstunde (kWh) ist Solarstrom heute deutlich günstiger als jeder Stromanbieter.

Die grundsätzliche Funktionsweise einer Solaranlage lässt sich also wie folgt zusammenfassen:


1. Die Solarmodule wandeln die Sonnenstrahlung in Gleichstrom um.


2. Dieser Gleichstrom wird per Solarkabel zum Wechselrichter geleitet.


3. Der Wechselrichter wandelt den Gleichstrom in Wechselstrom um.


4. Dieser Wechselstrom kann anschließend direkt verbraucht, in einem Stromspeicher gespeichert oder ins öffentliche Netz eingespeist werden.

Solarmodule


Der Aufbau kristalliner Solarmodule im Detail

Photovoltaik-Module sind das Herzstück jeder Solaranlage - ohne sie kein Solarstrom. Entsprechend groß ist die Auswahl an Herstellern und Modellen. Regelmäßig kommen neue und immer leistungsfähigere Produkte auf den Markt. Für die Solarenergie ist dieser Trend nur positiv, denn je größer die Produktionszahlen, desto niedriger die Preise. Vor allem die Solarmodule erlebten daher in den letzten Jahren einen wahren Preisverfall.

Dabei haben sich vor allem kristalline Solarmodule in der Vergangenheit bewährt und kommen heute bei nahezu jeder Solaranlage zum Einsatz. Vor allem Solarmodule mit polykristallinen Solarzellen erfreuten sich lange Zeit großer Beliebtheit, da sie einfach herzustellen und somit besonders kostengünstig waren. Heute setzen die meisten Hersteller jedoch vermehrt auf monokristalline Solarzellen. Diese sind nicht nur leistungsstärker, sondern aufgrund ihrer schwarzen Farbe zusätzlich besonders beliebt.

Bei der Herstellung von kristallinen Solarzellen kommt dabei zumeist der Quarzsand Silizium zum Einsatz. Dieser wird gereinigt und kristalliert, also zu Silizium-Kristallen geformt. Hier liegt auch der Unterschied zwischen poly- und monokristallinen Solarzellen. Polykristallines Silizium besteht aus vielen unterschiedlich großen Silizium-Kristallen. Monokristallines Silizium hingegen besitzt die Form eines Einkristalls und besteht somit aus einem einzelnen großen Siliziumkristall.

Dadurch erzielen monokristalline Solarzellen einen höheren Wirkungsgrad als ihre polykristallinen Verwandten. Zusammengeschaltet zu einem Solarmodul können sie also eine größere Menge der zur Verfügung stehenden Solarenergie in Solarstrom umwandeln. Doch wie genau funktioniert das?

PV-Module


Wie funktioniert eine Solarzelle?

Unabhängig von der Art ist die Funktionsweise einer kristallinen Solarzelle verhältnismäßig einfach. So werden beim Einfallen des Sonnenlichts zunächst positive und negative Ladungsträger innerhalb der Solarzelle freigesetzt. Das zuvor erwähnte Silizium fungiert hier als sogenannter Halbleiter. Dieser Halbleiter dient dazu, die Energie innerhalb der Zelle weiterzuleiten.

Um die freigesetzten Ladungsträger jedoch gezielt leiten zu können, wird das Silizium bei seiner Kristallisierung mit Fremdatomen versehen. Dabei wird auch von einer absichtlichen Verunreinigung gesprochen. Die Solarzelle besteht dabei aus zwei Siliziumschichten - man spricht auch von p- und n-dotiertem Silizium.

Die p-dotierte Siliziumschicht weist einen positiven Ladungsüberschuss auf. Die n-dotierte Siliziumschicht hingegen ist negativ geladen. Die dazwischen liegende Grenzschicht wird auch als p-n-Übergang bezeichnet. Durch das Auftreffen der beiden Schichten wird hier ein zellinternes elektrisches Spannungsfeld erzeugt.

Fällt nun Sonne auf die Solarzelle, dringen Photonen ein, welche die Elektronen von ihren Atomen trennen. Diese Atome wandern nun in die n-dotierte Schicht ab, während sich die frei gewordenen „Elektronenlöcher" in die p-dotierte Schicht bewegen. Auf der Vorder- und Rückseite der Zelle werden die Elektronen nun über eine Kontaktschicht aus Metall abgeleitet. Mit Hilfe von Leitbahnen werden sie abschließend zum Fließen gebracht - elektrischer Strom entsteht.

Wie funktioniert eine Solaranlage


Solarkabel und der Transport des Solarstroms

Der so erzeugte Gleichstrom kann jedoch noch nicht direkt im Haushalt verbraucht werden. Denn das Stromnetz in Deutschland ist nicht auf die Nutzung von Gleichstrom ausgelegt. Aus diesem Grund muss der erzeugte Solarstrom erst in handelsüblichen Wechselstrom umgewandelt werden. Diese Aufgabe übernimmt der sogenannte PV-Wechselrichter.

Doch um umgewandelt werden zu können, muss der Solarstrom zunächst einmal zum Wechselrichter transportiert werden. Dies geschieht mit Hilfe speziell dafür entwickelter Solarkabel, auch PV-Kabel oder Photovoltaikkabel genannt. Diese verbinden die einzelnen Solarmodule sowie weiteren Komponenten der Anlage miteinander und transportieren den Solarstrom somit von A nach B.

Die Solarkabel sind dabei besonderen Anforderungen ausgesetzt. Achte daher darauf, dass diese gut isoliert, witterungsbeständig sowie halogen- und säurefrei sind. Um Kabelverluste zu minimieren, solltest du zudem auf die Länge und den Durchmesser der Kabel achten. Vermeide unnötig lange Kabelwege und entscheide dich für ausreichend dicke Solarkabel.

KOSTAL und SolarEdge Wechselrichter


Der Wechselrichter und die Umwandlung des Solarstroms

Neben den Solarmodulen ist der Wechselrichter die wichtigste Komponente einer Photovoltaik-Anlage. Er wandelt den erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um, damit dieser im Haushalt verwendet oder ins öffentliche Netz eingespeist werden kann. Ohne den Wechselrichter wäre der Solarstrom somit nicht zu gebrauchen und die Solaranlage damit sinnlos.

Der Wechselrichter ist jedoch nicht nur für die Umwandlung des Solarstroms zuständig. Auch regelt er dessen Einspeisung in das öffentliche Netz und überwacht weitere wichtige Parameter. Kommt es beispielsweise zu Störungen im Stromnetz, kann der Wechselrichter die Solaranlage von diesem trennen. Auf diese Weise werden die Komponenten vor möglichen Fehlfunktionen geschützt.

Wichtiger Hinweis: Generell muss zwischen zwei Arten von Wechselrichtern unterschieden werden:

1. dem PV-Wechselrichter und
2. dem Batterie-Wechselrichter.


Der PV-Wechselrichter, auch Solar-Wechselrichter genannt, wandelt den Gleichstrom in Wechselstrom um, damit dieser im Haushalt verbraucht werden kann. Die meisten Stromspeicher speichern nun jedoch nur Gleichstrom. Also muss der Wechselstrom vor der Speicherung erneut in Gleichstrom umgewandelt werden. Diese Aufgabe übernimmt der sogenannte Batterie-Wechselrichter.

Unser Tipp: Entscheiden dich für einen Hybrid-Wechselrichter von KOSTAL oder SolarEdge. Diese vereinen die Funktionen eines PV-Wechselrichters mit denen eines Batterie-Wechselrichters. Ein Hybrid-Wechselrichter ist somit in der Lage, den erzeugten Gleichstrom direkt im Stromspeicher zu speichern und erst unmittelbar vor dem Verbrauch in Wechselstrom umzuwandeln. Verluste werden dadurch minimiert und dein Ertrag somit erhöht.

Stromspeicher


Erhöhung des Eigenverbrauchs durch einen Stromspeicher

Wurde der Solarstrom in Wechselstrom umgewandelt, so kann dieser problemlos im Haushalt verbraucht werden. In der Regel lässt sich dabei ein Eigenverbrauch von 35 Prozent erzielen. Das bedeutet, dass 35 Prozent des eigenen Strombedarfs durch Solarstrom gedeckt werden. 65 Prozent werden jedoch weiterhin aus dem öffentlichen Netz bezogen.

Zu Beginn der 2000er-Jahre galt der PV-Eigenverbrauch noch als unrentabel, denn die Komponenten waren teuer und die Einspeisevergütung hoch. Ein Großteil des erzeugten Solarstroms wurde daher direkt in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Seitdem hat sich jedoch einiges verändert. Denn mit 8-10 Cent pro kWh ist Solarstrom heute die kostengünstigste Stromquelle.

Die Photovoltaik-Preise sowie die Einspeisevergütung sind so stark gesunken, dass sich die Einspeisung heute kaum noch lohnt. Stattdessen setzen Anlagenbetreiber auf einen möglichst hohen Eigenverbrauch. Denn je mehr Solarstrom du verbrauchst, desto mehr Geld sparst du - vor allem bei den aktuell steigenden Strompreisen. Mehr als die Hälfte der neu installierten Photovoltaikanlagen wird deshalb um einen Stromspeicher erweitert.

Denn der Stromspeicher ermöglicht es, den erzeugten Solarstrom zwischenzuspeichern, sodass dieser nicht mehr zwingend direkt verbraucht werden muss. Stattdessen kann er auch dann genutzt werden, wenn die Solaranlage gar keinen Strom erzeugt, beispielsweise nachts. Dadurch erhöht sich der Eigenverbrauch auf bis zu 80 Prozent und mehr.

PV-Speicher


Die Einspeisung und Einspeisevergütung

Überschüssiger Solarstrom, der nicht direkt verbraucht oder im Stromspeicher gespeichert werden kann, wird in das öffentliche Netz eingespeist. Dafür erhalten Anlagenbetreiber die sogenannte Einspeisevergütung im Rahmen des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG). Diese lag einst bei rund 57 Cent pro Kilowattstunde und diente dazu, die Photovoltaik in Deutschland wettbewerbsfähig zu machen.

Das ist ihr gelungen: Die Solarenergie ist heute eine der günstigsten Energiequellen in Deutschland. In dem Maße, in dem die Preise für Solaranlagen gefallen sind, ist jedoch auch die EEG-Vergütung gesunken. So liegt sie im Februar 2020 bei nur noch 9,72 Cent / kWh - Tendenz weiter sinkend. Die Zahlen zeigen daher: Die Einspeisevergütung wird heute in vielen Fällen nicht mehr gebraucht.

Denn der Eigenverbrauch lohnt sich mittlerweile mehr denn je. Wer sich für eine Solaranlage mit Speicher entscheidet, kann bis zu 80 Prozent seines Strombedarfs durch kostengünstigen Solarstrom decken. Nur noch 20 Prozent müssten somit aus dem öffentlichen Netz bezogen werden. Viele Anlagenbetreiber können daher mit dem richtigen Eigenverbrauch weit mehr als 1.000 Euro Stromkosten im Jahr sparen.

Wenn du jedoch nicht auf die Einspeisevergütung verzichten möchtest, solltest du jetzt handeln. Denn mit jeder weiteren installierten PV-Anlage in Deutschland sinken die Vergütungssätze. Ist deine Anlage jedoch erst einmal in Betrieb genommen worden, so erhältst du die EEG-Vergütung für die kommenden 20 Jahre ausgezahlt. Schnell sein lohnt sich also.

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Zusammenfassung und Fazit

Photovoltaikanlagen machen es einfach, die Energie der Sonne zu nutzen, um kostengünstigen und umweltfreundlichen Solarstrom zu erzeugen. Dazu benötigt man im Grunde nur die Solarmodule und einen Wechselrichter. Die Solarmodule, die aus einzelnen Solarzellen bestehen, produzieren bei Lichteinfall Gleichstrom. Dieser wird vom Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt und kann anschließend im Haushalt verbraucht werden.

Die Solarkabel transportieren den Strom von einem Punkt zum anderen. Ein Stromspeicher macht es möglich, bis zu 80 Prozent des eigenen Stromverbrauchs durch Solarstrom zu decken. Je höher dabei dein Eigenverbrauch ausfällt, desto mehr Geld sparst du. Denn die Komponenten einer Solaranlage sind heute so günstig und die Einspeisevergütung so gering, dass sich die Einspeisung nur in den seltensten Fällen rentiert.

Die Einspeisevergütung sollte daher - wenn überhaupt - nur ein Nebenaspekt beim Kauf einer PV-Anlage sein. Stattdessen empfehlen wir Interessenten, einen möglichst hohen Eigenverbrauch und damit Autarkiegrad anzustreben. Das sorgt nicht nur für die maximale Unabhängigkeit, sondern schont auch noch die Umwelt.

Wenn du noch mehr über die Komponenten und Funktionen einer PV-Anlage erfahren möchtest, dann schaue auch in unserem Photovoltaik-Lexikon vorbei! Du möchtest lieber direkt eine Solaranlage kaufen? Dann lass dir noch heute dein kostenloses, individuelles und unverbindliches Angebot für den Kauf und die Installation erstellen!

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