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Wie eine Photovoltaik-Solaranlage funktioniert
Photovoltaik-Solaranlagen wandeln in der Regel Sonnenenergie in elektrische Energie um; wie genau das funktioniert und welche Komponenten neben der Solarzelle beziehungsweise den Solarmodulen noch zu einer Solaranlage gehören, erfahren Sie im vorliegenden Beitrag.
Was ist Photovoltaik?
Unter Photovoltaik - teilweise auch Fotovoltaik geschrieben - versteht man eine Energietechnik, bei der Elektrizität mit Hilfe von Solarzellen in der Regel aus Sonnenlicht gewonnen wird. Der Begriff Photovoltaik setzt sich aus dem griechischen Begriff für «Licht» zusammen, der «phos» lautet, und der Einheit für elektrische Spannung, nämlich «Volt».
Zur Beantwortung der Frage «Wie funktioniert Photovoltaik?» sollte man zunächst wissen, woraus eine Solarzelle gebaut ist. Fast alle heute hergestellten Solarzellen nutzen Silicium als Halbleitermaterial. Die gängigsten Solarzell-Typen unterscheidet man danach, ob es sich um Dickschicht- oder Dünnschicht-Solarzellen handelt. Die Dickschicht-Solarzellen nennt man auch waferbasierte Silicium-Solarzellen, die sich wiederum in monokristalline und polykristalline Solarzellen unterteilen lassen, wobei Letztere auch multikristalline Solarzellen genannt werden.
Bei der Dünnschicht-Solarzelle wird amorphes Silicium, also nichtkristallines Silicium, auf das Trägermaterial aufgedampft. Monokristalline Solarzellen hingegen bestehen aus einer Silicium-Einkristallzelle, während polykristalline Solarzellen aus vielen Silicium-Einzelkristallen bestehen. Neben der Bauweise unterscheiden sich diese drei Solarzell-Typen aber insbesondere im Wirkungsgrad (siehe dazu unten mehr) und im Preis.
Mittlerweile haben die monokristallinen Solarzellen wieder den grössten Marktanteil unter den drei Solarzell-Typen, und zwar einen Anteil von circa 80 Prozent, gefolgt von polykristallinen Solarzellen und erst dann kommen die Dünnschicht-Solarzellen. Bei Gebäuden und Grossanlagen werden eher Dickschicht-Solarzellen verbaut; Dünnschicht-Solarzellen kennt man etwa vom Taschenrechner.
Die Kosten für Solaranlagen - auch Photovoltaik-Anlagen oder PV-Anlagen genannt - beliefen sich im Jahr 2020 auf weniger als 10 Prozent im Vergleich zu den Preisen im Jahr 1990, was einem Rückgang von über 90 Prozent während 30 Jahren entspricht. Im Jahr 2021 kam es aber wegen einer Verteuerung von Polysilizium - also von dem Grundstoff für Solarzellen - und höherer Transportkosten zu gewissen Preissteigerungen bei Solaranlagen. Mittlerweile sinken die Preise für Photovoltaik-Anlagen tendenziell wieder.
Wie eine Solaranlage funktioniert
Der wichtigste Bestandteil einer Solaranlage ist das sogenannte Solarmodul - auch Solarpanel, Photovoltaikmodul oder PV-Modul genannt -, wobei eine Solaranlage in der Regel mehr als eins davon hat. Ein solches Solarmodul besteht aus mehreren Solarzellen und ist je nach Ausführung unterschiedlich gross. Übliche Abmessungen bewegen sich zwischen 120 und 170 Zentimetern Länge und 60 bis 100 Zentimetern Breite pro Modul. Über 90 Prozent der gesamten Solarmodul-Produktion erfolgt mittlerweile in Asien, davon der weit überwiegende Teil in China.
Eine Photovoltaik-Anlage für einen Privathaushalt braucht neben mindestens einem Solarmodul jedoch noch weitere Komponenten, um Strom gewinnen und auch gut nutzen zu können. Insgesamt besteht eine private Solaranlage daher in der Regel aus folgenden Elementen:
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Solarmodul oder Solarmodule
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Wechselrichter
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Stromspeicher
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Zweirichtungszähler
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Montagesystem
Wechselrichter für Photovoltaik
Die Solarzellen produzieren Gleichstrom. Das Stromnetz, an das etwa ein Haushalt angeschlossen ist, verwendet aber Wechselstrom. Um den Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln, muss die Photovoltaik-Anlage daher einen Wechselrichter haben.
Man unterscheidet Stringwechselrichter und Modulwechselrichter. Beim Stringwechselrichter hängen die in Reihe geschalteten Solarmodule an einem Strang, der an den Wechselrichter angeschlossen wird. Modulwechselrichter hingegen funktionieren so, dass diese jeweils direkt an dem jeweiligen Solarmodul angeschlossen werden. Jedes Modul hat also in diesem Fall seinen eigenen Wechselrichter.
Solaranlage mit Speicher
Wenn man nicht den ganzen durch die Solarmodule gewonnenen Strom selbst verbraucht, kann man den Überschuss oder Teile davon auch in einem eigenen Speicher zwischenspeichern. Sobald man Strom benötigt, aber die Solarmodule gerade keinen produzieren, kann man zunächst auf den Strom aus diesem Speicher zurückgreifen, bevor man den zu bezahlenden Strom aus dem öffentlichen Netz bezieht.
Im Speicher wird ein Akku verwendet, welcher mit der Solaranlage verbunden ist. In der Regel kann man sich zwischen dem Einbau eines Bleiakkus oder eines Lithium-Ionen-Akkus entscheiden.
Zweirichtungszähler
Wer den überschüssigen Strom der Solaranlage gegen Vergütung in das öffentliche Netz einspeisen möchte, wird häufig einen Zweirichtungszähler (Zweiwegzähler) einbauen lassen; bei Neubauten als sogenannter intelligenter Stromzähler (Smart Meter) verpflichtend.
Ein Zweirichtungszähler ist ein Stromzähler, der sowohl die Strommenge misst, die aus dem öffentlichen Stromnetz in das private Netz eines Haushaltes oder eines Unternehmens fliesst, als auch diejenige von der Solaranlage produzierte Strommenge, die in das öffentliche Stromnetz gespeist wird. In Altbauten kann man alternativ unter Umständen zum bisherigen Stromzähler einen separaten Einspeisezähler installieren lassen. Aber welcher Stromzähler bei Installation einer Solaranlage tatsächlich eingebaut werden muss, hat man mit dem jeweiligen Energieversorger abzusprechen.
Montagesystem
Beim Montagesystem handelt es sich um die Vorrichtung, in welcher die Solarmodule montiert werden. Bei Dachinstallationen unterscheidet man die Montage auf dem Dach (Aufdach-Montagesystem) und die Montage im Dach (Indach-Montagesystem), man spricht in beiden Fällen auch von der Unterkonstruktion. Bei der Indach-Montage ist die Befestigungsvorrichtung für die Solarmodule jedoch nicht von aussen zu sehen. Als dritte Möglichkeit fürs Dach gibt es noch Solardachziegel, also Dachziegel, bei denen die Photovoltaikfunktion integriert ist.
Solarmodule werden aber nicht nur auf Dächern, sondern zum Beispiel auch an Fassaden montiert oder in diese integriert. Selbst an Staumauern von Stauseen werden mittlerweile grossflächig Solarmodule montiert. Auch der Aufbau von PV-Anlagen auf dem Acker ist technisch möglich (Agri-Photovoltaik, kurz: Agri-PV).
Wirkungsgrad Photovoltaik
Der Wirkungsgrad eines Solarmoduls sagt etwas über dessen Leistungsfähigkeit aus. Konkret versteht man unter diesem Wirkungsgrad das Verhältnis der elektrischen Leistung, die vom Solarmodul erzeugt wird, zur Leistung der einfallenden Strahlung. Der Wirkungsgrad vom Solarmodul liegt in der Regel etwas unter dem Wirkungsgrad, der bei der einzelnen Solarzelle gemessen wird.
Der Wirkungsgrad eines Photovoltaik-Moduls unterscheidet sich je nach Modul-Typ. Folgende Messungen konnten unter Laborbedingungen gemacht werden:
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Den besten Wirkungsgrad erreichen im Labor monokristalline Solarmodule mit fast 25 Prozent.
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Polykristalline Solarmodule erreichen in der Spitze leicht über 20 Prozent bei Labormessungen.
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Und Dünnschicht-Solarmodule liegen bei etwas über 19 Prozent unter Laborbedingungen.
Unter realen Bedingungen liegen die Wirkungsgrade bei den jeweiligen Solarmodul-Typen bis zu mehrere Prozentpunkte unterhalb der Labormessungen.
Was die Lebensdauer von Solaranlagen angeht, kann man grob sagen, dass Photovoltaik-Anlagen etwa 25 bis 30 Jahre halten, allerdings hängt die genaue Lebensdauer von unterschiedlichen Faktoren wie unter anderem dem Hersteller, der Wartung und den Umweltbedingungen ab.
Unverbindlichen Kostenvoranschlag anfordern
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