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Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage?

Lesezeit: 4 Minuten

Inhaltsverzeichnis

Die Nutzung von Sonnenstrahlen zur Stromherstellung ist eine der nachhaltigsten Energieerzeugungsmethoden. Folglich spielen Photovoltaikanlagen, in denen Solarenergie in elektrische Energie umgewandelt wird, eine zentrale Rolle für den Erfolg der Energiewende. Mit einer eigenen Solaranlage lassen sich auch die eigenen Stromkosten reduzieren – doch wie funktionieren PV-Anlagen eigentlich? 

In diesem Blogbeitrag erklären wir Ihnen, wie eine PV-Anlage aufgebaut ist, welche die essentiellen Bestandteile der Anlage sind, und wie genau aus Sonnenstrahlen unser Strom entsteht.

Aus welchen Funktionskomponenten besteht eine Photovoltaikanlage?

Sonnenlicht ist alles, was die Solarzellen einer Photovoltaikanlage zur Stromherstellung benötigen. Doch was passiert, wenn die Solarzellen die Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt haben? Solarstrom entsteht durch:  

Wie funktionieren die Solarmodule bei einer Photovoltaikanlage?

Die Solarmodule einer Photovoltaikanlage bestehen aus mehreren einzelnen Solarzellen, die miteinander in Reihenschaltung zusammengeschaltet sind. Ein Solarmodul ist eine “Platte”, die man auf einem Hausdach sehen kann. Im Schnitt besteht eine Photovoltaikanlage aus 10 bis 36 Solarmodulen, die in der ertragreichsten, d.h. sonnenreichsten, Ausrichtung auf dem Dach eines Hauses oder Gewerbes befinden. Die Solarzellen bestehen aus sogenannten Halbleiterschichten aus Silizium, aus denen Elektronen durch die Sonneneinstrahlung freigesetzt werden und somit elektrische Energie erzeugen (photovoltaischer Effekt). Lesen Sie weiter zum Aufbau einer Solarzelle in unserem Glossarbeitrag zum Thema. Im Solarmodul wird also das Licht der Sonne also direkt in elektrische Energie, genauer in Gleichstrom (DC), umgewandelt. Dieser Strom ist allerdings noch nicht im Haushalt oder für die Einspeisung ins öffentliche Netz verwendbar und muss zunächst in Wechselstrom (AC) umgewandelt werden. Für die Umwandlung in Wechselstrom benötigt man einen Wechselrichter. 

Wie funktioniert ein Solaranlagen Wechselrichter?

Der Gleichstrom aus dem Solarmodul wird mittels eines Solarkabels an den Wechselrichter weitergeleitet und dort zu Wechselstrom umgewandelt. Wechselrichter sind Stromwandler und stellen die Verbindungsstelle zwischen dem Solarmodul und dem häuslichen oder öffentlichen Stromnetz her. Ohne den Wechselrichter wäre der Strom aus den Solarmodulen nicht verwendbar – der Wechselrichter ist daher neben den Solarmodulen der zentrale Bestandteil einer Photovoltaikanlage. Wechselrichter erfüllen je nach Modell, der Größe und des Standorts der Anlage verschiedene andere Funktionen: Sie können beispielsweise die gesamte Anlage steuern und überwachen, Betriebsdaten erfassen oder die Netzeinspeisung unterbrechen und somit das Netz vor Überlastung schützen. Wechselrichter werden im Haus angeschlossen, nach Möglichkeit in kühlen Räumen, da bei der Stromumwandlung Wärme entsteht, die an die Umgebung abgegeben wird. 

Welche Arten von Wechselrichtern gibt es?

Der Wechselrichter ist immer auf die Photovoltaikanlage zugeschnitten. Man unterscheidet im Wesentlichen zwischen zwei Wechselrichter-Typen: dem Solarwechselrichter und dem Batteriewechselrichter.  Der Solarwechselrichter wandelt, wie oben beschrieben, den Gleichstrom in handelsüblichen Wechselstrom um, damit er im Haushalt verbraucht oder ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann.  Um Strom speichern zu können, gibt es die sogenannten Batteriewechselrichter, die den Wechselstrom vor der Speicherung in Batteriespeichern wieder in Gleichstrom umgewandelt werden, da die Speicher nur Gleichstrom aufbewahren können. Unter den Solarwechselrichtern unterscheidet man ferner zwischen verschiedenen Wechselrichtern: Modulwechselrichter werden meist bei kleineren Anlagen an jeweils ein Solarmodul angeschlossen, sodass jedes Modul einen eigenen Wechselrichter hat. Beim sogenannten Stringwechselrichter werden mehrere Module in Reihenschaltung geschaltet (String). Diese Wechselrichter sind am weitesten verbreitet und werden bei Anlagen jeder Größe eingesetzt. Zentralwechselrichter werden bei großen Anlagen eingesetzt und verwalten zahlreiche Module gleichzeitig.  

Wie funktioniert der Zwei-Richtungs-Zähler bei einer Solaranlage?

Zwei-Richtungs-Zähler werden bei Solaranlagen verwendet, um den Strom zu kontrollieren, der ins öffentliche Stromnetz eingespeist wird und gleichzeitig die Menge des eigens produzierten Stroms zu ermitteln, die lokal eigens verbraucht wird. Der vom Wechselrichter gewandelte Strom wird in einem Erzeugungszähler erfasst und in das Hausnetz eingespeist, wenn es sich um eine Anlage mit Eigenverbrauch handelt. Der Zwei-Richtungs-Zähler überwacht also, wieviel Strom zusätzlich zur Eigenerzeugung benötigt wird und wie viel bei überschüssiger Produktion ins öffentliche Netz eingespeist wird.

Wie funktioniert der Photovoltaik Batteriespeicher?

In einem Batteriestromspeicher kann überschüssiger Strom aus der Solaranlage gespeichert und für die Nutzung zuhause verfügbar gemacht werden. So können teure Strombezugspreise vermieden werden und Energiekosten gesenkt werden. Mit der sinkenden Einspeisevergütung für den Solarstrom entscheiden sich immer mehr Privatpersonen dazu, den Strom ihrer Photovoltaikanlage zu speichern und für den Eigenbedarf zu verwenden. Diese Technologie ist eine recht neue Erfindung, deren Speicherleistung ausbaufähig ist. Daher wird in diesen Fällen lediglich der Strom in das öffentliche Netz eingespeist, der vom Batteriespeicher nicht gespeichert werden kann. Man unterscheidet zwischen Lithium-Ionen-Speichern und Blei-Batteriespeichern. Man bezeichnet den Stromspeicher als Batteriespeicher, da es sich um einen wiederaufladbaren Akku handelt. Mit dem überschüssigen Solarstrom wird der Akku aufgeladen, um an weniger ertragreichen Zeitpunkten den gespeicherten Solarstrom nutzen zu können. Ohne den Batteriespeicher (auch Solarstromspeicher genannt) können nur etwa 30 Prozent des erzeugten Stroms für den Eigenverbrauch genutzt werden. Mit einem Speicher kann die Eigenstromnutzung auf bis zu 80 Prozent des Solarstroms erhöht werden.

Wie funktioniert das Energiemanagement bei einer Solaranlage?

Das Energiemanagementsystem (EMS) regelt sowohl im gewerblichen, als auch im privaten Umfeld die Energieerzeugung und den Verbrauch und stellt einen bedarfsorientierten und intelligenten Energiefluss sicher. So sorgt es für den höchstmöglichen Eigenverbrauch des Solarstroms, indem es den überschüssigen Strom an den Batteriespeicher weiterleitet. Ebenso sorgt das EMS für ein intelligentes Lastmanagement, sodass der Stromverbrauch dann stattfindet, wenn die Anlage viel Strom produziert. Mit dieser Beeinflussung des Lastmanagements werden die Sonnenstunden optimal genutzt und teure Lastspitzen vermieden. In diesem Zuge regelt das EMS auch den Stromverbrauch, indem beispielsweise zu den Verbrauchsspitzen (Peaks) Maschinen abgeschaltet, gedrosselt oder mit gespeichertem Strom versorgt werden. 

Durch den intelligenten Einsatz des Stromspeichers kann die Anlage mithilfe des EMS auch zur Netzstabilität beitragen: Schwankungen im Stromnetz, die durch die wetterabhängigen Einspeisungen der Erneuerbaren Energien entstehen, können durch den Speicher behoben werden: Um Schwankungen im Netz auszugleichen, kann Strom aus dem Speicher als Regelenergie bereitgestellt werden. Auch kann das EMS teure Notstromaggregate ersetzen: Bei einem Stromausfall greift das EMS auf die Notstromfunktion des Speichers zurück.  

Das Ziel des EMS ist es, alle Verbraucher, Erzeuger und Energieflüsse in Echt-Zeit hinsichtlich des Verbrauchs, der Kosten oder der Einspeisung zu erfassen und zu optimieren.

Kostenfreier Download: Poster zum Aufbau einer Photovoltaikanlage

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