Wie funktioniert eine Solaranlage


Kurz und knapp

  • die Sonneneinstrahlung auf unserem Planeten reicht zur Gewinnung von Solarenergie noch für die nächsten fünf Millionen Jahre 
  • Solarzellen bestehen in der Regel aus dem Halbleitermaterial Silizium, das durch Verunreinigungen mit Bor und Phosphor leitfähig gemacht wird
  • der photovoltaische Effekt sorgt dafür, dass die geladenen Photonen des Lichts Elektronen aus der Siliziumscheibe lösen und so ein Spannungsfeld entsteht
  • die Sonneneinstrahlung und somit die Leistungsauslastung von Solarzellen kann je nach Abstand und Winkel der Erde zur Sonne, Tageszeit, Weg des Lichts durch die Atmosphäre und geographische Lage auf der Erdkugel variieren 
  • eine standardisierten und durchschnittlichen Sonneneinstrahlung auf der Erdoberfläche wird genutzt, um die maximale Leistungsfähigkeit von Solarzellen anzugeben
  • Solarzellen bringen ihre Höchstleistung eher an bewölkten als an sonnigen Tagen, wenn die Temperatur niedriger und die Einstrahlung trotzdem hoch ist 


Ressource Sonne: Eine unerschöpfliche Energiequelle

150 Millionen Kilometer entfernt, mehr als 100 Mal so groß wie die Erde und mit ungefähr 15 000 Grad Außentemperatur ist die Sonne nicht nur der größte Stern in unserem Sonnensystem, sondern auch der Grund, warum es auf unserem Planeten überhaupt Leben gibt.

In ihrem Kern fusionieren Wasserstoffatome zu Helium und setzen dabei Energie in Form von elektromagnetischen Wellen in die Atmosphäre frei - die Sonne „scheint“ also. Diese Energiemenge ist so groß, dass selbst wir sie Millionen Kilometer entfernt noch als „Sonnenstrahlen“ fühlen können - und das noch für die nächsten fünf Milliarden Jahre, so lange bis die potentielle Solarenergie der Sonne nachlassen wird. Dank ihrer unendlichen Ressourcen ist die Sonne eine ideale Quelle für die Gewinnung von elektrischer Energie. Neben beispielsweise Windkraft oder der Energiegewinnung aus Biomasse gehört Solarkraft also zu den nachhaltigsten Quellen für grünen Strom.

Solarenergie durch Sonnenlicht: Der Photovoltaische Effekt

Die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie nennt man photovoltaischen Effekt, eine Form des photoelektrischen Effekts. Licht enthält geladenen Teilchen, so genannten Photonen. Fallen diese auf die negative geladene Seite einer Siliziumscheibe, lösen sie Elektronen aus ihrem Verbund und verändern so die Verteilung der Ladung. Am Übergang von der negativ geladenen Oberseite der Solarzelle und der positiv geladenen Unterseite, auch als p-n-Schicht bezeichnet, entsteht so ein Spannungsfeld. Da sich die Elektronen und Protonen nicht über die p-n-Schicht austauschen können, müssen sie den „Umweg“ über eine elektrische Leitung nehmen, an die beispielsweise eine Glühbirne angeschlossen und so zum leuchten gebracht werden kann.

Kristallisiert, gesägt, verunreinigt -  so entsteht die Solarzelle

Bis auf ganz wenige Ausnahmen werden Solarzellen aus Quarzsand hergestellt, genauer gesagt aus Silizium. Silizium ist ein Halbleitermaterial und hat die Eigenschaft, dass es elektrisch leitfähig wird, wenn ihm Licht oder Wärme zugeführt wird. In der Erdschicht findet es sich in riesigen Mengen in Form von Quarz wieder. Um eine Scheibe aus Silizium herzustellen, wird Quarzsand gereinigt, kristallisiert und anschließend in Form gesägt. 

Die Strahlungsenergie der Sonne kann aber nur dann in Solarenergie umgewandelt werden, wenn sich vorhandene Ladungsträger bewegen können. Wie bei einer Batterie muss also auch die Siliziumscheibe einen positiven und einen negativen Pol aufweisen, die im Herstellungsprozess durch gezielte Verunreinigungen der Scheibe mit Bor und Phosphor auf der Ober- (negativ geladen) bzw. Unterseite (positiv geladen) erzeugt wird. 

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Wie speichert man Solarenergie? 

Die Speicherung von Solarkraft geschieht durch Solarspeicher bzw. Energiespeicher. Diese können in die Planung eines Photovoltaiksystems integriert oder aber auch im Nachhinein nachgerüstet werden. Mit Batteriespeichern ist es zwar trotzdem nicht möglich eine vollständige Unabhängigkeit vom örtlichen Netzbetreiber zu erreichen, die Autarkiequote steigt aber an. Solarbatterien speichern den eigen produzierten Solarstrom und geben ihn dann wieder ab, wenn die Solarzellen gerade keinen Strom produziert - zum Beispiel Nachts.

Warum schwankt die Sonneneinstrahlung auf der Erde?

Die Sonnenstrahlung außerhalb der Erdatmosphäre ist überall gleich. Misst man ein Jahr lang die Solarstrahlung, auch momentane Globalstrahlung genannt, auf eine senkrecht zur Sonne gerichtete Fläche, stellt man allerdings eine Schwankung zwischen 1.325 W/m2 und 1.420 W/m2 fest. Diese Schwankung entspricht einem Mittelwert, der sogenannten Solarkonstante E0, von 1.367 W/m2. Aber woher stammen diese Schwankungen? 

Bevor Sonnenstrahlung auf der Erde eintreffen kann, muss sie sich einen Weg durch die Erdatmosphäre bahnen. Steht die Sonne senkrecht zum Standort (z.B. am Äquator zur Mittagszeit), ist der Weg der Strahlung am kürzesten. Unsere Erdatmosphäre besteht aus Emissionen, Nebel, Staub und Wolken - die allesamt die Stärke der Strahlung beeinflussen können. Das bedeutet, dass je länger der Weg durch die Erdatmosphäre ist, desto stärker ist der meteorologische Einfluss.

Um die Strecke des Lichts durch die Erdatmosphäre zu messen, setzt man sie ins Verhältnis zur Strecke des Lichts bei einem horizontalen Lichteinfall. Dieses Maß nennt man Airmass (Luftmasse) und es entspricht bei horizontalem Einfall 1. Während in Deutschland im Dezember ein Airmass von ungefähr 4 und im Sommer ein Airmass von 1,15 gemessen werden kann, geht man in der Photovoltaik im Standardfall von einem Airmass = 1,5 aus. Das Airmass fließt mit in die Berechnung der maximal in der Theorie möglichen Leistungsfähigkeit einer Solarzelle ein.

Solarenergie: Wenig Wolken, mehr Solarkraft?

Es ist eine nachvollziehbare Überlegung, dass Solarzellen theoretisch mehr Strom produzieren müssten je stärker die Sonneneinstrahlung ist. Tatsächlich ist es aber so, dass Solarzellen ihre Höchstleistung dann bringen, wenn die Temperatur niedrig und die Einstrahlung hoch ist. 

Nicht nur der Abstand und Winkel der Erde zur Sonne, die Tageszeit und die geographische Lage auf der Erdkugel, sondern auch die Beschaffenheit der Erdatmosphäre beeinflusst die Sonneneinstrahlung. So können Reflexion, Absorption und Streuung (z.B. Luftmoleküle und Staubverunreinigung) die Strahlungsstärke verändern. Während Wolken Strahlung reflektieren, führen Ozon, Wasserdampf und Sauerstoff zu einer Absorption der Sonnenstrahlung. An einem wolkenlosen Sommertag misst man aus diesem Grund an der Erdoberfläche eine Strahlungsstärke von 1.000 W/m2, während es an einem bewölkten Tag wiederum zu Spitzen von bis zu 1.400 W/m2 kommen kann. Der Grund liegt in der Reflexion der Sonnenstrahlen an vorhandenen Wolken und darin, dass sich Solarmodule an einem bewölkten Tag weniger stark erhitzen und eine höhere Leistung erreichen können. 


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