Solarpanel: Funktion, Aufbau und Montage

Wer eine Photovoltaikanlage anschaffen will, kommt am Solarpanel nicht vorbei. Doch was ist eigentlich ein Solarpanel? Wie funktioniert es? Welche Typen gibt es? Und worin unterscheidet sich das Solarmodul von der Solarzelle? Hier findest Du zentrale Informationen, die Dir die Entscheidung für eine Modulart erleichtern.

Was versteht man unter einem Solarpanel?

Ein Solarpanel, auch Solarmodul genannt, ist eine zentrale Komponente einer Photovoltaikanlage und dient der Umwandlung von Sonnenlicht in Strom. Solarpanele bestehen aus mehreren miteinander verschalteten Solarzellen.

Um die Solarzellen gegen Witterung zu schützen, werden sie nach außen isoliert. Nach unten hin werden sie mit einer Folie abgedichtet und nach oben mit Glas. Das Ganze wird durch einen Aluminiumrahmen eingefasst und mechanisch stabilisiert. Über diesen Rahmen wird das Modul dann auch mit der Unterkonstruktion verschraubt. Zur Einbettung der Solarzellen wird meist der Kunststoff Ethylenvinylacetat verwendet. Die obere Abdeckung bildet hochtransparentes, gehärtetes Glas.

Für Solarpanele lassen sich unterschiedliche Bauarten von Solarzellen verwenden. Die Unterschiede betreffen Wirkungsgrad, Einsatzart und Preis.

Wie unterscheiden sich Solarmodule von Solarzellen?

Ein Solarpanel setzt sich aus Solarzellen zusammen. Eine Solarzelle ist also ein Bestandteil eines Solarpanels.

Eine Solarzelle ist von ihrem Aufbau her eine Halbleiterdiode und verwandelt die Strahlungsenergie der Sonne in Gleichstrom. Sobald Licht auf die Solarzelle trifft, wird über den photovoltaischen Effekt Strom erzeugt und in einen Stromkreis überführt. Eine detaillierte Erläuterung dieses Vorgangs findest Du hier: Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage?

Es gibt polykristalline Solarzellen, monokristalline Solarzellen und Dünnschichtzellen. Das sind die Unterschiede:

Polykristalline Solarzellen

Polykristalline Solarzellen gehören zu den Dickschichtzellen, die aus Scheiben kristallinen Siliziums, sogenannten Wafern, hergestellt werden. Polykristalline Solarzellen bestehen aus vielen einzelnen miteinander verbundenen Siliziumkristallen. Die Kristalle sind dabei zufällig angeordnet; an den Kristallgrenzen entstehen Leistungsverluste. Dafür sind diese Solarzellen preiswert.

Vorteile

  • Preiswert in der Produktion
  • Bewährte Technik

Nachteile

  • Höherer Flächenbedarf
  • Geringer Wirkungsgrad

Monokristalline Solarzellen

Auch monokristalline Solarzellen werden aus in Scheiben geschnittenen Siliziumblöcken hergestellt und gehören damit zu den Dickschichtzellen. Durch ein aufwendiges Produktionsverfahren werden die Kristalle jedoch gleichmäßig ausgerichtet, so dass weniger Leistungsverluste entstehen und der Wirkungsgrad höher ist, als bei polykristallinen Solarzellen. Das aufwendige Herstellungsverfahren spiegelte sich bislang in einem höheren Preis. Im Vergleich zu früher ist dieser aber stark gesunken, womit es bei Aufdachanlagen keinen triftigen Grund gibt, polykristalline Module zu verbauen. Zumal monokristalline ein besseres Schwachlichtverhalten zeigen.

Vorteile

  • Hoher Wirkungsgrad
  • Geringer Flächenbedarf
  • Bewährte Technik
  • Besseres Schwachlichtverhalten

Nachteile

  • Hoher Preis

Dünnschichtzellen

Bei Dünnschichtzellen wird ein Trägermaterial hauchdünn mit dem Halbleiter beschichtet – dies spart Rohstoff. Dadurch sind Dünnschichtzellen bis zu 100-mal dünner als Dickschichtzellen.

Die Verschaltung der Dünnschichtzellen untereinander findet bereits im Herstellungsprozess statt. Dies ermöglicht eine kostengünstige Produktion und macht Dünnschichtmodule variabel einsetzbar. Die Nachteile von Dünnschichtzellen gegenüber kristallinen Solarzellen sind die reduzierte Beständigkeit und der geringere Wirkungsgrad.

Neben amorphem, also nicht-kristallinem Silizium werden auch Galliumarsenid, Cadmiumtellurid (CdTe) und Kupferindiumselenid (CIS) als Hauptmaterial verwendet. Besonders effizient sind CIGS-Solarzellen. Bei der Grätzelzelle bildet ein Farbstoff den Träger, daher wird sie auch Farbstoffzelle genannt.

Vorteile

  • Günstige Fertigung
  • Kleiner Rohstoffaufwand
  • Hohe Temperaturbeständigkeit
  • Flexibles Trägermaterial

Nachteile

  • Geringerer Wirkungsgrad
  • Höherer Flächenbedarf
  • Vorzeitige Alterung

Seit wann werden Solarpanele zur Stromerzeugung eingesetzt?

Solarpanele wurden ursprünglich für die Raumfahrt entwickelt und versorgten Satelliten mit Strom. In den 70er Jahren begann man mit der Entwicklung von Solarpanelen für weitere Zwecke. Ein typisches Anwendungsbeispiel aus dem Alltag sind mit kleinen Solarmodulen ausgestattete Taschenrechner und Außenleuchten. Parallel wurde an PV-Modulen für die häusliche Energieversorgung gearbeitet.

Die Photovoltaikanlagen heutiger Bauart kamen in den 80er Jahren auf. Einen wichtigen Anstoß gaben das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) der Bundesregierung. Die öffentliche Förderung führte zur weiten Verbreitung von PV-Anlagen und erleichterte vielen Hausbesitzer*innen die Anschaffung.

Zwar wird heute nicht mehr in dem gleichen Umfang gefördert, dafür sind die Anschaffungskosten insgesamt deutlich gesunken. Wenn Du Dir einen Überblick über Fördermöglichkeiten verschaffen möchtest, findest Du in unserem Artikel die aktuellen Programme von Bund und Ländern.

Solarpanel, LED und Fotodiode – Gemeinsamkeiten und Unterschiede

Die Solarzellen in einem Solarpanel ähneln im Aufbau den für viele Anwendungsfälle genutzten Leuchtdioden und Fotodioden. Sowohl in einer Solarzelle als auch in einer LED basiert die Funktion auf dem Positiv-Negativ-Übergang von Halbleiterkristallen.

Ein Halbleiterkristall besitzt zwei Schichten aus positiv und negativ geladenen Dotierungen und lässt den Strom nur in einer Richtung passieren. Der größte Unterschied zwischen einer Solarzelle und einer LED besteht beim Ausgangsmaterial: Für die pn-Halbleiterdiode in einer Solarzelle wird Silizium als Basis verwendet. In einer LED kommt dagegen eine Galliumverbindung als Halbleiter zum Einsatz.

Solarpanele im Zusammenspiel mit weiteren PV-Komponenten

Eine PV-Anlage lässt sich als Inselanlage oder als netzgekoppelte Photovoltaikanlage betreiben. Um einen größtmöglichen Ertrag aus der Photovoltaikanlage zu erzielen, müssen alle Komponenten gut aufeinander abgestimmt sein. Dies gilt vor allem für das Zusammenwirken von Solarzellen, Solarmodulen und Strings als Teil des sogenannten Solargenerators. Solarzellen werden zu Solarpanelen zusammengeschaltet, die wiederum zu Strings angeordnet werden. Die gesamte Einheit bildet den Solargenerator einer Photovoltaikanlage.

In beiden Versionen einer Photovoltaikanlage nimmt das Solarpanel eine Schlüsselstellung ein. Aus diesen Komponenten setzen sich die beiden Typen einer Photovoltaikanlage zusammen:

Inselanlage:

  • Solarpanele
  • Generatoranschlusskasten
  • Verkabelung
  • Stromspeicher
  • Laderegler (verhindert Tiefentladung und Überladung der Batterie)
  • Inselwechselrichter (zum Anschluss von mit Wechselstrom betriebenen Verbrauchern)

Netzgekoppelte Photovoltaikanlage:

  • Solarpanele
  • Generatoranschlusskasten
  • Verkabelung
  • Wechselrichter
  • Stromzähler
  • Stromspeicher (optional)

Wir bei EIGENSONNE bauen zwar keine Inselanlagen, aber in unserem Artikel zu Inselanlagen findest Du eine gute grafische Darstellung dieses Anlagentyps in Gegenüberstellung zu netzgekoppelten PV-Anlagen.

Solarmodule mit integriertem Wechselrichter

Für netzgekoppelte Photovoltaikanlagen gibt es PV-Module mit integriertem Wechselrichter. Sinnvoll ist der Einsatz solcher Modulwechselrichter, wenn die einzelnen Solarpanele stark abweichende Erträge erzielen. Modulwechselrichter eignen sich vor allem für kleine Anlagen. Ihr Vorzug: Ein defekter Wechselrichter legt nicht gleich die gesamte Photovoltaikanlage lahm. Der Nachteil: Mehr Technik, die kaputt gehen kann.

Welche Leistung erbringen Solarpanele?

Die Leistung einer Photovoltaikanlage wird in Kilowatt Peak (kWp) angegeben. Sie wird hauptsächlich durch die zur Verfügung stehende Fläche und die Auswahl der PV-Module beeinflusst.

  • Monokristalline Module beanspruchen für eine Leistung von 1 kWp eine Fläche von 5 – 7 m2.
  • Für polykristalline Module sind 6 – 8 m2 zu veranschlagen.

Für eine maximal wirtschaftliche Auslegung der Photovoltaikanlage sind folgende Punkte zu beachten:

Bei einem Flachdach ist wegen der gegenseitigen Abschattungen der Module mindestens vom doppelten Flächenbedarf auszugehen.

Solarpanele mit integriertem Leistungsoptimierer

Ein Leistungsoptimierer kann den Ertrag eines Solarpanels erheblich steigern. Die elektronischen Komponenten verbessern den Wirkungsgrad um bis zu 30 %, indem sie den Energieertrag der einzelnen PV-Module permanent überwachen. Die Stromausbeute ist durch lokale Abschattungen bedingt nicht immer einheitlich und kann von Solarmodul zu Solarmodul schwanken. Das Steuergerät im Leistungsoptimierer sucht für jedes Modul einzeln den optimalen Betriebspunkt. Dies führt zu einer besseren Gesamtperformance, da sich die zu Strings zusammengeschalteten Solarmodule ansonsten an den leistungsschwächsten Panelen ausrichten würden.

Montage der Solarmodule

Aufdach- und Indachanlagen

Aufdachanlagen werden über ein Montagesystem auf dem Dach montiert. Wenn die PV-Panele auf dem Dach installiert werden, wird zunächst die Unterkonstruktion montiert, auf der anschließend die Solarplatten mit Hilfe von Dachhaken und Schienen befestigt werden. Aufdachanlagen lassen sich daher meist problemlos nachrüsten.

Indachanlagen werden nahtlos in das Dachgefüge integriert. Sie ersetzen so teilweise die Dachziegel. Indachanlagen bestechen durch ihre Eleganz, erfordern jedoch einen höheren Installationsaufwand. Solarpanele lassen sich auch in die Hausfassade integrieren. Hierbei sind Architektur und Himmelsrichtung der Fassade bestimmende Faktoren.

Montagesystem für Flachdächer

Bei Flachdächern gibt es eine spezielle Aufständerung, die festgeschraubt, beschwert und/oder geklebt wird. Meist wird auf ein Bohren in das Obermaterial des Daches verzichtet, da sonst eine Dichtigkeit über 30 und mehr Jahre nicht gewährleistet werden kann.

Nachführung von Solarmodulen

Das Nachführen der Module, sprich, sie mit dem Stand der Sonne zu bewegen, ist am sinnvollsten bei hohem direkten Sonnenenstrahlungsanteil, wie in Gegenden um den Äquator. Zwar bieten diese Systeme eine Wirkungsgradverbesserung, die Technik ist aber so aufwendig und wartungsintensiv, dass sie im privaten Bereich eher selten anzutreffen ist.

Welche Batterie braucht ein Solarpanel?

Prinzipiell lässt sich jede moderne Autobatterie als Solarbatterie verwenden. Spezielle Photovoltaikspeicher sind auf den Einsatzzweck jedoch besser angepasst und zeichnen sich durch hohe Zyklenfestigkeit aus. Solche Solarbatterien besitzen auch eine bessere Akzeptanz in der Entladetiefe. Eine Alternative zur Stromspeichern ist die AGM-Batterie (Absorbent Glass Mat, mehr auf Wikipedia).

Solarpanele und Lebensdauer

Auf Solarpanele geben führende Hersteller lange Garantien, die deutlich über die gesetzliche Gewährleistung von zwei Jahren hinausreichen. Nicht selten umfasst die Leistungsgarantie einen Zeitraum von 20 bis 25 Jahren. Hintergrund ist, dass ein aus unbewegten Solarzellen aufgebautes PV-Panel bei guter Verarbeitung kaum einer Materialermüdung ausgesetzt ist. Bei hochwertiger Auslegung von Werkstoffen wie Glasabdeckung, Folien und Anschlüssen ist eine lange Nutzungsdauer gegeben. Auch Defekte treten eher selten auf.

Schwachpunkte können Kunststoffteile und während der Herstellung unentdeckte Einschlüsse in der Verglasung darstellen. Ausfälle treten eher bei anderen Komponenten einer Photovoltaikanlage auf. So besitzen Wechselrichter je nach Typ und Auslegung eine durchschnittliche Lebensdauer von 10 bis 15 Jahren. Auch die Verkabelung kann an Schwachstellen einen Defekt auslösen. Hersteller doppelt isolierter Solarkabel versprechen aber immerhin 25 Jahre Haltbarkeit.

Recycling von PV-Modulen

Auch wenn mit einer langen Lebensdauer der Solarmodule zu rechnen ist – irgendwann ist der Zeitpunkt erreicht, an dem sie außer Betrieb gesetzt werden. Die wertvollen Rohstoffe in einem Solarmodul sollten wieder dem Wertstoffkreislauf zugeführt werden. Vor allem das Silizium und das Glas lassen sich erneut verwerten. Die EU-Richtlinie zum Recycling von Elektroschrott hat daher auch Solarmodule aufgenommen und sieht vor, dass mindestens 80 % aller Solarpanele recycelt werden. Um eine gute Ökobilanz der PV-Module muss sich der Käufer einer Solaranlage daher keine Sorgen machen. Mehr dazu liest Du hier.

Alternativen zu Solarpanele

Oftmals werden auch Solarkollektoren als Solarpanele bezeichnet, obwohl es sich hierbei um thermische Energiewandler handelt. Die Solarthermie ist nicht wirklich eine Alternative zur Photovoltaik, doch lassen sich beide Techniken ergänzend anwenden. In den Kollektoren einer Solarthermie-Anlage erhitzt die Sonneneinstrahlung einen flüssigen Wärmeträger. Die Wärmeenergie lässt sich für Heizzwecke und die Warmwasseraufbereitung in einem Haushalt nutzen.

Fazit

Eine Photovoltaikanlage nutzt zur Stromerzeugung das natürliche Sonnenlicht. Gerade die dezentrale und autonome Art der Stromerzeugung ist für viele ein Anreiz zur Investition in eine Solaranlage. Aber auch beim Klimaschutz kann eine PV-Anlage punkten, denn die Ökobilanz fällt bei Anlagen mit Solarpanelen durchweg positiv aus. Die langlebigen Solarmodule lassen sich fast rückstandslos recyceln und die hohe Umweltverträglichkeit ist für viele Anwender*innen ein wichtiges Kaufmotiv.

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