Photovoltaik, wie funktioniert das?

Der Aufstieg erneuerbarer Energien ging einher mit der Nutzung der Sonne, aber wissen Sie, wie Solar-Photovoltaik funktioniert und wie sie zu Ihnen nach Hause gelangt?

Die Sonne, diese glühende Kugel am Himmel, um die sich praktisch alle menschlichen Kulturen gedreht haben, drehen und drehen werden (im übertragenen wie im wörtlichen Sinne). Eine kulturelle und religiöse Verehrung, die, weit davon entfernt, von einer zunehmend weniger mystischen Menschheit verbannt zu werden, nun wissenschaftlich durch Energie nutzbar gemacht wird. Und Tatsache ist, dass dieser 4,6 Milliarden Jahre alte Stern – im Vergleich zum Alter anderer Sterne kaum erwachsen – lebensnotwendig ist für das Leben auf der Erde (wir denken, es ist an dieser Stelle nicht nötig, dies zu erklären), aber auch für …Die Produktion sauberer, nachhaltiger und unerschöpflicher Energie: Solare PhotovoltaikSo haben wir uns innerhalb weniger Jahrzehnte von einem Leben, in dem wir – aus energetischer Sicht – der Sonne den Rücken zugewandt hatten, zu einem regelrechten Photovoltaik-Fieber entwickelt, in dem wir beginnen, das Potenzial der Sonne zur Stromerzeugung zu nutzen. Aber haben Sie sich jemals gefragt, wie Photovoltaik-Solarenergie funktioniert? Nun, heute klären wir Sie darüber auf; also Sonnencreme nicht vergessen und los geht’s!

Zunächst muss geklärt werden, was Photovoltaik ist. Diese Energieform wird durch die Umwandlung von Sonnenstrahlung in Elektrizität gewonnen. Dies geschieht mithilfe des sogenannten photoelektrischen Effekts, der im Wesentlichen auf der Emission von Elektronen (die später zu Elektrizität werden) durch elektromagnetische Strahlung beruht, die auf ein Material trifft – in diesem Fall die Photovoltaikzellen auf der Oberfläche von Photovoltaikmodulen, unabhängig von deren Größe und Technologie. Diese Module bestehen aus mehreren Schichten elektrisch leitfähigem Halbleitermaterial, entweder Silizium oder anderen Materialien, die von einer Glasfolie bedeckt sind. Diese lässt Sonnenstrahlung durch und minimiert Energieverluste, obwohl der maximale Wirkungsgrad aktuell bei modernsten Anlagen bei etwa 20 % liegt. Die verbleibenden Sonnenstrahlen werden durch die Erzeugung eines elektrischen Feldes in den Photovoltaikzellen „eingefangen“. Dieses Feld fließt durch einen Stromkreis und wird über die elektrische Anlage übertragen.

Wir haben bereits unsere geliebten Sonnenstrahlen, deren Intensität – innerhalb der Kapazitätsgrenzen unserer Anlage – die erzeugbare Leistung bestimmt. Dank der „Magie“ der Wissenschaft sind sie in unserem Stromkreis gespeichert. Jetzt gilt es, sie in nutzbare elektrische Energie umzuwandeln.

Nun, da die „eingefangenen“ Photonen Elektronen freisetzen, erzeugen sie über den Stromkreis der Photovoltaikplatte immer mehr Strom. Da die Platte nicht alle erzeugten Elektronen nutzen kann, leitet sie diese zurück zum sogenannten negativen Panel, damit sie später erneut in den Prozess eintreten können. Dieser Kreislauf ermöglicht die Erzeugung von Gleichstrom, der in Batterien gespeichert und anschließend mithilfe des zweiten Hauptakteurs unserer Erklärung, den Wechselrichtern, in Wechselstrom (den wir zu Hause verbrauchen) umgewandelt wird.

Diese Wechselrichter sind unerlässlich, denn ohne sie wäre die Nutzung von Photovoltaik-Solarenergie unmöglich. Sie wandeln den Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) um und passen ihn so an die Spannung an, die in jeder Haushaltssteckdose anfällt. Der Grund für diese Stromumwandlung liegt darin, dass Gleichstrom, wie der Name schon sagt, einen gleichmäßigen, unidirektionalen Fluss bietet, während Wechselstrom durch ständig wechselnde Stärke und Richtung gekennzeichnet ist. Wechselrichter wandeln den Gleichstrom in Wechselstrom um, sodass wir ihn im Haushalt nutzen können, da sich die Spannung unserer Elektrogeräte viel einfacher an Wechselstrom anpassen lässt.

An dieser Stelle müssen wir, um mit der Erklärung fortfahren zu können, die verschiedenen Arten von Photovoltaikanlagen betrachten. Grundsätzlich lassen sie sich in zwei Hauptgruppen unterteilen:

• Netzgekoppelte Photovoltaiksysteme
• Insel-Photovoltaiksysteme

Betrachten wir die Unterschiede in der Funktionsweise und welche anderen Faktoren eine Rolle spielen, um deren Anwendung zu gewährleisten.

Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen

Diese Anlagen, seien es Eigenverbrauchsanlagen (die wir in unseren Privathäusern installieren, um uns mit „kostenloser“ Energie zu versorgen) oder Kraftwerke (große Anlagen, die Photovoltaik-Solarenergie erzeugen und an verschiedene Verbraucher verteilen), sind mit dem großen Stromnetz verbunden; dadurch kann das Netz mit Überschüssen (im Falle des Eigenverbrauchs) bzw. Produktion (im Falle von Kraftwerken) versorgt werden.

An diesem Punkt müssen wir zwischen Hausinstallationen und zentralen Installationen unterscheiden, vor allem aufgrund der Vielzahl an Faktoren, die für deren korrekte Funktion entscheidend sind.

• In Privathaushalten wird elektrische Energie, sobald sie in Wechselstrom umgewandelt ist, in Batterien gespeichert, von wo aus sie von unseren Elektrogeräten verbraucht oder bis zum späteren Gebrauch gespeichert wird. Überschüssige Energie wird wiederum über das öffentliche Stromnetz an die Verbraucher abgegeben.
• Bei Photovoltaik-Kraftwerken ist der Prozess wesentlich komplexer, denn sobald der Strom erzeugt ist, muss er in das Stromnetz eingespeist werden, wo er dann eine sehr interessante Reise bis zu seinem Verbrauch antritt.

Nachdem der erzeugte Strom den Wechselrichter durchlaufen hat, muss er ein Schlüsselelement des gesamten Prozesses passieren: die Transformations- und Verteilanlage. Dieses Gerät erhöht die Spannung, steigert so den Wirkungsgrad und reduziert Energieverluste, damit der Strom in das Stromnetz eingespeist und zu den Verbrauchern transportiert werden kann.

Wenn der Strom die Verbrauchspunkte erreicht, durchläuft er das Umspannwerk, um seine Spannung zu reduzieren, damit er genutzt werden kann.

Insel-Photovoltaiksysteme

Diese zweite Klassifizierung ist die seltenste, aber in Sektoren wie der Landwirtschaft sowie an abgelegenen oder schwer zugänglichen Standorten weit verbreitet. Im Wesentlichen handelt es sich um Anlagen, die in sogenannten „Energieinseln“ betrieben werden, um den Energiebedarf autarker Anlagen zu decken. Diese Photovoltaikanlagen sind deutlich einfacher zu betreiben, da sie keine zusätzliche Schaltanlage benötigen, weil sie nicht an das Hauptstromnetz angeschlossen sind. Sie können als Stromerzeuger für Beleuchtung, Bewässerungssysteme in Plantagen oder zur Unterstützung anderer Erzeugungssysteme wie Dieselgeneratoren dienen.

Um dies zu erreichen und zu dem Punkt zurückzukehren, an dem die Energie bereits das Solarpanel durchlaufen hat und sicher in unserer Batterie gespeichert ist, benötigen diese Anlagen ein weiteres Element, das sie in ihrer Funktionsweise unterscheidet: die Regler. Dieses Element dient im Wesentlichen als Schutzsystem für die Batterie gegen elektrische Überlastung oder mögliche ineffiziente oder unsachgemäße Nutzung der gespeicherten Energie. Auf diese Weise geben die gut geschützten Batterien die Energie in das autonome Stromnetz (Verkabelung und Haus-/Landwirtschafts-/Industrieanlagen) ab, das sie dann nutzt. So einfach ist das.

Solare Photovoltaik: nachhaltig und kostengünstig

Bis vor Kurzem wurde die Photovoltaik, wie auch andere erneuerbare Energiequellen, kontrovers diskutiert. Die Zweifel an ihrer Eignung als Energiequelle waren nichts anderes als die drohenden Wolken am „Photovoltaik-Himmel“. Wie jede Technologie musste auch die Photovoltaik in ihrer Anfangsphase höhere Kosten in Kauf nehmen. Nach einigen Jahren, in denen sie ihre Vielseitigkeit unter Beweis gestellt hat, konnte sie diese jedoch dank technologischer Reife und stetig sinkender Installationskosten überwinden.

So wurde vor nur zwei Jahren ein Meilenstein in der Geschichte der Solar-Photovoltaik erreicht, als dieInternationale Energieagentur (IEA)Die Organisation veröffentlichte ihren jährlichen Bericht „World Energy Outlook 2020“, in dem sie feststellte, dass Solarenergie nicht nur wettbewerbsfähig und effizient, sondern sogar „der günstigste Strom aller Zeiten“ ist – und das ist noch untertrieben. Der Schlüssel dazu liegt in den niedrigen Kapitalkosten für Solarenergieprojekte. Dadurch kann Solarstrom zu einem Preis von unter 20 US-Dollar pro Megawattstunde produziert werden. Dies ist einer der Gründe, warum Förderinstitutionen die Bereitstellung von Kapital für die Entwicklung neuer Solarprojekte aufgrund ihrer hohen Rentabilität befürworten.

Heute hat die Photovoltaik-Stromerzeugungskapazität erreichtdie psychologische Barriere von 1.000 GWDank des hervorragenden Jahres 2021, in dem dem globalen Stromnetz 168 GW Kapazität hinzugefügt wurden. Dies wird belegt durchSolarPower Europe‘S Globaler Marktausblick für SolarenergieDer Bericht stellt außerdem fest, dass die Photovoltaikbranche im neunten Jahr in Folge ihren jährlichen Installationsrekord gebrochen hat. Dieser Trend dürfte sich 2022 wiederholen, wenn Prognosen zufolge erstmals Solaranlagen mit einer Leistung von über 200 GW installiert werden.