Damit aus Sonnenenergie Strom entsteht, ist der sogenannte Photoeffekt nötig. Der Wirkmechanismus wurde im Jahr 1839 von Alexander Edmond Bequerel entdeckt und wird heute für die Stromerzeugung genutzt. Zwei unterschiedlich geladene Halbleiterschichten, meist aus Silizium gefertigt, werden durch Licht- oder Wärmeeinwirkung elektrisch leitfähig. Durch den Ladungsüberschuss am Schichtübergang entsteht ein elektrisches Feld, das die durch den Photoeffekt freigesetzten positiven und negativen Teilchen nach Ladung trennt. Die elektrische Spannung, die dadurch entsteht, wird über Metallkontakte an einen elektrischen Verbraucher angeschlossen und es fließt Gleichstrom. Dieser kann direkt genutzt werden oder wird über Wechselrichter in den im Haushalt üblichen Wechselstrom umgewandelt. Der so erzeugte Strom ist umweltfreundlich, weist eine gute Ökobilanz auf und ist unbegrenzt verfügbar.
Allerdings ist die Photovoltaikanlage in der Produktion nicht komplett umweltkompatibel. Für die Herstellung der Module müssen zahlreiche Ressourcen wie Energie und Wasser in großen Mengen aufgewendet werden, auch Chemikalien, die wiederum die Umwelt verschmutzen sind nötig. Stellt man diesen Aufwand allerdings der langen Lebensdauer und der emissionsfreien Erzeugung von Sonnenstrom gegenüber, verbessert sich die Gesamtökobilanz mit steigender Betriebsdauer deutlich.
Laut Angaben des Bundesverbandes Solarwirtschaft e. V. vom April 2014 wurden im Jahr 2013 3,3 GWp Photovoltaikkapazität neu installiert, die Gesamtkapazität an Solarstrom betrug Ende 2013 35,7 GWp aus 1,5 Millionen installierter Anlagen.
Bei Photovoltaikanlagen unterscheidet man zwischen Insel- und netzgekoppelten Anlagen. Inselanlagen sind nicht ans öffentliche Stromnetz gekoppelt und sind zum Beispiel für abgelegene Gebäude wie Garten- oder Wochenendhäuser, aber auch für Wohnmobile oder Boote erhältlich. Eine netzgekoppelte Anlage, bei der der Strom ins Stromnetz eingespeist wird, besteht aus folgenden Komponenten:
- Solarmodule, die zu Strings, bzw. dem Solargenerator zusammengeschaltet werden.
- Anschlusskasten, in dem die Module zum Generator zusammengeschaltet werden. Hier befinden sich auch die Sicherungen der Anlage.
- Verkabelungen von den Modulen zum Wechselrichter für die Weiterleitung von Gleichstrom und vom Wechselrichter zum Einspeisepunkt für die Nutzung des Wechselstroms. Die Querschnitte der Leitungen sind abhängig von Leistung und Kabellänge.
- Zähler für die Messung der eingespeisten Strommenge ins Netz.
- Einspeisemanagement mit Fernüberwachung durch den Netzbetreiber wie Datenlogger zur Dokumentation von Umweltbedingungen und zur Übergabe von Fehlermeldungen aus den Wechselrichtern.
- Optionaler Energiespeicher, zum Beispiel für die Erhöhung des Eigenanteils durch Speicherung überschüssigen Stroms oder zur Nutzung von Strom für die Heizungsanlage.
Damit eine Photovoltaikanlage mit maximalem Wirkungsgrad arbeitet, müssen sowohl hinsichtlich der Umweltbedingungen als auch bauseits verschiedene Voraussetzungen erfüllt sein. Errichtet werden kann die Anlage generell auf allen Dachflächen, je nach Dachneigung entweder parallel zur Dachfläche oder als Aufständerung. Die Anlage muss weitgehend nach Süden ausgerichtet sein und darf nicht verschattet werden. Insbesondere sind folgende Punkte wichtig:
Ideal ist eine Dachneigung von 26 bis 32 Grad, um den sich verändernden Lichtbedingungen im Jahresverlauf anzupassen, empfiehlt es sich unter Umständen, eine Nachführung für die Anlage miteinzuplanen. Dies kann den Ertrag um 20 bis 30 % erhöhen.
Ungünstige Dachneigungen können über Aufständerungen ausgeglichen werden.
Eine Verschattung verschlechtert die Leistung der Anlage mehr als eine ungünstigere Dachneigung. Grund dafür ist, dass in Deutschland und Mitteleuropa generell ein hoher Anteil an diffusem Licht vorliegt.
Die Südausrichtung einer Anlage ist ideal, allerdings sind Abweichungen nach Osten und Westen bis zu 30 % ebenfalls noch rentabel.
Je steiler die Dachneigung, umso ungünstiger wirken sich Abweichungen von der Südausrichtung auf den Ertrag aus.
Photovoltaikanlagen können auf Schrägdächern als Aufdach- oder Indachlösungen installiert werden. Die Aufdachlösung gilt als beliebteste Methode, dabei wird auf die Dacheindeckung eine Metallkonstruktion als Ständerwerk montiert. Auf diese Haltkonstruktion werden die Solarmodule aufgeschraubt. Insbesondere bei der nachträglichen Installation ist dies die bevorzugte Lösung, da nicht in die Dachdeckung eingegriffen werden muss.
Indachlösungen sind deutlich aufwendiger sowie kostenintensiver und haben hauptsächlich optische Vorteile. Die Solarmodule bilden gleichzeitig die Dacheindeckung und sind ideal vor der Witterung geschützt. Auf Flachdächern sowie flach geneigten Dächern werden die Module auf einer Aufständerung mit entsprechender Neigung montiert. Zwischen den Reihen muss ausreichend Platz gehalten werden, damit es nicht zur gegenseitigen Verschattung kommt. Nicht installiert werden können Photovoltaikanlagen auf nicht ausreichend tragfähigen Dächern, eventuell kann eine Aufdoppelung die Tragfähigkeit erhöhen. Eine Absprache und Planung durch den Statiker ist in diesen Fällen erforderlich.
Photovoltaikanlagen haben generell einen mäßigen Wartungsbedarf, der sich hauptsächlich auf die Freihaltung der Solarmodule von Eis, Schnee und Schmutz bezieht. Regelmäßig kontrolliert und bei Bedarf gewartet werden muss die oberirdische, der Witterung ausgesetzte Verkabelung. Spätestens nach einer Betriebsdauer von 10 Jahren sind meist die etwas anfälligeren Wechselrichter für den Austausch fällig. Die Zählerüberprüfung und -wartung fällt in den Bereich des Eigentümers. Dieser kann der Anlagenbetreiber, aber auch der Netzbetreiber sein. Einmal jährlich empfiehlt sich eine Durchsicht des Montagesystems auf Unversehrtheit und Tragfähigkeit.
Der Stromertrag aus der Photovoltaikanlage kann für den Betrieb einer Heizungsanlage eingesetzt werden. Insbesondere mit dem Aufkommen von Stromspeichern wird die Nutzung von Elektroheizungen in diesem Zusammenhang attraktiv und tendenziell möglich. Der in den Sommermonaten reichlich produzierte Strom wird gespeichert und in der Heizperiode zum Betrieb der Anlage eingesetzt.
Hinderungsgründe, die das Heizen mit Photovoltaik heute noch weitgehend zur Zukunftsmusik machen, sind folgende:
- In der Heizperiode liefert die Anlage nur 30 % vom Jahresertrag.
- Strom wird am Tag erzeugt, Strom für die Heizungsanlage wird vorwiegend abends benötigt.
- Nach dem EEG und der Energieeinspar-Verordnung (EnEV) dürfen Bestandsgebäude mit üblichem Dämmstandard nicht ausschließlich mit Strom beheizt werden.
Unter Hinweise & Tipps, oben auf dieser Seite, können Sie genaueres zu den Verordnungen nachlesen.