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Wie funktioniert eine Solaranlage?

Undine Tackmann, Online-Redakteurin
Undine Tackmann
14. Februar 2024

Eine Solaranlage nutzt Photovoltaikmodule, um Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln. Diese Energie kann dann entweder direkt von Ihnen genutzt, ins öffentliche Stromnetz eingespeist oder in Batterien gespeichert werden. Erfahren Sie mehr zur Funktionsweise einer Photovoltaikanlage.

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Die Funktionsweise von Photovoltaik einfach erklärt

Solarmodule auf dem Dach wandeln Sonnenlicht in elektrischen Strom um. Dieser wird wiederum über einen Wechselrichter von Gleich- in Wechselstrom geändert, um z. B. Haushaltsgeräte zu versorgen, ein Elektroauto zu laden und eine Wärmepumpe zu betreiben. Auf ähnliche Weise nutzen Solarthermie-Kollektoren die Sonnenenergie, um Wasser zu erwärmen und das Heizungssystem zu unterstützen.

In unserem Video haben wir einfach erklärt, wie eine Solaranlage funktioniert. Dargestellt wird ein Einfamilienhaus, das sowohl eine Photovoltaik- als auch eine Solarthermieanlage auf dem Dach integriert hat. Zudem werden die verschiedenen Speichersysteme für beide Energiearten berücksichtigt.

Wie funktioniert Photovoltaik und Solarthermie?

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Der Unterschied Photovoltaik versus Solarthermie

Eine Photovoltaikanlage wandelt Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom um, während eine Solarthermieanlage Sonnenenergie verwendet, um Wärme zu erzeugen, die zum Heizen von Wasser oder Räumen eingesetzt wird.

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Die wichtigsten Komponenten einer Solaranlage und ihre Funktion

Um die Funktionsweise von Photovoltaik zu verstehen, werfen wir ein Blick auf den Aufbau einer Solaranlage. Hier spielen mehrere Schlüsselkomponenten zusammen, um Sonnenenergie effizient zu nutzen:

  • Solarmodule: Sie fangen das Sonnenlicht ein und wandeln es durch Photovoltaikzellen in Gleichstrom (DC) um. Sie sind die primären Energieerzeuger in der Anlage.
  • Wechselrichter und Energiemanager: Der Wechselrichter wandelt den Gleichstrom aus den Solarmodulen in Wechselstrom (AC) um, der im Haushalt verwendet oder ins Stromnetz eingespeist werden kann. Der Energiemanager steuert die Energieflüsse innerhalb der Solaranlage, optimiert den Eigenverbrauch am Solarstrom und erhöht die Effizienz.
  • Speicher: Batteriespeicher halten überschüssige Energie, die während sonnenreicher Stunden erzeugt wird, für eine Nutzung zu einem späteren Zeitpunkt bereit, wenn die Sonneneinstrahlung geringer ist oder der Bedarf im Haushalt steigt.
  • Zweirichtungszähler: Er misst, wie viel Strom aus dem Netz bezogen und wie viel überschüssiger Strom ins Netz eingespeist wird. Dies ermöglicht eine genaue Abrechnung und Überwachung der Energieflüsse.
  • Montagesystem: Sorgt für die fachgerechte Installation der Solarmodule auf verschiedenen Dachtypen oder am Boden. Es gewährleistet die optimale Ausrichtung der Solaranlage zur Sonne, um die maximale Energie zu nutzen.
Grafik zur Funktion und dem Aufbau einer Solaranlage mit Solarspeicher
Die Grafik zeigt die wichtigsten Bestandteile einer Solaranlage und ihre Funktionen.

Solarzellen wandeln Licht in elektrische Energie um

Die Solarzellen sind das Herzstück einer Solaranlage und verantwortlich für die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie.

Sie bestehen aus Halbleitermaterialien, typischerweise Silizium. Das Silizium ist durch die Dotierung auf der Ober- und Unterseite (positiv/negativ) unterschiedlich elektrisch leitfähig. Dadurch entsteht in der Grenzschicht ein elektrisches Feld. Wenn nun Sonnenlicht auf die Solarzellen fällt, geraten die Elektronen in Bewegung, elektrische Spannung entsteht und elektrischer Strom kann für den Verbraucher fließen. Dieser Prozess wird als photovoltaischer Effekt bezeichnet. Die erzeugte elektrische Energie kann sofort genutzt, gespeichert oder ins Stromnetz eingespeist werden.

Solarzelle Aufbau und Funktion im Querschnitt sieht man den Vorderseitenkontakt mit den beiden Siliziumschichten der Grenzschicht und dem Rückseitenkontakt
Die Grafik zeigt, wie die Solarzellen aus Sonnenlicht Strom erzeugen, auch als photovoltaischer Effekt bezeichnet.

Solarmodule bündeln mehrere Solarzellen

Die Solarmodule bestehen aus einer Schichtfolge von einer Glasfront, EVA (Ethylen-Vinylacetat)-Folie, Solarzellen, einer weiteren EVA-Folie und einer Rückseitenfolie, montiert in einem Rahmen, der die Komponenten schützt und Stabilität bietet.

Sie fangen das Sonnenlicht ein und wandeln es durch den photovoltaischen Effekt in elektrischen Gleichstrom um. Dieser Strom kann dann entweder direkt genutzt, in Batterien gespeichert oder durch einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt und ins Stromnetz eingespeist werden.

Es gibt drei verschiedene Arten von Solarmodulen:

Solarkabel transportieren den Solarstrom

Solarkabel sind speziell konzipierte elektrische Kabel, die verwendet werden, um den von Solarmodulen erzeugten Gleichstrom (DC) zu transportieren und zu den Wechselrichtern oder Speichersystemen zu führen. Ein besonderes Merkmal von Solarkabeln ist ihre hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber UV-Strahlung und Witterungseinflüssen, da sie oft im Freien und auf Dächern verlegt werden, wo sie direktem Sonnenlicht ausgesetzt sind.

Im Vergleich zu haushaltsüblichen Wechselstromkabeln sind Gleichstromkabel für höhere Spannungen ausgelegt. Zudem sind sie so konzipiert, dass sie den von den Solarmodulen erzeugten Strom effizient und sicher zu den Wechselrichtern, Batteriespeichern oder anderen Systemkomponenten transportieren können, ohne hohe Energieverluste zu riskieren.

Wichtige Aspekte, auf die bei Solarkabeln geachtet werden sollte:

  • Isolierung: Muss hochwertig und UV-beständig sein für elektrische Sicherheit und langfristige Beständigkeit
  • Temperaturbeständigkeit: Fähigkeit, extremen Temperaturen zu widerstehen, ohne Leistungseinbußen
  • Spannungsfestigkeit: Auslegung für spezifische Spannungsniveaus in Solarenergieanlagen; höhere Spannungen erfordern stärkere Isolierung
  • Mechanische Widerstandsfähigkeit: Muss flexibel genug für Installation und gleichzeitig robust gegenüber mechanischen Beanspruchungen sein
  • Zertifizierungen und Normen: Sollten Industrienormen und -zertifizierungen erfüllen, die Eignung und Sicherheit bestätigen.

Wechselrichter macht Solarstrom nutzbar

Doch wie kommt der Strom von der Solaranlage ins Haus? Der Wechselrichter wandelt den Gleichstrom (DC) aus Solarmodulen in Wechselstrom (AC) um, der im Haushalt verwendet oder ins Netz eingespeist wird. Diese Umwandlung ist notwendig, da die meisten Haushaltsgeräte und das Stromnetz Wechselstrom verwenden.

Der Wechselrichter passt zudem die Spannung des umgewandelten Stroms an die Anforderungen des Stromnetzes oder der Haushaltsgeräte an. Bei der Netzeinspeisung überprüft der Wechselrichter kontinuierlich die Netzbedingungen, um sicherzustellen, dass der eingespeiste Strom kompatibel mit den Netzstandards hinsichtlich Frequenz und Spannung ist, und optimiert die Einspeisung, um die Effizienz und Sicherheit der Energieübertragung zu maximieren.

Wechselrichters wandelt Sonnenlicht in Strom um
Die Grafik zeigt, wie Wechselrichter den von Solarmodulen erzeugten Gleichstrom in für uns nutzbaren Wechselstrom umwandelt.

PV-Wechselrichter

Der PV Wechselrichter ist darauf spezialisiert, den von Photovoltaik Modulen erzeugten Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) umzuwandeln.

Seine Hauptaufgabe ist es, die direkte Sonnenenergie, die von den Solarmodulen absorbiert und in elektrische Energie umgewandelt wird, in eine Form zu bringen, die von Haushaltsgeräten genutzt oder ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann. Er optimiert die Energieumwandlung direkt von den Solarmodulen.

Batterie-Wechselrichter

Der Batterie Wechselrichter kann nicht nur Gleichstrom (DC) aus Batteriespeichern in Wechselstrom (AC) umwandeln. Er kann auch die umgekehrte Funktion ausführen, indem er Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt, um Batterien zu laden. Er ist speziell dafür konzipiert, mit Energiespeichersystemen zu arbeiten, indem er die gespeicherte Energie für den Gebrauch im Haushalt verfügbar macht oder überschüssige Energie vom Stromnetz oder von den PV-Modulen zum Laden der Batterien nutzt.

Stromspeicher für den Eigenverbrauch

Schauen wir uns an, wie Photovoltaik funktioniert, ist auch ein Stromspeicher sehr wichtig. Oft auch als als Batteriespeicher bezeichnet, speichert er überschüssige Energie einer PV-Anlage. Er besteht aus einem Akku, einem Batteriemanagement zur Versorgung der Stromverbraucher im Haushalt und einer Regelung zur Speicherung des Stroms. Dadurch wird festgelegt, in welchem Maß der erzeugte Solarstrom den Stromabnehmern im Haushalt bereitgestellt oder ins öffentliche Netz eingespeist wird.

Unterschieden wird zwischen:

  • Lithium-Ionen-Akkus
  • Blei-Säure-Akkus

Seit ein paar Jahren haben die Lithium-Ionen-Batterien die traditionellen Blei-Säure-Batterien als bevorzugte Technologie abgelöst.

Häufig gestellte Fragen

Wie kommt der Strom von der Solaranlage ins Haus?

Der von den Photovoltaik Modulen auf dem Dach erzeugte Gleichstrom (DC) wird durch einen Wechselrichter in Wechselstrom (AC) umgewandelt, um mit dem Haushaltsstromnetz kompatibel zu sein. Dieser umgewandelte Strom wird dann im Haus verteilt, um elektrische Geräte zu betreiben oder kann in Batterien gespeichert bzw. ins öffentliche Netz eingespeist werden.

Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage?

Eine Photovoltaikanlage wandelt Sonnenlicht mithilfe von Photovoltaikzellen in elektrische Energie um, indem die Zellen durch den photovoltaischen Effekt Gleichstrom (DC) erzeugen. Dieser Gleichstrom wird dann von einem Wechselrichter in Wechselstrom (AC) umgewandelt, der für den Gebrauch im Haushalt oder zur Einspeisung ins öffentliche Stromnetz geeignet ist.

Wie wird durch Photovoltaik Strom erzeugt?

Durch Photovoltaik wird Strom erzeugt, indem Sonnenlicht mittels Photovoltaikzellen, die aus Halbleitermaterialien wie Silizium bestehen, direkt in elektrische Energie umgewandelt wird. Dies geschieht durch den photovoltaischen Effekt, bei dem die Energie des einfallenden Sonnenlichts Elektronen in den Zellen in Bewegung setzt und so einen elektrischen Strom erzeugt.

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