Photovoltaik: Wie funktioniert diese saubere Energiequelle?
Die Photovoltaik, kurz PV, ist eine Technologie, die die Sonnenenergie – gnenauer gesagt die Energie aus dem Sonnenlicht – in elektrische Energie umwandelt. Diese erneuerbare oder vielleicht eher unbegrenzt verfügbare Energiequelle hat in den letzten Jahren enorm an Bedeutung gewonnen, da sie saubere und nachhaltige Stromerzeugung ermöglicht. So boomen beispielsweise Balkonkraftwerke, also kleine, selbst installierbare PV-Anlagen, die 600 Watt und bald 800 Watt direkt ins Hausnetz einspeisen. In diesem Artikel werden wir uns genauer damit befassen, wie Photovoltaikanlagen funktionieren und warum sie eine wichtige Rolle in der Energiewende spielen.
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Die Grundlagen der Photovoltaik
Die Funktionsweise von Photovoltaikanlagen basiert auf dem sogenannten photovoltaischen Effekt, der erstmals im Jahr 1839 von Alexandre-Edmond Becquerel entdeckt wurde. Dieser Effekt tritt auf, wenn bestimmte Materialien, wie Silizium, Licht einer bestimmten Wellenlänge absorbieren und dadurch elektrische Ladungen erzeugen.
Im Wesentlichen besteht eine Photovoltaikanlage aus Solarzellen, die diese Materialien enthalten. Die Solarzellen sind dann auf einer Glas- oder Kunststoffträgerplatte angebracht und mit einem halterahmen meist aus Aluminium umgeben, damit man sie auf einem dach oder einer anderen Fläche montieren kann. Wenn Sonnenlicht auf diese Zellen trifft, wird ein Teil davon in elektrische Energie umgewandelt. Der Rest in Wärme. Dies Umwandlung in elektrischen Strom geschieht in mehreren Schritten:
1. Absorption von Sonnenlicht
Die oberste Schicht der Solarzellen besteht aus Halbleitermaterialien, normalerweise Silizium. Diese Schicht absorbiert die Photonen (Lichtteilchen) aus Sonnenlicht.
2. Erzeugung von Elektronen-Loch-Paaren
Wenn Photonen in die Solarzelle eintreffen, geben sie Energie an Elektronen in der Soliziumschicht ab, wodurch diese in höhere Energiezustände angehoben werden. Dies führt zur Bildung von sogenannten Elektronen-Loch-Paaren.
3. Trennung der Ladungen
Die Elektronen und Löcher werden dann durch das elektrische Feld in der Solarzelle getrennt. Dies erzeugt einen elektrischen Strom, da die Elektronen zu einem elektrisch geladenen Leiter wandern.
4. Erzeugung von Gleichstrom
Der erzeugte elektrische Strom ist zunächst Gleichstrom (DC), der in den meisten Haushalten nicht direkt verwendet werden kann. Das, weil Haushalte heutzutage Wechselstrom (AC) benötigen.
5. Wechselrichter und Umwandlung in Wechselstrom
Um den erzeugten Gleichstrom in den für den Haushalt üblichen Wechselstrom (AC) umzuwandeln, wird ein Wechselrichter verwendet. Dieser Schritt ist entscheidend, da die meisten elektrischen Geräte wie schon gesagt Wechselstrom benötigen.
6. Nutzung oder Speicherung der Energie
Der erzeugte Wechselstrom kann nun entweder direkt im Haushalt genutzt oder in Batterien gespeichert werden, um später verwendet zu werden, wenn die Sonne nicht mehr scheint oder wenn morgens oder abends der Verbrauch höher ist, weil die Bewohner tagsüber beispielsweise auf der Arbeit und damit außer Haus sind. Überschüssige Energie kann sogar ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden und wird in der Regel auch vergütet, was gewisse Einnahmen erzeugt. Allerdings ist diese Vergütung mit knapp über 8 Euro-Cent in Deutschland eher als bescheiden zu bezeichnen. Im Einkauf über das öffentliche Netz ist der Strom deutlich teurer.
Warum ist Photovoltaik wichtig?
Photovoltaikanlagen bieten zahlreiche Vorteile, darunter:
- Umweltfreundlichkeit: PV-Anlagen erzeugen saubere Energie, ohne schädliche Emissionen zu produzieren, was zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen beiträgt.
- Energieunabhängigkeit: Die Nutzung von Sonnenenergie macht Verbraucher unabhängiger von fossilen Brennstoffen und steigenden Energiekosten.
- Langfristige Einsparungen: Obwohl die anfänglichen Installationskosten hoch sein können, bieten Photovoltaikanlagen langfristige Einsparungen, da sie kostenlosen Strom aus Sonnenlicht erzeugen.
- Förderungen und Anreize: Viele Regierungen und Organisationen bieten finanzielle Anreize und Steuervorteile für die Installation von PV-Anlagen.
- Netzeinspeisung: In einigen Regionen ist es möglich, überschüssige Energie ins Netz einzuspeisen und dafür vergütet zu werden.
Photovoltaik ist eine wichtige Komponente der Energiewende und in der globalen Bemühung, erneuerbare Energien zu fördern und den Klimawandel zu bekämpfen. Indem wir die Funktionsweise von Photovoltaikanlagen verstehen, können wir besser erkennen, wie diese Technologie unsere Energiezukunft gestaltet.
Um tiefer in das Thema einzutauchen, empfehle ich die Website des Bundesverbandes Solarwirtschaft e.V., die weitere Informationen zur Photovoltaik bietet.
