Wie funktioniert eine Solaranlage? Aufbau & Funktionsweise

Solaranlagen haben etwas futuristisches. Zwar sind die glatten, schwarzen Solarkollektoren oder -module mittlerweile ein alltäglicher Anblick. Trotzdem würden sie immer noch gut in einen spannenden Science-Fiction-Film passen. Der Energielieferant für diese Anlagen ist ca. 149,6 Millionen km von der Erde entfernt: die Sonne.

Doch wie funktioniert das eigentlich? Mit Sonnenenergie Strom und Wärme erzeugen? Dieser Artikel liefert Antworten, für die man kein Albert Einstein sein muss, um sie zu verstehen.

Das größte Kraftwerk von allen – die Sonne

In ca. einer Stunde schickt uns die Sonne mehr Energie zur Erde, als alle Menschen unseres Planeten in einem ganzen Jahr verbrauchen. Erstaunlich, oder?! Darüber hinaus sind alle anderen Energiearten – mögen sie nun fossil sein wie Erdöl, oder auch erneuerbar wie Wind oder Pflanzen – von der Sonne abhängig oder ihretwegen entstanden.

Sonnenenergie erreicht unseren Planeten in zwei verschiedenen Energieformen:

• Wärmeenergie und 
• Lichtenergie

Die Herausforderung liegt jetzt darin, wie wir uns die Energie der Sonne zunutze machen. Zum Beispiel mit einer Solaranlage.

Wozu eine Solaranlage?

Es gibt zwei Möglichkeiten, solch eine Anlage zu nutzen. Einerseits lässt sich mit ihr Strom erzeugen. Andererseits kann sie auch für die Warmwasserbereitung und damit auch zum Heizen genutzt werden. Begrifflich unterscheiden wir eine Photovoltaik-Anlage und eine Solarthermie-Anlage.

Merkmale einer Photovoltaik-Anlage:

• sie produziert Strom für elektrische Endgeräte im Haushalt und sorgt für Einsparungen bei den Stromkosten
• mit ihr kann keine Wärme erzeugt werden
• ihr Wirkungsgrad sinkt bei hohen Temperaturen
• höherer Platzbedarf als bei Solarthermie, da die Kollektoren größer sind
• überschüssige Energie kann ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden

Merkmale einer Solarthermie-Anlage:

• sie produziert Wärme, die fürs Heizen oder Warmwasser genutzt wird
• mit ihr wird kein Strom erzeugt
• Wirkungsgrad steigt bei hohen Temperaturen
• geringerer Platzbedarf als bei Photovoltaik, Kollektoren sind kleiner

Beide Anlagentypen haben den Vorteil, dass sie sehr umweltfreundlich sind. Sie nutzen die regenerative Energie der Sonne und sind klimaneutral, da sie keine CO₂-Emissionen produzieren.

Funktionsweise einer Solarthermie-Anlage

Wie Solarthermie funktioniert, lässt sich gut am Beispiel einer kalten Limonade im Sommer erklären. Wenn die Brause zu lange in der Sonne steht, wird sie warm. Und abgesehen davon schmeckt sie dann auch nicht mehr so gut. Uns interessiert aber vor allem die Wärme.

Die wird nämlich von den Kollektoren der Solarthermie-Anlage – genauso wie von dem Glas mit der Limonade – aufgenommen und im Solarspeicher zwischengelagert, um sie bei Bedarf zu nutzen. Verbunden sind Kollektoren und Speicher mit einem Rohrsystem. Darin fließt die sogenannte Solarflüssigkeit – in der Regel eine Mischung aus Frostschutzmittel und Wasser.

Zusätzlich gibt es auch noch einen Regler, der erkennt, wenn Kapazitäten für die Warmwasserspeicherung vorhanden sind. Dann wird die Warmwasserproduktion fortgesetzt und die Speicher werden wieder aufgefüllt. 

Warmwasserspeicherung und Robustheit

Solarthermie-Anlagen können, bedingt durch die Jahreszeiten und den damit verbundenen Sonnenstunden, nicht den gesamten Bedarf an Warmwasser decken. Vor allem im Winter sind die Möglichkeiten der Warmwasserspeicherung begrenzt. Daher wird sie in der Regel zusammen mit einer herkömmlichen Heizung betrieben. Das kann bspw. eine Öl- oder eine Elektroheizung sein. 

Auch wenn einem die Anschaffungskosten für eine Solarthermie-Anlage hoch erscheinen mögen: im Laufe der Zeit amortisiert sich das Investment, da die Anlagen als sehr robust und wartungsarm gelten. So schwanken die Garantiezeiten je nach Hersteller zwischen 10 und 25 Jahren.

Aus Licht werde Strom

Was für die Solarthermie-Anlage die Solarkollektoren sind, sind für die Photovoltaik-Anlage die Solarmodule. Diese bestehen wiederum aus vielen einzelnen Solarzellen. In diesen wird durch den photoelektrischen Effekt Licht in elektrischen Strom umgewandelt. 

Verantwortlich dafür sind Lichtteilchen – auch Photonen genannt – die mit der schlappen Geschwindigkeit von 300.000 km/s von der Sonne zur Erde rasen und von den Solarzellen aufgefangen werden. 

Da in den Solarzellen Gleichstrom erzeugt wird, muss ein Wechselrichter diesen noch in Wechselstrom umwandeln. Schließlich gelangt er ins hauseigene Stromnetz oder kann sogar ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden. 

Das richtige Material ist notwendig

Um die Photonen zur Stromerzeugung zu nutzen, müssen allerdings noch einige Bedingungen erfüllt sein. Woraus bestehen eigentlich die Solarzellen von Photovoltaik-Anlagen? 

Menschen, die das noch nicht wissen, werden sich vielleicht wundern. Denn die Antwort darauf erscheint einfach zu simpel: Sand. Quarzsand besteht zum Großteil aus Siliziumdioxid. Und dieses wiederum ist der Ausgangsstoff für das Solarsilizium, welches in den Anlagen benötigt wird. 

Rohstoff Sand: unaufbrauchbar

Hieraus entsteht ein nicht zu unterschätzender Vorteil. Denn Quarzsand gibt es auf unserer Erde in Hülle und Fülle oder noch passender: wie Sand am Meer. Ganz im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen wie Erdöl oder seltenen Erden, die wir in unseren Smartphones benötigen. 

Hinzu kommt, dass für den Bau der Solarmodule immer weniger Silizium nötig ist. Denn der technische Fortschritt macht es möglich, dass die Effizienz der Solartechnologie immer weiter gesteigert wird. Dadurch wird der Rohstoff Silizium praktisch unerschöpflich.

Plus- und Minuspol entstehen

Aus dem gereinigten und kristallisierten Sand werden anschließend Scheiben hergestellt. Jetzt ist das Silizium allerdings immer noch nicht leitfähig. Deshalb kommen zusätzlich noch Fremdstoffe wie bspw. Bor oder Phosphor zum Einsatz. 

Das ist notwendig, um die Halbleiter-Eigenschaft des Siliziums zu aktivieren. Hier kommen unterschiedliche Verfahren zum Einsatz, die Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit der Solarzelle und damit auch auf ihren Preis haben.

Erst dann beginnen sich negative Teilchen (Elektronen) und positive Teilchen (Protonen) auf der jeweils gegenüberliegenden Seite der Solarzelle zu sammeln. So entstehen – genau wie bei einer handelsüblichen Batterie – zwei Pole und es fließt elektrischer Strom. Je intensiver die einfallende Sonneneinstrahlung ist, desto mehr Strom können die Solarzellen produzieren. 

Überragende Energiebilanz

Schon nach ein bis zwei Jahren haben Photovoltaik-Anlagen eine ausgeglichene Energiebilanz. Das bedeutet schlicht, dass sie so viel Energie produziert haben, wie für ihre Herstellung, ihren Betrieb und ihre Entsorgung aufgewendet wurde.

Damit ist die Solarenergie eine der hoffnungsvollsten Methoden zur emissionsfreien Energiegewinnung. Experten schätzen, dass rund ein Drittel des Energiebedarfs in Deutschland durch die Solarenergie gedeckt werden kann. 

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