Funktionsweise einer Solaranlage und der Unterschied zu Photovoltaik

Die Welt, wie wir sie kennen, verändert sich. Die globale Temperatur erhöht sich, und Wetterextreme wie Überflutungen und Dürren häufen sich. Doch unsere Weltgemeinschaft sieht nicht mehr tatenlos zu. Bewegungen wie Fridays for Future demonstrieren auf den Straßen in der westlichen Welt für fairen Klimaschutz.

In diesem Kontext gewinnen Solaranlagen und Photovoltaik zunehmend an Bedeutung. Beide Technologien tragen erheblich zur Reduzierung von CO2-Emissionen bei und sind Schlüsselkomponenten der Energiewende. Doch wie funktionieren diese Systeme eigentlich, und worin unterscheiden sie sich?

In diesem Artikel werfen wir einen detaillierten Blick auf die Funktionsweise von Solaranlagen und beleuchten die Unterschiede zur Photovoltaik. Wir erklären die Grundlagen der Solarenergie, zeigen die verschiedenen Einsatzmöglichkeiten auf und diskutieren die Vor- und Nachteile beider Systeme. So erhältst du einen umfassenden Überblick über eine der wichtigsten Technologien für eine nachhaltige Zukunft.

Nachhaltige Energiegewinnung mit einer Solaranlage

Die Politik versucht etwas gegen die Klimaveränderungen zu tun. Auf Klimakonferenzen wird der internationale Handel mit Klimagutschriften diskutiert und umgesetzt.

Deutschland setzt beim Klimaschutz auf den Ausstieg aus Kohle und Öl und auf erneuerbare Energien – die Energiewende. Im Jahr 2018 wurden fast 40 Prozent des Stroms aus erneuerbaren Energien erzeugt. Bis 2030 soll der Anteil erneuerbarer Energien am Bruttostromverbrauch auf 80 Prozent steigen, so die Bundesregierung.

Nachhaltige Energie gewinnen mit einer Solaranlage – so funktioniert’s!

Möchtest auch Du Deinen Beitrag zu einer zukunftsfähigen klimaneutralen Welt leisten? Dann solltest Du darüber nachdenken Deine vier Wände auf Solarenergie, mithilfe einer Solaranlage umzustellen. Denn Solarstrom ist frei von CO2-Emissionen und damit umweltschonend. So kannst Du aktiv zur Energiewende beitragen.

Wir zeigen Dir, welche Anlage zu Dir passt, wie Du von eine Solaranlage profitierst und wie Du gleichzeitig etwas Gutes für das Klima tun kannst.

Grundlagen der Solarenergie

Solarenergie bezeichnet die Energie, die durch die Strahlung der Sonne erzeugt wird. Diese Energieform ist eine der ältesten und nachhaltigsten Energiequellen, die uns zur Verfügung steht. Sie kann in Wärme (thermische Energie) oder Strom (elektrische Energie) umgewandelt werden. Der Vorteil an einer Solaranlage ist, dass ihre Quelle, die Sonne, quasi unendlich Energie liefert.

„Die Sonneneinstrahlung auf unserem Planeten reicht zur Gewinnung von Solarenergie für viele Millionen Jahre.“

Doch wie können wir diese Energie auf unserer Erde nutzen, um Elektrizität zu generieren? Mithilfe einer Solaranlage kann Sonneneinstrahlung entweder in Strom oder Wärme umgewandelt werden. Um die genaue Funktion einer Solaranlage verstehen zu können, müssen wir uns jedoch zunächst mit der Begrifflichkeit auseinandersetzen.

Bereits hier gibt es Unterschiede. „Solaranlage“ ist nämlich nur der Oberbegriff für die unterschiedlichen Anlagen.

Man unterscheidet generell zwei Typen von Solaranlagen: die Photovoltaik-Solaranlage (Photovoltaikanlage; PV-Anlage) und die thermische Solaranlage (Solarthermieanlage).

Vorteile der Nutzung von Solarenergie

Umweltfreundlich: Solarenergie ist eine saubere Energiequelle, die keine schädlichen Emissionen produziert. Sie trägt zur Reduktion von Treibhausgasen bei und hilft, die Umwelt zu schonen.

Erneuerbar: Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen ist Solarenergie unerschöpflich. Die Sonne wird uns noch Milliarden von Jahren mit Energie versorgen.

Kosteneffizient: Die Kosten für Solartechnologie sind in den letzten Jahren erheblich gesunken. Einmal installiert, sind die Betriebskosten sehr niedrig, da die Energiequelle – die Sonne – kostenlos ist.

Unabhängigkeit: Mit Solaranlagen können Haushalte und Unternehmen ihre Abhängigkeit von Energieversorgern und fossilen Brennstoffen reduzieren. Das sorgt nicht nur für mehr Unabhängigkeit, sondern kann auch die Energieversorgung in abgelegenen Gebieten verbessern.

Technologische Entwicklung: Stetige Innovationen und technologische Fortschritte machen Solarenergie immer effizienter und erschwinglicher, was die Attraktivität dieser Energiequelle weiter steigert.

Durch die Kombination dieser Vorteile ist Solarenergie nicht nur eine nachhaltige, sondern auch eine wirtschaftlich sinnvolle Option für die Energieversorgung der Zukunft.

Funktionsweise einer Solaranlage

Das Grundprinzip einer Solaranlage basiert auf der Umwandlung von Sonnenlicht in nutzbare Energie. Eine Solaranlage nutzt dazu die Strahlung der Sonne und wandelt diese entweder in elektrische Energie (Photovoltaik) oder in Wärmeenergie (thermische Solaranlagen) um.

Photovoltaikanlagen

Bei Photovoltaikanlagen wird die Energie des Sonnenlichts direkt in elektrischen Strom umgewandelt. Dies geschieht durch den sogenannten photovoltaischen Effekt. Solarzellen, meist aus Silizium, bestehen aus Halbleitermaterialien, die auf Sonnenlicht reagieren. Wenn Sonnenlicht auf diese Solarzellen trifft, werden Elektronen im Material angeregt und erzeugen einen elektrischen Stromfluss. Dieser Gleichstrom wird dann durch einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt, der in Haushalten und Betrieben genutzt werden kann.

Thermische Solaranlagen (Solarthermie)

Thermische Solaranlagen funktionieren anders. Sie nutzen die Wärme der Sonne, um Wasser oder andere Flüssigkeiten zu erhitzen. Diese erhitzte Flüssigkeit kann dann direkt für Heizzwecke verwendet werden oder zur Stromerzeugung in einer thermischen Kraftmaschine genutzt werden. In einfacheren Systemen, wie sie häufig in Privathaushalten eingesetzt werden, fließt die erwärmte Flüssigkeit durch Rohre und gibt die Wärmeenergie an einen Wärmespeicher ab, der dann zur Beheizung von Wasser oder Räumen verwendet wird.

In beiden Systemen ist das Grundprinzip dasselbe: Sonnenenergie wird eingefangen und in eine Form umgewandelt, die für den Menschen nutzbar ist. Ob durch die direkte Erzeugung von Strom oder die Bereitstellung von Wärme, Solaranlagen nutzen eine der saubersten und unerschöpflichsten Energiequellen, die uns zur Verfügung stehen.

Komponenten einer Solaranlage

Um die Sonnenenergie effektiv zu nutzen, besteht eine Solaranlage aus mehreren wichtigen Komponenten. Jede dieser Komponenten spielt eine entscheidende Rolle im Prozess der Energiegewinnung und -nutzung.

Solarzellen

Solarzellen sind das Herzstück einer Solaranlage. Sie bestehen meist aus Silizium und wandeln Sonnenlicht direkt in elektrische Energie um. Diese Zellen sind in Modulen angeordnet, die zusammen als Solarpanel bezeichnet werden. Es gibt verschiedene Typen von Solarzellen, wie monokristalline, polykristalline und Dünnschichtzellen, die sich in Effizienz und Kosten unterscheiden. Die Solarzellen nutzen den photovoltaischen Effekt: Wenn Sonnenlicht auf die Zellen trifft, werden Elektronen im Halbleitermaterial angeregt und erzeugen einen Gleichstrom.

Wechselrichter

Der Wechselrichter ist eine weitere zentrale Komponente. Er wandelt den von den Solarzellen erzeugten Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) um, der in Haushalten und Unternehmen verwendet werden kann. Ohne Wechselrichter wäre der erzeugte Strom nicht kompatibel mit den meisten elektrischen Geräten und dem öffentlichen Stromnetz. Moderne Wechselrichter übernehmen auch Aufgaben wie die Überwachung der Systemleistung und die Optimierung der Energieerzeugung.

Batteriespeicher (falls vorhanden)

Ein Batteriespeicher ist optional, aber zunehmend beliebt, insbesondere in Privathaushalten. Er speichert überschüssigen Strom, der während sonniger Stunden produziert, aber nicht sofort verbraucht wird. Diese gespeicherte Energie kann dann genutzt werden, wenn die Sonne nicht scheint, wie nachts oder an bewölkten Tagen. Batterien erhöhen die Unabhängigkeit vom öffentlichen Stromnetz und ermöglichen eine bessere Nutzung der erzeugten Solarenergie. Es gibt verschiedene Typen von Batteriespeichern, wie Blei-Säure-Batterien und Lithium-Ionen-Batterien, die sich in Kapazität, Lebensdauer und Kosten unterscheiden.

Montagesysteme

Montagesysteme sind die Strukturen, auf denen die Solarpanels installiert werden. Sie sorgen dafür, dass die Panels sicher und optimal positioniert sind, um die maximale Menge an Sonnenlicht einzufangen. Es gibt verschiedene Arten von Montagesystemen, darunter Dachmontagesysteme, Freilandmontagesysteme und Nachführsysteme. Dachmontagesysteme sind die am häufigsten verwendeten und werden direkt auf dem Dach eines Gebäudes installiert. Freilandmontagesysteme sind ideal für große Solarparks und können auf dem Boden installiert werden. Nachführsysteme sind fortschrittliche Systeme, die die Panels automatisch zur Sonne ausrichten, um die Energieausbeute zu maximieren.

Prozess der Energiegewinnung über eine Solaranlage

Der Prozess der Energiegewinnung in einer Solaranlage umfasst mehrere Schritte, die nahtlos zusammenarbeiten, um Sonnenlicht in nutzbare Energie umzuwandeln und diese effizient zu speichern und zu nutzen.

Sonnenlicht trifft auf die Solarzellen

Der erste Schritt beginnt damit, dass Sonnenlicht auf die Solarzellen trifft. Solarzellen bestehen aus Halbleitermaterialien, meist Silizium, die auf das einfallende Sonnenlicht reagieren. Die Solarzellen sind in Modulen angeordnet, die zusammen die Solarpanels bilden, die typischerweise auf Dächern oder Freiflächen installiert sind. Die Solarzellen sind so ausgelegt, dass sie das Maximum an Sonnenlicht einfangen, wobei ihre Effizienz von der Ausrichtung und dem Neigungswinkel der Panels abhängt.

Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie

Wenn das Sonnenlicht auf die Solarzellen trifft, wird es von den Halbleitermaterialien absorbiert. Dies löst den sogenannten photovoltaischen Effekt aus: Die Energie der Sonnenstrahlen regt Elektronen im Halbleitermaterial an, wodurch ein elektrisches Feld entsteht. Dieses elektrische Feld treibt die Elektronen in eine bestimmte Richtung und erzeugt dadurch einen Gleichstrom (DC). Dieser Gleichstrom fließt durch die Verbindungsdrähte der Solarzellen und wird gesammelt, um weiterverarbeitet zu werden.

Speicherung und Nutzung der erzeugten Energie

Der erzeugte Gleichstrom kann direkt genutzt, ins Stromnetz eingespeist oder für späteren Gebrauch gespeichert werden. Ein Wechselrichter wandelt den Gleichstrom in Wechselstrom (AC) um, der mit den elektrischen Systemen in Haushalten und Unternehmen kompatibel ist. Der Wechselstrom kann dann sofort zur Versorgung von Haushaltsgeräten und anderen elektrischen Verbrauchern verwendet werden.

Für Zeiten, in denen die Solaranlage mehr Energie produziert als benötigt, kann ein Batteriespeicher zum Einsatz kommen. Überschüssige Energie wird in der Batterie gespeichert und steht zur Verfügung, wenn die Solaranlage nicht genügend Energie produziert, wie nachts oder an bewölkten Tagen. Diese gespeicherte Energie erhöht die Unabhängigkeit vom öffentlichen Stromnetz und ermöglicht eine konstante Energieversorgung.

Zusammenfassung des Prozesses

1. Sonnenlicht wird von den Solarzellen absorbiert.
2. Der photovoltaische Effekt wandelt die Lichtenergie in Gleichstrom um.
3. Ein Wechselrichter wandelt den Gleichstrom in nutzbaren Wechselstrom um.
4. Der erzeugte Strom wird sofort genutzt, ins Netz eingespeist oder in einem Batteriespeicher gespeichert.

Durch diesen Prozess können Solaranlagen effektiv und nachhaltig Energie erzeugen, die zur Reduzierung von CO2-Emissionen und zur Unterstützung der Energiewende beiträgt. Die Kombination aus direkter Nutzung und Speicherung der Energie ermöglicht es, Sonnenenergie optimal zu nutzen und eine zuverlässige Energieversorgung zu gewährleisten.

Unterschied zwischen thermischen Solaranlagen und Photovoltaikanlagen

Um die Unterschiede zwischen Solaranlagen und Photovoltaikanlagen besser zu verstehen, ist es wichtig, die grundlegenden Definitionen beider Begriffe zu klären. Eine Solaranlage ist ein allgemeiner Begriff, der jede Art von Anlage umfasst, die Sonnenenergie zur Energiegewinnung nutzt. Es gibt zwei Haupttypen von Solaranlagen:

Thermische Solaranlagen

Thermische Solaranlagen nutzen die Wärmeenergie der Sonne, um Flüssigkeiten zu erhitzen, die dann für verschiedene Anwendungen genutzt werden können. Sie bestehen typischerweise aus Sonnenkollektoren, die Sonnenstrahlung einfangen und Flüssigkeiten wie Wasser oder Frostschutzmittel erhitzen. Diese Wärme wird dann an einen Wärmespeicher abgegeben, wo die erwärmte Flüssigkeit direkt entnommen oder gespeichert werden kann. Die wichtigsten Komponenten einer thermischen Solaranlage sind daher Sonnenkollektoren, ein Wärmespeicher und ein Verteilungssystem, das die erzeugte thermische Energie zur Warmwasserbereitung oder zur Unterstützung von Heizsystemen bereitstellt.

Photovoltaikanlagen

Diese Anlagen wandeln Sonnenlicht direkt in elektrische Energie um. Sie bestehen aus Solarzellen, die den photovoltaischen Effekt nutzen, um elektrischen Strom zu erzeugen. Die erzeugte Energie kann sofort genutzt, ins Stromnetz eingespeist oder in Batterien gespeichert werden. Dafür kannst Du Geld vom Staat, eine sogenannte Einspeisevergütung, erhalten. Dieses Geld kann dazu genutzt werden, die Solaranlage zu refinanzieren: Solarenergie gratis, das hört sich doch vielversprechend an!

Alles zum Thema Einspeisevergütung findest Du in unserem Blogbeitrag:
Photovoltaikanlage – Volleinspeisung vs. Überschusseinspeisung.

Eine Photovoltaikanlage ist eine spezifische Art von Solaranlage, die ausschließlich zur Erzeugung von elektrischem Strom dient. Sie nutzt Solarzellen, um Sonnenlicht in Gleichstrom (DC) umzuwandeln, der dann durch einen Wechselrichter in Wechselstrom (AC) umgewandelt wird. Der Strom kann auch in Batteriespeichern entsprechend für eine spätere Nutzung vorgehalten werden. Photovoltaikanlagen sind besonders bekannt für ihre Anwendung auf Dächern von Wohnhäusern, Gewerbegebäuden und großen Solarparks.

Vergleich bei Effizienz, Kosten und Einsatzgebieten

Durch diesen Vergleich kannst Du besser entscheiden, welche Technologie am besten zu Deinen Bedürfnissen passt und wie Du die Vorteile der Sonnenenergie optimal nutzen kannst.

Effizienz von thermischen Solar- und Photovoltaikanlagen

• Thermische Solaranlagen: Diese Anlagen sind sehr effizient in der Umwandlung von Sonnenlicht in Wärmeenergie. Sie können einen Wirkungsgrad von bis zu 70-90 % erreichen, insbesondere bei der Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung. Die Effizienz hängt jedoch stark von der direkten Sonneneinstrahlung und der Außentemperatur ab.
• Photovoltaikanlagen: Photovoltaikanlagen haben einen geringeren Wirkungsgrad im Vergleich zu thermischen Solaranlagen, typischerweise zwischen 15-22 %. Die Effizienz von Photovoltaikmodulen wird durch Faktoren wie die Qualität der Solarzellen, die Ausrichtung der Module und die Temperatur beeinflusst. Trotzdem sind sie effektiv in der Stromerzeugung und bieten den Vorteil, dass sie auch bei diffusen Lichtverhältnissen Strom erzeugen können.

Unterschiedliche Kosten bei thermischen Solar- und Photovoltaikanlagen

• Thermische Solaranlagen: Die Anschaffungskosten für thermische Solaranlagen sind in der Regel niedriger als die für Photovoltaikanlagen. Allerdings können die Installationskosten variieren, abhängig von der Größe des Systems und der Komplexität der Installation. Die Betriebskosten sind relativ gering, da die Wartung einfach und selten erforderlich ist.
• Photovoltaikanlagen: Photovoltaikanlagen haben höhere Anschaffungskosten, aber die Preise sind in den letzten Jahren deutlich gesunken. Die Kosten variieren je nach Größe der Anlage, Art der Solarzellen und zusätzlichen Komponenten wie Batteriespeichern. Die Betriebskosten sind ebenfalls niedrig, und durch Einspeisevergütungen oder Eigenverbrauch können sich die Investitionen oft innerhalb weniger Jahre amortisieren.

Alle Informationen zum Thema Kosten und Finanzierung von Photovoltaik findest Du in unserem Blogbeitrag: Photovoltaik Kosten und Finanzierung

Die genauen Kosten Deiner PV-Anlage errechnest Du mit dem badenova Photovoltaikrechner.

Zum Photovoltaikrechner

Anwendung und Einsatzgebiete von Solar- und Photovoltaikanlagen

Solarenergie bietet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, die sowohl in privaten Haushalten als auch in gewerblichen und öffentlichen Einrichtungen genutzt werden können. Solaranlagen, sei es in Form von thermischen Solaranlagen oder Photovoltaikanlagen, tragen erheblich zur nachhaltigen Energieversorgung bei und können die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen reduzieren. In diesem Abschnitt beleuchten wir die unterschiedlichen Einsatzgebiete von Solaranlagen und zeigen, wie Du durch die Nutzung der Sonnenenergie deine Energiekosten senken, die Umwelt schonen und zur Energiewende beitragen kannst. Ob im Privathaushalt, in der Industrie oder im öffentlichen Sektor – die Einsatzmöglichkeiten sind nahezu unbegrenzt und bieten zahlreiche Vorteile.

Anwendungsgebiete von thermischen Solaranlagen

Thermische Solaranlagen finden in verschiedenen Bereichen Anwendung und bieten vielseitige Nutzungsmöglichkeiten:

Anwendungsgebiete von Photovoltaikanlagen

Photovoltaikanlagen sind äußerst vielseitig und finden in verschiedenen Bereichen Anwendung:

Fazit

Solaranlagen, sowohl thermische als auch Photovoltaikanlagen, sind zentrale Technologien der Energiewende und bieten nachhaltige Lösungen zur Energiegewinnung. Thermische Solaranlagen sind besonders effizient bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Wärme für Warmwasser und Heizung, während Photovoltaikanlagen effektiv Strom erzeugen und vielseitig einsetzbar sind. Trotz unterschiedlicher Effizienz und Kosten bieten beide Systeme erhebliche Vorteile für Privathaushalte, Gewerbe und öffentliche Einrichtungen. Durch die Nutzung der Sonnenenergie kannst Du Deine Energiekosten senken, die Umwelt schonen und aktiv zum Klimaschutz beitragen. Mit einer fundierten Entscheidung und der richtigen Installation wird Solarenergie zu einer langfristig lohnenden Investition in eine nachhaltige Zukunft.Formularbeginn

Eine genaue Kostenkalkulation Deiner PV-Anlage errechnest Du mit dem badenova Photovoltaikrechner:

Zum Photovoltaik Rechner