Photovoltaik Funktion: Was du zu deinem Balkonkraftwerk wissen musst

Author's iconLukas Hoffmeier
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Mit der fortschreitenden Energiewende rücken Photovoltaik-Anlagen (kurz: PV-Anlagen) in den Fokus von Politik, Industrie und Gesellschaft. Mittels Solartechnik eigenen Strom erzeugen. Die Stromkosten senken. Durch grüne Energie zur Energiewende und Umwelt positiv beitragen. Aber wohin mit einer großen Photovoltaikanlage bei einer kleinen Wohnung? Und vor allem: Woher bekommst du das notwendige Kleingeld?

Die gute Nachricht: Eine PV-Anlage kann in Form eines Balkonkraftwerkes auch kompakt sein. Eine PV-Anlage auf deinem Balkon? Richtig gehört, das geht und funktioniert wunderbar! Wir von priwatt erklären dir, wie du denkbar einfach und gemeinsam mit unserer Hilfe die Energiewende mit gestaltest! 

Damit es nicht so wirkt, als hätte das einfache Konzept einen Haken, erklären wir dir in diesem Blogbeitrag die wichtigsten Dinge rund um die Funktionsweise eines Balkonkraftwerks:

  • Wie funktioniert eine Solaranlage?
  • Kann ich bei der geringen Solarmodul-Größe eines Balkonkraftwerks überhaupt meinen Strombedarf signifikant decken?
  • Wann sind die Kosten für die Photovoltaikanlage refinanziert?
  • Kann ich durch Einspeisung in das öffentliche Netz einen Gewinn erwirtschaften?

Photovoltaik Funktion: Was ist ein Balkonkraftwerk?

Balkonkraftwerke bzw. Mini-Photovoltaikanlagen bestehen aus ein oder zwei Modulen und erzeugen Elektrizität mithilfe des Sonnenlichts für den Eigenverbrauch. Entsprechend ist eine Mini-Photovoltaikanlage auch für Mieter mit Balkon oder kleinem Gartenabschnitt eine Option, die Energiewende mitzugestalten und die Stromkosten zu senken. Die geringe Modulanzahl und die überschaubaren Kosten machen die Energiewende für jeden Haushalt realisierbar. So trägt jeder zu mehr Unabhängigkeit vom Stromversorger und fossilen Energieträgern bei.

Photovoltaik-Funktion: Und so geht’s physikalisch!

Für diejenigen, die einen Überblick suchen, ist die Photovoltaik-Funktion nachfolgend physikalisch erklärt:

  1. Teilchen (Photonen) werden durch Sonneneinstrahlung erzeugt und von den Solarzellen in der Photovoltaikanlage über die Front-Kontakte (negative Elektrode) aufgenommen.
  2. Eine Antireflexschicht stellt sicher, dass das Sonnenlicht wenig reflektiert wird und die Stromausbeute aus der Solarenergie möglichst hoch ist. 
  3. Die negativ und positiv geladenen Teilchen verbinden sich zu frei beweglichen Ladungsträgern. Dies ist eine Voraussetzung, um elektrische Energie erzeugen zu können.
  4. In dem pn-Übergang, der sich aus Passivierung und n’-Emitter zusammensetzt, wird diese Verbindung getrennt. Es entsteht durch diese Halbleiter-Eigenschaften eine elektrische Spannung zwischen den Teilchen, woraufhin die negativ geladenen Teilchen (Elektronen) zum Ausgleich in Richtung des positiven Pluspols fließen.
  5. Dadurch fließt Strom durch die p-Basis zum Rückseiten-Kontakt (positive Elektrode) und anschließend über den Stecker vom Modul in den Haushalt.
  6. Die p-Basis hat dabei die Aufgabe, die Weiterleitung der Elektronen während des Stromflusses bzw. deren Ausharren während unterbrochener Stromverbindung sicherzustellen.
  7. Mittels Solartechnik wird Gleichstrom erzeugt. Da dieser Sonnenstrom für den Haushalt nicht verwendbar ist, wird der erzeugte Gleichstrom durch einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt.
  8. Nach Umwandlung wird der nun kompatible Sonnenstrom in den Haushalt geführt, ins öffentliche Stromnetz eingespeist oder in einem eventuell vorhandenen Stromspeicher für eine spätere Nutzung gespeichert.

Photovoltaik: Funktion und Komponenten der Mini-Solaranlagen in der Übersicht

Silizium verfügt über frei bewegliche Ladungsträger und einen sogenannten pn-Übergang. Am pn-Übergang werden diese Ladungsträger in positiv und negativ geladene Teilchen getrennt, sobald Sonnenlicht auf das Material scheint. An dieser Stelle kommt eine wesentliche Grundregel der Physik ins Spiel: Strom fließt von Plus zu Minus, um eine Dysbalance bzw. Spannung auszugleichen. Die auftretende Spannung führt zur Bewegung der negativen Teilchen zum Pluspol. Dieser kontrollierte Fluss wird als Strom bezeichnet und in die Steckdose deines Stromnetzes geleitet. Die Funktionsweise einer Solarzelle lässt sich auf die gesamte Photovoltaik-Anlage übertragen, die je nach Aufbau häufig aus mehreren Zellen besteht. So summieren sich die Ströme der einzelnen Solarmodule auf dem Weg zu deiner Steckdose auf.

Einfach ausgedrückt: Eine Solarzelle funktioniert wie eine sogenannte Photodiode. Je mehr Licht von der Sonne auf die Photovoltaik-Solarzellen fällt, desto mehr Photonen und elektrische Energie werden erzeugt. Über diese spezielle Eigenschaft verfügen Materialien wie Silizium, das in priwatt-Solarzellen zum Einsatz kommt.

Mini-Solaranlagen: Komponenten der Anlage in Übersicht

Bei Mini-Solaranlagen sind grundsätzlich dieselben Bestandteile, derselbe Aufbau und dieselbe Funktion wie bei einer konventionellen Solaranlage vorhanden:

SolarmodulHauptbestandteil einer PV-Anlage, bei dem die Solarzelle den Solarstrom geniert.
WechselrichterDas Bauteil wandelt den Solarstrom in Wechselstrom um.
ModulbefestigungHiermit werden die Solarmodule auf dem Balkon, an der Fassade oder an anderen geeigneten Orten montiert.
SteckervorrichtungSie besteht aus Stecker und Steckdose und bringt den umgewandelten Strom ins Hausstromnetz.
SolarkabelSie dienen zur Verbindung der einzelnen Komponenten.
Monitoring-Lösung (optional)Hiermit lässt sich der eigens erzeugte Strom messen und auf einer App anzeigen.
Stromspeicher (optional)Der produzierte Photovoltaik-Strom kann hier langfristig gespeichert werden.

Die Solarzelle: Das Herzstück eines Balkonkraftwerks

Ein Balkonkraftwerk von priwatt setzt sich meist aus ein oder zwei Modulen mit integrierten Solarzellen zusammen, die jeweils die Maße 996 x 1690 x 35 mm aufweisen. Das Herzstück der kleinen Photovoltaikanlage bilden die p- und n-leitenden Halbleiter, die bei priwatt-Solarmodulen aus monokristallinem Silizium bestehen. Andere Halbleiter-Materialien wie Galliumarsenid kommen in der Dünnschicht-Technologie zum Einsatz. Einfach ausgedrückt sorgt dieses in den Solarzellen verbaute Silizium für die Energieerzeugung, da es das einfallende Licht der Sonne absorbiert und auf diesem Wege Photonen entstehen lässt. Die Lichtteilchen bilden die Basis für die Entstehung frei beweglicher Ladungsträger und damit für die Energieerzeugung. Die Bildung frei beweglicher Ladungsträger durch die Einwirkung von Licht wird als Photoelektrischer Effekt bezeichnet.

Übrigens: Die Grundlage für diese Art der Stromerzeugung entdeckte der Physiker Alexandre Edmond Becquerel. Er erkannte bei Experimenten mit elektrolytischen Zellen, dass je mehr Licht schien, desto mehr Strom wurde zwischen zwei Elektroden erzeugt. Seit wann aber gibt es Solaranlagen? Trotz der Entdeckung von Alexandre Edmond Becquerel sollte es erst 1954 dank der kostensenkenden Halbleiter-Technik zur praktischen Anwendung von Photovoltaik kommen.

Der Wechselrichter: Von Gleich- zu Wechselstrom

Wenn du deine kleine Photovoltaik-Anlage ohne Wechselrichter an die Steckdose anschließen würdest, würden die freien Teilchen bei vorhandener Solarenergie in den Stromkreis wandern. Allerdings hat Strom aus Solarzellen eine Besonderheit, denn der Solargenerator erzeugt Gleichstrom. Im Stromnetz hingegen fließt Wechselstrom. Da die zwei „Stromarten” nicht kompatibel miteinander sind, ist eine Umwandlung vom in der Photovoltaikanlage erzeugten Strom notwendig. Wer also Sonnenenergie zur Stromerzeugung nutzen möchte, braucht einen sogenannten Wechselrichter. Durch diesen wird primär der Photovoltaik-Gleichstrom in den für die Haushalte nutzbaren Wechselstrom umgewandelt.

Wieso fließt ausgerechnet Wechselstrom im Stromnetz? Sowohl Wechsel- als auch Gleichstrom haben ihre Vorteile. Der Transport von Wechsel- bzw. Drehstrom von Versorgern zu Verbrauchern ist mit einer hohen Spannung und geringem Verlust möglich. Gleichstrom wird hingegen von vielen Verbrauchern gefordert. Da ein verlustfreier Transport wirtschaftlich und umweltfreundlich ist, kommt Wechsel- und Drehstrom in der wesentlichen Infrastruktur zum Einsatz.

Photovoltaik Funktion: Mit Stromspeicher zu mehr Flexibilität

Ein an die Solarmodule angeschlossener Stromspeicher ist nichts anderes als ein großer Akkumulator. Auf Basis der Erkenntnisse des Physikers Alessandro Volta entstand die Batterie, die zwischen zwei Elektroden Energie speichert und bei Nutzung eine Spannung entstehen lässt, durch die ein Stromfluss resultiert. Im Zuge dieser Entwicklung entstehen noch heute neue Batterien und Akkus, die sowohl hohe Kapazitäten als auch hohe Spannungswerte erreichen. Die Kapazität wird in der Einheit mAh oder Ah angegeben; die elektrische Spannung in der Einheit Volt. Die leistungsstärksten Batterien und Akkus mit besonders hoher Energiekapazität basieren derzeit auf Lithium-Ionen.

Übrigens: Das Wort “Volt” wurde in Anlehnung an den Entdecker Alessandro Volta gewählt. 

Über die Leistung einer Mini Photovoltaik-Anlage

PV-Anlagen von priwatt werden im Regelfall mit einer Leistung zwischen 290 und 660 Wp vertrieben. Denke aber daran, dass die Leistung von Solarzellen ein ziemlich tückisches Kriterium ist. Denn die Einheit Watt Peak ist nicht identisch mit der bekannten Einheit Watt. Um dir drei Stunden lang Physik-Nachhilfe zu ersparen, hier einmal die Erläuterung: Das „p” hinter der Einheit Watt steht für “Peak”, also für die Spitze. Damit beantwortet es die Frage, welche Leistung das jeweilige Solarmodul unter optimalen Bedingungen erreichen kann. Die Leistung in Wp wird unter optimalen Standard-Testbedingungen (STC) von Herstellern ermittelt. Diese STC-Bedingungen sind…

  • eine Umgebungstemperatur für die Solarzellen von 25 °C;
  • eine Sonneneinstrahlung in Höhe von 1000 Watt/m²;
  • ein Sonnenlichtspektrum gemäß AM* von 1,5.

Das Problem bei diesen Bedingungen und den daraus resultierenden Leistungsdaten ist, dass bei Anwendung der Solarmodule häufig andere Konditionen gegeben sind und verschiedene Leistungsfaktoren auf die Photovoltaikanlage einwirken. Was das für euch bedeutet? Ihr kauft ein Modul mit 330 Wp und denkt euch: „Mensch, ist das klasse, dass ich mir noch das letzte Modul mit dieser Top-Leistung kaufen konnte. Ansonsten wäre mir nur das mit 290 Wp geblieben.” Nun kommt das Paradoxe: Das Modul mit 330 Wp kann schlechtere Erträge liefern als das mit der geringeren Nennleistung von 290 Wp. Die Ursachen hängen mit mehreren Leistungsfaktoren zusammen, wie zum Beispiel die Ausrichtung, die Verschattung, oder die freie Belüftung des Moduls, sodass es sich nicht so stark erwärmt. Auch von Region zu Region innerhalb Deutschlands sind Unterschiede in der zu erwartenden Leistung aufgrund des Nord-Süd-Gefälles gegeben. Dabei spielen u. a. die Einstrahlwinkel und örtlichen Gegebenheiten eine Rolle.

Die ideale Ausrichtung der Solarmodule weist im Regelfall Richtung Süden bei einem Neigungswinkel zwischen 15 und 50°. Die etwas anders funktionierenden Solarthermie-Module, die Wasser mithilfe von Sonnenenergie erwärmen, werden mit einem Neigungswinkel von 45° aufgestellt. Grundsätzlich ist die Himmelsrichtung ein entscheidendes Kriterium für die Maximierung des Eigenverbrauchs und individuell für einen Haushalt auszutesten. 

Du bist dir unsicher, was du für eine Anlagenleistung oder Himmelsrichtung wählen sollst? Keine Sorge, wir von priwatt stehen dir bei diesen und weiteren Belangen rund um Mini-Photovoltaikanlagen als Ratgeber und Helfer zur Verfügung. Kontaktiere uns gerne via E-Mail: support@priwatt.de.

Balkonkraftwerk nutzen und Umwelt und Geldbeutel schonen

Eine Mini-Solaranlage kann grundsätzlich überall montiert und ans Stromnetz angeschlossen werden: egal, ob als Balkonkraftwerk auf dem Balkon, an der Fassade, auf einem Dach, im Garten oder auf dem Carport. Überall dort, wo eine sichere Befestigung gewährleistet und eine Steckdose in der Nähe ist, ist die Montage einer Mini-PV-Anlage machbar. Wer das nötige Kleingeld für den Erwerb von Solarmodulen mit zugehöriger Ausstattung aufbringt, wird zum Mitstreiter bei der grünen Energiewende. Zum Wohle der Umwelt. Zum Wohle der eigenen laufenden Stromkosten. Und zum Wohle für das öffentliche Stromnetz.

Amortisation: Wann rechnet sich ein Balkonkraftwerk?

Ein einziges Photovoltaik-Balkonmodul erzeugt im Jahr – je nach Ausrichtung und Modulwinkel – zwischen 200  und 300 kWh. Bei einem Strompreis von 30 ct/kWh ergeben sich Kosteneinsparungen bis zu 100 € pro Jahr. Damit amortisiert sich ein Balkonkraftwerk bereits nach 4 bis 5 Jahren. Im Anschluss erzeugt es Jahr für Jahr kostenfrei Energie.

Bei einem priwatt-Balkonkraftwerk mit zwei Solarzellen verdoppelt sich der Jahresertrag auf ca.  600 kWh. Aufgrund der erhöhten Investitionskosten bleibt die Amortisationszeit nahezu identisch bei ungefähr 4 Jahren. Durch die höhere Erzeugung wird nicht jede erzeugte Kilowattstunde zu jedem Zeitpunkt verbraucht. Stattdessen kommt es zu einer Teileinspeisung ins öffentliche Stromnetz, dessen Vergütung sich auf wenige Euro pro Jahr beschränkt und daher vernachlässigt werden kann.

Einspeisevergütung: Lohnt sich nicht!

Für eine Mini-Photovoltaikanlage besteht Anspruch auf Einspeisevergütung nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz. Eine Einspeisung ist angesichts der derzeit 8,5 Cent pro Kilowattstunde eher aufwändig als erfolgreich, was den zusätzlichen technischen Anforderungen nach EEG und der damit zusammenhängenden Bürokratie geschuldet ist. 

Balkonkraftwerke sind mit ihrer Funktion auf den Eigenverbrauch ausgerichtet, sodass nur wenige Kilowattstunden ins Netz eingespeist werden. Davon profitieren insbesondere Standby-Verbraucher wie Kühlschrank und Co. Dich begeistert die Gewinnung von grünem Strom für deinen Haushalt? Auf geht’s! Gemeinsam gelingt es uns, mit dem faszinierenden Minimalismus des Balkonkraftwerks umweltfreundlichen Strom für eine optimistische Zukunft zu erzeugen.

Quellenverzeichnis

https://photovoltaiksolarstrom.com/solarzelle-funktion/

https://www.energie-experten.org/erneuerbare-energien/photovoltaik/solarmodule/leistung

https://www.baunetzwissen.de/solar/fachwissen/planungsgrundlagen/ausrichtung-von-solaranlagen-165604

https://www.weltderphysik.de/gebiet/technik/energie/solarenergie/photovoltaik/grundlagen/

https://www.pv-magazine.de/2018/03/21/anschluss-von-balkonmodulen-ist-grundsaetzlich-erlaubt/

https://www.mein-eigenheim.de/energiesparen/solarmodule-fuer-die-steckdose-das-sollten-sie-beachten.html#:~:text=Seit%202018%20ist%20in%20Deutschland,Steckdose%20ist%20einiges%20zu%20beachten.

https://www.energie-experten.org/erneuerbare-energien/photovoltaik/solarmodule/groesse

Bildquelle 2:
https://www.energie-experten.org/erneuerbare-energien/photovoltaik/solarmodule/groesse

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Lukas HoffmeierGründer & CEO von Priwatt
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