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Photovoltaik Funktion: So arbeitet Dein Balkonkraftwerk

Author's iconLukas Hoffmeier
Wissenswertes
1. FebruarLesezeit 8 min
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Mit der fortschreitenden Energiewende rĂŒcken Photovoltaik-Anlagen (kurz: PV-Anlagen) in den Fokus von Politik, Industrie und Gesellschaft. Mittels Solartechnik eigenen Strom erzeugen. Die Stromkosten senken. Durch grĂŒne 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 Balkonkraftwerks auch kompakt sein. Eine PV-Anlage auf Deinem Balkon? Richtig gehört, das geht und funktioniert wunderbar! Wir erklÀren Dir, wie Du denkbar einfach und gemeinsam mit unserer Hilfe die Energiewende mit gestaltest!

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

  • Wie funktioniert eine Solaranlage?
  • Kann ich bei der geringen Solarmodul-GrĂ¶ĂŸe eines Balkonkraftwerks ĂŒberhaupt meinen Strombedarf decken?
  • Wann sind die Kosten fĂŒr 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 ElektrizitĂ€t fĂŒr den Eigenverbrauch mithilfe des Sonnenlichts. Entsprechend ist eine Mini-Photovoltaikanlage auch fĂŒr Mieter mit Balkon oder kleinem Gartenabschnitt eine Option, die Energiewende mitzugestalten und die Stromkosten zu senken. Die geringe Modulanzahl und die ĂŒberschaubaren Kosten machen die Energiewende fĂŒr jeden Haushalt realisierbar. So trĂ€gt jeder zu mehr UnabhĂ€ngigkeit vom Stromversorger und fossilen EnergietrĂ€gern bei.

In 8 Schritten zum Wechselstrom

FĂŒr diejenigen, die einen Überblick suchen, ist die Photovoltaik-Funktion nachfolgend physikalisch erklĂ€rt:

  1. Teilchen (Photonen) werden durch Sonneneinstrahlung erzeugt und von den Solarzellen in der Photovoltaikanlage ĂŒber die Front-Kontakte (negative Elektrode) aufgenommen.
  2. Eine Antireflexschicht auf der Solarzelle 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 LadungstrÀgern. Dies ist eine Voraussetzung, um elektrische Energie erzeugen zu können.
  4. In dem p-n-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 RĂŒckseiten-Kontakt (positive Elektrode) und anschließend ĂŒber den Stecker vom Modul in den Haushalt.
  6. Die p-Basis hat dabei die Aufgabe, die Weiterleitung der Elektronen wÀhrend des Stromflusses bzw. deren Ausharren wÀhrend unterbrochener Stromverbindung sicherzustellen.
  7. Mittels Solartechnik wird Gleichstrom erzeugt. Da dieser Sonnenstrom fĂŒr 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 gefĂŒhrt, ins öffentliche Stromnetz eingespeist oder in einem eventuell vorhandenen Stromspeicher fĂŒr eine spĂ€tere Nutzung gespeichert.

Photovoltaik: Funktionsweise und Komponenten Deiner Mini-Solaranlage in der Übersicht

Silizium verfĂŒgt ĂŒber frei bewegliche LadungstrĂ€ger und einen sogenannten p-n-Übergang. Am p-n-Übergang werden diese LadungstrĂ€ger 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 Disbalance bzw. Spannung auszugleichen. Die auftretende Spannung fĂŒhrt 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 lĂ€sst sich auf die gesamte Photovoltaik-Anlage ĂŒbertragen, die je nach Aufbau hĂ€ufig aus mehreren Zellen besteht. So summieren sich die Ströme der einzelnen Solarmodule auf dem Weg zu Deiner Steckdose auf.

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

Mini-Solaranlagen: Komponenten der Anlage in der Übersicht

Bei Mini-Solaranlagen sind grundsÀtzlich 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 lÀsst 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 HerzstĂŒck Deines 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 HerzstĂŒck 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 DĂŒnnschicht-Technologie zum Einsatz. Einfach ausgedrĂŒckt sorgt dieses in den Solarzellen verbaute Silizium fĂŒr die Energieerzeugung, da es das einfallende Licht der Sonne absorbiert und auf diesem Wege Photonen entstehen lĂ€sst. Die Lichtteilchen bilden die Basis fĂŒr die Entstehung frei beweglicher LadungstrĂ€ger und damit fĂŒr die Energieerzeugung. Die Bildung frei beweglicher LadungstrĂ€ger durch die Einwirkung von Licht wird als Photoelektrischer Effekt bezeichnet.

Übrigens: Die Grundlage fĂŒr diese Art der Stromerzeugung entdeckte der Physiker Alexandre Edmond Becquerel. Er erkannte bei Experimenten mit elektrolytischen Zellen, dass, wenn mehr Licht schien, auch mehr Strom zwischen zwei Elektroden erzeugt wurde. 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 wĂŒrdest, wĂŒrden 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 primĂ€r der Photovoltaik-Gleichstrom in fĂŒr die Haushalte nutzbaren Wechselstrom umgewandelt.

Wieso fließt ausgerechnet Wechselstrom im Netz?
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 FlexibilitÀt

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 lĂ€sst, aus der ein Stromfluss resultiert. Im Zuge dieser Entwicklung entstehen noch heute neue Batterien und Akkus, die sowohl hohe KapazitĂ€ten als auch hohe Spannungswerte erreichen. Die KapazitĂ€t wird in der Einheit mAh (Milliamperestunden) oder Ah (Amperestunden) angegeben; die elektrische Spannung in der Einheit V (Volt). Die leistungsstĂ€rksten Batterien und Akkus mit besonders hoher EnergiekapazitĂ€t basieren derzeit auf Lithium-Ionen.

Übrigens: Das Wort "Volt" wurde in Anlehnung an den Entdecker Alessandro Volta gewĂ€hlt. 

Bis zu 660 Wp – Was sagt die Leistung ĂŒber Deine Mini-Solaranlage aus?

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 tĂŒckisches 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 ErlĂ€uterung: Das „p” hinter der Einheit Watt steht fĂŒr “Peak”, also fĂŒr 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 fĂŒr die Solarzellen von 25 °C;
  • eine Sonneneinstrahlung in Höhe von 1000 Watt/mÂČ;
  • ein Sonnenlichtspektrum gemĂ€ĂŸ AM* von 1,5.

Das Problem bei diesen Bedingungen und den daraus resultierenden Leistungsdaten ist, dass bei Anwendung der Solarmodule hĂ€ufig andere Konditionen gegeben sind und verschiedene Leistungsfaktoren auf die Photovoltaikanlage einwirken. Was das fĂŒr Dich bedeutet? Du kaufst ein Modul mit 330 Wp und denkst Dir: „Mensch, ist das klasse, dass ich mir noch das letzte Modul mit dieser Top-Leistung kaufen konnte. Ansonsten wĂ€re mir nur das mit 290 Wp geblieben.” Nun kommt das Paradoxe: Das Modul mit 330 Wp kann schlechtere ErtrĂ€ge liefern als das mit der geringeren Nennleistung von 290 Wp. Die Ursachen hĂ€ngen mit mehreren Leistungsfaktoren zusammen, wie zum Beispiel die Ausrichtung, die Verschattung oder die freie BelĂŒftung des Moduls, sodass es sich nicht so stark erwĂ€rmt. Auch von Region zu Region innerhalb Deutschlands sind Unterschiede in der zu erwartenden Leistung aufgrund des Nord-SĂŒd-GefĂ€lles gegeben. Dabei spielen u.a. der Einstrahlwinkel und die örtlichen Gegebenheiten eine Rolle.

Tipp: Die ideale Ausrichtung der Solarmodule weist im Regelfall in Richtung SĂŒden bei einem Neigungswinkel zwischen 15 und 50°. Die etwas anders funktionierenden Solarthermie-Module, die Wasser mithilfe von Sonnenenergie erwĂ€rmen, werden hingegen mit einem Neigungswinkel von 45° aufgestellt. GrundsĂ€tzlich ist die Himmelsrichtung ein entscheidendes Kriterium fĂŒr die Maximierung des Eigenverbrauchs und individuell fĂŒr jeden Haushalt auszutesten.

Du bist Dir unsicher, was Du fĂŒr eine Anlagenleistung oder Himmelsrichtung wĂ€hlen sollst? Keine Sorge, wir von priwatt stehen Dir bei diesen und weiteren Belangen rund um Mini-Photovoltaikanlagen als Ratgeber und Helfer zur VerfĂŒgung. Kontaktiere uns gerne via E-Mail: support@priwatt.de.

Balkonkraftwerk nutzen und Umwelt + Geldbeutel schonen

Eine Mini-Solaranlage kann grundsĂ€tzlich ĂŒberall 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 gewĂ€hrleistet und eine Steckdose in der NĂ€he ist, ist die Montage einer Mini-PV-Anlage machbar. Wer das nötige Kleingeld fĂŒr den Erwerb von Solarmodulen mit zugehöriger Ausstattung aufbringt, wird zum Mitstreiter bei der grĂŒnen Energiewende. Zum Wohle der Umwelt. Zum Wohle der eigenen laufenden Stromkosten. Und zum Wohle fĂŒr 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 fĂŒr 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 ungefĂ€hr 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 VergĂŒtung sich auf wenige Euro pro Jahr beschrĂ€nkt und daher vernachlĂ€ssigt werden kann.

EinspeisevergĂŒtung: Lohnt sich nicht!

FĂŒr eine Mini-Photovoltaikanlage besteht Anspruch auf EinspeisevergĂŒtung nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz. Eine Einspeisung ist angesichts der derzeit gezahlten 8,5 Cent pro Kilowattstunde eher aufwendig und nicht erfolgreich, was den zusĂ€tzlichen technischen Anforderungen nach EEG und der damit zusammenhĂ€ngenden BĂŒrokratie 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 KĂŒhlschrank und Co. Dich begeistert die Gewinnung von grĂŒnem Strom fĂŒr Deinen Haushalt? Auf geht’s! Gemeinsam gelingt es uns, mit dem faszinierenden Minimalismus des Balkonkraftwerks umweltfreundlichen Strom fĂŒr eine optimistische Zukunft zu erzeugen.

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Lukas HoffmeierGrĂŒnder & CEO von Priwatt

Ingenieur fĂŒr Erneuerbare Energien (M.Sc) und ausgebildeter Energieberater, der durch seine Erfahrung in der Energie- und Solarwirtschaft viel Wissen mitbringt, um als ÜberzeugungstĂ€ter die Energiewende voranzutreiben.

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