In dem Moment, in dem Sie anfangen, sich mit dem Gedanken zu beschäftigen, die Installation einer Photovoltaikanlage auf dem eigenen Dach zu realisieren, stoßen Sie zwangsläufig auf Worte wie Wechselstrom, Gleichstrom und Wechselrichter. Viel zu oft neigt man dazu, die eigene Unwissenheit zu ignorieren und es einfach als gegeben hinzunehmen und sich zu sagen: „Die Profis, die mir die Anlage aufs Dach bauen, werden schon wissen was das genau ist“.
In gewisser Weise muss man diesem Gedanken auch Recht geben, jedoch schadet es nicht ein wenig hinter die Kulissen zu schauen und vielleicht ein klein wenig Verständnis für das Mysterium Elektrotechnik zu entwickeln. In diesem Artikel wird der Weg von der Sonnenenergie hin zum geladenen Akku Ihres Smartphones und dem kalten Eis im Kühlschrank erklärt.
Die Sonne und das Solarmodul
Sonnenlicht besteht aus Photonen, den Lichtteilchen. Diese sind der Energieträger, besitzen jedoch keine Masse. Diese Teilchen treffen auf die Oberfläche der Solarmodule und sind der Auslöser einer Kettenreaktion.
Die Module bestehen aus Solarzellen – einem elektrischen Bauteil, welches aus verschiedenartigen Halbleiterschichten zusammengesetzt ist. Meist handelt es sich um das gebräuchlichste Halbleiterelement: Dem Silizium in hochreiner Form. Dieses Kristall wird ganz gezielt mit anderen chemischen Elementen „verunreinigt“. Durch diese Verunreinigung entstehen zwei Schichten. Eine mit einem Elektronenmangel, dem Pluspol und eine mit einem Elektronenüberschuss, dem Minuspol. Zwischen den Schichten steht im übertragenen Sinne eine Mauer, die so genannte Sperrschicht.
Die Photonen treffen nun auf die Sperrschicht und aktivieren die Elektronen, welche nun in der Lage sind auf die andere Seite, dem Pluspol mit dem Elektronenmangel zu wandern. Wird nun der Stromkreis mit einem Verbraucher, wie zum Beispiel einer Lampe, geschlossen fließt der Strom. Und da dies nur ein eine Richtung geschieht und diese Bewegungsrichtung des Stroms gleich bleibt spricht man an dieser Stelle von Gleichstrom.
Der Gleichstrom und der Speicher
Besonders in den Sommermonaten prallen so viele Photonen auf die Solarzellen, dass der erzeugte Strom so hoch ist, dass man gar nicht alles verbrauchen kann. Nachts jedoch gibt es nahezu keine Sonnenstrahlung auf die PV-Module und somit auch keine Stromerzeugung.
Allerdings kann man elektrische Energie mit Batteriespeichern für später aufbewahren. Dies funktioniert jedoch wieder nur mit Gleichstrom. Elektrische Energie bzw Strom zu speichern ist bereits so selbstverständlich im Alltag´, dasss man sich kaum noch Gedanken darüber macht. Genau bis zu dem Moment, wenn auf einmal der Akku des Smartphones, des Rasierapparats oder der Kamera leer ist.
Zur Speicherung des Stroms findet eine Trennung der Ladungen statt. Die frei beweglichen Elektronen befinden sich auf der einen Seite und werden hinter einer künstlichen Mauer zurückgehalten. Währenddessen wird auf der anderen Seite ein Mangel an Elektronen, den Ladungsträgern, erzeugt. Mit Wechselstrom funktioniert dies nicht.
Der Wechselrichter
Was ist ein Wechselrichter? Warum braucht man ihn? Ich habe doch bereits Strom „erzeugt“ und für später gespeichert!
Die meisten elektrischen Geräte, angefangen vom Toaster bis hin zur Waschmaschine, haben einen Stecker für eine handelsübliche Steckdose. Sie funktionieren also nur mit Wechselstrom. Bisher erfolgte die Lieferung des Stroms frei Haus. Der Energieanbieter liefert jedoch keinen Gleichstrom, denn der lässt sich vergleichsweise nur schwer über längere Strecken verlustarm transportieren.
Hier ein kleiner, wenn auch leicht übertriebener Vergleich: Soll ein Toaster mit 1500W Leistung mit dem herkömmlichen Wechselstrom betrieben werden, so benötigt man ein Kabel, welches dünner als der kleine Finger ist. Betreibt man ihn jedoch mit Gleichstrom, so würde das Kabel so dick sein wie der ganze Arm.Das Resultat bleibt gleich. Der Toast ist knusprig. Jedoch ist der Aufwand dafür um Längen größer.
Es wird also Wechselstrom gebraucht, um den erzeugten Strom auch wirklich effektiv im Haushalt nutzen zu können. Dabei kommt nun der Wechselrichter zum Einsatz. Dieses sorgt dafür, dass der Strom, der bisher nur gleichförmig in eine Richtung geflossen ist, periodisch seine Flussrichtung umkehrt. Bei diesem Prozess, welcher vollkommen statisch mit Hilfe von weiteren elektronischen Bauelementen geschieht, wird gleichzeitig die Spannung von 60-80V Gleichspannung auf 220V Wechselspannung erhöht. Nun ist der Strom für den Verbraucher im Alltag nutzbar. Er wird für die Waschmaschine genauso genutzt, wie für die Einspeisung in das Stromversorgungsnetz. Denn nun sprechen alle beteiligten Geräte und Netze im übertragenen Sinn die gleiche Sprache.
Fazit
Um eine Solaranlage für die alltäglichen Dinge im Haushalt nutzen zu können, benötigen Sie Wechselstrom. Dieser wird erst durch mehrere Prozesse und Umwandlungen geschaffen. Natürlich gibt es auch Ausnahmen, wie beispielsweise Wohnmobile, Wohnwagen oder Boote. Hier werden die Verbraucher von vornherein mit Gleichstrom betrieben.
Diese Umwandlungsprozesse sind allerdings nicht ohne Verluste machbar. Der größte Verlustfaktor ist die Wärme. Diese wird bei der Wandlung des Stroms zwangsläufig durch die elektrischen Baugruppen erzeugt. Der Fortschritt der Technik und die kontinuierliche Weiterentwicklung sorgen aber dafür, dass diese Verluste immer geringer werden.
