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Ratgeber · Wie es funktioniert

Wie Solarstrom entsteht: die Kette mit Zahlen

Vom Photon bis zur Steckdose: jeder Schritt mit seinen Größen – Volt, Wirkungsgrad, Verlust. Die Rechnung für eine 8-kWp-Anlage.

Redaktion: René LindelaubStand 26. September 20263 Minuten LesezeitSo rechnen wir

Die einzelnen Schritte stehen auf den Seiten dieser Reihe ausführlich beschrieben. Diese Seite setzt sie zusammen und legt an jeden Schritt eine Zahl an – so wird nachvollziehbar, wo aus 1.250 Kilowattstunden Sonnenenergie je Quadratmeter am Ende rund 1.000 Kilowattstunden Strom je Kilowatt peak werden.

Schritt 1: Die Einstrahlung

Auf einen Quadratmeter geneigte Dachfläche in Mitteldeutschland fallen im Jahr rund 1.250 Kilowattstunden Sonnenenergie. Etwa 55 Prozent davon kommen als diffuses Licht aus dem bedeckten Himmel, der Rest als direkte Strahlung – ausführlich unter Sonneneinstrahlung.

Schritt 2: Die Zelle wandelt um

Trifft ein Photon mit mehr als 1,1 Elektronenvolt auf das Silizium, löst es ein Elektron aus seiner Bindung. Das elektrische Feld am p-n-Übergang trennt die Ladungen, zwischen den Kontakten liegen rund 0,55 Volt. Physikalisch möglich sind bei einer Siliziumzelle höchstens 33 Prozent Wirkungsgrad; im Labor werden 27 erreicht, in der Serie 24 – ausführlich unter photovoltaischer Effekt.

Schritt 3: Vom Zell- zum Modulwirkungsgrad

Im fertigen Modul sinkt der Wirkungsgrad auf rund 22 Prozent. Verloren gehen Rahmen, Zellzwischenräume und Reflexion am Frontglas. Ein Modul von zwei Quadratmetern kommt damit auf 430 bis 450 Watt peak – ausführlich unter Wirkungsgrad.

Schritt 4: Die Verschaltung

120 Halbzellen in Reihe ergeben 30 bis 45 Volt je Modul, acht bis zwölf Module in Reihe die 300 bis 800 Volt eines Strings. Hohe Spannung bei kleinem Strom heißt geringe Verluste in den Leitungen – deshalb wird überhaupt in Reihe geschaltet. Der Preis dafür: In einem String bestimmt das schwächste Modul den Strom, weshalb Teilverschattung so teuer ist. Ausführlich unter Solarzellen.

Schritt 5: Der Wechselrichter

Er wandelt den Gleichstrom in netzkonformen Wechselstrom, mit rund 97 Prozent Wirkungsgrad. Gleichzeitig sucht er den Arbeitspunkt mit der höchsten Leistung – bei wechselnder Bewölkung mehrmals pro Sekunde – und überwacht das Netz. Ausführlich unter Netzeinspeisegerät.

Schritt 6: Was am Ende übrig bleibt

Über das Jahr summieren sich Temperatur, Leitungen, Wechselrichter und Verschmutzung zu rund 19 Prozent Verlust. Das Verhältnis aus tatsächlichem und rechnerisch möglichem Ertrag – die Performance Ratio – liegt damit bei 81. Aus 1.250 Kilowattstunden Einstrahlung je Quadratmeter werden so rund 1.010 Kilowattstunden je Kilowatt peak im Jahr.

SchrittGrößeBei einer 8-kWp-Anlage
Einstrahlung auf die Modulfläche1.250 kWh/m²·arund 45.000 kWh auf 36 m²
Modulwirkungsgrad22 %rund 9.900 kWh
Betriebsverluste−19 %rund 8.000 kWh
Davon selbst genutztrund 20 %rund 1.600 kWh
Gerundete Werte für Mitteldeutschland, Süddach, 30 Grad Neigung, 4.500 kWh Haushaltsverbrauch ohne Speicher. Nachrechnen lässt sich das im Ertragsrechner und im Dach-Check.
Der größte Verlust steht nicht in dieser Tabelle

Von den rund 8.000 erzeugten Kilowattstunden nutzt ein durchschnittlicher Haushalt ohne Speicher nur etwa ein Fünftel selbst. Der Rest geht ins Netz und bringt 7,70 statt 35 Cent. Wirtschaftlich ist das der entscheidende Schritt der Kette – nicht die Physik in der Zelle, sondern die Frage, wann jemand zu Hause ist.

Häufige Fragen

Wo geht am meisten verloren?

Physikalisch in der Zelle: Von 100 Prozent Sonnenenergie werden nur rund 22 Prozent zu Strom, der Rest wird zu Wärme oder geht ungenutzt hindurch. Wirtschaftlich dagegen beim Eigenverbrauch – siehe den Kasten oben.

Ließe sich die Zelle nicht besser machen?

Nur in kleinen Schritten. Silizium liegt mit 24 Prozent in der Serie nah an seiner theoretischen Grenze von 33 Prozent. Deutlich mehr geht nur mit Tandemzellen, die zwei Materialien übereinanderstapeln – im Labor über 33 Prozent, in der Serie noch nicht.

Warum wird so viel Energie zu Wärme?

Weil das Sonnenlicht viele verschiedene Wellenlängen enthält. Photonen mit weniger Energie als die Bandlücke gehen wirkungslos hindurch, solche mit mehr geben den Überschuss sofort als Wärme ab. Beides zusammen macht den größten Teil der Verluste aus.

Die Kette im Einzelnen

Quellen

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