Wie funktioniert Photovoltaik?

Bei Photovoltaik handelt es sich um einen äußerst komplizierten Vorgang, dessen Verständnis durchaus leichter fällt, wenn die Prinzipien der Photosynthese beachtet werden. Zunächst versteht man unter Photovoltaik die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie. Der Unterschied von der Photovoltaik zur Photosynthese liegt also vor allem in dem Endprodukt des Vorgangs.

Photovoltaik ist die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie

Erreicht wird diese Umwandlung durch Solarzellen, die als Modul verbunden im Rahmen einer Photovoltaikanlage installiert werden. Diese Solarzellen können auf durchaus verschiedene Weise aufgebaut sein und aus verschiedenen Materialien bestehen. Da aber weltweit die Siliziumzelle am verbreitetsten ist, wird im Rahmen der vorliegenden Darstellung nur auf dieses Modell eingegangen.

Silizium ist ein sogenanntes Halbleitermaterial und eignet sich durch seine gute Verfügbarkeit, die niedrigen Rohmaterialkosten und die einfache Verarbeitung extrem gut für die Herstellung der Solarzellen. Solarzellen sind grundsätzlich in zwei Schichten aufgebaut. Dabei ist eine dieser Schichten negativ geladen, während die andere positiv geladen ist. Treffen nun Sonnenstrahlen, welche wie oben bereits dargestellt elektromagnetische Energie enthalten, auf diese Schichten, entsteht eine Spannung zwischen den beiden Schichten, die sich mit der Spannung zwischen zwei unterschiedlichen Magnetpolen vergleichen lässt.

Durch einen fein konstruierten Stromkreislauf wird die auf diesem Wege entstehende Energie elektrisch freigesetzt und so nutzbar gemacht. Allerdings ist die auf diese weise erzeugte Strommenge außerordentlich gering und naturgemäß hohen Schwankungen unterworfen. Deshalb sind stets zahlreiche derartige Solarzellen zu einem Modul zusammengeschlossen. Innerhalb eines solchen Solarmoduls sammeln bestimmte Stromkreisläufe die von jeder einzelnen Solarzelle erzeugte Energie. Auf diese Weise potenziert sich die Energie jeder Solarzelle und wird somit mess- und nutzbar.

Photovoltaik - durch optimale kWp Leistung der Module die Stromschwankungen der Solarzelle vermeiden

Um mögliche Stromschwankungen der Solarzelle weitgehend zu vermeiden, sind wiederum zahlreiche dieser Solarmodule in einer Photovoltaikanlage zusammengeschlossen, wobei sich die verschiedenen Solarmodule untereinander nach demselben Modell unterstützen, wie es auch bei den verschiedenen Solarzellen innerhalb eines Moduls der Fall ist.

Auf diese Weise wird innerhalb der Solaranlage eine ausreichend hohe Gleichstrommenge erzeugt. Um diesen Gleichstrom endgültig nutzbar zu machen, verfügt jede Photovoltaikanlage ebenfalls über einen sogenannten Wechselrichter. Der Wechselrichter wandelt den erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um.

Nutzung des Solarstroms

Der gewonnene Solarstrom kann dann auf verschiedene Weise genutzt werden. In der Regel wird der Solarstrom gegen entsprechende Vergütungen in das allgemeine Stromnetz eingespeist. Häufig gibt es aber auch Konstruktionen, wonach der erzeugte Solarstrom unmittelbar die angeschlossene Anlage betreibt. Dies ist etwa bei Ampeln oder Anzeigetafeln auf Autobahnen recht häufig der Fall.

Die Photosynthese

Die Photosynthese ist zunächst einmal einer der ältesten biogeochemischen Prozesse der Erde und damit nicht bloß Voraussetzung für die spätere Nutzbarmachung der Sonnenenergie durch den Menschen, sondern durchaus auch für die ursprüngliche Entstehung und Erhaltung organischer Stoffe. Somit gehört die Photosynthese zu den bedeutendsten biologischen, beziehungsweise biochemischen Phänomenen.

Wissenschaftlich verstanden wird die Fotosynthese zunächst als die Erzeugung von organischen Stoffen unter Nutzbarmachung von Lichtenergie. Diese Definition spiegelt sich auch unmittelbar in der Namensgebung wider. So bezeichnet das vom griechischen abgeleitete photo nichts anders als den Begriff Licht, während die Synthese weithin als Zusammensetzung verstanden wird.

Photosynthese von Pflanzen

Fähig zur Ausübung der Photosynthese sind nahezu alle Pflanzen, inklusive der meisten Algen und einige Bakterien. Dennoch ist die Kenntnis der Photosynthese nicht nur für den wissenschaftlichen Bereich interessant. Der Mensch kann sich diese vielmehr ganz konkret auch ökonomisch, etwa durch spezielle Gewächshäuser zu Nutzen machen.
Vereinfacht könnte man hier zunächst formulieren, dass im Rahmen des photosynthetischen Prozesses Lichtenergie unter der Einbeziehung bestimmter Farbstoffe (etwa dem Licht absorbierenden Chlorophyll) aufgenommen und in der Folge in chemische Energie umgewandelt wird, die von den entsprechenden Organismen zum Leben benötigt werden.

Ablauf der Photosynthese

Genauer untersucht findet die Photosynthese in drei voneinander zu trennenden Schritten statt. In einem ersten Schritt der Photosynthese absorbiert das Lebewesen, als Beispiel soll hier zur Vereinfachung eine Grünpflanze dienen, mithilfe der entsprechenden Farbstoffe die im Licht enthaltene elektromagnetische Energie. Dafür ist insbesondere der Farbstoff Chlorophyll zuständig. Dieser grüne Farbstoff ist daneben auch für die Farbgebung der Flora verantwortlich. Als Faustformel lässt sich formulieren, dass jede grüne Pflanze auch Photosynthese betreiben kann. Diese Sammlung der Energie findet durch die Blätter statt, weshalb sich zahlreiche Pflanzen nach der Sonne ausrichten.

In einem daran angrenzenden zweiten Schritt der Photosynthese erfolgt dann die Umwandlung von Sonnenenergie in chemische Energie durch einen komplizierten chemischen Verarbeitungsprozess. Diesen Prozess bezeichnet man auch als Phototrophie, also die konkrete Nutzung von Sonnenenergie als Energiequelle durch bestimmte Lebewesen.

Zuletzt wird die so freigesetzte chemische Energie und organische Energie gewandelt, die von der Pflanze zum einen das Wachsen ermöglicht, zum anderen aber auch im Rahmen des pflanzlichen Energiestoffwechsels in Energie verstoffwechselt wird.
Interessant ist dabei, dass dieser Prozess unter der Zuhilfenahme von Kohlenstoffdioxid (CO 2) geschieht. Dieses wird im Rahmen der Photosynthese in Sauerstoff umgewandelt, was die Bedeutung der Photosynthese und die Abhängigkeit für das menschliche Leben verdeutlicht.

Technische Umsetzung der Photosynthese

Die technische Umsetzung der Photosynthese, ist die sogenannte Photovoltaik und orientiert sich an diesem Prozess. Die Photovoltaik versucht die Sonnenenergie auch unmittelbar für den Menschen nutzbar zu machen. Es handelt sich somit um eine Art technischer Version der oben dargestellten Photosynthese.

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