Funktioniert Photovoltaik auch ohne Sonne?

Sonnenenergie ist eine der Energien der Zukunft. Denn sie ist sauber, nachhaltig und endlos verfügbar. Allerdings bringt diese Form der Energiegewinnung auch Probleme mit sich. Denn nicht immer scheint die Sonne, wenn man Strom benötigt. Aber was ist eigentlich bei bewölktem Himmel? Funktioniert Photovoltaik dann auch ohne Sonne? Oder lässt sich dann überhaupt kein Strom gewinnen? Diese Fragen klären wir in diesem Artikel.

Was ist Photovoltaik?

Der namentliche Ursprung der Photovoltaik findet sich im Griechischen. Die Silbe „Phos“ steht für Licht, genauer eigentlich für Sonnenlicht und „Volt“ bezieht sich dagegen auf die elektrische Spannung. Der Begriff bezeichnet also die die Stromgewinnung aus Sonnenlicht, genauer gesagt aus energiereichen Lichtwellen. Nicht verwechselt werden darf sie mit der ebenfalls oft als Solarenergie bezeichneten Solarthermie. Denn hier wird kein Strom erzeugt, sondern „nur“ Brauchwasser erhitzt.

Wie funktioniert Photovoltaik?

Im Gegensatz zur Solarthermie, die auf langwellige Infrarotstrahlung setzt, nutzt eine PV-Anlage energiereiche, kurzwellige ultraviolette Lichtstrahlen zur Stromerzeugung. Aber wie funktionieren Photovoltaik-Systeme genau? Die Solaranlage ist aus Halbleitern aufgebaut. Weit verbreitet ist der Einsatz von Siliziumhalbleitern, die zu den sichtbaren Kollektormodulen zusammengefügt werden. Diese Halbleitern sind aus verschiedenen Schichten aufgebaut, die auf die einfallende Lichtstrahlung reagieren. Die in diese Schichten eingelagerten Substanzen werden angeregt, dadurch werden die Moleküle in Schwingung versetzt. Über die Abgabe und Aufnahme von Elektronen wird letztendlich ein Elektronenstrom erzeugt – es fließt Energie. Dieser Prozess findet in jedem Modul unzählige Male statt. Mittels Gleich- und Wechselrichtern wird die Spannung dann so transformiert, dass sie in das Leitungsnetz eingespeist und genutzt werden kann.

Sonnenlicht – der Motor der Solarenergie

Um durch den photovoltaischen Prozess Strom aus Sonnenenergie zu generieren, ist die Sonne unverzichtbar. Genauer gesagt sind es ihre Strahlen, die die nötige Energie transportieren. Um die Moleküle im Halbleiter anregen zu können, ist die Energie der Sonnenstrahlen erforderlich. Sie äußert sich in den Schwingungen, mit denen der Lichtstrahl sich fortbewegt. Besonders energiereich sind kurzwellige Strahlen, also das ultraviolette Licht. Eine kurze Wellenamplitude bedeutet eine hohe Frequenz und damit einen hohen Energiegehalt. Aber auch langwelligeres Licht lässt sich über den Halbleiter nutzbar machen, jedoch mit einem geringeren Ertrag.

Direkte versus diffuse Strahlung

Sonnenlicht besteht aus einer Mischung verschiedener Strahlungsarten. Direkte Strahlung bewegt sich geradlinig von ihrem Ursprung bis zum Solarkollektor. Indirekte oder auch diffuse Strahlen werden dagegen durch Wolken, Nebel oder sonstige Störungen der Atmosphäre gebrochen und umgelenkt. Sie gelangen auf Umwegen zum Ziel und treffen daher auf völlig verschiedenen und unberechenbaren Wegen und Winkeln auf dem Kollektor ein.

In Zahlen gefasst heißt das: Die komplette Sonneneinstrahlung, die auf die Erde trifft, trägt ungefähr 1340 Watt je Quadratmeter Fläche mit sich. Rechnet man mindernde Faktoren, wie die Streuung oder auch Adsorption von Strahlen heraus, bleiben faktisch rund 1000 Watt je Quadratmeter nutzbare Energie. Bei uns in Deutschland entfallen davon aber nur etwa 50 Prozent auf die direkte Strahlung. Die andere Hälfte dieser Energie liegt bei der diffusen, also nicht zielgerichteten Lichtstrahlung, die sich durch die Atmosphäre bewegt.

Funktioniert Photovoltaik auch ohne Sonne?

Die Frage, ob Photovoltaik ohne Sonne dann auch funktioniert, ist berechtigt. Allerdings sollte man eine Sache vorab klarstellen: Ganz ohne Sonnenlicht kann keine Solaranlage funktionieren. Denn bei ausbleibenden Sonnenstrahlen entsteht schlicht keine elektrische Spannung. Deshalb sollte es eher heißen: Kann eine Anlage ohne direkte Sonneneinstrahlung funktionieren und Strom generieren?

Die Antwort lautet ja. Denn neben der direkten Strahlung ist immer ein gewisser Anteil diffusen Lichts vorhanden und damit auch an der Stromerzeugung beteiligt. Selbst wenn sich diese Strahlen weniger effektiv nutzen lassen, steuern sie doch ihren Teil zum gewonnenen Strom bei.

Welche Leistung ist ohne Sonne abrufbar?

An sonnigen Tagen liegt der Anteil der Strahlen, die direkt auf die Solaranlage treffen, bei rund 75 Prozent. Nur 25 Prozent der Belichtung erfolgt diffus. An wolkigen Tagen ohne Sonne liegt der Anteil der diffusen Strahlung dagegen bei rund 92 Prozent. Dementsprechend wird ein ebenso großer Anteil der (zugegebenermaßen geringeren) Energieausbeute an sonnenlosen Tagen über genau diese diffuse Sonnenstrahlung generiert. Für Ihre Solaranlage heißt das ganz einfach, dass sie auch ohne direkte Einstrahlung der Sonne auf die Kollektoren Leistung bringt und Strom erzeugt. Daraus lassen sich verschiedene Schlüsse ziehen´, auf die wir in den folgenden Abschnitten genauer eingehen.

Sonnenenergie trotz Wolken und Nebel

Durch die Nutzbarkeit diffuser Strahlung kann Ihre Photovoltaik-Anlage auch ohne direkte Einstrahlung der Sonne Leistung erbringen. Das heißt für Sie, dass sie eine nahezu ganzjährige Ausbeute an elektrischer Energie erhoffen dürfen. Das steigert die Leistungsfähigkeit und damit die Rentabilität Ihrer PV-Anlage. Beziehen Sie die Gewinne aus diffusem Licht in die Amortisationsberechnung ein, sinkt die Dauer bis zur Kostendeckung. Ihre Solaranlage wird wirtschaftlicher. Dieser Effekt wird bei solchen Wirtschaftlichkeitsberechnungen oft vernachlässigt, trägt aber praktisch zum Gesamterfolg bei.

Photovoltaik ohne Sonne – Ertragsmöglichkeiten für schlechtere Standorte

Das erklärt, warum sich auch vermeintlich ungünstige Standorte mitunter für den Aufbau einer Solaranlage lohnen können. An diesen Orten muss zwar mit einem geringeren Ertrag gerechnet werden, dafür ist dieser aber konstanter. Große sonnenabgewandte Flächen können bei einem ökonomischen Aufbau also ebenfalls Erträge liefern und ihren Teil zum Gesamterfolg eines größeren Verbundsystems beitragen.

Auch ohne Sonne bringt die PV-Anlage Ertrag!

Sonnenstrom ist umweltfreundlich und effizient. Und das selbst dann, wenn die nötigen Sonnenstrahlen fehlen. Photovoltaik ganz ohne Sonne – das geht leider nicht. Aber der hohe Anteil diffuser Strahlung mach eine PV-Anlage selbst dann lohnenswert, wenn die Sonne nicht zu sehen ist. Das heißt, bei Wolken, Nebel und sonstigen Zeiten ohne intensive Sonneneinstrahlung erwirtschaftet eine Solaranlage weiter fleißig elektrische Energie. Das eröffnet neue Möglichkeiten und rückt die Rentabilität und die praktischen Möglichkeiten in ein ganz neues Licht.