Photovoltaische Solaranlage
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Wie funktioniert ein Photovoltaik-Solarsystem?

Das große Ausmaß der Wärmeenergie der Sonne macht sie zu einer äußerst attraktiven Energiequelle. Diese Energie kann direkt in elektrischen Gleichstrom und Wärmeenergie umgewandelt werden. Solarenergie ist eine saubere, reichlich vorhandene und unerschöpfliche erneuerbare Energiequelle, die auf der Erde zur Verfügung steht. Solarmodule oder photovoltaische Solarsysteme mit Paneelen (SPV-Paneele) sind auf Dächern oder in Solarfarmen so angeordnet, dass die Sonnenstrahlung auf die photovoltaischen Solarmodule fällt, um eine Reaktion zu ermöglichen, die die Lichtstrahlung der Sonne in Elektrizität umwandelt.

Solarenergie kann für die Stromversorgung eines einzelnen Gebäudes oder im industriellen Maßstab genutzt werden. Wenn sie in kleinem Maßstab genutzt wird, kann zusätzlicher Strom in einer Batterie gespeichert oder in das Stromnetz eingespeist werden. Die Solarenergie ist grenzenlos, und die einzige Grenze ist unsere Fähigkeit, sie auf rentable Weise in Strom umzuwandeln. Winzige photovoltaische Solarpaneele versorgen Taschenrechner, Spielzeug und Telefonzellen.

Definition der Photovoltaik-Solaranlage

Ein photovoltaisches Solarsystem wandelt Sonnenenergie in elektrische Energie um, so wie eine Batterie chemische Energie in elektrische Energie umwandelt oder ein Automotor chemische Energie in mechanische Energie umwandelt oder ein Elektromotor (in einem Elektrofahrzeug) elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt. Eine SPV-Zelle wandelt Sonnenenergie in elektrische Energie um. Eine Solarzelle erzeugt keinen Strom durch die Nutzung der Sonnenwärme, sondern die einfallenden Lichtstrahlen interagieren mit den Halbleitermaterialien, um Strom zu erzeugen.

Elektrizität kann als der Fluss von Elektronen definiert werden. Wie erzeugen Photovoltaik-Solaranlagen diesen Strom? Im Allgemeinen muss Energie zugeführt werden, um die Elektronen vom Atomkern zu entfernen. Die Valenzelektronen (d. h. die Elektronen in der äußeren Schale des Atoms) haben die höchsten Energieniveaus der Elektronen, die noch an das Mutteratom gebunden sind (da sie im Vergleich zu den Elektronen in der inneren Schale weit vom Kern entfernt sind). Um ein Elektron vollständig aus dem Atom zu entfernen, ist zusätzliche Energie erforderlich, so dass freie Elektronen ein höheres Energieniveau haben als Valenzelektronen.

Fig1. Energy band diagram

Die obige Abbildung zeigt ein Energiebanddiagramm, das zwei Energieniveaus, ein Valenzband und ein Leitungsband, aufweist. Die Valenzelektronen befinden sich im Valenzband und die freien Elektronen im höheren Leitungsband. In Halbleitern gibt es eine Lücke zwischen dem Valenz- und dem Leitungsband. Es muss also Energie zugeführt werden, damit die Valenzelektronen in das Leitungsband übergehen können. Das bedeutet, dass Energie zugeführt werden muss, um Valenzelektronen aus ihren Mutteratomen zu entfernen und zu freien Elektronen zu machen.

Was sind photovoltaische Solarsysteme?

Wenn reines Silizium eine Temperatur von 0 K (0 Grad Kelvin ist – 273°C) hat, sind aufgrund der kovalenten Bindungen zwischen den Atomen alle Plätze in den äußeren Elektronenschalen besetzt und es gibt keine freien Elektronen. Daher ist das Valenzband vollständig gefüllt und das Leitungsband vollständig leer. Obwohl die Valenzelektronen die höchste Energie haben, benötigen sie die geringste Energie, um aus dem Atom entfernt zu werden (Ionisierungsenergie). Dies lässt sich am Beispiel eines Bleiatoms veranschaulichen. Hier beträgt die Ionisierungsenergie (eines gasförmigen Atoms) für die Entfernung des ersten Elektrons 716 kJ/mol und die für das zweite Elektron erforderliche Energie 1450 kJ/mol. Die äquivalenten Werte für Si sind 786 und 1577 kJ/mol.

Jedes Elektron, das in das Leitungsband wandert, hinterlässt eine freie Stelle(das so genannte Loch) in der Valenzbindung. Dieser Vorgang wird als Erzeugung von Elektronen-Loch-Paaren bezeichnet. Ein Loch in einem Siliziumkristall kann sich, wie ein freies Elektron, im Kristall bewegen. Das Loch bewegt sich auf die folgende Art und Weise: Ein Elektron aus einer Bindung in der Nähe eines Lochs kann leicht in das Loch springen und eine unvollständige Bindung, d. h. ein neues Loch, zurücklassen. Dies geschieht schnell und häufig – Elektronen aus nahegelegenen Bindungen tauschen ihre Positionen mit Löchern, wodurch Löcher wahllos und unberechenbar durch den Festkörper geschickt werden; je höher die Temperatur des Materials ist, desto unruhiger sind die Elektronen und Löcher und desto mehr bewegen sie sich.

Die Erzeugung von Elektronen und Löchern durch Licht ist der zentrale Prozess des photovoltaischen Gesamteffekts, der jedoch selbst keinen Strom erzeugt. Wäre in einer Solarzelle kein anderer Mechanismus involviert, würden die durch Licht erzeugten Elektronen und Löcher eine Zeit lang wahllos im Kristall umherwandern und dann ihre Energie thermisch verlieren, wenn sie in die Valenzpositionen zurückkehren. Um die Elektronen und Löcher zur Erzeugung einer elektrischen Kraft und eines Stroms zu nutzen, ist ein weiterer Mechanismus erforderlich – eine eingebaute „Potenzial“-Barriere.* Eine photovoltaische Zelle besteht aus zwei dünnen Siliziumscheiben, die an Metalldrähten befestigt sind.

Bei der Herstellung der Ingots wird das Silizium vor dem Schneiden und Versenden vordotiert. Dotierung bedeutet nichts anderes, als dass dem kristallinen Siliziumwafer Verunreinigungen hinzugefügt werden, um ihn elektrisch leitfähig zu machen. Silizium hat 4 Elektronen in der äußeren Schale. Diese positiven (p-Typ) Dotierstoffe sind ausnahmslos Bor, das 3 Elektronen hat (dreiwertig) und als positiver Träger bezeichnet wird (Annehmer) Dotierstoff. Der negative (n-Typ) Dotierstoff ist Phosphor, der 5 Elektronen hat (fünfwertig) und als negativer Ladungsträger (Donor) Dotierstoffbezeichnet wird

Eine photovoltaische Zelle enthält eine Sperrschicht, die durch entgegengesetzte elektrische Ladungen gebildet wird, die sich auf beiden Seiten einer Trennlinie gegenüberstehen. Diese Potenzialbarriere trennt selektiv die durch das Licht erzeugten Elektronen und Löcher, so dass mehr Elektronen auf die eine Seite der Zelle und mehr Löcher auf die andere Seite gelangen. Durch diese Trennung ist es weniger wahrscheinlich, dass die Elektronen und Löcher wieder zueinander finden und ihre elektrische Energie verlieren. Durch diese Ladungstrennung entsteht zwischen den beiden Enden der Zelle eine Spannungsdifferenz, die zur Erzeugung eines elektrischen Stroms in einem externen Stromkreis genutzt werden kann.

Wenn eine Photovoltaikzelle dem Sonnenlicht ausgesetzt wird, können die als Photonen bezeichneten Lichtenergiebündel einen Teil der Elektronen aus der unteren P-Schicht durch das am P-N-Übergang aufgebaute elektrische Feld aus ihren Bahnen in die N-Schicht schlagen. Die N-Schicht mit ihrem Elektronenüberschuss entwickelt einen Elektronenüberschussstrom, der eine elektrische Kraft erzeugt, die die zusätzlichen Elektronen wegdrückt. Diese überschüssigen Elektronen werden wiederum in den Metalldraht zurück zur unteren P-Schicht geschoben, die einen Teil ihrer Elektronen verloren hat. So fließt der elektrische Strom weiter, bis die Sonnenstrahlen auf die Paneele treffen.

Photovoltaik-Solaranlagen können nur wenig energieeffizient sein

Heutige Photovoltaik-Solarzellen wandeln nur etwa 10 bis 14 Prozent der Strahlungsenergie in elektrische Energie um. In Kraftwerken für fossile Brennstoffe werden dagegen 30-40 % der chemischen Energie des Brennstoffs in elektrische Energie umgewandelt. Bei elektrochemischen Kraftwerken ist der Wirkungsgrad wesentlich höher und liegt bei 90 bis 95 %.

Was ist der Umwandlungswirkungsgrad einer Photovoltaikanlage?

Wirkungsgrad eines Geräts = Nützliche Energieabgabe / Energiezufuhr

Im Falle eines photovoltaischen Solarsystems beträgt der Wirkungsgrad etwa 15 %, was bedeutet, dass bei einer Zellfläche von 1m2 pro 100W/m2 einfallender Strahlung nur 15 W an den Stromkreis abgegeben würden.

Wirkungsgrad der SPV-Zelle = 15 W/m2/ 100 W/m2 = 15 %.

Bei Blei-Säure-Batterien können wir zwei Arten von Wirkungsgraden unterscheiden, den coulombschen Wirkungsgrad (oder Ah oder Amperestunde) und den Energiewirkungsgrad (oder Wh oder Wattstunde). Bei einem Ladevorgang, bei dem elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt wird, liegt der Ah-Wirkungsgrad bei etwa 90 % und der Energiewirkungsgrad bei etwa 75 %.

Funktionsprinzip eines photovoltaischen Solarsystems

Herstellung von Solarzellen für photovoltaische Systeme

Das Rohmaterial ist der am zweithäufigsten vorkommende Quarz (Sand). Quarz ist ein weit verbreitetes Mineral. Es gibt viele Sorten, die hauptsächlich aus Kieselsäure oder Siliziumdioxid (SiO2) mit kleinen Anteilen von Verunreinigungen wie Lithium, Natrium, Kalium und Titan bestehen.
Die Herstellung einer Solarzelle aus einem Silizium-Wafer umfasst drei Arten von Industrien
a.) Industrien, die Solarzellen aus Quarz herstellen
b.) Industrien, die Siliziumwafer aus Quarz und
c.) Industrien, die Solarzellen aus Siliziumwafern herstellen

Wie werden Silizium-Wafer in Photovoltaik-Solaranlagen hergestellt?

In einem ersten Schritt wird reines Silizium durch Reduktion und Reinigung des unreinen Siliziumdioxids in Quarz hergestellt. Czochralski (Cz)-Verfahren: Die PV-Industrie verwendet derzeit zwei Hauptverfahren zur Umwandlung von Polysilizium-Rohmaterial in fertige Wafer: das monokristalline Verfahren nach dem Czochralski-Prozess (Cz) und das multikristalline Verfahren nach dem Directional-Solidification-Prozess (DS). Die Hauptunterschiede zwischen diesen beiden Ansätzen liegen in der Art und Weise, wie das Polysilizium geschmolzen wird, wie es zu einem Ingot geformt wird, in der Größe des Ingots und in der Art und Weise, wie die Ingots zu Bricks für das Wafer-Slicing geformt werden

  • Czochralski (Cz)-Verfahren: Bei der Cz-Methode wird ein zylindrischer Ingot erzeugt, auf den mehrere Schritte des Bandsägens und Drahtsägens folgen, um Wafer herzustellen. Für einen typischen Tiegel mit einem Durchmesser von 24 Zoll und einem Anfangsgewicht von etwa 180 kg werden etwa 35 Stunden benötigt, um das Polysilicium in einem Cz-Tiegel zu schmelzen, den Impfkristall in die Schmelze zu tauchen und den Hals, die Schulter, den Körper und den Endkonus herauszuziehen. Das Ergebnis ist ein zylindrischer Cz-Block mit einer Masse von 150-200 kg. Um Metalle und andere Verunreinigungen zurückzulassen, ist es notwendig, 2-4 kg Schrott im Tiegel zu belassen.
  • Gerichtetes Erstarrungsverfahren (DS): Multikristalline DS-Wafer werden aus kürzeren, aber viel breiteren und schwereren Ingots – etwa 800 kg – hergestellt, die eine Würfelform annehmen, wenn das Polysilizium in einem Quarzschmelztiegel geschmolzen wird. Nach dem Schmelzen des Polysiliziums wird der DS-Prozess durch die Erzeugung eines Temperaturgradienten eingeleitet, bei dem die Unterseite des Tiegels mit einer bestimmten Geschwindigkeit abgekühlt wird. Ähnlich wie bei Cz-Barren können Abschnitte von DS-Barren, die beim Schroten und Quadrieren entstehen, für spätere Barrengenerationen wieder eingeschmolzen werden. Bei DS-Blöcken wird jedoch der oberste Teil wegen der hohen Verunreinigungskonzentration in der Regel nicht rezykliert.

Da der Prozess mit einem würfelförmigen Schmelztiegel beginnt, haben DS-Ingots und -Wafer von Natur aus eine quadratische Form, was die Herstellung von Zellen auf multikristalliner Basis erleichtert, die im Wesentlichen die gesamte Fläche eines kompletten Moduls einnehmen können. Für die Herstellung eines typischen DS-Siliziumblocks, der aus einem 6 x 6-Zuschnitt in 36 Bricks gesägt wird, werden etwa 76 Stunden benötigt. Ein typischer fertiger Brick hat einen vollquadratischen Querschnitt von 156,75 mm x 156,75 mm (246 cm2 Oberfläche) und eine Höhe von 286 mm, was bei einer Waferdicke von 180 µm und einem Schnittspaltverlust von 95 µm pro Wafer zu 1.040 Wafern pro Brick führt. Auf diese Weise werden 35.000-40.000 Wafer pro DS-Block hergestellt.

Literaturverzeichnis
1. https://sinovoltaics.com/solar-basics/solar-cell-production-from-silicon-wafer-to-cell/
2. Grundlegende PV-Prinzipien und -Methoden NTIS USA 1982 https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc1060377/
3. http://www.madehow.com/Volume-1/Solar-Cell.html#:~:text=To%20make%20solar%20cells%2C%20the,carbon%20dioxide%20and%20molten%20silicon.
4. Woodhouse, Michael. Brittany Smith, Ashwin Ramdas, und Robert Margolis. 2019. Herstellungskosten für kristalline Silizium-Photovoltaikmodule und nachhaltige Preisgestaltung: Benchmark für das 1. Halbjahr 2018 und Fahrplan für Kostensenkungen. Golden, CO: National Renewable Energy Laboratory. https://www.nrel.gov/docs/fy19osti/72134.pdf. S. 15 f.

Verschiedene Arten von photovoltaischen Solaranlagen

Da die Preise für fossile Brennstoffe weiter steigen und die Emissionsstandards weltweit immer strenger werden, wird die Nachfrage nach erneuerbaren Energien wie Solar- und Windenergie sowie nach Energiespeicherlösungen weiter zunehmen.

Der Begriff Solar bezieht sich auf die Sonne. Solarbatterien werden verwendet, um die Energie zu speichern, die durch Sonneneinstrahlung oder Lichtenergie in Elektrizität umgewandelt wird, wobei Solarzellen (auch photovoltaische Solarzellen oder PV-Zellen genannt) durch den photovoltaischen Effekt eingesetzt werden. Sie erfordern keine chemischen Reaktionen wie bei Batterien. Die PV-Zelle besteht aus einem Halbleitermaterial, das einige Eigenschaften von Metallen und einige Eigenschaften von Isolatoren in sich vereint, wodurch es in der Lage ist, Licht in Strom umzuwandeln.

Wenn Licht von einem Halbleiter absorbiert wird, können die Photonen des Lichts ihre Energie auf Elektronen übertragen, wodurch ein Elektronenfluss entsteht. Was ist elektrischer Strom? Es ist der Fluss der Elektronen. Dieser Strom fließt aus dem Halbleiter zu den Ausgangsleitungen. Diese Leitungen sind über einige elektronische Schaltungen und Wechselrichter zur Steuerung und Erzeugung von Wechselstrom mit der Batterie oder dem Netz verbunden.

Verfahren zur Nutzung der Leistung von photovoltaischen Solarsystemen

Autarkes (oder netzunabhängiges) SPV-System:

Hier wird der Solarstrom für ein einzelnes Haus, eine Industrieanlage oder eine kleine Gemeinde genutzt. Der von den Solarmodulen erzeugte Strom wird über einen elektronischen Regler an die Batterie weitergeleitet, und die Batterien speichern die Energie. Der Gleichstrom aus der Batterie wird in Wechselstrom umgewandelt; die elektrischen Verbraucher beziehen ihren Strom aus diesen Batterien. Normalerweise benötigt eine 1-kW-Solaranlage auf dem Dach 10 m². Meter schattenfreie Fläche. Die tatsächliche Dimensionierung hängt jedoch von den örtlichen Faktoren der Sonneneinstrahlung und den Wetterbedingungen, dem Wirkungsgrad des Solarmoduls, der Dachform usw. ab.

Abb. 2. Ein einfaches netzunabhängiges Solarsystem
Abb. 2. Ein einfaches netzunabhängiges Solarsystem

Netzgekoppelte Solar-Photovoltaik-Anlage (oder netzgekoppelte Anlage)

In einem reinen netzgekoppelten System (oder netzgekoppelten System) werden die SPV-Paneele über einen Regler und einen Energiezähler an die öffentlichen Stromverteilungsleitungen angeschlossen. Hier
Es werden keine Batterien verwendet.
Der Strom wird zunächst für den unmittelbaren Strombedarf des Hauses verwendet. Wenn dieser Bedarf gedeckt ist, wird der zusätzliche Strom über den Energiezähler in das Netz eingespeist. Wenn bei einer netzgekoppelten Solaranlage mehr Strom benötigt wird, als die Solarmodule produzieren, wird der Reststrom aus dem öffentlichen Netz bezogen.

Wenn zum Beispiel die elektrische Last im Haus 20 Ampere Strom verbraucht und die Solarenergie nur 12 Ampere erzeugen kann, werden 8 Ampere aus dem Netz entnommen. Nachts wird natürlich der gesamte Strombedarf aus dem Netz gedeckt, denn bei einem netzgekoppelten System wird der tagsüber erzeugte Strom nicht gespeichert.

Ein Nachteil dieser Art von System ist, dass bei einem Stromausfall auch das System ausfällt. Dies geschieht aus Sicherheitsgründen, da die Mitarbeiter, die an den Stromleitungen arbeiten, wissen müssen, dass keine Quelle das Netz speist. Netzgekoppelte Wechselrichter müssen sich automatisch abschalten, wenn sie das Netz nicht spüren. Das bedeutet, dass Sie bei einem Stromausfall oder in einem Notfall keinen Strom liefern und keine Energie für eine spätere Verwendung speichern können. Außerdem können Sie nicht kontrollieren, wann Sie den Strom aus Ihrem System verbrauchen, z. B. während der Spitzenlastzeiten.

Netzinteraktive oder netzgekoppelte (hybride) Solar-Photovoltaik-Anlage

Es gibt noch ein weiteres System, bei dem wir in das Netz einspeisen können. Bei Bedarf können wir Geld verdienen oder die von uns gelieferte Energie zurückbekommen.

Photovoltaik-Solaranlage ohne Batteriespeicher - netzinteraktiv oder netzgekoppelt (Hybrid)

Diese SPV-Anlagen erzeugen Solarstrom und versorgen hausinterne Verbraucher und das lokale Verteilernetz. Dieser Typ von SPV-Systemkomponenten ist (a) SPV-Panel und (b) Wechselrichter. Das netzgekoppelte System ähnelt einem normalen strombetriebenen System, mit dem Unterschied, dass ein Teil oder der gesamte Strom von der Sonne kommt. Der Nachteil dieser Systeme ohne Batteriespeicher ist, dass sie während der Stromausfälle keine Stromversorgung haben.

Vorteile netzgekoppelter (hybrider) Solar-Photovoltaik-Anlagen ohne Batteriespeicher

Es ist das günstigste System mit vernachlässigbarem Wartungsaufwand
Wenn die Anlage mehr Strom produziert als der eigene Bedarf, wird die überschüssige Energie mit dem öffentlichen Stromnetz ausgetauscht.
Netzgekoppelte Systeme haben einen höheren Wirkungsgrad, da keine Batterien beteiligt sind.
Eine höhere Spannung bedeutet einen kleineren Leitungsquerschnitt.
Die ungefähren Kosten für netzgekoppelte Aufdach-Solarsysteme lagen im Geschäftsjahr 2018-19 zwischen Rs. 53 und Rs. 60 pro Watt.

Schema der Photovoltaikanlage Abb. 3. Netzgebundene Solaranlage ohne Batterie
Abb. 3. Netzgebundene Solaranlage ohne Batterie
Fig 4. Grid tied solar with battery storage
Fig 4. Grid tied solar with battery storage

Netzinteraktive oder netzgekoppelte (hybride) Photovoltaikanlage mit Batteriespeicher

Diese Art von Solar-Photovoltaik-Systemen ist an das Stromnetz angeschlossen und kann für staatliche Förderungen in Frage kommen, während sie gleichzeitig Ihre Stromrechnung senkt. Gleichzeitig verfügt dieses System über eine Notstromversorgung, falls der Strom ausfällt. Batteriegestützte netzgekoppelte Systeme liefern bei einem Stromausfall Strom, und die Energie kann für den Notfall gespeichert werden. Wichtige Verbraucher wie Beleuchtung und Haushaltsgeräte werden auch bei Stromausfall mit Notstrom versorgt. Man kann die Energie auch während der Spitzenbedarfszeiten nutzen, da die Energie in der Batteriebank für eine spätere Verwendung gespeichert wurde.

Die Hauptnachteile dieser Solar-Photovoltaik-Anlage sind die höheren Kosten im Vergleich zu netzgekoppelten Systemen und der geringere Wirkungsgrad. Außerdem gibt es zusätzliche Komponenten. Der Einbau der Batterien erfordert auch einen Laderegler, um sie zu schützen. Es muss auch einen Unterbereich geben, der die wichtigen Lasten enthält, die gesichert werden sollen. Nicht alle Lasten, die das Haus im Netz verbraucht, werden mit dem System gesichert. Wichtige Verbraucher, die bei Stromausfällen benötigt werden. Sie sind in einem Back-up-Sub-Panel isoliert.

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