Photovoltaik funktion: Wie funktioniert es

Wie funktioniert die einzelne Solarzelle einer Photovoltaik-Anlage?

Quarzsand-Silizium macht über 95 % aller Solarzellen aus (Si). Silizium (Si) ist eines der am häufigsten vorkommenden natürlichen Elemente in der Erdschicht. Silizium gilt als nicht erneuerbar. Um aus Quarzsand, einer natürlichen Siliziumquelle, einen Siliziumwafer herzustellen, muss der Sand zunächst gereinigt und kristallisiert werden. Danach wird das fertige Produkt in Scheiben gesägt, selektiv verschmutzt und mit Leiterbahnen versehen. Wenn Licht auf eine Siliziumscheibe trifft, werden Elektronen freigesetzt. Die Ober- und Unterseite jeder einzelnen Zelle muss gezielt mit bestimmten Fremdatomen verunreinigt werden, um diese Elektronen nutzen zu können. Üblicherweise werden dafür Bor (Br) und Phosphor (P) verwendet.PV funktion
Durch die gezielte Verunreinigung der Zelle sammeln sich die Elektronen (negative Ladungsträger) auf der einen Seite und die Protonen (positive Ladungsträger) auf der anderen Seite. Auf diese Weise entsteht ein Plus- und Minuspol, ähnlich wie bei einer Batterie. Die winzigen Zellen sind so funktionsfähig, dass sie auch bei schlechten Lichtverhältnissen, wie bei schlechtem Wetter oder bewölktem Himmel, Strom erzeugen können. Die Stromstärke hingegen ist immer proportional zur Intensität des einfallenden Lichts. Daraus ergibt sich beispielsweise Folgendes: Die Photovoltaikanlage erzeugt mehr Solarstrom, wenn die Sonneneinstrahlung höher ist, die Spannung der Solarzelle hingegen bleibt vom Lichteinfall oder der Sonneneinstrahlung unberührt. Die Spannung einer Siliziumzelle bleibt konstant bei 0,6 Volt. Die Stromstärke hingegen ist proportional zur Größe der Zelle. Im Durchschnitt erzeugt eine Solarzelle von 15 × 15 Zentimetern 5. 5 Ampere Stromstärke. Eine einzelne Zelle erzeugt bei vollem Lichteinfall etwa 3,4 Watt.

Wie funktioniert eine Solarstromanlage?

Auf der linken Seite sehen Sie, wie Sie die Funktionsweise einer herkömmlichen Solaranlage in Ihrem Haus vereinfacht haben.Solarenergie wird immer beliebter, um Energiekosten zu sparen und die Umwelt zu schützen. Aber wie funktioniert eine solche Solaranlage in der Praxis? Ob es sich um eine kleine Solaranlage auf dem Dach einer Familie oder um eine große Industrieanlage handelt, der Zweck einer Photovoltaikanlage ist im Wesentlichen der gleiche. Eine netzgekoppelte Photovoltaik-Solaranlage funktioniert in der Theorie wie folgt: Die Solarzellen erzeugen Gleichstrom, wenn Licht auf sie fällt. Die Solarzellen werden zu größeren Solarmodulen zusammengeschaltet. Die einzelnen Solarmodule werden zu einem Solargenerator zusammengeschaltet. Der Wechselrichter wandelt den erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um. Durch die Umwandlung kann der Wechselstrom direkt in das öffentliche oder private Stromnetz eingespeist werden, was die eigenen Stromkosten senkt.

Die verschiedenen Solarzellentechnologien einer photovoltaischen Solaranlage

Im Allgemeinen werden drei verschiedene Arten von Zellen unterschieden. Zu den Kristalltypen gehören:Zellen, die monokristallin sindZellen mit polykristalliner StrukturZellen, die amorph sind

Solarzellen, die einkristallin sind Für die Herstellung von monokristallinen Siliziumzellen wird ein hochreines Halbleitermaterial verwendet. Monokristalline Stäbe werden aus der Siliziumschmelze gewonnen und in 0,25 Millimeter dünne Scheiben gesägt. Diese einzigartige Produktionsmethode gewährleistet einen maximalen Wirkungsgrad. Die monokristalline Solarzelle hat einen Umwandlungswirkungsgrad von 14 bis 16 Prozent.

Photovoltaik Funktion: Polykristalline Solarzellen

Polykristalline Zellen sind in der Herstellung kostengünstiger als monokristalline Zellen. Zur Herstellung polykristalliner Solarzellen wird flüssiges Silizium zunächst in Blöcke gegossen. Beim Erstarren entsteht aus einer Vielzahl von Einzelkristallen eine typische Eisblumenstruktur. Diese Kristallstruktur tritt in verschiedenen Größen auf. An den Rändern sind Defekte zu finden. Der Wirkungsgrad einer polykristallinen Solarzelle beträgt aufgrund dieser Kristalldefekte nur 13 bis 15 %, so dass die monokristalline Solarzelle der polykristallinen Solarzelle überlegen ist.

Amorphe Solarzellen/Dünnschichtsolarzellen sind eine Art von amorphen Solarzellen

Dünnschichtsolarzellen sind eine andere Bezeichnung für amorphe Solarzellen. Die photoaktiven Halbleiter werden bei der Herstellung als dünne Schicht auf eine Glasplatte aufgebracht. Die amorphen Solarzellen werden direkt auf Module aufgebracht und mit einer zweiten Glasplatte hermetisch versiegelt. Die Schichten sind weniger als einen Meter dick. Die Produktionskosten werden durch die geringeren Materialkosten wesentlich gesenkt, so dass sonnenlicht in elektrische energie die Energiegewinnung mit Dünnschicht-Solarmodulen eine kostengünstige Option darstellt. Der Wirkungsgrad einer Dünnschichtzelle liegt allerdings nur bei 6 bis 8 %. Durch neue Materialien kann der Wirkungsgrad von Dünnschichtzellen etwas verbessert werden. Cadmiumtellurid (CdT) und Kupfer-Indium-Diselenid sind zwei davon (CIS). Der Wirkungsgrad einer Dünnschichtzelle kann von 8 % auf 10 % gesteigert werden.

Photovoltaik Funktion: Das Solarmodul einer Photovoltaikanlage

Die einzelnen Solarzellen werden miteinander verbunden und wetterfest verpackt, um das Solarmodul zu bilden. Die Solarmodule werden von oben durch eine Glasscheibe abgeschirmt, wie es üblich ist. Von unten wird eine Schutzfolie über die Solarzellen gezogen. Zwischen den Solarzellen befinden sich kleine Zwischenräume, durch die man hindurchsehen kann. Einzelne Solarmodule gibt es in verschiedenen Größen. Die Leistung reicht von wenigen Watt bis zu 300 Watt, im Durchschnitt liegen die Module zwischen 130 und 250 Watt. Alle Solarmodule werden nach Industriestandards hergestellt und ständig überwacht. Ein Solarmodul ist eines der leichtesten Materialien und wiegt 10 bis 15 Kilogramm pro Quadratmeter. Solarmodule gibt es in verschiedenen Größen. Größen von bis zu 3 Quadratmetern sind hingegen keine Seltenheit.Auch Solardachziegel sind derzeit auf dem Markt. Diese werden wie normale Dachziegel auf dem Dach verlegt.

Wie funktionieren die Module einer Solaranlage?

Die Solarmodule einer Photovoltaikanlage wandeln Sonnenlicht in Strom um. Wenn das Sonnenlicht auf eine Solarzelle trifft, erzeugt es eine elektrische Spannung. Dies wurde bereits an der Oberfläche festgestellt. In einem Solarmodul einer Photovoltaikanlage sind mehrere Solarzellen elektrisch miteinander verschaltet. In einer Reihenschaltung werden die elektrischen Spannungen miteinander kombiniert. Jede Zelle hat eine Spannung von etwa 0,6 Volt, so dass sich bei einem Standardmodul mit etwa 60 Zellen eine Modulspannung von etwa 36 Volt ergibt.PV funktion
Am weitesten verbreitet sind Solarmodule aus kristallinem Silizium (Si). Dazu wird hochreines Silizium (Si) aus Quarzsand weiterverarbeitet, der Wirkungsgrad eines Solarmoduls liegt zwischen 11 und 16 Prozent. Auf Dachanlagen werden beispielsweise standardmäßig kristalline Silizium (Si)-Module eingesetzt. Beim Einsatz von Dünnschichtmodulen sinkt der Wirkungsgrad deutlich. Dünnschichtmodule haben den höchsten Wirkungsgrad von 9%. Dünnschichtmodule eignen sich aufgrund ihrer äußerst geringen Kosten besonders gut für den Betrieb von Großanlagen, bei denen der Flächenbedarf eine untergeordnete Rolle spielt.

Die Systemtechnik einer Photovoltaik-Solaranlage

Eine Photovoltaikanlage oder Solaranlage kann entweder netzgekoppelt oder inselgekoppelt sein. Bei netzgekoppelten Anlagen nutzt der Solargenerator die Sonneneinstrahlung zur Erzeugung von Gleichstrom. Ein Wechselrichter wandelt den Gleichstrom in Wechselstrom um. Die erzeugte Energie kann nur auf diese Weise in das örtliche Nieder- oder Mittelspannungsnetz solarthermie eingespeist werden, der Energiespeicher ist in diesem Fall das Nieder- photovoltaik anlagen oder Mittelspannungsnetz. In den meisten Fällen sind Einspeisung und Verbrauch im Haus nicht synchronisiert.Inselsysteme mit Energiespeicher in Form einer Batterie kommen in Gebieten ohne Netzanschluss zum Einsatz.Weitere interessante Artikel sind:Lohnt sich die Investition in ein Photovoltaik-Solarspeichersystem?Bilder  solarenergie mit freundlicher Genehmigung von Visual Concepts – fotolia.com Wie nützlich war dieser Artikel?Zum Bewerten einfach auf die Sterne klicken!

Photovoltaik Funktion: Die Photovoltaik hat eine lange und illustre Geschichte

Photovoltaikanlage, die dem Sonnenstand folgt Berlin-Adlershof In Ouagadougou, Burkina Faso, werden Solaranlagen verkauft. Die Fotovoltaik hat eine lange und illustre Geschichte. Die Fähigkeit einiger Materialien, Licht direkt in Strom umzuwandeln, ist die Grundlage der Photovoltaik. Alexandre Edmond Becquerel, ein französischer Physiker, entdeckte das photoelektrische Phänomen im Jahr 1839. Dieses wurde in der Folge weiter erforscht, wobei insbesondere Albert Einstein mit seiner 1905 veröffentlichten Lichtquantentheorie, für die er 1921 den Nobelpreis für Physik erhielt, eine Schlüsselrolle in dieser Forschung spielte.

Der erste Silizium-Wirkungsgrad von bis zu 6 % wurde 1954 erreicht, die Photovoltaik fand breite Anwendung in der Fotografie und wird seit Ende der 1950er Jahre in der Satellitentechnik eingesetzt; Vanguard 1 war der erste Satellit, der am 17. März 1958 mit Solarzellen in die Erdumlaufbahn gebracht wurde und bis 1964 in Betrieb blieb. Die Nachfrage aus dem Weltraum führte in den 1960er und 1970er Jahren zu einem Durchbruch bei der Entwicklung von Solarzellen, aber auf der Erde wurde die Photovoltaik nur für einige wenige Inselsysteme eingesetzt.

1973/74 begann jedoch als Reaktion auf die Ölkrise, die durch die Atomunfälle in Harrisburg und Tschernobyl noch verschärft wurde, ein Umdenken in der Energieversorgung. Seit Ende der 1980er Jahre wurde in den Vereinigten Staaten, Japan und Deutschland intensiv an der Photovoltaik geforscht; danach wurden in vielen Ländern der Welt finanzielle Anreize eingeführt, um den Markt zu vergrößern und die Technologie durch Größenvorteile billiger zu machen. Die weltweit installierte Kapazität stieg infolge dieser Initiativen von 700 MWp im Jahr 2000 auf 177 GWp im Jahr 2014, und sie steigt weiter an.

Photovoltaik Funktion: Schreibweise

Die Abkürzung PV und die Schreibweise Photovoltaik sind allgemein gebräuchlich. Seit der deutschen Rechtschreibreform hat die Schreibweise Fotovoltaik Photovoltaik als bevorzugtes Wort abgelöst. Photovoltaik ist nach wie vor eine gültige Alternativschreibweise. Die alternative Schreibweise photovoltaik wird in deutschsprachigen Ländern häufig verwendet. Die Standardisierung der Schreibweise in technischen Disziplinen (einschließlich der Photovoltaik) ist eine wichtige Voraussetzung dafür, dass die Schreibweise verwendet werden kann.

Prinzip der Funktionsweise

Am Beispiel einer Silizium-Solarzelle wird das photovoltaische Funktionsprinzip demonstriert: Ein Halbleiter ist Silizium. Halbleiter haben die einzigartige Eigenschaft, mit Hilfe von äußerer Energie (z. B. in Form von Licht, elektromagnetischer Strahlung) freie Ladungsträger erzeugen zu können.ElektronendonatorenNegativ dotiert (Elektronendonatoren, z. B. Phosphoratome). In diesem Bereich gibt es viel zu viele Elektronen. Elektronenakzeptoren sind in der unteren Siliziumschicht verstreut (Elektronenempfänger, z. B. Phosphoratome). Positiv dotiert (z. B. Boratome). Die überschüssigen Elektronen der Elektronendonatoren verbinden sich lose mit den Leerstellen der Elektronenakzeptoren (sie besetzen die Valenzband-Leerstellen) im Grenzbereich der beiden Schichten und bilden eine neutrale Zone (p-n-Übergang).

Da es auf der Oberseite keine Elektronen und auf der Unterseite keine Leerstellen gibt, besteht zwischen den oberen und unteren Kontaktflächen stets ein elektrisches Feld. Die Übergangsschicht ist mit Photonen (Lichtquanten oder “Sonnenstrahlen”) gefüllt, die in der neutralen Zone ihre Energie auf die locker gebundenen Elektronen im Valenzband der Elektronenakzeptoren übertragen. Dadurch werden die Verbindungen zwischen den Elektronen unterbrochen und sie werden in das Leitungsband angehoben. Durch Rekombination verschwinden viele dieser freien Ladungsträger (Elektron-Loch-Paare) innerhalb kurzer Zeit.

Einige Ladungsträger schweben aufgrund des elektrischen Feldes zu Kontakten in ähnlich dotierten Zonen (siehe oben), d. h. die Elektronen werden von den Löchern getrennt, und die Elektronen driften nach oben, während die Löcher nach unten driften. Solange weitere Photonen freie Ladungsträger bilden, wird eine Spannung und ein Nutzstrom erzeugt, der über den “äußeren Stromkreis” zur unteren Kontaktfläche der Zelle fließt und dort mit den verbleibenden Löchern rekombiniert.

Photovoltaik Funktion: Leistung und Ertrag werden bewertet

Die Nennleistung von Photovoltaikanlagen wird üblicherweise in W Watt Peak) oder kW angegeben und bezieht sich auf die Leistung, die unter Testbedingungen erzeugt wird, die nahezu der höchsten Sonneneinstrahlung in Deutschland entsprechen. Um verschiedene Solarmodule zu standardisieren und zu vergleichen, werden die Testbedingungen verwendet. In den Datenblättern sind die elektrischen Werte der Komponenten aufgeführt. Bei 25 °C Modultemperatur und 1000 W/m2 Bestrahlungsstärke wird eine Luftmasse (abgekürzt AM) von 1,5 erfasst.

Diese Standardtestbedingungen (üblicherweise als STC abgekürzt) sind ein internationaler Standard. Werden diese Parameter bei der Prüfung nicht eingehalten, muss die Nennleistung auf der Grundlage der vorgegebenen Prüfbedingungen geschätzt werden, z. B: Die durchschnittliche Strahlungsintensität der Sonne im erdnahen Raum (Sonnenkonstante) beträgt 1367 W/m2. (Bei klarem Wetter erreichen etwa 75 % dieser Energie die Erde.) Neben der Spitzenleistung ist auch der Jahresertrag, d. h. die Menge der erzeugten elektrischen Energie, für die Dimensionierung und Amortisation von Solarsystemen entscheidend. Die Strahlungsenergie ändert sich mit der Tageszeit, der Jahreszeit und dem Wetter. So kann eine Solaranlage in Deutschland im Juli bis zu 10-mal so viel Energie erzeugen wie im Dezember. Für die Jahre ab 2011 sind tagesaktuelle Einspeisedaten mit hoher zeitlicher Genauigkeit im Internet öffentlich zugänglich.

Der Jahresertrag wird in Wattstunden (Wh) oder Kilowattstunden (kWh) angegeben. Der Standort und die Ausrichtung der Module sowie die Verschattung haben einen erheblichen Einfluss auf den Ertrag, wobei Dachneigungen von 30 bis 40 Grad und Südausrichtungen in Mitteleuropa die höchste Produktion liefern.in Deutschland sollte die beste Neigung für eine feste Installation (ohne Nachführung) bei ca. In Deutschland sollte die beste Neigung für eine feste Anlage (ohne Nachführung) ca. 32° im Süden und ca. 37° im Norden betragen, ausgerichtet auf den höchsten Sonnenstand (Mittagssonne). in der Praxis empfiehlt sich ein etwas größerer Neigungswinkel, da die Anlage zweimal am Tag (morgens und nachmittags) und zweimal im Jahr (im Mai und im Juli) optimal ausgerichtet wird.

Da die pflanzenabhängige Wirksamkeit mit dem Einstrahlungswinkel variiert, muss die beste Ausrichtung für jeden Standort und jede Pflanze einzeln ermittelt werden. Bei diesen energetischen Versuchen wird die standortbezogene Globalstrahlung ermittelt, die neben der direkten Sonnenstrahlung auch die diffuse Strahlung durch Streuung (z. B. Wolken) oder Reflexion (z. B. nahe Hauswände oder Boden) einschließt.

Die Montagemöglichkeiten umfassen Aufdach- und Indachmontage

Solarkollektor und Photovoltaikanlage auf dem Hausdach Bei den Montagesystemen werden Aufdach- und Indachmontage unterschieden. Bei einem Aufdachsystem für geneigte Hausdächer wird die Photovoltaikanlage mit Hilfe eines Montagegestells auf das Dach gesetzt. Bei einer Indachanlage wird die Photovoltaikanlage in die Dachhaut integriert und übernimmt Funktionen wie Dachdichtigkeit und Wetterschutz. Das optisch ansprechendere Erscheinungsbild solcher Anlagen sowie die Einsparung einer Dacheindeckung können den zusätzlichen Installationsaufwand mitunter wettmachen.Die Aufdachmontage eignet sich neben Ziegeldächern auch für Blechdächer, Schieferdächer und Wellplatten.

Photovoltaik funktion: Wie funktioniert es

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