Mit der Solaranlage Strom sparen E-Book

Ludwig Luna

• Herausgeber: epubli
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2023

Seitenzahl: 92

Beschreibung

3. Grundlagen der Photovoltaik 4. Funktionsweise von Solarzellen 5. Materialien für Solarzellen 6. Aufbau von Solarzellen 7. Arten von Solarzellen 8. Effizienz von Solarzellen 9. Leistungsparameter von Solarzellen 10 Typische Anwendungen von Photovoltaik 11. Komponenten einer Photovoltaikanlage 12. Solarpanels 13. Wechselrichter 14. Batteriespeicher 15. Solarladeregler 16. Verkabelung von Photovoltaikanlagen 17. Wartung von Photovoltaikanlagen 18. Planung und Dimensionierung von Photovoltaikanlagen 19. Standortwahl für Photovoltaikanlagen 20. Umweltaspekte von Photovoltaikanlagen 21. Wirtschaftlichkeit von Photovoltaikanlagen 22. Fördermöglichkeiten für Photovoltaikanlagen 23. Installation von Photovoltaikanlagen 24. Monitoring von Photovoltaikanlagen 25. Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen 26. Inselanlagen 27. Hybridanlagen

Leseprobe

Einführung in die Photovoltaik 

Die Photovoltaik (PV) ist eine Technologie, die es ermöglicht, Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom umzuwandeln. Diese Technologie hat in den letzten Jahren einen enormen Aufschwung erlebt und gilt als eine der vielversprechendsten erneuerbaren Energiequellen für die Zukunft. Das Grundprinzip der Photovoltaik basiert auf dem Photoeffekt, welcher im Jahr 1905 von Albert Einstein entdeckt wurde. Bei diesem Effekt wird durch die Absorption von Photonen in einem Halbleitermaterial Elektronen frei, die dann durch ein elektrisches Feld in eine Richtung bewegt werden und somit Strom erzeugen. Dieser Halbleiter wird als Solarzelle bezeichnet und ist das grundlegende Bauteil einer PV-Anlage. Solarzellen können aus verschiedenen Materialien hergestellt werden, wobei Silizium das am häufigsten verwendete Material ist. Es gibt zwei Arten von Silizium-Solarzellen: monokristalline und polykristalline Solarzellen. Monokristalline Solarzellen werden aus einem einzigen Kristall hergestellt und haben einen höheren Wirkungsgrad, während polykristalline Solarzellen aus vielen kleinen Kristallen bestehen und kostengünstiger sind. PV-Systeme bestehen aus mehreren Solarzellen, die in Reihen und Parallel geschaltet sind, um höhere Spannungen und Ströme zu erzeugen. PV-Module, die aus mehreren Solarzellen bestehen, können in verschiedenen Größen und Leistungen hergestellt werden und können entweder auf dem Dach von Gebäuden oder auf Freiflächen installiert werden. Die Effizienz von PV-Systemen hängt von mehreren Faktoren ab, wie der Intensität und Dauer des Sonnenlichts, der Temperatur und der Ausrichtung der PV-Module. In Deutschland liegt die durchschnittliche Sonneneinstrahlung bei etwa 1000 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr. PV-Anlagen können entweder netzgekoppelt oder netzunabhängig betrieben werden. Bei netzgekoppelten Anlagen wird der erzeugte Strom ins öffentliche Stromnetz eingespeist und vergütet. Netzunabhängige Anlagen, auch bekannt als Inselanlagen, werden hauptsächlich in abgelegenen Gebieten oder bei Notfällen eingesetzt. Die Photovoltaik ist eine Technologie mit einem enormen Potenzial, um den Anteil erneuerbarer Energien in der Stromversorgung zu erhöhen und damit einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz zu leisten. Die Kosten für die Herstellung von PV-Modulen und die Installation von PV-Anlagen sind in den letzten Jahren drastisch gesunken, was dazu geführt hat, dass PV-Systeme immer erschwinglicher und wirtschaftlicher werden. 

Geschichte der Photovoltaik 

Photovoltaik ist eine erstaunliche Technologie, die aus der Erforschung der Photoelektrizität entstanden ist. Die ersten Entdeckungen in diesem Bereich wurden bereits im Jahr 1839 von dem französischen Physiker Alexandre-Edmond Becquerel gemacht. In seinen Experimenten mit Elektrolyten und Licht stellte er fest, dass die Lichtabsorption durch die Elektrolytlösung eine elektrische Spannung erzeugte. In den folgenden Jahren beschäftigten sich viele Wissenschaftler mit diesem Phänomen und experimentierten mit verschiedenen Materialien. Der Durchbruch kam schließlich im Jahr 1954, als die amerikanischen Physiker Gerald Pearson, Daryl Chapin und Calvin Fuller den ersten funktionsfähigen Silizium-Solarzellen entwickelten. Sie erzeugten damit eine elektrische Spannung von 0,6 Volt. Die ersten kommerziellen Anwendungen der Photovoltaik waren bescheiden, da die Technologie noch nicht sehr effizient war. Die ersten Anwendungen waren vor allem in der Raumfahrt zu finden. Im Jahr 1958 wurde der erste Satellit mit Solarzellen ausgestattet. Die Solarzellen wurden eingesetzt, um Strom für die elektronischen Geräte an Bord zu erzeugen. Seitdem wurden Solarzellen immer häufiger in Satelliten und anderen Raumfahrzeugen eingesetzt. In den 1960er und 1970er Jahren wurden die Solarzellen effizienter und kostengünstiger. Dies führte zu einer größeren Anzahl von Anwendungen in verschiedenen Bereichen. In den 1970er Jahren begannen viele Länder, Solarzellen zur Erzeugung von Strom für den öffentlichen Gebrauch zu installieren. Die Technologie wurde in der Folgezeit immer weiter verbessert und die Kosten für die Herstellung von Solarzellen gingen weiter zurück. In den letzten Jahrzehnten hat die Photovoltaik einen bemerkenswerten Aufschwung erlebt. Immer mehr Menschen und Unternehmen setzen auf Solarzellen zur Stromerzeugung. Regierungen auf der ganzen Welt haben Programme und Anreize für den Einsatz erneuerbarer Energien wie der Photovoltaik aufgelegt. Die Technologie hat auch einen erheblichen Beitrag zur Reduzierung der globalen Treibhausgasemissionen geleistet und hilft, die Klimakrise zu bekämpfen. Heutzutage sind Solarzellen nicht nur in Satelliten und auf Dächern zu finden, sondern auch in vielen anderen Bereichen, wie zum Beispiel in Smartphones, Taschenrechnern und Straßenlaternen. Die Technologie hat sich auch in der Architektur etabliert, wo sie in der Fassade von Gebäuden integriert wird, um Strom zu erzeugen. Die Zukunft der Photovoltaik ist vielversprechend. Die Technologie wird weiter verbessert und die Kosten werden weiter sinken. Es wird erwartet, dass der Anteil der Photovoltaik an der weltweiten Stromerzeugung in den nächsten Jahrzehnten erheblich zunehmen wird. Die Photovoltaik hat sich zu einer der wichtigsten Technologien im Bereich der erneuerbaren Energien entwickelt und wird eine entscheidende Rolle bei der Bekämpfung des Klimawandels spielen. 

Grundlagen der Photovoltaik 

Die Photovoltaik (PV) ist ein Verfahren zur direkten Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie. PV-Module bestehen aus Silizium- oder anderen Halbleitermaterialien, die auf der Oberfläche mit einer speziellen Schicht beschichtet sind, um die Lichtabsorption und die Elektronenbeweglichkeit zu erhöhen. Wenn Sonnenlicht auf ein PV-Modul trifft, werden Elektronen im Halbleitermaterial angeregt und können sich frei bewegen, was zu einem Stromfluss führt. Dieser Strom wird dann in einem Wechselrichter in netzfähigen Wechselstrom umgewandelt und ins Stromnetz eingespeist oder in Batterien gespeichert. Die Effizienz von PV-Modulen hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie z.B. der Art des Halbleitermaterials, der Qualität der Beschichtung und der Ausrichtung und Neigung des Moduls zur Sonne. Die Effizienz von kommerziell erhältlichen PV-Modulen reicht derzeit von etwa 15% bis über 20%. PV-Systeme können in verschiedenen Größen installiert werden, von kleinen Dachanlagen für Wohngebäude bis hin zu großen Freiflächenanlagen zur Stromversorgung von Gemeinden oder Unternehmen. Die Kosten für PV-Systeme sind in den letzten Jahren stark gesunken, was zu einer breiteren Akzeptanz und Verbreitung von PV-Technologie geführt hat. Es gibt verschiedene Arten von PV-Systemen, darunter netzgekoppelte Systeme, netzunabhängige Systeme und hybride Systeme. Netzgekoppelte Systeme sind die häufigste Art von PV-Systemen und sind mit dem Stromnetz verbunden, um überschüssige Energie einzuspeisen und Strom aus dem Netz zu beziehen, wenn das PV-System nicht genügend Strom produziert. Netzunabhängige Systeme sind für Anwendungen in entlegenen Gebieten konzipiert und speichern die erzeugte Energie in Batterien für den späteren Gebrauch. Hybride Systeme kombinieren PV- und andere Energiequellen wie Wind- oder Dieselgeneratoren, um eine zuverlässige und konstante Stromversorgung zu gewährleisten. Die PV-Technologie hat eine Reihe von Vorteilen gegenüber konventionellen Stromerzeugungsmethoden wie Kohle- oder Kernenergie. PV-Systeme produzieren keine Treibhausgase oder andere Luftschadstoffe und tragen somit zur Reduzierung von CO2-Emissionen bei. PV-Systeme können auch dezentral installiert werden, was den Bedarf an großen Stromübertragungsleitungen und zentralisierten Stromerzeugungsanlagen reduziert. Darüber hinaus können PV-Systeme in Kombination mit Energiespeicherlösungen dazu beitragen, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu reduzieren und eine zuverlässige Stromversorgung zu gewährleisten. Insgesamt bietet die Photovoltaik eine vielversprechende Möglichkeit, den steigenden Energiebedarf der Welt auf nachhaltige und umweltfreundliche Weise zu decken. Die kontinuierliche Verbesserung der Effizienz und die Reduzierung der Kosten werden dazu beitragen, die Verbreitung 

Funktionsweise von Solarzellen 

Solarzellen wandeln Sonnenlicht direkt in elektrische Energie um. Sie sind eine Form der Photovoltaik-Technologie, die aus halbleitenden Materialien hergestellt wird. Die meisten Solarzellen bestehen aus Silizium, das in der Natur am häufigsten vorkommende Element. In diesem Artikel werden wir die Funktionsweise von Solarzellen im Detail untersuchen. Solarzellen bestehen aus zwei Schichten halbleitenden Materials, die unterschiedlich dotiert sind. Die obere Schicht ist typischerweise negativ dotiert und die untere Schicht positiv. Der Übergang zwischen diesen beiden Schichten wird als pn-Übergang bezeichnet. Wenn Licht auf den pn-Übergang trifft, wird ein Teil der Photonen des Lichts absorbiert und erzeugt Elektron-Loch-Paare im Material. Diese Elektronen sind negativ geladen und die Löcher positiv. Aufgrund des pn-Übergangs werden Elektronen und Löcher getrennt und wandern in entgegengesetzte Richtungen durch die Schichten. Die Elektronen wandern zur oberen Schicht, während die Löcher zur unteren Schicht wandern. In der oberen Schicht befinden sich Metallkontakte, die den Strom aufnehmen und ihn in ein externes Stromnetz einspeisen können. Der Stromfluss wird erzeugt, weil sich Elektronen aus der negativ dotierten Schicht in Richtung der positiv dotierten Schicht bewegen, wodurch eine elektrische Ladung entsteht. Die Effizienz von Solarzellen hängt von mehreren Faktoren ab, einschließlich der Art der Halbleitermaterialien, der Konstruktion der Solarzellen und der Intensität des einfallenden Lichts. Eine höhere Intensität des Sonnenlichts führt zu einer höheren Leistung der Solarzellen. Außerdem ist die Ausrichtung der Solarzellen relativ zur Sonne von entscheidender Bedeutung, da der Winkel der Sonnenstrahlen einen großen Einfluss auf die Menge des absorbierten Lichts hat. Es gibt zwei Arten von Solarzellen: kristalline und Dünnschicht-Solarzellen. Kristalline Solarzellen sind die häufigste Art und bestehen aus monokristallinen und polykristallinen Siliziumzellen. Sie sind in der Regel teurer, aber auch effizienter als Dünnschicht-Solarzellen, die aus amorphen Silizium, Kupfer-Indium-Gallium-Selenid oder Cadmiumtellurid hergestellt werden. Zusätzlich zu den beiden Arten von Solarzellen gibt es auch verschiedene Solarzellentechnologien, die unterschiedliche Wirkungsgrade und Anwendungsbereiche haben. Beispiele hierfür sind organische Solarzellen, die auf organischen Halbleitern basieren, sowie hybride Solarzellen, die aus einer Kombination von organischen und anorganischen Materialien bestehen. Insgesamt haben Solarzellen eine Reihe von Vorteilen gegenüber traditionellen Energiequellen. Sie produzieren keine Emissionen und erzeugen keine Verschmutzung. Die Wartungskosten sind gering und Solarzellen können in entlegenen Gebieten ohne Zugang zum Stromnetz eingesetzt werden. Obwohl Solarzellen derzeit immer noch teurer sind. 

Materialien zur Herstellung von Solarzellen 

Solarzellen sind elektronische Bauteile, die das Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln. Sie sind ein wichtiger Bestandteil von Solarpanels und werden auf Dächern, in Kraftwerken und sogar auf Satelliten eingesetzt. Hier sind Materialien, die bei der Herstellung von Solarzellen verwendet werden: Silizium: Das am häufigsten verwendete Material bei der Herstellung von Solarzellen ist Silizium. Es ist ein Halbleitermaterial und wird in kristalliner und amorpher Form hergestellt. Dünnschichtmaterialien: Dünnschicht-Solarzellen werden aus Materialien wie Cadmiumtellurid, Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid und amorphem Silizium hergestellt. Metalle: Metalle wie Aluminium, Kupfer und Silber werden bei der Herstellung von Solarzellen verwendet. Aluminium wird als Rückkontaktmaterial verwendet, um die Elektronen aus der Solarzelle abzuleiten, während Kupfer und Silber in der Frontkontaktierung verwendet werden, um die Elektronen in die Solarzelle einzuführen. Glas: Glas wird als Abdeckung auf der Oberseite der Solarzellen verwendet, um sie vor äußeren Einflüssen wie Witterungseinflüssen und Verschmutzungen zu schützen. Kunststoffe: Kunststoffe wie Polyethylen und Polyvinylbutyral werden als Zwischenschichten zwischen den Solarzellen und der Abdeckung verwendet, um sie zu isolieren und zu schützen. Leiterplatten: Leiterplatten sind elektronische Komponenten, die als Unterstützung für die Solarzellen dienen und sie miteinander verbinden. Sie bestehen aus Kunststoff oder Keramik und sind mit Kupfer- oder Aluminiumleitungen beschichtet. Verbindungsmaterialien: Verbindungsmaterialien wie Lot, Silberpaste und Klebstoffe werden verwendet, um die verschiedenen Komponenten der Solarzellen miteinander zu verbinden. Antireflexionsbeschichtungen: Antireflexionsbeschichtungen werden auf der Oberfläche der Solarzellen aufgetragen, um den Verlust von Sonnenlicht zu minimieren und die Energieausbeute der Solarzellen zu erhöhen. Seltene Erden: Seltene Erden wie Europium und Terbium werden als Dotierstoffe verwendet, um die Effizienz und Leistung der Solarzellen zu verbessern. Galliumarsenid: Galliumarsenid ist ein Halbleitermaterial, das in Hochleistungs-Solarzellen für Raumfahrzeuge und militärische Anwendungen verwendet wird. Insgesamt gibt es viele Materialien, die bei der Herstellung von Solarzellen verwendet werden, um ihre Effizienz, Haltbarkeit und Leistung zu maximieren. Jedes Material erfüllt eine spezifische Funktion und zusammen bilden sie ein komplexes System, das in der Lage ist, die Sonnenenergie in elektrische Energie umzuwandeln. 

Aufbau von Solarzellen