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Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage?

Was ist Photovoltaik?

Photovoltaik ist die direkte Umwandlung von Licht in Elektrizität auf atomarer Ebene. Einige Materialien weisen eine Eigenschaft auf, die als photoelektrischer Effekt bekannt ist und sie dazu veranlasst, Photonen des Lichts zu absorbieren und Elektronen freizusetzen. Wenn diese freien Elektronen eingefangen werden, entsteht ein elektrischer Strom, der als Elektrizität genutzt werden kann.

Der photoelektrische Effekt wurde erstmals 1839 von dem französischen Physiker Edmund Bequerel entdeckt, der feststellte, dass bestimmte Materialien bei Lichteinfall geringe Mengen an elektrischem Strom erzeugen würden. Im Jahr 1905 beschrieb Albert Einstein die Natur des Lichts und den photoelektrischen Effekt, auf dem die Photovoltaik-Technologie basiert, wofür er später einen Nobelpreis für Physik erhielt. Das erste photovoltaische Modul wurde 1954 von den Bell Laboratories gebaut. Es wurde als Solarbatterie angepriesen und war meist nur eine Kuriosität, da es zu teuer war, um eine breite Anwendung zu finden.

Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage?

Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage?

In den 1960er Jahren begann die Raumfahrtindustrie, die Technologie erstmals ernsthaft für die Stromversorgung an Bord von Raumfahrzeugen zu nutzen. Durch die Raumfahrtprogramme wurde die Technologie weiterentwickelt, ihre Zuverlässigkeit wurde etabliert und die Kosten begannen zu sinken. Während der Energiekrise in den 1970er Jahren wurde die Photovoltaik-Technologie als Stromquelle für Anwendungen außerhalb des Weltraums anerkannt.

Funktionsweise einer Photovoltaikanlage

Das obige Diagramm veranschaulicht die Funktionsweise einer grundlegenden photovoltaischen Zelle, auch Solarzelle genannt. Solarzellen bestehen aus denselben Arten von Halbleitermaterialien, wie z. B. Silizium, die in der Mikroelektronikindustrie verwendet werden. Für Solarzellen wird eine dünne Halbleiterscheibe speziell behandelt, um ein elektrisches Feld zu bilden, das auf einer Seite positiv und auf der anderen negativ ist. Wenn Lichtenergie auf die Solarzelle trifft, werden Elektronen aus den Atomen des Halbleitermaterials herausgeschlagen. Werden an der positiven und negativen Seite elektrische Leiter angebracht, die einen Stromkreis bilden, können die Elektronen in Form eines elektrischen Stroms – also Elektrizität – eingefangen werden. Dieser Strom kann dann verwendet werden, um eine Last, wie z. B. ein Licht oder ein Werkzeug, zu betreiben.

Eine Anzahl von Solarzellen, die elektrisch miteinander verbunden und in einer Trägerstruktur oder einem Rahmen montiert sind, wird als Photovoltaikmodul bezeichnet. Die Module sind so ausgelegt, dass sie Strom bei einer bestimmten Spannung liefern, z. B. bei einem üblichen 12-Volt-System. Der erzeugte Strom ist direkt davon abhängig, wie viel Licht auf das Modul trifft.

Mehrere Module können zu einem Array zusammengeschaltet werden. Generell gilt: Je größer die Fläche eines Moduls oder Arrays ist, desto mehr Strom wird erzeugt. Photovoltaik-Module und -Anlagen erzeugen Gleichstrom (DC-Strom). Sie können sowohl in Reihe als auch parallel geschaltet werden, um jede gewünschte Spannungs- und Stromkombination zu erzeugen.

Die heute gebräuchlichsten PV-Geräte verwenden einen einzelnen Übergang oder eine Schnittstelle, um ein elektrisches Feld innerhalb eines Halbleiters wie einer PV-Zelle zu erzeugen. In einer PV-Zelle mit einem Übergang können nur Photonen, deren Energie gleich oder größer als die Bandlücke des Zellmaterials ist, ein Elektron für einen Stromkreis freisetzen. Mit anderen Worten, die photovoltaische Reaktion von Single-Junction-Zellen ist auf den Teil des Sonnenspektrums beschränkt, dessen Energie oberhalb der Bandlücke des absorbierenden Materials liegt, und Photonen mit niedrigerer Energie werden nicht genutzt.

Eine Möglichkeit, diese Einschränkung zu umgehen, besteht darin, zwei (oder mehr) verschiedene Zellen mit mehr als einer Bandlücke und mehr als einem Übergang zu verwenden, um eine Spannung zu erzeugen. Diese werden als „Multijunction“-Zellen (auch „Kaskaden“- oder „Tandem“-Zellen genannt) bezeichnet. Mehrfachzellen können einen höheren Gesamtwirkungsgrad erzielen, weil sie mehr vom Energiespektrum des Lichts in Strom umwandeln können.

Ein Großteil der heutigen Forschung im Bereich der Mehrfachzellen konzentriert sich auf Galliumarsenid als eine (oder alle) der Komponentenzellen. Solche Zellen haben unter konzentriertem Sonnenlicht Wirkungsgrade von etwa 35 % erreicht. Andere Materialien, die für Mehrfachzellen untersucht wurden, sind amorphes Silizium und Kupfer-Indium-Diselenid.
Als Beispiel verwendet das unten abgebildete Multi-Junction-Gerät eine obere Zelle aus Gallium-Indium-Phosphid, „einen Tunnelübergang“, um den Elektronenfluss zwischen den Zellen zu unterstützen, und eine untere Zelle aus Gallium-Arsenid.

 

Was sind die Teile einer Photovoltaikanlage?

Eine einfache PV-Anlage enthält zwei grundlegende Arten von Komponenten:

  1. Solarmodule: Solarmodule enthalten Solarzellen, die Sonnenlicht in Strom umwandeln.
  2. Wechselrichter: Ein Wechselrichter wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um. Er kann auch andere Funktionen erfüllen, die für das Stromnetz von Vorteil sind (siehe unseren Artikel über intelligente Wechselrichter, die jetzt in Kalifornien vorgeschrieben sind).
    Diagramm einer einfachen PV-Anlage aus Aurora Solar SoftwareDiagramm einer einfachen PV-Anlage.
  3. Energiemanager: Der Energiemanager sorgt für eine gleichmäßige Verteilung des Stroms.
  4. Zähler: Der Zähler ist für eine korrekte Abrechnung des eingespeisten Stroms zuständig.
  5. Stromspeicher: Optional kann ein Stromspeicher für die Speicherung überschüssiger Energie eingesetzt werden.

Es ist üblich, alle Komponenten einer PV-Anlage außer den Modulen als Balance-of-System-Komponenten (BOS) zu bezeichnen. Beispiele für BOS-Komponenten sind Wechselrichter, Trennschalter, Gestell und Verkabelung.

Natürlich ist dies nur ein grundlegender Überblick über die Teile einer Solaranlage und wie sie zusammenpassen. Lesen Sie einige unserer verwandten Artikel, um tiefer in die Möglichkeiten einzutauchen, wie Solarmodule und Wechselrichter miteinander verdrahtet werden können (Stringing) und einige Alternativen zu herkömmlichen Wechselrichtern, die als Leistungselektronik auf Modulebene (MLPE) bekannt sind.

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