Umfassender Leitfaden zur Photovoltaik: Typen, Komponenten und Parameter

Einführung in die Sonnenenergie und ihre Notwendigkeit

Traditionelle Stromerzeugungssysteme stellen ein Problem dar, weshalb die Gesellschaft die Notwendigkeit erkannt hat, alternative Energiequellen zu entwickeln.

Probleme traditioneller Energiequellen

• Hydraulische Anlagen: Tragen zum Treibhauseffekt und Klimawandel bei, was zunehmend zu langanhaltenden Dürren führt.
• Fossile Kraftwerke: Fossile Brennstoffe sind eine zeitlich begrenzte Ressource.
• Kernkraftwerke: Bergen das Problem der Entsorgung sowie die Gefahr eines nuklearen Unfalls.

Methoden zur Nutzung der Sonnenenergie

Indirekte Methoden

Die Wärme der Sonne wird genutzt, um eine Flüssigkeit zu erhitzen und in Dampf umzuwandeln. Dieser Dampf treibt einen Generator zur Stromerzeugung an.

Direkte Methoden

Hierzu gehört die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität mittels Solarzellen (Photovoltaik).

Klassifizierung von Photovoltaik-Solaranlagen (PV)

1. Inselanlagen (Stand-alone-Anwendungen)

Anlagen, die an Orten ohne Anschluss an das öffentliche Netz installiert werden. Dazu gehören:

Raumgestützte Anwendungen (Space-based)

Zur Stromversorgung weltraumgestützter Elemente.

Terrestrische Anwendungen

• Telekommunikation
• Elektrifizierung ländlicher und abgelegener Gebiete
• Signalanlagen
• Straßenbeleuchtung
• Wasserpumpen
• VSAT-Netze
• Telemetrie
• Weitere professionelle Anwendungen

2. Netzgekoppelte Anwendungen (Vernetzte Anwendungen)

Der Erzeuger nutzt die Energie nicht direkt, sondern verkauft den erzeugten Strom an den Netzbetreiber.

Photovoltaik- und Solarparks

Großanlagen, bei denen eine festgelegte Anzahl von PV-Anlagen konzentriert ist, um Strom an ein etabliertes Energieversorgungsunternehmen zu verkaufen.

Gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV)

Die neuesten PV-Anwendungen, die für die Integration in Gebäude entwickelt wurden.

Wesentliche Komponenten einer PV-Anlage

Photovoltaik-Modul

Das wesentliche Element, das die Energie der Sonne in elektrischen Strom (Gleichstrom) umwandelt. Module bestehen aus der Vereinigung mehrerer Zellen, um die für die Installation erforderliche Leistung zu liefern.

Laderegler

Befindet sich zwischen den Solarmodulen und den Verbrauchern. Er ist verantwortlich für den Schutz der Batterie gegen Überlastungen und liefert die erforderliche Ausgangsgleichspannung für die Installation. Er stellt den Wert der Nennspannung für den Betrieb der Anlage ein.

Akku (Batterie)

Wird nur in Inselanlagen (Stand-alone) verwendet. Er liefert Energie in Zeiten ohne oder mit unzureichender Sonneneinstrahlung.

Wechselrichter (Inverter)

Wandelt den Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) um, um Geräte zu betreiben, die Wechselstrom benötigen.

Die Photovoltaik-Solarzelle

Sie ist der wichtigste Bestandteil jeder Solarstromanlage. Eine Solarzelle verhält sich wie eine Diode.

Wichtige elektrische Parameter der Solarzelle

Beleuchtungsstrom (I_L)

Der Strom, der erzeugt wird, wenn Sonnenstrahlung auf die Zelle trifft.

Dunkelstrom (I_D)

Entsteht durch die Rekombination von Elektron-Loch-Paaren innerhalb des Halbleiters.

Leerlaufspannung (U_OC)

Die maximale Spannung, die an den Enden der Solarzelle gemessen wird, wenn keine Last angeschlossen ist.

Kurzschlussstrom (I_SC)

Der maximale Stromwert, der durch die Zelle fließen kann, wenn sie kurzgeschlossen wird.

Aufbau und Komponenten des Solarmoduls

Das Solarmodul besteht aus einer Reihe von Zellen und folgenden Komponenten:

• Unterstützung/Träger: Muss eine angemessene strukturelle Steifigkeit für die Installation des Moduls gewährleisten.
• Verbindungskabel: Befinden sich in einer Anschlussdose auf der Rückseite des Panels.
• Glasabdeckung: Dient dazu, die Solarzellen vor atmosphärischen Einflüssen zu schützen.
• Rahmen des Panels: Ermöglicht die Montage und Unterstützung auf einer bestimmten Struktur.
• Kapselung: Schützt das Modul vor Witterungseinflüssen, schützt die Zellen und Verbindungen vor potenziellen Vibrationen.
• Anschlüsse: Die Zellen werden seriell oder parallel miteinander verbunden.

Typen von Solarzellen und ihre Eigenschaften

Monokristalline Zellen

Wirkungsgrad: 15–18% (bis zu 24%). Sie haben eine gleichmäßige blaue Farbe. Die Zellen bestehen aus reinem, geschmolzenem Silizium, das mit Bor dotiert ist.

Polykristalline Zellen

Wirkungsgrad: 12–14% (bis zu 19–20%). Die Glasoberfläche ist strukturiert und weist ebenfalls blaue Farben auf, ähnlich den monokristallinen Zellen, jedoch mit einer geringeren Anzahl von Kristallisationsstufen.

Amorphe Zellen

Wirkungsgrad: Unter 10% (bis zu 16%). Sie haben eine einheitliche (braune) Farbe und keine sichtbare Verbindung zwischen den Zellen. Sie werden als dünne Folie auf ein Substrat wie Glas oder Kunststoff aufgebracht.

Elektrische Verschaltung von Solarzellen

Um die gewünschte Leistung zu erzielen, gibt es verschiedene Möglichkeiten der elektrischen Verbindung der Zellen:

Reihenschaltung

Die Reihenschaltung der Zellen erhöht die Gesamtspannung an den Enden des Moduls.