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Systeme mit Photovoltaik Funktion funktionieren, indem sie die Energie des Sonnenlichts in eine chemische Form umwandeln, um Strom zu erzeugen. Photovoltaik-Anlagen lassen sich in ihre Bestandteile zerlegen, die aus Fotozellen (auch Solarzellen genannt) und Photovoltaik-Zellen (Photovoltaik-Module) bestehen. Solarzellen nehmen das Sonnenlicht auf und wandeln es in nutzbare Energie um, die dann in Strom umgewandelt werden kann.
Das sichtbare Licht besteht aus Photonen, den Grundeinheiten der elektromagnetischen Energie. Photonen werden häufig auch als Lichtquanten oder Lichtteilchen bezeichnet, obwohl sie masselos sind und nur Energie enthalten. Wenn ein Photon mit einem Transistor oder einer Legierung zusammenstößt, werden die Elektronen aus ihrer Umhüllung befreit und können sich frei bewegen. Verantwortlich dafür ist diese Energie (photoelektrischer Effekt). Wenn eine externe Spannung angelegt wird, fließt Strom.
Wie genau wird der Strom durch die Sonnenstrahlen erzeugt?
Eine Solarzelle ist ein Bauteil eines elektrischen Geräts, das aus vielen Schichten von Halbleitern besteht. In den meisten Fällen wird eine etwas höherwertige Art von Silizium verwendet, die absichtlich mit verschiedenen anderen Ausgangselementen “verunreinigt” wird. Auf diese Weise kann sowohl ein Elektronenmangel als auch ein Elektronenüberschuss erzeugt werden. An der Stelle, an der die beiden Schichten zusammenkommen, entsteht eine Grenzschicht, in die Elektronen einwandern, um den “Mangel” auszugleichen. Aufgrund ihres Elektronengehalts können die Zellen sowohl eine positive als auch eine negative Ladung annehmen. Wenn Photonen in die Grenzschicht eindringen, werden die Elektronen angeregt und wandern in Richtung des positiven Pols.
Wenn die Verbindung zwischen den beiden Schichten geschlossen ist, kann die potenzielle Energie des Lichts auf einfache Weise in elektrische Energie umgewandelt werden. Eine einzelne Solarzelle ist nur in der Lage, eine sehr geringe Menge an nutzbarer Energie zu erzeugen. Solarzellen werden entweder in Reihe oder Parallel geschaltet, bevor sie zu einem Modul zusammengesetzt werden. Die zerbrechlichen Solarzellen, aus denen das Modul besteht, werden durch eine Glasabdeckung, die sie umgibt, vor Schäden geschützt. Die Glas-Glas-Module schützen die Solarzellen vor Ablenkung, z. B. durch Schnee oder extremen Wind, die beide das Potenzial haben, die Module zu beschädigen, wenn sie nicht geschützt sind.
Photovoltaik Funktion: Eine Sammlung von Solarzellen, Modulen und Zellen
Die Verbindung einer großen Anzahl von Solarmodulen zu einem einzigen System hat das Potenzial, die Menge an Solarstrom zu erhöhen, die erzeugt werden kann. Auf einer Fläche von sechs Quadratmetern können Solarmodule etwa einen Kilowatt peak (kW) Strom erzeugen (Faustformel). In Deutschland liegt die Sonneneinstrahlung im Jahresdurchschnitt bei etwa 1.000 Kilowattstunden (kWh) pro Quadratmeter Fläche, wobei dieser Wert in den Sommermonaten etwa fünfmal so hoch ist wie in den Wintermonaten. Der jährliche Stromverbrauch eines typischen Vier-Personen-Haushalts liegt bei 4.500 kWh. Photovoltaik (PV)-Anlagen müssen mindestens so weit ausgebaut werden, dass sie theoretisch zwischen 4 und 6 kWp Strom erzeugen können. Die benötigte Dachfläche liegt demnach zwischen 24 und 36 Quadratmetern.
Wechselstrom und Gleichstrom in der Photovoltaik Funktion
Wechselstrom wird von den meisten elektrischen Geräten im Haus verwendet. Die Photovoltaik-Komponenten hingegen erzeugen durchweg Gleichstrom. Der Wechselrichter, auch Netzeinspeisegerät genannt, ist das Gerät, das für die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom zuständig ist. Neben den Solarmodulen und dem Wechselrichter besteht die Photovoltaikanlage auch aus der Unterkonstruktion, der Verkabelung, der Anschlusselektrik und einem Zweirichtungszähler (Einspeisung und Netzeinspeisung). Zu den Erweiterungsmöglichkeiten der Solarstromanlage gehören nicht nur Energiemanagement-und Speichersysteme, sondern auch Energiemanagement- und Speichersysteme.
Wie wirken sich Solarzellen auf die Leistung von Photovoltaikanlagen aus?
Quarzsand enthält 95 % des Siliziums (Si) der Solarzellen. Silizium ist im Erdmantel reichlich vorhanden (Si). Silizium kann unseres Wissens nach nicht ersetzt werden. Quarzsand muss gereinigt und kristallisiert werden, um Siliziumwafer herzustellen. Das Produkt wird in Scheiben geschnitten, kontaminiert und mit Leiterbahnen versehen. Lichtbestrahltes Silizium gibt Elektronen ab. Um diese Elektronen nutzen zu können, benötigen nur die Ober- und Unterseite jedes Elements Fremdelemente. In diesem Zustand können die Elektronen genutzt werden. Bor (Br) und Phosphor (P) sind Beispiele dafür.
Elektronen erfüllen mehrere Aufgaben.
Die Zelle wird selektiv mit Elektronen und Protonen kontaminiert. Positive und negative Pole können miteinander verbunden werden, wie bei einer Batterie. Sie sind so effizient, dass sie auch bei Bewölkung Energie erzeugen können. Die Lichtintensität ist proportional zum elektrischen Strom. Eine Photovoltaikanlage erzeugt mehr Solarstrom, wenn mehr Licht vorhanden ist, aber die Spannung der Solarzelle wird nicht verändert. Die Spannung einer Siliziumzelle beträgt immer 0,6 V. Die Größe beeinflusst, wie viel Strom eine Zelle übertragen kann. Eine 15x15cm große Solarzelle erzeugt 5,5 Ampere. Bei optimaler Beleuchtung kann eine einzelne Zelle 3,4 Watt erzeugen.
Wie funktioniert Solarenergie?
Links ist ein vereinfachtes Solarhaussystem zu sehen.
Die Vorteile der Solarenergie in Bezug auf Kosteneinsparungen und Umweltschutz werden immer größer. Ein echtes Solarsystem? Solarmodule auf einem Haus oder einem großen Industriegebäude dienen demselben Zweck. Laut Theorie erzeugen photovoltaische Solarzellen bei Lichteinfall einen Einwegstrom. Solarmodule werden aus Solarzellen hergestellt. Solargeneratoren verwenden Solarmodule. Wechselrichter wandeln den Gleichstrom von Generatoren in Wechselstrom um. Die direkte Einspeisung des umgewandelten Wechselstroms in das öffentliche oder private Stromnetz senkt die persönlichen Stromkosten.
Herstellungsverfahren für photovoltaische Solarzellen
Es gibt drei Arten von Zellen. Es gibt verschiedene Kristalle. Zelluläre Einkristalle amorphe Zellen mit Kristallen
Solarzellen sind einkristallin. Zur Herstellung von einkristallinen Siliziumzellen werden hochreine Halbleiter benötigt. Aus Siliziumschmelze hergestellte monokristalline Stäbe werden in 0,25 mm dicke Scheiben geschnitten. Diese effiziente Produktionsmethode ist revolutionär. Monokristalline Solarzellen haben einen Umwandlungswirkungsgrad von 14-16 %.
Photovoltaische polykristalline Solarzellen.
Polykristalline Zellen haben niedrigere Produktionskosten. Polykristalline Solarzellen werden aus Blöcken von flüssigem Silizium hergestellt. Beim Erstarren bilden viele Kristalle den typischen Eisring. Die Kristallgröße variiert. Die Ränder der Produkte weisen Fehler oder Mängel auf. Aufgrund der kristallinen Unvollkommenheiten haben polykristalline Solarzellen nur einen Wirkungsgrad von 13-15 Prozent, der besser ist als der von monokristallinen.
Amorphe Solarzellen sind Dünnschicht-Solarzellen.
Dünnschicht-Solarzellen enthalten amorphe Halbleiter. Bei der Herstellung wird eine dünne Schicht photoaktiver Halbleiter auf einen Glaswafer aufgebracht. Ein zweites Stück Glas versiegelt die amorphen Zellen nach der Montage. Zwischen den einzelnen Schichten liegt weniger als ein Meter. Niedrigere Materialkosten machen Dünnschicht-Solarmodule zu einer praktischen und kostengünstigen Lösung. Dünnschichtzellen haben einen Wirkungsgrad von 6-8 Prozent. Neue Materialien steigern den Wirkungsgrad von Dünnschichtzellen. CIDS und CdTe sind Beispiele (CIS). Dünnschichtzellen haben einen Wirkungsgrad von 8 %.
Das Solarmodul einer Photovoltaikanlage erzeugt Strom.
Die Kombination von Solarzellen schirmt sie gegen die Atmosphäre ab. Solarmodule enthalten in der Regel eine Glasabdeckung zum Schutz vor Witterungseinflüssen. Die Schutzfolie wird von der Unterseite der Solarzellen nach oben gezogen. Das Licht durchdringt die Solarzellen durch kleine Poren. Solarmodule sind unterschiedlich groß. Die Module haben eine Leistung von wenigen Watt bis über 300 Watt, im Durchschnitt 130-250 Watt. Die Produktion von Solarmodulen unterliegt einer Qualitätskontrolle. Solarmodule sind mit einem Gewicht von 10 bis 15 kg/m2 eines der leichtesten Materialien. Die Größe der Solarmodule variiert. Bis zu 3 m2 sind üblich. Endlich sind auch Solarziegel erhältlich. Sie werden als Dachziegel verwendet.
Was bewirken die verschiedenen Solarmodule?
Photovoltaik-Module wandeln Sonnenlicht in Strom um. Solarzellen erzeugen Strom, wenn sie vom Sonnenlicht ausgesetzt werden. Das scheint offensichtlich. Solarmodule sind miteinander verbundene Solarzellen in einer Photovoltaikanlage. In einem Schaltkreis sind verschiedene Spannungen integriert. Ein 60-Zellen-Modul hat 36 V, 0,6 V mehr als eine einzelne Zelle.
Spannungen haben verschiedene Funktionen.
Kristallines Silizium ist der am häufigsten verwendete Rohstoff für Solarmodule (Si). Durch die Verarbeitung von Quarzsand erhält man hochwertiges Silizium (Si) und Module mit einem Wirkungsgrad von 11-16 Prozent. Si-Module sind ein Standard für Dachanlagen. Dünnschichtmodule sind ineffizient. Dünnschichtmodule können einen Wirkungsgrad von 9 % erreichen. Dünnschichtmodule sind für Großanlagen mit wenig Platz geeignet. Module sind billig.
Wissenschaft der Photovoltaik.
Solarstromanlagen können netzgebunden oder netzunabhängig sein. In netzgekoppelten Anlagen erzeugen Solargeneratoren sauberen, zuverlässigen Strom. Wechselrichter erzeugen Wechselstrom. Nur ein Nieder- oder Mittelspannungs-Solarnetz kann diese Energie speichern. In den meisten Haushalten werden Angebot und Nachfrage nicht synchronisiert. Wo es kein Netz gibt, speichern netzunabhängige Lösungen den Strom in Batterien. Laut “Lohnt sich das?” kann die Investition in ein Solar-Photovoltaik-Energiespeichersystem von Vorteil sein.
Diese Technik ist alt.
In Ouagadougou, der Hauptstadt von Burkina Faso, werden in Berlin-Adlershof Solarmodule verkauft. Die Photovoltaikbranche ist lukrativ. Die Photovoltaik wandelt Licht in Strom um. Alexandre Edmond Becquerel entdeckte den photoelektrischen Effekt im Jahr 1839. Albert Einstein’s Quantentheorie des Lichts aus dem Jahr 1905 wird seither erforscht. Für diese Entdeckung erhielt Einstein 1921 den Physik-Nobelpreis.
In den Jahren 1973 und 1974 wurden nach der lkrise und den Atomunfällen in Harrisburg und Tschernobyl Fragen der Energieversorgung untersucht. Seit den 1970er Jahren haben die USA, Japan und Deutschland die Photovoltaik erforscht. Mehrere Länder haben finanzielle Anreize eingeführt, um die Branche zu fördern und die Technologie billiger zu machen. Infolge dieser Maßnahmen stieg die weltweit installierte Leistung von 700 MWp im Jahr 2000 auf 177 GWp im Jahr 2014, und es wird erwartet, dass sich dieser Trend fortsetzt.
PV verbessert Rechtschreibung.
Die Photovoltaik wird oft als PV bezeichnet. Nach der deutschen Rechtschreibreform wurde Fotovoltaik durch Photovoltaik ersetzt. Photovoltaik ist nach wie vor korrekt. Im deutschsprachigen Raum wird Fotovoltaik als Fotovoltaik geschrieben. Photovoltaik erfordert eine genaue Schreibweise, aber keine Verwendung.
Grundlegende Rationalität
Silizium-Solarzellen haben eine photovoltaische Wirkung. Ein Silizium-Halbleiter. Halbleiter erzeugen freie Ladungsträger, wenn sie durch äußere Energie (z. B. Licht, elektromagnetische Strahlung) aktiviert werden. Das Material hat Elektronendonatoren. Infiziert (mit Elektronendonatoren, z. B. Phosphoratomen). Diese Elektronen werden überwältigt. Das darunter liegende Silizium hat Elektronenakzeptoren (Elektronenakzeptoren, z. B. Phosphoratome). Dotierung max (z. B. Boratome). Elektronen aus beiden Schichten kommen zusammen und füllen die Lücken zwischen ihnen, wodurch die “Neutralität” hergestellt wird (p-n-Übergang).
Da es auf der Oberseite keine Elektronen und auf der Unterseite keine Lücken gibt, besteht immer ein elektrisches Feld zwischen den oberen und unteren Kontaktflächen. Da es keine Lücke gibt, geschieht dies. In der Übergangsschicht sind Photonen (manchmal auch “Sonnenstrahlen” genannt) im Überfluss vorhanden. Diese Energie wird von Photonen auf Elektronen im Valenzband der neutralen Zone übertragen. Sobald die Elektronen frei sind, steigen sie in das Leitungsband auf und leiten Strom. Durch Rekombination werden viele Elektron-Loch-Paare oder freie Ladungsträger schnell zerstört.
Elektrische Felder können die Ladungsträger in Kontakt bringen (wie im vorherigen Abschnitt beschrieben). Infolgedessen bewegen sich Elektronen und Löcher in entgegengesetzte Richtungen. Solange Photonen freie Ladungsträger erzeugen, steigen Spannung und Strom an. Ein “externer Stromkreis” leitet diesen Strom zur unteren Kontaktfläche der Zelle, wo er sich mit den Löchern verbindet. Dieser Prozess wird so lange fortgesetzt, wie Photonen frei Ladungsträger erzeugen.
Der Wirkungsgrad von Photovoltaikanlagen wird anhand von Leistung und Wirkungsgrad gemessen.
Bei den Tests wurde die deutsche Sonneneinstrahlung so genau wie möglich nachgebildet, und Photovoltaikanlagen werden in kWh oder MWh (Megawattstunden) angegeben. Normung und Prüfung von Solarmodulen sind unterschiedlich. Datenblätter beschreiben die elektrischen Komponenten. Bei 25 C und 1000 Watt pro Quadratfuß hat die Umgebung 1,5 Luftmassen.
STC ist ein international anerkannter Satz von Laborprüfungsanforderungen. Bestimmte Faktoren, wie zum Beispiel: 1367 W/m2 ist die Solarkonstante, die die Sonneneinstrahlung in Erdnähe angibt (bei Abwesenheit von Wolken erreichen etwa 75 % dieser Strahlung die Erde). Die Jahresleistung einer Solaranlage, d. h. die erzeugte Gesamtstrommenge, ist ein Schlüsselfaktor für ihre Größe und Amortisation. Jahreszeit und Wetter beeinflussen die täglich abgegebene Energiemenge. So produzieren Solarkraftwerke in Deutschland im Juli 10-mal mehr Strom als im Dezember.
Die jährliche US-Produktion wird in Wh oder kWh (kWh) gemessen. Die maximale Leistung wird in Mitteleuropa mit einer Dachneigung von 30-40 Grad und einer südlichen Ausrichtung erreicht. Die Sonneneinstrahlung kann die Leistung beeinträchtigen. In Deutschland beträgt die empfohlene Neigung für feste Anlagen ohne Nachführung 1. In Deutschland sollte eine stationäre Anlage ohne Nachführung eine Neigung von 32 Grad von Süden nach Norden haben. Jeder Winkel sollte dem höchsten Punkt des Himmels (Mittagssonne) zugewandt sein. Da die Anlage zweimal am Tag und einmal im Jahr gewechselt werden muss, schlagen wir eine etwas steilere Neigung vor (Mai und Juli).
Der Einstrahlungswinkel muss für jeden Standort und jedes Implantat individuell betrachtet werden. Im Rahmen dieser Analysen werden einfallende, diffuse (z.B. Wolken) und reflektierte Anteile der standortspezifischen Globalstrahlung (z.B. von Hauswänden oder dem Boden) untersucht.
Aufdach- oder Dachinstallation.
Auf einem Dach kann ein Solar-Wassererhitzer oder eine Solaranlage installiert werden. Auf dem Dach montierte Systeme werden anders installiert als andere. Die Solaranlage wird mit einem Schrägdachsystem und einem Montagerahmen auf das Haus gesetzt. Die Photovoltaikanlage wird auf dem Dach montiert und ist luftdicht und witterungsbeständig. Unter Umständen wiegen das weniger auffällige Erscheinungsbild und die Einsparungen bei der Dacheindeckung dieser Systeme die höheren Installationskosten. Schiefer, Wellblech und Blech sind unter anderem gute Dacheindeckungsmöglichkeiten.
Der Prozess der Photovoltaik Funktion im Detail: Technische Details in einfachen Worten