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Alles zusammenfügen: Die Hauptbestandteile einer PV-Anlage

Hier sind die Hauptkomponenten jeder PV-Anlage.

Solar-PV-Systeme sind eines der weltweit am häufigsten betrachteten und installierten Beispiele für erneuerbare Technologien. Aber für einige mag ihre tatsächliche Funktionsweise ein Rätsel sein – fast magisch.

Aber das muss es wirklich nicht sein. Wie sie genau funktionieren und was eine PV-Anlage ausmacht, ist eigentlich ziemlich interessant.

Wenn Sie sich also jemals gefragt haben, was eine PV-Anlage eigentlich ist oder wie sie funktioniert, dann haben wir eine sehr kurze Anleitung erstellt, die Ihnen hilft, die Grundlagen zu verstehen.

Viel Spaß.

Wie funktionieren PV-Solarmodule eigentlich?

vereinfacht gesagt, Sonnenkollektoren wandeln Sonnenlicht durch einen als Photovoltaik PV-Effekt bekannten Prozess in Elektrizität um. Eng mit dem photoelektrischen Effekt verwandt, wurde der PV-Effekt erstmals Ende der 1830er Jahre von Edmond Becquerel nachgewiesen.

Becquerel bemerkte, dass, wenn Platten aus Platin oder Gold in saure, neutrale oder alkalische Lösungen getaucht und der Sonneneinstrahlung ausgesetzt wurden, ein kleiner elektrischer Strom erzeugt werden konnte. Wenig später, in den 1880er Jahren, gelang es Charles Fritts, die erste zu entwickelnechte Solarzelle aus Selen mit einer dünnen Goldschicht überzogen.

Ein einzelnes Solarpanel ist normalerweise ein Mosaik kleinerer Komponenten, die Fotozellen genannt werden. Quelle: MrRick/Pixabay

Während dieses Panel funktionierte, hatte es eine sehr geringe Effizienz.

ModerneSonnenkollektorenfunktioniert, wenn Photonen des Sonnenlichts Elektronen frei schlagenAtome, erzeugt einen Stromfluss. Die Paneele bestehen eigentlich aus kleineren Einheiten, die als Photovoltaikzellen bezeichnet werden. Diese Solarzellen sind ein Sandwich aus Halbleitern aus Silizium, das mit anderen Materialien "dotiert" ist.

Bor oder Indium werden normalerweise zu einer Schicht hinzugefügt, wodurch sie erhalten wird eine positive Ladung. Im Wesentlichen erzeugt das Hinzufügen eines Boratoms zu einer Gruppe von Siliziumatomen ein „Loch“ – einen Raum, der von einem Elektron in reinem Silizium eingenommen würde. Dies wird als p-Typ-Dotierung oder p-Typ-Halbleiter bezeichnetp steht für positiv. Die andere Schicht ist normalerweise mit Phosphor oder Arsen dotiert, wodurch dieser Schicht zusätzliche Elektronen oder eine negative Ladung hinzugefügt wird dies wird als n-Dotierung oder als n-Halbleiter für negativ bezeichnet..

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Das Sandwich der beiden Schichten erzeugt ein elektrisches Feld am Übergang – genannt pn-Übergang.Wenn sie Licht ausgesetzt wird, wird innerhalb dieser Verbindung ein elektrisches Feld erzeugt, da Elektronen Energie von Photonen absorbieren und sich von ihrem "Mutter"-Atom lösen.

Dieser Prozess hinterlässt ein "Loch" in den Valenzbindungen des Materials, aus dem das Atom entkommen ist. Aufgrund des bereits bestehenden elektrischen Felds im pn-Übergang bewegen sich diese Elektronen und "Löcher" in entgegengesetzte Richtungen - das Elektron zum n-Seite und das "Loch" zur p-Seite.

Diese Bewegung des Elektrons erzeugt einen elektrischen Strom in der Zelle. Leitfähige Metallplatten an den Seiten der Zelle sammeln die Elektronen und übertragen sie auf Drähte, wodurch die Elektronen wie jede andere Stromquelle fließen können.

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Interessanterweise neigen die meisten Fotozellen dazu, mehr zu seineffizient je kleiner sie sind, daher besteht jedes PV-Panel normalerweise aus vielen kleinen Zellen. Wenn Sie sich ein Solarpanel genau ansehen, können Sie alle kleineren Untereinheiten-Photozellen sehen, aus denen das Hauptpanel besteht.

PV-Panel-Array in Marken, Italien. Quelle: CA' Marinello 1/Flickr

In der Regel aus dotiertem Silizium hergestellt obwohl Germanium, Bleisulfid und andere Halbleiter verwendet werden können, sind PV-Zellen die Kraftpakete jedes modernen PV-Moduls.

Mehr dazu im nächsten Abschnitt.

Aus welchen Materialien bestehen PV-Module?

PV-Module sind wie jede Technologie ein Durcheinander verschiedener Materialien, aus denen verschiedene Teile bestehen, von der Fotozelle bis zum Rahmen und allem dazwischen. Die meisten Leute meinen jedoch, wenn sie eine solche Frage stellen, was ist das?magische Zutat, die dem PV-Modul seine scheinbar magische Fähigkeit verleiht, Strom aus Sonnenlicht zu erzeugen.

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Dieses Wundermaterial ist zufällig auch eine der am häufigsten vorkommenden Substanzen auf der Pflanzenerde — Silizium. Tatsächlich macht es etwa 30% der Erdkruste aus, geben oder nehmen.

Silizium ist nach Sauerstoff das am zweithäufigsten vorkommende Material auf dem Planeten, kommt aber in der Natur selten in freiem Zustand vor. Typischerweise wird es in Kombination mit anderen Elementen gefunden, um eines der zahlreichen Siliziummineralien zu bilden, aus denen dieErdkruste.

Es hat auch einige interessante physikalische und elektrochemische Eigenschaften, die es für den Bau von Elektronik ziemlich praktisch machen.

Eine davon ist die Tatsache, dass es sich um einen Halbleiter handelt. Ein Halbleiter ist, wie der Name schon sagt, jedes Material, dessen Leitfähigkeit zwischen der eines Isolators wie Keramik und der eines Leiters wie Metall liegt.

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Als Halbmetall weder Metall noch Nichtmetall teilt Silizium einige Eigenschaften von beiden – daher seine Rolle als Halbleiter.

Dies bedeutet, dass es zwar Elektrizität leiten kann, wenn auch weniger gut als Metalle, seine Fähigkeit dazu jedoch mit steigender Temperatur zunimmt im Gegensatz zu Metallen.

Aus diesem Grund wird Silizium zur Herstellung vieler wichtiger elektrischer Komponenten verwendet, einschließlich Transistoren, die elektrische Ströme verstärken oder schalten und das Rückgrat aller Arten von Elektronik sind, vom Radio bis zum iPhone.

Quelle: yangphoto/iStock

In Bezug auf Solarzellen ist reines Silizium ein schlechter Stromleiter. Um dies zu überwinden, mischen die meisten Solarzellen Silizium mit anderen Elementen wie Gallium oder Arsen, um entweder elektronenarme oder elektronenreiche Schichten zu erzeugen. Diesist, wie wir gesehen haben, wichtig, Elektron-Loch-Paare zu erzeugen, um elektrische Felder zu erzeugen.

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Obwohl es sehr reichlich vorhanden ist, gibt es einige Einschränkungen bei der Verwendung von Silizium als Basismaterial für Solarzellen. Der Hauptgrund ist, dass die Module von Natur aus zerbrechlich und steif sind. Dies kann unter anderem den Transport und die Installation erschweren.

Normalerweise, Silizium-basierte Solarzellen kommen in den meisten im Handel erhältlichen Solarmodulen in einigen verschiedenen Formen vor. Dazu gehören:

  • Monokristalline Solarzellen – Hergestellt aus fast reinem Silizium, dies sind die effizienteste Form von Solarmodulen, aber in der Regel die teuersten. Diese Module haben normalerweise eine ziemlich dunkle Farbe und haben in der Regel die längste Lebensdauer oft 25 Jahre plus.
  • Polykristalline Solarzellen – Auch bekannt als Polysilizium- oder Multisiliziumzellen, waren der erste kommerziell erhältliche Typ. Sie sind günstiger als monokristalline Solarzellen, aber weniger effizient und nehmen im Allgemeinen mehr Platz ein. Diese Paneele haben auch eine relativ geringe Wärmetoleranzim Vergleich zu monokristallinen Panels.
  • Amorphe Solarzellen – Diese Paneele bestehen aus nicht strukturierten Siliziumkristallen und sind einfacher zu installieren und zu transportieren, haben jedoch im Vergleich zu den anderen beiden Formen einen stark reduzierten Wirkungsgrad. Dies sind die Arten von Paneelen, die in relativ billiger solarbetriebener Elektronik verwendet werdenwie Taschenrechner und andere Dünnschichtanwendungen Sie sind relativ billig in der Herstellung, aber bei weitem am wenigsten effizient. Ihre Grenzen können durch das Übereinanderstapeln von ihnen überwunden werden und sie sind auch tendenziell weniger zerbrechlich und steif alsandere Formen von Solarzellen.

Welcher Typ gewählt wird, ist normalerweise ein Kompromiss zwischen Herstellungs- und Installationskosten und einer akzeptablen Obergrenze der Stromerzeugungseffizienz.

Organische Solarzellen könnten die Zukunft der Solar-PV sein

Solarzellen auf Siliziumbasis machen die überwiegende Mehrheit der bestehenden PV-Module aus, sind aber nicht die einzige Art von Solar-PV-Modulen, die es gibt. Ein aufstrebender Stern ist eine sogenannte organische Solarzelle/-panel.

Organische Solarzellen, oder kurz OSC, sind eine aufregende Entwicklung in der Welt der erneuerbaren Technologien. Diese Technologie wird normalerweise aus speziellen leitfähigen organischen Polymeren oder kleinen organischen Molekülen hergestellt und kann leichtere und flexiblere Solarmodule herstellen.

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Nachweis der Flexibilität einer organischen Solarzelle. Quelle: CSIRO/Wikimedia Commons

OSCs sind zwar relativ neu, haben aber im Vergleich zu traditionelleren PV-Modulen auch höhere Wirkungsgrade pro Fläche. Bestehende OSCs sind in der Regel sehr starke Lichtabsorber und sind von vielen Experten auf diesem Gebiet angepriesen als die Zukunft der Solartechnik.

Aufgrund ihrer Bauweise haben organische Solarzellen/-paneele andere inhärente Vorteile gegenüber ihren nicht-organischen Gegenstücken. Dazu zählen vor allem ihr geringes Gewicht, ihre Flexibilität, große Flächenabdeckung und niedrige Herstellungskosten.

Einige organische Solarzellen werden in einem Verfahren namens Rolle-zu-Rolle-Produktion hergestellt. Dieses Verfahren ist erheblich günstiger als die konventionelle nicht-organische Solarzellenproduktion und ermöglicht eine großflächige Herstellung organischer Solarzellen.

Eine organische Solarzelle, manchmal auch Kunststoffsolarzelle genannt, ist eine Art Polymersolarzelle, die organische Elektronik verwendet. Dies ist ein Zweig der Elektronik, der sich mit leitfähigen organischen Polymeren oder kleinen organischen Molekülen befasst, für Lichtabsorption und Ladungstransport zuüber den photovoltaischen Effekt Strom aus Sonnenlicht erzeugen.

Dies ermöglicht organischesPhotovoltaikzellen, um Sonnenenergie effizienter in elektrische Energie umzuwandeln als andere Arten von Solarzellen, einschließlich der Siliziumzellen, die in den meisten gängigen Solarmodulen enthalten sind.

Allerdings haben aktuelle OSC-Systeme im Vergleich zu traditionelleren siliziumbasierten Panels tendenziell eine kürzere erwartete Lebensdauer. Dies liegt an ihrer im Allgemeinen geringeren Stabilität und geringeren Festigkeit.

Ein weiteres Problem bei OSCs sind ihre relativen Material-Extinktionskoeffizienten ein Maß für den Lichtverlust aufgrund von Streuung und Absorption pro Volumeneinheit. Materialien mit höheren Absorptionskoeffizienten absorbieren leichter Photonen, die Elektronen in das Leitungsband anregen. Der Extinktionskoeffizient vonOSCs ist noch nicht so gut wie bei Solarmodulen auf Siliziumbasis.

Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass sich OSCs noch in der Entwicklung befinden und Durchbrüche bei neuen Materialien, Verarbeitungsmethoden und Gerätearchitekturen dieses Manko wahrscheinlich beheben werden.

OSCs können auch für einige interessante Anwendungen verwendet werden, die mit nicht-organischen Solarmodulen nicht möglich wären. Sie können beispielsweise transparent gemacht und auf bestimmte Lichtwellenlängen spezialisiert werden.

Organische Solarzellen könnten einige interessante Anwendungen haben – wie die Verglasung von Gewächshäusern zur Stromerzeugung. Quelle: prill/iStock

Dies könnte Anwendungen in habenStrukturen wie Gewächshäuser, wobei OSC-Paneele die Hauptverglasung der Struktur bilden können. Ein solcher Aufbau könnte es ermöglichen, dass Lichtwellenlängen, die üblicherweise von Pflanzen verwendet werden, durch die OSC-Paneele dringen, während andere Wellenlängen zur Stromerzeugung verwendet werden.

Sie können auch leicht in tragbare elektronische Geräte integriert werden, sodass Verbraucher ihre Elektronik unterwegs mit Strom versorgen/aufladen können – auch bei schlechten Lichtverhältnissen.

Was sind die Hauptkomponenten eines PV-Solarmoduls?

Und so weiter zum Hauptevent.

Obwohl PV-Anlagen in Form und Design variieren können, atypische PV-Anlage wird im Allgemeinen die folgenden Schlüsselkomponenten haben.

1. Die Fotozellen sind buchstäblich das Gesicht einer PV-Einheit

Quelle: alexsi/iStock

Solar- oder Fotozellen sind die Hauptarbeitspferde jeder PV-Anlage. Dies sind die Teile, die am auffälligsten auf Gebäudedächern oder unter Umständen an Wänden oder sogar auf dem Boden montiert werden.

Die Fotozellen haben die Aufgabe, Sonnenlicht in Elektrizität umzuwandeln. Sie tun dies durch den oben beschriebenen Prozess – den photovoltaischen Effekt.

Die meisten Solarzellen bestehen aus einer Mischung aus Silizium, Aluminium für den Rahmen und einer Polymerrückseite. Solarzellen können in Größe, Farbe und Form stark variieren, aber alle folgen dem gleichen Grunddesign.

Die Größe eines Solarpanels wird normalerweise durch das Maximum bestimmtWattbereichdie das Panel erzeugen soll. Normalerweise kann das für Haushaltsanwendungen irgendwo zwischen liegen200 und 400 Watt pro Panel, obwohl die meisten im Allgemeinen etwa 260 Watt haben.

Andere als dieHauptbestandteile der SolarzelleSolarzellen neigen dazu, zwischen Verkapselungsschichten eingeschlossen zu werden - Metallträgerplatten und vordere Schichten aus gehärtetem Glas. Alle diese Schichten werden dann normalerweise in einem Aluminiumrahmen zusammengehalten.

2. Die Montagegestelle sind natürlich auch sehr wichtige Komponenten

Beispiel für ein nachgeführtes PV-Modularray-Montagesystem. Quelle: Vinaykumar8687/Wikimedia Commons

Die Paneele zu haben ist großartig, aber im Allgemeinen benötigen Sie etwas, um sie zu montieren und eine Möglichkeit, die Paneele auszurichten. Hier sind die Montagegestelle von entscheidender Bedeutung.

Dachmontagesysteme sind am gebräuchlichsten, da Dachinstallationen im Allgemeinen als ästhetischer und effizienter als Bodeninstallationen angesehen werden. Sie nutzen auch "verschwendeten" Platz auf bestehenden Strukturen wie Häusern, ohne dass wertvolles Land oder Grün verwendet werden mussPlatz.

Doch auf dem Dach montierte Systeme sind aufgrund ihrer erhöhten und oft unzugänglichen Lage in der Regel schwieriger zu warten. Andere Montagemethoden wie Mastmontage und natürlich Bodenmontage sind ebenfalls recht verbreitet.

Letzteres ist die am einfachsten zu installierende Form des Montagesystems und letztendlich die einfachste für langfristige Wartung und Reparatur. Sie haben jedoch den Nachteil, dass sie Bodenfläche beanspruchen, die für etwas anderes verwendet werden könnte, z. B. ein anderes Gebäude, Parkland, Ackerland usw.

Egal welcher Montageort gewählt wird, die meisten Regalsysteme neigen dazu, entweder fest oder nachgeführt zu sein. Erstere, wie der Name schon sagt, "fixiert" die Platten in einer bestimmten Höhe und einem bestimmten Winkel und sie können sich daher nicht in der Ausrichtung bewegen.zur Sonne.

Solarmodule funktionieren in der Regel am besten, wenn das Sonnenlicht direkt auf das Panel trifft. Das ist alles schön und gut für eine feste Lichtquelle, aber wenn man sich auf die Sonne verlässt die relativ zum Panel ständig in Bewegung ist, kann dies fast unmöglich seinTag und Jahr mit einem festen System zu pflegen.

Aus diesem Grund, feste Systeme wird oft in einem festgelegten Winkel angebracht, der für den Allround-Einsatz ein Kompromiss ist. Dieser beträgt normalerweise etwa 37 Grad.

Auf der anderen Seite sind Tracking-Montagesysteme in der Lage, die Bewegung der Sonne über den Tag und das Jahr hinweg zu verfolgen, indem sie ihre Blickrichtung ständig ändern. Sie können auch ihren Winkel anpassen, um das ganze Jahr über den optimalen Einfallswinkel beizubehalten.

3. Der Wechselrichter ist das Arbeitspferd jeder Solaranlage

Quelle: Colin/Flickr

Solarmodule sind großartig, aber der Strom, den sie produzieren, ist in der Regel Direktstrom DC. Während für einige Anwendungen Gleichstrom verwendet werden kann, werden die meisten Solarmodule installiert, um nutzbaren Strom für ein Haus oder Gewerbe zu liefern.

Dies bedeutet, dass eine weitere Technologie erforderlich ist, um Gleichstrom in Wechselstrom AC umzuwandeln. Das ist die Aufgabe des Wechselrichter.

Der Wechselrichter ist ein hart arbeitendes Teil des Bausatzes, das während der Lebensdauer eines typischen Solarmoduls nahezu konstant in Betrieb ist. Wenn ein Solarpanel-System aus irgendeinem Grund ausfällt, ist daher normalerweise der Wechselrichter der Hauptschuldige.

Aus diesem Grund haben die meisten Wechselrichter tendenziell eine kürzere Garantie als das Hauptpanel selbst – etwas, das Sie bedenken sollten, wenn Sie die Installation einer Solaranlage in Betracht ziehen.

Zwei verschiedene Arten von Wechselrichtern werden in einem Solarpanel-System verwendet. Diese werden String-Wechselrichter und Mikro-Wechselrichter genannt.

Die ersteren sind größere Geräte und werden normalerweise an einer Wand, einem Dach oder einem schattigen Bereich des Standorts installiert. Wie der Name schon sagt, wandeln diese Wechselrichter "einen Strang" von Strom um, der von einer PV-Anlage erzeugt wird, anstatt pro Panel.

Mikro-Wechselrichter werden hingegen auf jedem Panel typischerweise auf der Rückseite installiert. Dadurch kann der DC panelweise umgewandelt werden, bevor er in ein Gebäude oder das Netz eingespeist wird.

Obwohl beide Typen ihre Vor- und Nachteile haben, ist einer der Hauptvorteile von Mikrowechselrichtern die Tatsache, dass bei Verschattung einiger Module in einem String-Wechselrichtersystem die Effizienz aller Module direkt beeinflusst wird. Dies ist bei Mikrowechselrichtern nicht der Fall.wo nur die schattierten Tafeln betroffen sind.

4. Der Verbrauchszähler misst, wie viel Saft die Platten produzieren

Quelle: pagaling/Pixabay

Ob Ihre PV-Anlage über einen Batteriespeicher verfügt oder nicht, sie integriert eine Art von aNutzwertzähler um den Stromverbrauch pro Immobilie zu messen. Zähler, die auf Grundstücken mit PV-Anlagen installiert sind, erfassen auch die von den Modulen erzeugte Strommenge und ermöglichen es Ihnen in einigen Fällen, überschüssigen Strom zurück ins Netz einzuspeisen.

Je nachdem, wo Sie auf der Welt leben und wie Sie mit Ihrem Stromanbieter vereinbart haben, werden Sie normalerweise für überschüssige Energie, die Sie exportieren, bezahlt – was schön ist.

5. Batterien sind ein immer wichtigerer Bestandteil eines Solarpanelsystems

Quelle: Tesla

Einer der Hauptkritikpunkte an erneuerbaren Technologien wie PV-Solarzellen ist ihre Unzuverlässigkeit bei ungünstigen Umgebungsbedingungen. Im Fall von Solaranlagen führt der Mangel an Sonnenlicht dh während der Nacht dazu, dass sie effektiv zu sehr teuren Dachziegeln werden undetwas mehr für einen guten Teil der Zeit.

Um dem entgegenzuwirken, werden PV-Anlagen zunehmend mit einer Form von a kombiniertBatteriespeichersystem. Dieses Setup bedeutet, dass Strom gespeichert und später angezapft werden kann, ohne auf netzgespeisten Strom zurückgreifen zu müssen, wenn die Sonne untergeht.

Im Fall von Teslas Powerwall, solche Systeme bieten auch Backup-Schutz für Orte, die häufig unter Stromausfällen leiden.

Normalerweise als Energiespeichersysteme bezeichnet, speichern Solar-PV-Batterien effektiv überschüssigen Strom von PV-Modulen für die spätere Verwendung. Zu den großen Namen in der Szene gehören Samsung und Tesla, und viele Energieunternehmen bieten auch kombinierte Solar-PV- undBatteriepakete.

Batterien kommen in der Regel in einer von wenigen Formen vor, aber bei weitem die gebräuchlichsten sind wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien. Dies liegt an ihrer relativ geringen Größe und ihrer hervorragenden Kapazität, Strom zu speichern.

Allerdings sind vorher einige Überlegungen zu berücksichtigeneigentlich installieren. Wenn beispielsweise der größte Teil der vom PV-Generator erzeugten Energie tatsächlich tagsüber verbraucht oder zum Erhitzen von Wasser verwendet wird, ist eine Batterie möglicherweise nicht wirtschaftlich.

6. Der Laderegler ist auch ein sehr wichtiger Bestandteil jeder PV-Anlage

Beispiel für einen MPPT-Laderegler. Quelle: Stephan Ridgway/Flickr

Für PV-Anlagen, die auch einen Batteriespeicher integrieren, Laderegler sind ein weiterer kritischer Teil des Systems. Sie haben in erster Linie die Aufgabe, die Akkupacks vor Überladung zu schützen, regeln ständig die Ladekapazität einer Batterie und passen die Versorgung entsprechend an.

Wenn die Batterie voll ist, schaltet der Laderegler automatisch die Stromversorgung der PV-Module ab, um zu verhindern, dass die Batterien dauerhaft beschädigt werden.

Laderegler gibt es in der Regel in einer von zwei Formen: Pulsweitenmodulation PWM und Maximum Power Point Tracking MPPT. Ersteres ist besser für kleinere PV-Anlagen im häuslichen Maßstab geeignet und variiert tendenziell zwischen 4 und 60 Ampere.

Letzteres eignet sich eher für größere Installationen mit höheren Spannungen – oft bis zu 160 Volt DC.

Und das, Solar-PV-Initiatoren, ist Ihr Los für heute.

Jetzt, da Sie ein grundlegendes Verständnis davon haben, was eine PV-Anlage ist und was die Hauptkomponenten einer PV-Anlage sind, möchten Sie vielleicht nach einer möglichen Installation in Ihrem eigenen Zuhause suchen?

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