Wie Solarmodule funktionieren

Die Struktur des Solarmoduls und sein Funktionsprinzip hängen von den Materialien und der Technologie ab, aus denen es hergestellt wird. Daher ist es notwendig, die Merkmale der wichtigsten Optionen zu kennen, um ihre Unterschiede zu verstehen und die geeignete Lösung für den Einsatz zu wählen. Alle Angaben sind für Qualitätsprodukte relevant, Billigbatterien erfüllen die angegebenen Parameter möglicherweise nicht, da sie oft mit technischen Unregelmäßigkeiten hergestellt werden.

Standardausführung eines starren Solarmoduls.

Terminologie

Die wichtigsten in diesem Bereich verwendeten Begriffe sind:

1. Solarenergie - Strom, der mit Hilfe von Sonnenkollektoren aus der Sonne gewonnen wird.
2. Sonneneinstrahlung - gibt an, wie viel Sonnenlicht pro Quadratmeter Fläche senkrecht zu den Strahlen empfangen wird.
3. Fotovoltaikzellen - Module, die Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln können. Sie erzeugen in der Regel 1 bis 2 Watt Energie, aber es gibt auch leistungsstärkere Varianten.
4. Fotovoltaikanlage - eine Anlage, die Sonnenlicht in Strom umwandelt.
5. Solarzellen oder -paneele sind eine Gruppe von photovoltaischen Zellen, die in einem großen Modul zusammengefasst und in Reihe oder parallel geschaltet sind. In der Regel enthält eine einzelne Batterie 36 bis 40 Segmente.
6. Array - mehrere Solarmodule, die miteinander verbunden sind, um die erforderliche Strommenge zu erhalten.
7. Gerahmte Module - Strukturen in einem Aluminiumrahmen, die robust und luftdicht sind.
8. Rahmenlose Elemente - flexible Ausführungen, sie werden bei Anwendungen mit geringerer Belastung eingesetzt.
9. Kilowattstunde (kW) - ein Standardmaß für die elektrische Leistung.
10. Wirkungsgrad (Effizienz) - von Solarmodulen. Gibt an, wie viel der auf die Oberfläche auftreffenden Sonnenenergie in Strom umgewandelt wird. Normalerweise liegt die Zahl bei 15-24 %.
11. Degradation - Verringerung der Solarzellenkapazität, die auf natürliche Ursachen zurückzuführen ist. Gemessen als Prozentsatz der ursprünglichen Werte.
12. Spitzenlasten sind die Zeiten, in denen die größte Menge an Strom benötigt wird.
13. Kristallines Silizium ist das Rohmaterial für Solarzellen. Die heute am weitesten verbreitete und dauerhafteste Option.
14. Amorphes Silizium - Zusammensetzung, die durch Aufdampfen auf die Oberfläche aufgebracht und mit einer Schutzschicht versiegelt wird.
15. Halbleiter - Stoffe, die unter bestimmten Bedingungen einen Strom leiten können. Dazu gehören die meisten der neuen Materialien, die bei der Herstellung von Solarzellen verwendet werden.
16. Wechselrichter - ein Gerät, das Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt.
17. Regler - regelt die Ausgangsspannung der Solarmodule, um die Batterien ordnungsgemäß zu laden.

Karte der Sonneneinstrahlung in Russland.

Dies sind nur die gängigsten Begriffe, es gibt noch weitere Möglichkeiten. Aber selbst wenn Sie die Grundlagen kennen, werden Sie das Thema viel besser verstehen.

Qualitätskategorien

Um die Qualität eines Solarmoduls zu beurteilen, muss zunächst die Qualität des für die Herstellung der Solarzellen verwendeten Rohstoffs ermittelt werden. Dies bestimmt die Effizienz und die Lebensdauer des Endprodukts. Es gibt vier Hauptklassen:

1. Note A - Die beste Sorte, die frei von Beschädigungen und Rissen ist. Die Homogenität der Füllung und die Glätte der Oberfläche garantieren eine hohe Leistung, die oft sogar höher ist als in den Unterlagen angegeben. Außerdem weist diese Variante die geringste Verschlechterungsrate auf und behält über einen langen Zeitraum eine gute Leistung bei.
2. Note B ist von etwas geringerer Qualität und kann Oberflächenfehler aufweisen. Sie wird jedoch häufig verwendet, um ein Produkt herzustellen, das in seiner Leistung mit der Güteklasse A vergleichbar ist. Der Abbaukoeffizient ist viel niedriger, so dass es seine ursprünglichen Eigenschaften schneller verliert.
3. Note C - eine Option, die schwerwiegende Mängel aufweisen kann, von Rissen bis hin zu Absplitterungen und anderen Schäden. Diese Module sind viel billiger im Preis, aber auch ihr Wirkungsgrad ist nie mehr als 15%. Eine preiswerte Lösung, die für kleine Lasten geeignet ist.
4. Note D - Im Grunde handelt es sich dabei um Abfallmaterial, das bei der Herstellung von PV-Zellen anfällt und nicht für die Herstellung von Batterien verwendet werden sollte. Aber viele weniger ehrliche Hersteller, vor allem in Asien, verwenden sie in der Produktion. Die Leistung dieser Option ist extrem schlecht.

Es ist besser, sich für die erste Option zu entscheiden, zur Not tut es auch die zweite. Nur sie sind in der Lage, eine normale Leistung zu erbringen und halten lange Zeit.

Auch die Schutzfolien für Solarmodule sollten von hoher Qualität sein.

EVA-Laminiermaterial ist eine spezielle Folie, die auf der Vorderseite angebracht wird und auf der Rückseite verwendet werden kann. Der Hauptzweck besteht darin, die Bedienelemente vor ungünstigen Einflüssen zu schützen, ohne das Sonnenlicht zu beeinträchtigen. Hochwertige Versionen halten etwa 25 Jahre, minderwertige 5 bis 10 Jahre. Es ist unmöglich, eine Sorte mit dem Auge zu definieren, deshalb ist es einfacher, sie anhand des Preises zu beurteilen - gute Varianten haben keine niedrigen Preise.

In dem Video wird der elektrische Strom am Beispiel der Sonneneinstrahlung anschaulich erklärt.

Wie es funktioniert

Es ist schwierig zu erklären, wie ein Solarmodul funktioniert, aber einige allgemeine Hinweise können gegeben werden:

1. Wenn das Sonnenlicht auf die Photovoltaikzellen trifft, bilden sich dort Elektron-Loch-Paare, die sich nicht im Gleichgewicht befinden.
2. Der Überschuss an Elektronen führt dazu, dass sie in die untere Schicht des Halbleiters wandern.
3. Im externen Stromkreis wird eine Spannung erzeugt. Der positive Pol entsteht am Kontakt der p-Schicht und der negative Pol am Kontakt der n-Schicht.
4. Wird ein Akkupack an die Photovoltaikzellen angeschlossen, entsteht ein geschlossener Stromkreis, und die ständig in Bewegung befindlichen Elektronen sorgen für eine allmähliche Aufladung des Akkus.
5. Herkömmliche Siliziummodule sind Einzelzellen, die nur aus einem bestimmten Spektrum des Sonnenlichts Energie erzeugen können. Aus diesem Grund ist der Wirkungsgrad der Geräte gering.
6. Um das Problem zu lösen, haben die Hersteller Kaskadenversionen entwickelt; sie können Energie aus verschiedenen Strahlen des Sonnenspektrums beziehen. Sie erhöht die Effizienz, aber aufgrund der hohen Produktionskosten ist der Preis für solche Paneele viel höher.
7. Die Energie, die nicht in Strom umgewandelt wird, wird in Wärme umgewandelt, so dass sich die Solarmodule auf bis zu 55 Grad und die Halbleiterpaneele auf bis zu 180 Grad aufheizen. Und je heißer es wird, desto geringer wird der Wirkungsgrad des Solarmoduls.

Das einfachste Diagramm eines Solarmoduls.

Übrigens! Sonnenkollektoren sind an klaren Wintertagen am effektivsten, wenn viel Licht vorhanden ist und die niedrigen Temperaturen die Oberfläche abkühlen.

Woraus bestehen Solarmodule?

Um die Konstruktion eines Solarmoduls zu studieren, müssen Sie die wichtigsten Varianten kennen, da die Produktionstechnologie je nach den verwendeten Rohstoffen erhebliche Unterschiede aufweist:

1. CdTe-Batterien. Cadmiumtellurid wird für die Herstellung von Folienmodulen verwendet. Eine Schicht von einigen hundert Mikrometern reicht aus, um einen Wirkungsgrad von ca. 11 % oder etwas mehr zu erreichen. Aber in Watt pro Watt ist es mindestens 30 % billiger als herkömmliche Silizium-Alternativen. Und es ist eine viel dünnere und leichtere Alternative.
2. Der CIGS-Typ. Die Abkürzung bedeutet, dass es Kupfer, Indium, Gallium und Selen enthält. Der resultierende Halbleiter wird ebenfalls in einer kleinen Schicht aufgebracht, aber im Gegensatz zur ersten Variante ist der Wirkungsgrad hier mit 15 % um eine Größenordnung höher.
3. GaAs und InP sind in der Lage, eine dünne Schicht von 5-6 μm abzuscheiden und haben einen Wirkungsgrad von etwa 20 %. Dies ist ein neues Wort in der Technologie der Stromerzeugung aus Sonnenlicht. Dank ihrer hohen Betriebstemperaturen können die Batterien ohne Leistungseinbußen auf ein hohes Niveau erhitzt werden. Da bei der Herstellung jedoch Seltene Erden verwendet werden, sind die Kosten für diesen Typ hoch.
4. Quantenpunkt-Batterien (QDSC). Sie verwenden Quantenpunkte anstelle von herkömmlichen Massenmaterialien als Absorptionsmaterial für die Umwandlung von Sonnenenergie. Durch die Abstimmung der Bandlücken ist es möglich, Multi-Junction-Module herzustellen, die die Sonnenenergie effizienter absorbieren.
5. Amorphes Silizium wird durch Verdunstung aufgebracht und hat eine heterogene Struktur. Sie ist nicht sehr effizient, aber die homogene Oberfläche absorbiert selbst gestreutes Licht sehr gut.
6. Polykristallin Varianten, die durch Schmelzen von Silizium und Abkühlen unter bestimmten Bedingungen hergestellt werden, um unidirektionale Kristalle zu erhalten. Eine der gängigsten Lösungen, da sie billig in der Herstellung und sehr effizient ist.
7. Monokristallin Zellen bestehen aus Einkristallen, die in dünne Platten geschnitten und mit Phosphor legiert sind. Die langlebigste Lösung, die sich durch geringe Degradationsraten und eine Lebensdauer von mindestens 30 Jahren auszeichnet, in den meisten Fällen jedoch um 10-15 Jahre länger.

Kadmiumtellurid-Batterien gehören zu den rentabelsten, was die Kosten pro Kilowatt Strom angeht.

Apropos! Da die Effizienz dieser oder jener Variante von der Produktionstechnologie abhängt, ist es notwendig, dies zu klären.

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Vor- und Nachteile von Sonnenkollektoren

Jeder Typ hat seine eigenen Merkmale, die bei der Auswahl des am besten geeigneten Typs zu berücksichtigen sind:

1. Monokristalline Paneele haben den höchsten Wirkungsgrad und sparen somit Platz auf den Modulen. Sie haben eine Lebensdauer von mindestens 25 Jahren und verlieren nur langsam an Leistung. Zugleich ist die Oberfläche sehr schmutzempfindlich und muss häufig gereinigt werden. Und der Preis ist der höchste von allen silikonbasierten Varianten.
2. Polykristalline Varianten absorbieren die Sonnenstrahlen nicht so effektiv, funktionieren aber besser bei diffusem Licht. Sie bieten ein besseres Preis-Leistungs-Verhältnis, benötigen aber wegen ihrer geringeren Effizienz mehr Platz.
3. Batterien aus amorphem Silizium können überall angebracht werden, auch an den Wänden von Gebäuden, da sie diffuses Licht gut absorbieren. Aufgrund ihres geringen Wirkungsgrades sind sie preisgünstig, so dass sie als Sparvariante eingesetzt werden können. Gleichzeitig haben sie eine lange Lebensdauer und sind weniger anfällig für Oberflächenverschmutzung.
4. Die Varianten der Seltenen Erden haben ähnliche Vor- und Nachteile, so dass sie zusammen betrachtet werden können. Sie sind den klassischen Paneelen in puncto Effizienz überlegen und können bequem auf Folie aufgebracht werden. Sie haben einen größeren Temperaturbereich, so dass die Erwärmung die Leistung nicht beeinträchtigt. Aufgrund des hohen Preises und der Seltenheit der Metalle werden diese Möglichkeiten jedoch nicht in großem Umfang genutzt.

Die Möglichkeit der Wandmontage vereinfacht die Installationsarbeiten.

Wo zu verwenden

Alle in Betracht gezogenen Optionen können im privaten Bereich installiert werden, um Strom aus der Sonne zu gewinnen und Energiekosten zu sparen, oder sogar um eine vollständige Autonomie zu erreichen. Bei der Verwendung gibt es einige einfache Richtlinien zu beachten:

1. Monokristalline und polykristalline Varianten werden am besten auf dem Dach oder auf dem Boden installiert, wobei im Vorfeld ein Rahmen im richtigen Winkel konstruiert wird. Vorzugsweise sollte der Winkel verstellbar sein, damit Sie sich dem Sonnenstand anpassen können.
2. Die Folienmodule können überall angebracht werden, sowohl an Wänden als auch an Dächer. Sie funktionieren auch dann gut, wenn die Strahlen die Oberfläche nicht im richtigen Winkel erreichen, was sehr wichtig ist.
3. Auch die Industrie bevorzugt Folienheizkörper, da sie billiger und einfacher zu installieren sind.

Folienversionen sind bei großen Arbeitsmengen einfacher zu installieren.

Es gibt verschiedene Arten von Solarmodulen, aber etwa 90 % des Marktes wird von traditionellen Siliziummodellen beherrscht, da sie preisgünstig und leistungsstark sind. Sie können sich auch für eine der Halbleiterlösungen entscheiden, aber dann müssen Sie anderthalb bis zwei Mal mehr Geld ausgeben.