Photovoltaik

Photovoltaik

1. Prinzipieller Aufbau und Funktion von photovoltaischen Energieversorgungssystemen

a) Aufbau einer Solarzelle
Halbleiter sind für die Nutzung des photovoltaischen Effekts am besten geeignet (Der photovoltaische Effekt ist die Erzeugung von Spannung oder elektrischem Strom in einem Material bei Lichteinwirkung und ist eine physikalische und chemische Eigenschaft/Phänomen). Halbleiter sind eine Mischung aus einem leitenden (Metall) und einem nichtleitenden (Isolator (Ein elektrischer Isolator ist ein Material, dessen innere elektrische Ladungen nicht frei fließen; unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes fließt sehr wenig elektrischer Strom durch ihn)) Material. In der Photovoltaik wird Silizium meist als Halbleiter eingesetzt. Durch selektives Einbringen von Fremdatomen (z.B. Bor (Bor ist ein chemisches Element mit dem Symbol B und der Ordnungszahl 5) oder Phosphor (Phosphor ist ein chemisches Element mit dem Symbol P und der Ordnungszahl 15) ) in das Kristallgitter des Siliziumkristalls, so entstehen im Siliziumwafer (A-Wafer) zwei Schichten mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften, auch Scheibe oder Substrat genannt, ist eine dünne Scheibe aus Halbleitermaterial, wie z.B. kristallines Silizium, das in der Elektronik für die Herstellung von integrierten Schaltungen und in der Photovoltaik für konventionelle, waferbasierte Solarzellen verwendet wird. Die

sogenannte n- (Spender) oder p- (Akzeptor) Schicht. Dieser Vorgang wird als Doping bezeichnet. Die Dotierung ist notwendig, weil Halbleiter nur schwach leiten. Die Dotierung (in der Halbleiterproduktion ist die absichtliche Einführung von Verunreinigungen in einen intrinsischen Halbleiter zum Zwecke der Modulation seiner elektrischen Eigenschaften) gibt den Halbleitern ein großes Potential an freien Ladungsträgern (in der Physik ist ein Ladungsträger ein Teilchen, das sich frei bewegen kann und eine elektrische Ladung trägt, insbesondere die Teilchen, die elektrische Ladungen in elektrischen Leitern tragen), und deshalb sind sie gute Leiter. Während der Spender der Elektronendonator ist (Ein Elektronendonator ist eine chemische Einheit, die Elektronen an eine andere Verbindung spendet), ist der Akzeptor der Elektronenempfänger, wobei die Kontaktierung der Solarzelle für die Vorder- und Rückseite unterschiedlich ist. Während der metallische Kontakt auf der Rückseite aufgebracht werden kann, muss der Kontakt auf der dem Licht zugewandten Seite so gestaltet sein, dass möglichst viel Licht auf das Silizium trifft. Monokristalline Solarzellen haben daher auf der Vorderseite sehr schmale metallische Leiterbahnen, meist Kontaktfinger genannt, zur Spannungsableitung. polykristalline und amorphe Solarzellen), aber nur die monokristalline Solarzelle (monokristallines Silizium ist das Ausgangsmaterial für Siliziumchips, die heute in nahezu allen elektronischen Geräten verwendet werden) wurde zur Vereinfachung beschrieben. Sie wird in der Praxis am häufigsten verwendet und ist für den Leser aufgrund der Komplexität der Halbleiterphysik am einfachsten zu verstehen.

b) Grundlegende Wirkungsweise
Durch die bereits unter a) erwähnte Dotierung wird eine p-dotierte Schicht mit einem Überschuss an freien positiven Ladungsträgern und eine n-dotierte Schicht mit negativen Ladungsträgern erhalten. Im Siliziumplättchen bildet sich eine n/p-Grenzschicht. Durch die entgegengesetzte Dotierung fand bereits im dunklen Zustand eine Verschiebung (Diffusion) von Elektronen in die p-Schicht oder von Löchern in die n-Schicht um die n/p-Grenzschicht statt. Diese diffundierten Elektronen und Löcher werden auf beiden Seiten der Grenzfläche gestoppt und bilden so ein elektrisches Feld, das vom n- zum p-Halbleiter gerichtet ist (Halbleiter sind kristalline oder amorphe Festkörper mit ausgeprägten elektrischen Eigenschaften) .

Es gibt ein Loch im Kristallgitter. Diese hat eine positive Ladung, die der Größe nach der Ladung eines Elektrons entspricht. Auf diese Weise wirkt es auf ein Elektron, das es nun aus seiner Bindung löst und das Loch besetzt. Aber natürlich entsteht dadurch wieder ein Loch, das wiederum auf ein Elektron wirkt. Er verlässt seinen alten Platz, nimmt das Loch ein und hinterlässt einen Fehler. Im Prinzip ein unendlicher Kreislauf. Dadurch entsteht ein elektrisches Feld an der Schnittstelle.

der Photonen (Lichtquanten -> massenfreie Elementarteilchen) auf die dotierte Siliziumschicht treffen, werden Elektronen durch die Energie der Photonen aus dem Atomgitter (in der Kristallographie ist die Kristallstruktur eine Beschreibung der geordneten Anordnung von Atomen, Ionen oder Molekülen in einem kristallinen Material) des Kristalls gelöst. Diese werden nach dem elektrischen Feld sortiert (Ein elektrisches Feld ist ein Vektorfeld, das jedem Punkt im Raum die Coulomb-Kraft zuordnet, die pro Einheit der elektrischen Ladung durch eine unendlich kleine Testladung an diesem Punkt erfahren würde). Es besteht eine Potentialdifferenz (Spannung, elektrische Potentialdifferenz, elektrischer Druck oder elektrische Spannung ist die Differenz der elektrischen Potentialenergie zwischen zwei Punkten pro Einheit elektrischer Ladung) und damit auch eine Spannung an den äußeren Anschlusskontakten, so dass beim Anschluss einer Last ein Strom fließen kann.

c) Der Aufbau des Solarmoduls

Die derzeit verwendeten kristallinen Solarzellen der Größe 100 x 100 mm liefern eine Leistung von ca. 1,5 Watt bei einem Strom von ca. 2,5 A bei voller Einstrahlung. Um unter diesen Bedingungen eine technisch nutzbare Leistung zu erzielen und das hochempfindliche Siliziumplättchen zu schützen, ist es notwendig, mehrere Solarzellen an ein Solarmodul anzuschließen (Solarpanel bezeichnet ein Panel, das die Sonnenstrahlen als Energiequelle zur Erzeugung von Strom oder Wärme absorbiert).

Die Leistung einer Solarzelle reicht kaum für mehr als einen Rechner. Zur Stromerzeugung werden Solarzellen daher in Solarmodulen miteinander verbunden, wo sie durch eine Glasfrontabdeckung, eine Rückwand und einen Rahmen vor extremen Witterungseinflüssen und Beschädigungen geschützt sind. (Staatsministerium 26)

Durch den Anschluss einzelner Solarzellen an feste Einheiten von 10….40 Zellen werden die sogenannten Module hergestellt. Je nach Spannungs- und Strombedarf können die Zellen des Moduls in Reihe (Spannung addiert; Strom = konstant) oder parallel (Strom addiert; Spannung = konstant) geschaltet werden. Daraus ergibt sich für ein solches Modul eine Leerlaufspannung (Leerlaufspannung ist die Differenz des elektrischen Potentials zwischen zwei Klemmen eines Gerätes bei Trennung von einem beliebigen Stromkreis) von ca. 15 bis 24V.

Die maximale Leistung oder Spitzenleistung (Pmax) von Solarzellen (Eine Solarzelle oder Photovoltaikzelle) ist ein elektrisches Gerät, das die Energie des Lichts durch den photovoltaischen Effekt direkt in Strom umwandelt, die ein physikalisches und chemisches Phänomen ist) und Module in Wattpeak (Die Nennleistung ist die Nennleistung von Photovoltaikgeräten wie Solarzellen, Panels und Systemen und wird durch Messung des elektrischen Stroms und der Spannung in einem Stromkreis bestimmt, wobei der Widerstand unter genau definierten Bedingungen variiert wird) (Wp). Voraussetzung für die Messung der maximalen Leistung sind Standardbedingungen wie Einstrahlung (1000W/m²), Zelltemperatur (25C°) und Lichtspektrum (AM 1,5). Diese standardisierten Leistungsdaten ermöglichen den Vergleich von Modulen verschiedener Hersteller. (Die Spitzenleistung ist stark abhängig von der Zelltemperatur, die mit zunehmender Bestrahlungsstärke (in der Radiometrie ist die Bestrahlungsstärke der von einer Fläche pro Flächeneinheit empfangene Strahlungsfluss) und der Temperatur stark abnimmt.)

Die Ausgangsleistung von Solarzellen ist stark von der Temperatur der Zelle abhängig: Die Spannung sinkt um mehr als 0,5% pro Grad Temperaturerhöhung, der Strom steigt um ca. 0,05%. Die Spannungsabhängigkeit hat einen starken Einfluss auf die Leistung, d.h. die Leistung sinkt um ca. 0,5%, wenn die Zelle 1 Grad wärmer wird.

Technische Realisierung und Probleme einer Photovoltaikanlage im Haushalt
a) System- und Systemtechnik
Ein Solargenerator aus mehreren miteinander verbundenen Solarmodulen erzeugtGleichstrom (Gleichstrom ist ein Strom von elektrischen Ladungsträgern, der immer in die gleiche Richtung fließt) aus der Sonnenenergie (Sonnenenergie ist strahlendes Licht und Wärme von der Sonne , die mit einer Reihe von immer-sich entwickelnde Technologien wie die Solarthermie, Photovoltaik, Solarthermie, Solararchitektur, Salzschmelzkraftwerke und künstliche Photosynthese ) . Dieser wird in netzkonformen Wechselstrom umgewandelt (Wechselstrom ist ein elektrischer Strom, der periodisch die Richtung ändert, während Gleichstrom nur in eine Richtung fließt) und direkt in das Hausnetz eingespeist, das an das öffentliche Stromnetz angeschlossen ist

-Stromnetz
– Sie können sie wie Lego

b) Anwendungen
Oral:
– Sie können Photovoltaikanlagen in allen Bereichen einsetzen, in denen Sie mit Strom arbeiten!
c) Probleme aus der Praxis
Neben den üblichen Problemen wie der Ausrichtung der Module oder den bauaufsichtlichen Normen gibt es weitaus gravierendere Probleme bei der technischen Umsetzung. Bisher wurde nur ein netzgekoppeltes System erwähnt, nicht aber ein autarkes (unabhängiges)
Sonnensystem (Das Sonnensystem ist das gravitativ gebundene System aus der Sonne und den Objekten, die sie direkt oder indirekt umkreisen). Dafür gibt es einen besonderen Grund, nämlich die Speicherung von Energie.

Mündlich:
-für die Speicherung von Energie sind sehr teure Batterien und Systeme notwendig, die für den Durchschnittsbürger in keiner Weise rentabel wären.

Autarke oder Inselnetze sind daher für den normalen Hausgebrauch völlig ungeeignet und werden nach Angaben der Mitarbeiter des Solarunternehmens nur in speziellen Bereichen eingesetzt.

PV-Generatoren sind Stromquellen und keine Spannungsquellen. Ihr Bemessungskurzschlussstrom liegt daher nur geringfügig (1,2-fach) über dem Bemessungsstrom. Aus diesem Grund ist ein Solargenerator unbegrenzt kurzschlussfest. Herkömmliche Überstromschutzeinrichtungen (Sicherungen mit Schmelzsicherungen oder Leitungsschutzschalter) reagieren hier nicht, da sie mindestens den dreifachen Nennstrom benötigen, um schnell auszulösen. Da die Anlage auch bei sehr geringer Einstrahlung Strom erzeugt, d.h. fast immer unter Spannung steht, kann sie bei Fehlerströmen, z.B. durch Isolationsfehler an Kabeln und Leitungen, nicht einfach abgeschaltet werden.

Ökonomische Möglichkeiten und Grenzen
a) Wirtschaftlichkeit und Kosten einer Photovoltaikanlage (Eine Photovoltaikanlage, auch PV-Anlage oder Solarstromanlage, ist eine Anlage zur Versorgung mit nutzbarem Solarstrom mittels Photovoltaik) im Haushalt
Oral:
– Solarenergie ist 10 mal teurer als die normale
–
Aber dieses Bild ist verzerrt, weil der Preis für konventionelle Energie nicht alle Kosten (Ausgaben für Umweltschäden, Gesundheitsschäden, Entsorgung, etc.) beinhaltet.).), würde sich die Wettbewerbssituation der Photovoltaik verbessern, wenn all diese Folgekosten berücksichtigt würden.
–
Die Solarzellen wandeln die Sonnenstrahlung (egal ob direkte oder diffuse Strahlung) direkt und ohne mechanische Verschleißteile in Strom um. Entsprechend gering ist der Wartungsaufwand.

Die Kilowattstunde ist eine abgeleitete Energieeinheit von 3,6 Megajoule, die in das Stromnetz eingespeist wird, und die Investitionskosten für PV-Anlagen schwanken aufgrund unterschiedlicher Anlagenkonzepte über einen weiten Bereich. In der Regel entfallen nur die Hälfte der Investitionskosten einer Anlage auf die Solarmodule.

b) Fördermaßnahmen

Derzeit gibt es keine Förderprojekte in Bayern oder Deutschland . Die letzten Projekte im Bereich Photovoltaik waren das 1.000-Dächer-Programm und die 50.000-Dächer-Solarinitiative. Mit diesen Projekten erlebte die Photovoltaik einen Aufschwung und wurde der Bevölkerung bekannt. Die Investitionskosten für netzgekoppelte Anlagen mit einer Leistung zwischen 1 und 5 Kilowatt wurden mit ca. 70 % gefördert. Zusammen mit der fortschreitenden Wechselrichtertechnologie und der in einigen Kommunen geförderten Vergütung für Photovoltaikstrom hat das Förderprogramm in den letzten Jahren die Zahl der netzgekoppelten Anlagen erhöht, weitere geplante Projekte wurden jedoch aufgrund unserer wirtschaftlichen Situation eingestellt. Ein weiteres Problem war, dass ab 1997 pro kW Solarmodul auf dem Dach nur noch 6.000 DM statt der bisher geförderten 7.000 DM gezahlt wurden. Im Gegensatz dazu haben Nürnberger Bürger, Unternehmen und Vereine das Glück, mit der \”kostendeckenden Vergütung” die derzeit lukrativste Unterstützung zu erhalten.

C) Zusammenfassung

Photovoltaik stellt wohl den interessantesten Teil der alternativen Energien dar. Sie wird sich in den kommenden Jahren immer mehr etablieren, da die Energie unserer Sonne nahezu unerschöpflich ist. Sie hat bereits in vielen Bereichen Einzug gehalten, z.B. an den Parkscheinautomaten in der Innenstadt. Aber auch im wissenschaftlichen Bereich ist sie unverzichtbar. Die Weltraumforschung ist hier nicht nur deshalb zu nennen, weil die Photovoltaik an vielen Projekten maßgeblich beteiligt ist, sondern auch, weil sie einen großen Teil ihres technischen Niveaus der Weltraumforschung verdankt. Anfang der 60er Jahre suchten amerikanische Wissenschaftler nach einer möglichen, unerschöpflichen Energiequelle für Satelliten und fanden sie in der Photovoltaik. Diese intensive Forschung hat die Photovoltaik für den normalen Markt attraktiv gemacht.
Leider ist sie derzeit nicht nur die unwirtschaftlichste, sondern auch die teuerste Energiequelle. Der Preis von PV-Anlagen muss in den kommenden Jahrzehnten drastisch sinken, damit ein fairer Vergleich mit konventionellen Energieträgern möglich ist, außerdem gibt es andere Arten der Energiegewinnung aus der Photovoltaik (Photovoltaik ist ein Begriff, der die Umwandlung von Licht in Strom mit Hilfe von Halbleitermaterialien umfasst, die den photovoltaischen Effekt aufweisen, ein Phänomen, das in Physik, Photochemie und Elektrochemie untersucht wurde). Wie Solarwasserstoff (Wasserstoff ist ein chemisches Element mit dem chemischen Symbol H und der Ordnungszahl 1), das keine Energiequelle, sondern ein Energieträger ist (Ein Energieträger ist eine Substanz oder manchmal ein Phänomen, das Energie enthält, die später in andere Formen wie mechanische Arbeit oder Wärme umgewandelt werden kann oder um chemische oder physikalische Prozesse zu betreiben). Der Zweck von solarem Wasserstoff ist es, die Energie der Sonne zu speichern. Bayern (Bayern ist ein Freistaat und eines von 16 Bundesländern) ist ein Zentrum der Solar-Wasserstoff-Forschung. Aber es ist noch viel Forschung nötig.