Funktionsweise einer Solarbatterie: Aufbau und Funktionsweise einer Solarpaneele

Die effiziente Umwandlung der kostenlosen Sonnenstrahlen in Energie, die zur Stromversorgung von Wohnhäusern und anderen Objekten genutzt werden kann, ist der langgehegte Traum vieler Verfechter der grünen Energie.

Doch das Funktionsprinzip einer Solarbatterie und ihr Wirkungsgrad sind so, dass von einer hohen Effizienz solcher Systeme noch keine Rede sein kann. Es wäre nicht schlecht, sich eine eigene zusätzliche Stromquelle anzuschaffen. Nicht wahr? Zumal bereits heute auch in Russland eine beträchtliche Anzahl privater Haushalte mithilfe von Solarpaneelen erfolgreich mit „kostenlosem“ Strom versorgt wird. Wissen Sie immer noch nicht, wo Sie anfangen sollen?

Im Folgenden erklären wir Ihnen den Aufbau und die Funktionsweise einer Solarpaneele und Sie erfahren, wovon die Effizienz des Solarsystems abhängt. Die im Artikel eingebetteten Videos helfen Ihnen, eine Solarpaneele aus Photozellen selbst zusammenzubauen.

Solarbatterien: Terminologie

Im Bereich der „Solarenergie“ gibt es viele Nuancen und Verwirrung. Für Anfänger ist es oft zunächst schwierig, sich mit all den unbekannten Begriffen vertraut zu machen. Doch ohne dieses Wissen ist es unvernünftig, sich mit der Solarenergie zu beschäftigen und Geräte zur Erzeugung von „Solarstrom“ zu erwerben.

Aus Unwissenheit kann man nicht nur ein ungeeignetes Panel auswählen, sondern es beim Anschluss sogar durchbrennen lassen oder nur eine zu geringe Energiemenge daraus gewinnen.

Zunächst sollte man sich mit den vorhandenen Varianten der Solarenergieausrüstung vertraut machen. Solarmodule und Sonnenkollektoren sind zwei grundlegend unterschiedliche Geräte. Beide wandeln die Energie der Sonnenstrahlen um.

Im ersten Fall erhält der Verbraucher elektrische Energie, im zweiten Fall thermische Energie in Form eines erwärmten Wärmeträgers, d.h. die Sonnenkollektoren werden für die Hausheizung verwendet.

Den maximalen Nutzen aus einem Solarmodul kann man nur ziehen, wenn man weiß, wie es funktioniert, aus welchen Komponenten und Bauteilen es besteht und wie alles richtig angeschlossen wird.

Der zweite Punkt betrifft das Verständnis des Begriffs 'Solarpanel'. Normalerweise versteht man unter 'Batterie' ein Gerät, das elektrische Energie speichert. Oder man denkt an einen gewöhnlichen Heizkörper. Bei Solarpaneelen ist die Situation jedoch völlig anders. Sie speichern nichts in sich.

Ein Solarpanel erzeugt Gleichstrom. Um ihn in Wechselstrom (für den Hausgebrauch) umzuwandeln, muss in der Schaltung ein Wechselrichter vorhanden sein.

Solarpanels sind ausschließlich zur Erzeugung von elektrischem Strom bestimmt. Dieser wird dann, wenn die Sonne untergeht, in den zusätzlich im Energieversorgungssystem vorhandenen Batterien gespeichert, um das Haus nachts mit Strom zu versorgen.

Hier wird der Begriff 'Batterie' im Sinne einer Ansammlung gleichartiger Komponenten verwendet, die zu einer Einheit zusammengefasst sind. Tatsächlich handelt es sich einfach um ein Panel aus mehreren identischen Fotoelementen.

Innerer Aufbau einer Solarbatterie

Nach und nach werden Solarpanels immer günstiger und effizienter. Heute werden sie zum Aufladen von Batterien in Straßenlaternen, Smartphones, Elektroautos, Privathäusern und Satelliten im Weltraum eingesetzt. Man baut daraus sogar komplette Solarkraftwerke mit großen Erzeugungskapazitäten.

Ein Solarpanel besteht aus vielen Fotoelementen (fotoelektrischen Wandlern), die die Energie der Sonnenphotonen in elektrische Energie umwandeln.

Jedes Solarpanel ist als ein Block aus einer bestimmten Anzahl von Modulen aufgebaut, die in Reihe geschaltete Halbleiter-Fotoelemente enthalten. Um die Funktionsweise eines solchen Panels zu verstehen, muss man die Arbeitsweise dieses letzten Glieds im Aufbau eines Solarpanels verstehen, das auf Halbleitern basiert.

Arten von Photozellenkristallen

Es gibt eine große Anzahl von Fotoelement-Varianten aus verschiedenen chemischen Elementen. Die meisten davon befinden sich jedoch noch in der Anfangsphase der Entwicklung. In industriellem Maßstab werden derzeit nur Panels aus Fotoelementen auf Siliziumbasis hergestellt.

Silizium-Halbleiter werden wegen ihrer Kostengünstigkeit für die Herstellung von Solarpanels verwendet, können aber nicht mit einem besonders hohen Wirkungsgrad aufwarten.

Ein typisches Fotoelement in einem Solarpanel ist eine dünne Platte aus zwei Siliziumschichten, jede mit eigenen physikalischen Eigenschaften. Es handelt sich um einen klassischen Halbleiter-p-n-Übergang mit Elektron-Loch-Paaren.

Wenn Photonen auf das Fotoelement treffen, entsteht zwischen diesen Halbleiterschichten aufgrund der Kristallinhomogenität eine Sperrschicht-Foto-EMK, was zu einer Potenzialdifferenz und einem Elektronenstrom führt.

Silizium-Fotoelement-Wafer werden nach der Herstellungstechnologie unterschieden in:

1. Monokristalline.
2. Polykristalline.

Die ersten haben einen höheren Wirkungsgrad, aber auch ihre Produktionskosten sind höher als die der zweiten. Äußerlich kann man die eine Variante von der anderen auf dem Solarpanel an der Form unterscheiden.

Monokristalline Photovoltaikzellen haben eine homogene Struktur und werden als Quadrate mit abgeschrägten Ecken ausgeführt. Im Gegensatz dazu haben polykristalline Zellen eine streng quadratische Form.

Polykristalle entstehen durch allmähliche Abkühlung von geschmolzenem Silizium. Diese Methode ist äußerst einfach, daher sind solche Photovoltaikzellen günstig.

Aber die Effizienz bei der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie übersteigt bei diesen selten 15 %. Dies hängt mit der „Unreinheit“ der gewonnenen Siliziumwafer und ihrer inneren Struktur zusammen. Je reiner die p-Schicht des Siliziums ist, desto höher ist der Wirkungsgrad der daraus hergestellten Photovoltaikzellen.

Die Reinheit von Monokristallen ist in dieser Hinsicht viel höher als bei polykristallinen Pendants. Sie werden nicht aus geschmolzenem, sondern aus künstlich gezüchtetem Silizium-Einkristall hergestellt. Der photoelektrische Umwandlungskoeffizient solcher Photovoltaikzellen erreicht bereits 20–22 %.

Die einzelnen Photovoltaikzellen werden in einem gemeinsamen Modul auf einem Aluminiumrahmen montiert, und zum Schutz werden sie von oben mit festem Glas abgedeckt, das die Sonnenstrahlen in keiner Weise behindert.

Die der Sonne zugewandte oberste Schicht der Fotovoltaikplatte besteht aus demselben Silizium, jedoch mit Zusatz von Phosphor. Letzterer ist die Quelle der überschüssigen Elektronen im p-n-Übergangssystem.

Ein echter Durchbruch bei der Nutzung von Solarenergie war die Entwicklung flexibler Paneele mit amorphem Fotovoltaik-Silizium:

Funktionsprinzip einer Solarpaneele

Wenn Sonnenstrahlen auf ein Fotoelement treffen, werden darin nicht gleichgewichtige Elektron-Loch-Paare erzeugt. Überschüssige Elektronen und „Löcher“ werden teilweise durch den p-n-Übergang von einer Halbleiterschicht in die andere transportiert.

Infolgedessen entsteht im externen Stromkreis eine Spannung. Dabei bildet sich am Kontakt der p-Schicht der positive Pol der Stromquelle und an der n-Schicht der negative Pol.

Die Potenzialdifferenz (Spannung) zwischen den Kontakten des Fotoelements entsteht durch die Änderung der Anzahl von „Löchern“ und Elektronen auf verschiedenen Seiten des p-n-Übergangs infolge der Bestrahlung der n-Schicht mit Sonnenstrahlen.

Die an eine externe Last in Form eines Akkus angeschlossenen Fotoelemente bilden mit diesem einen geschlossenen Kreis. Dadurch funktioniert das Solarmodul wie ein eigenartiges Rad, auf dem die Elektronen wie Eichhörnchen „herumlaufen“. Der Akku lädt sich dabei allmählich auf.

Standard-Silizium-Fotovoltaikwandler sind Einzelübergangselemente. Der Elektronenfluss erfolgt in ihnen nur über einen einzigen p-n-Übergang mit einem fotonenenergetisch begrenzten Bereich dieses Übergangs.

Das heißt, jedes solche Fotoelement kann nur aus einem schmalen Spektrum der Sonnenstrahlung elektrische Energie erzeugen. Die gesamte restliche Energie geht verloren. Aus diesem Grund ist der Wirkungsgrad von Fotovoltaikwandlern so gering.

Um den Wirkungsgrad von Solarmodulen zu erhöhen, werden Silizium-Halbleiterelemente dafür in letzter Zeit mehrfachübergängig (kaskadiert) hergestellt. Neue Fotovoltaikwandler haben bereits mehrere Übergänge. Dabei ist jeder dieser Übergänge in der Kaskade auf ein eigenes Spektrum der Sonnenstrahlen ausgelegt.

Die Gesamteffizienz der Umwandlung von Photonen in elektrischen Strom steigt bei solchen Solarzellen letztlich an. Allerdings ist ihr Preis auch deutlich höher. Hier gilt entweder die einfache Herstellung mit geringen Kosten und niedrigem Wirkungsgrad oder eine höhere Leistung bei hohen Kosten.

Ein Solarmodul kann sowohl im Sommer als auch im Winter arbeiten (es benötigt Licht, nicht Wärme) – je weniger Bewölkung und je heller die Sonne scheint, desto mehr elektrischen Strom erzeugt die Solaranlage.

Während des Betriebs erwärmen sich die Solarzelle und das gesamte Modul allmählich. Die gesamte Energie, die nicht zur Stromerzeugung genutzt wird, wird in Wärme umgewandelt. Oft steigt die Temperatur auf der Oberfläche des Solarmoduls auf 50–55 °C. Je höher die Temperatur ist, desto weniger effizient arbeitet die photovoltaische Zelle.

In der Folge erzeugt ein und dasselbe Solarmodul bei Hitze weniger Strom als bei Frost. Den maximalen Wirkungsgrad zeigen die Solarzellen an einem klaren Wintertag. Dabei spielen zwei Faktoren eine Rolle – viel Sonne und natürliche Kühlung.

Wenn Schnee auf das Modul fällt, wird es trotzdem weiterhin Strom erzeugen. Darüber hinaus haben die Schneeflocken nicht einmal Zeit, lange darauf liegen zu bleiben, da sie durch die Wärme der erhitzten Solarzellen schmelzen.

Effizienz der Batterien des Solarsystems

Eine einzelne Solarzelle liefert selbst mittags bei klarem Wetter nur sehr wenig elektrische Energie, die gerade einmal für den Betrieb einer LED-Taschenlampe ausreicht.

Um die Ausgangsleistung zu erhöhen, werden mehrere Photovoltaikzellen parallel geschaltet, um die Gleichspannung zu erhöhen, und in Reihe geschaltet, um die Stromstärke zu erhöhen.

Die Effizienz von Solarmodulen hängt ab von:

• der Lufttemperatur und der Temperatur des Moduls;
• der korrekten Wahl des Lastwiderstands;
• dem Einfallswinkel der Sonnenstrahlen;
• dem Vorhandensein oder Fehlen einer Antireflexbeschichtung;
• der Lichtstromstärke.

Je niedriger die Außentemperatur, desto effizienter arbeiten die Solarzellen und das Solarmodul insgesamt. Das ist einfach. Bei der Berechnung der Last ist die Situation jedoch komplexer. Sie sollte basierend auf dem vom Modul gelieferten Strom ausgewählt werden. Dessen Größe ändert sich jedoch je nach Wetterfaktoren.

Solarmodule werden mit einer auf ein Vielfaches von 12 V ausgelegten Ausgangsspannung hergestellt – wenn eine Batterie mit 24 V versorgt werden muss, müssen zwei Module parallel daran angeschlossen werden.

Es ist problematisch, die Parameter der Solarbatterie ständig zu überwachen und deren Betrieb manuell zu korrigieren. Dafür ist es besser, einen Steuerungsregler zu verwenden, der automatisch die Einstellungen der Solarpaneele anpasst, um maximale Leistung und optimale Betriebsmodi zu erzielen.

Der ideale Einfallswinkel der Sonnenstrahlen auf das Solarpanel ist senkrecht. Bei einer Abweichung von bis zu 30 Grad von der Senkrechten sinkt der Wirkungsgrad des Panels jedoch nur um etwa 5%. Bei weiterer Vergrößerung dieses Winkels wird ein immer größerer Teil der Sonnenstrahlung reflektiert, wodurch der Wirkungsgrad der PV-Zelle verringert wird.

Wenn von dem Solarpanel verlangt wird, dass es im Sommer die maximale Energie liefert, sollte es senkrecht zur durchschnittlichen Position der Sonne ausgerichtet werden, die sie an den Tagundnachtgleichen im Frühling und Herbst einnimmt.

Für die Region Moskau liegt dieser Winkel bei etwa 40–45 Grad zur Horizontalen. Wenn die maximale Leistung im Winter benötigt wird, sollte das Panel in einer steileren Position angebracht werden.

Ein weiterer Punkt ist, dass Staub und Schmutz die Leistung der Solarzellen stark beeinträchtigen. Photonen gelangen durch ein solch „schmutziges“ Hindernis einfach nicht zu ihnen, und es gibt nichts, was in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Die Panels müssen regelmäßig gereinigt oder so angebracht werden, dass der Staub durch Regen von selbst abgewaschen wird.

Einige Solarmodule verfügen über eingebaute Linsen, um die Strahlung auf die PV-Zellen zu konzentrieren. Bei klarem Wetter führt dies zu einer Steigerung des Wirkungsgrads. Bei starker Bewölkung sind diese Linsen jedoch nur von Nachteil.

Wenn ein normales Panel in einer solchen Situation weiterhin Strom erzeugt, wenn auch in geringerem Umfang, wird das Linsenmodell seine Arbeit praktisch vollständig einstellen.

Die Sonne sollte das Solarmodul idealerweise gleichmäßig beleuchten. Wenn einer seiner Bereiche abgeschattet wird, werden die unbeleuchteten PV-Zellen zu einer parasitären Last. Sie erzeugen in einer solchen Situation nicht nur keine Energie, sondern entziehen sie auch den arbeitenden Elementen.

Die Panels müssen so installiert werden, dass sich auf dem Weg der Sonnenstrahlen keine Bäume, Gebäude oder andere Hindernisse befinden.

Schaltplan für die Solarstromversorgung eines Hauses

Das System der solaren Stromversorgung umfasst:

1. Solarpanels.
2. Controller.
3. Akkumulatoren.
4. Wechselrichter (Transformator).

Der Controller in diesem Schema schützt sowohl die Solarmodule als auch die Akkumulatoren. Einerseits verhindert er nachts und bei bewölktem Wetter das Fließen von Rückströmen, andererseits schützt er die Akkumulatoren vor übermäßiger Ladung/Entladung.

Akkumulatorbatterien für Solarpanels sollten in Bezug auf Alter und Kapazität gleich sein, da sonst das Laden/Entladen ungleichmäßig erfolgt, was zu einer drastischen Verkürzung ihrer Lebensdauer führt.

Für die Umwandlung von Gleichstrom mit 12, 24 oder 48 Volt in Wechselstrom mit 220 Volt wird ein Wechselrichter benötigt. Die Verwendung von Autobatterien in einem solchen Schaltkreis wird nicht empfohlen, da sie häufige Wiederaufladungen nicht vertragen. Am besten ist es, sich zu investieren und spezielle Gel-AGM- oder Flüssig-OPzS-Akkumulatoren zu kaufen.

Fazit und nützliche Videos zum Thema

Die Funktionsprinzipien und Anschlusspläne von Solaranlagen sind nicht allzu schwer zu verstehen. Und mit den von uns unten zusammengestellten Videomaterialien wird es noch einfacher, alle Feinheiten der Funktionsweise und Installation von Solarpaneelen zu verstehen.

Verständlich und klar: Wie eine photovoltaische Solarzelle funktioniert, in allen Einzelheiten:

Wie Solarmodule aufgebaut sind, sehen Sie im folgenden Video:

Zusammenbau eines Solarmoduls aus Photovoltaikzellen in Eigenregie:

Jedes Element in der Solarstromversorgungsanlage eines Hauses muss fachgerecht ausgewählt werden. Unvermeidbare Leistungsverluste treten an Akkumulatoren, Transformatoren und dem Regler auf. Und diese müssen unbedingt auf ein Minimum reduziert werden, da sonst die ohnehin schon recht geringe Effizienz der Solarpaneele auf null sinkt.

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