Bei der Photovoltaik handelt es sich um eine erneuerbare Energiequelle, die im Wesentlichen Sonnenenergie oder -strahlung in Strom umwandelt. Schätzungen zufolge deckt die weltweite Photovoltaik-Produktion zwischen 3,5 und 7 % des bestehenden Strombedarfs.
Diese Form der Energieerzeugung erzeugt, sobald sie installiert und in Betrieb ist, keine Treibhausgase oder andere Arten der Umweltverschmutzung. Darüber hinaus ist es sehr einfach, die Installation an die Bedürfnisse der Nutzer anzupassen.
Ihre Hauptnachteile sind, dass sie direktes Sonnenlicht benötigt, um ihren Wirkungsgrad zu maximieren, und dass die Stunden maximaler Sonneneinstrahlung in der Regel nicht mit den Stunden des höchsten Strombedarfs zusammenfallen.
Die photoelektrische Zelle
Es ist das Grundelement der Photovoltaikmodule und das Schlüsselelement des gesamten Stromerzeugungsprozesses.
Kurz gesagt, die Funktion von Photozellen (auch Zellen, Photozellen oder photovoltaische Zellen genannt) besteht darin, Licht in Spannung und elektrischen Strom umzuwandeln. Ein Phänomen, das bei einigen Halbleitern auftritt und als photoelektrischer Effekt bezeichnet wird.
Dieser Effekt wurde zwar 1887 von Heinrich Hertz entdeckt, aber erst fast 20 Jahre später in dem von Albert Einstein veröffentlichten Artikel „Heuristik der Lichterzeugung und -umwandlung“ theoretisch begründet.
Prinzip der Funktionsweise
Das Prinzip dieser Technologie beruht – ohne zu sehr auf die physikalischen Grundlagen einzugehen – auf der Fähigkeit eines Photons, auf ein Halbleiteratom zu treffen und es anzuregen, wodurch ein Elektron freigesetzt und ein Loch erzeugt wird.
Die Elektronen finden in der Regel schnell ein neues Loch, das sie besetzen können, und die vom Photon bereitgestellte Energie wird in Form von Wärme abgeführt.
Die Besonderheit der Materialien, aus denen Photozellen bestehen, besteht darin, dass sie Elektronen und Löcher zwingen, sich zu bewegen, anstatt sich gleichzeitig zu rekombinieren. Dadurch entsteht eine Potenzialdifferenz, genau wie bei einer Batterie.
Herstellung von Photozellen
Die Techniken zur Herstellung dieser Zellen ähneln denen für andere Halbleiterbauelemente, auch wenn der Reinheitsgrad der benötigten Rohstoffe oder das Verfahren selbst nicht so anspruchsvoll sind.
Das Verfahren ist im Wesentlichen wie folgt:
- Das Rohmaterial, z. B. Quarz, wird in einen Ofen gegeben, in dem geschmolzenes Silizium gewonnen wird.
- Verunreinigungen werden entfernt.
- Beim Czochralski-Verfahren werden monokristalline Barren hergestellt.
- Der Barren wird in sehr dünne Scheiben (Oblaten) von 200 µm geschnitten.
- Reinigen und Polieren der Scheiben.
- Anreicherung der Scheiben mit Bor (B) während des Czochralski-Prozesses oder, wie bei Phosphor (P), durch Unterschreiten des Schmelzpunktes in Gegenwart von Phosphorgas.
- Die Zellen sind durch elektrische Kontakte miteinander verbunden, und es werden dünne Metallstreifen hinzugefügt, um den erzeugten Strom „einzufangen“.
- Eine zusätzliche Antireflexionsbeschichtung vermeidet Verluste.
- Die Solarzellen werden eingekapselt und in die Panelstruktur eingesetzt.
Arten von Photovoltaikzellen
Obwohl es verschiedene Arten von Zellen gibt, konzentrieren wir uns auf die beiden bekanntesten Arten.
Polykristalline Siliziumzellen
Sie sind auch als multikristalline Zellen bekannt und zeichnen sich durch mehrere Kristalle aus, die sich beim Abkühlen des Siliziums bilden. Dies führt zu einem uneinheitlichen Erscheinungsbild.
Sie haben einen Wirkungsgrad von etwa 100 Wp/m2 ( Wattspitzenwert pro Quadratmeter) mit einem hohen Wirkungsgrad von 14 %.
Es wird vor allem in heißen Klimazonen verwendet, da es weniger unter Überhitzung leidet.
Monokristalline Siliziumzellen
Neben Solarzellen wird es auch als Grundlage für Siliziumchips verwendet, wobei die Anforderungen an die Unvollkommenheiten dieser Chips wesentlich geringer sind.
Ihr Wirkungsgrad und ihre Leistung sind mit fast 150 Wp/m2 bzw. 14-16 % etwas höher.
Im Gegensatz zu den vorherigen sind sie weniger tolerant gegenüber hohen Temperaturen.
Anwendungen der photovoltaischen Solarenergie
Die Anwendungen dieser Energieform sind sehr vielfältig. In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf Anlagen für den Eigenverbrauch von Strom in Privathaushalten, führen aber zunächst einige der zahlreichen Einsatzmöglichkeiten auf:
Isolierte Mechanismen
Es handelt sich in der Regel um kleine Geräte, die von einer kleinen Platte oder einer Gruppe von Fotozellen gespeist werden.
Das typischste Beispiel ist der Solartaschenrechner, aber heutzutage finden wir alle Arten von Geräten wie Lampen, Wasserpumpen oder Parkuhren.
Verkehr und Navigation
Obwohl die Nutzung als primäre Energiequelle eher experimentell als praktisch ist, wird sie zunehmend als Hilfsenergie in Autos und Booten eingesetzt.
Die World Solar Challenge in Australien ist sehr beliebt. Ein Rennen, bei dem mehrere Teams (hauptsächlich Unternehmen, Universitäten oder Institute) mit ihren jeweiligen Solarautos über 3021 km Wüste fahren.
Solarfarmen
Sie werden auch als Solarparks bezeichnet und sind nichts anderes als Photovoltaik-Kraftwerke, in denen zahlreiche Solarpaneele installiert sind, die Strom erzeugen und ins Netz einspeisen.
Telekommunikation
Diese Art von Energie ist sehr nützlich in Telefonzentralen, Funkantennen oder Mikrowellenverstärkern, wo sie im Allgemeinen in Verbindung mit Batterien installiert wird. Auf diese Weise wird der Dienst auch bei einem Stromausfall nicht unterbrochen.
Luft- und Raumfahrt
Eine der frühesten Anwendungen der Photovoltaik-Technologie. Solarpanele werden seit dem Start von Vanguard 1 durch die USA im Jahr 1958 auf Satelliten verwendet.
Photovoltaik-Eigenverbrauch mit Hilfe von Solarpanelen
Unter Photovoltaik-Eigenverbrauch versteht man die Erzeugung von Energie für den Eigenverbrauch, natürlich mit Hilfe von Solarpanelen.
Diese Art der Installation findet man hauptsächlich in Einfamilienhäusern, wo die Installation und Dimensionierung des Systems im Allgemeinen einfacher ist.
Grundelemente einer „häuslichen“ Photovoltaikanlage
Zu den Hauptbestandteilen einer Standard-Photovoltaikanlage gehören:
Photovoltaik Panele: Sie sind für die Erzeugung elektrischer Energie zuständig und basieren auf dem physikalischen Prinzip, das wir bereits zu Beginn dieses Artikels beschrieben haben.
Baterien: Sie speichern die erzeugte Energie für eine spätere Nutzung, in der Regel nachts und in den Schwachlastzeiten.
Inverter: Wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um.
Es ist zu beachten, dass nicht alle Elemente einer Anlage, mit Ausnahme der Panele, vorhanden sein müssen, damit sie voll funktionsfähig ist. Das hängt von den Bedürfnissen des jeweiligen Projekts ab.
Klassifizierung von Photovoltaik-Eigenverbrauchsanlagen
Unter den verschiedenen derzeit verfügbaren Optionen lassen sich auf technischer Ebene verschiedene Installationsarten unterscheiden, je nachdem, ob sie an das herkömmliche Stromnetz angeschlossen sind oder nicht und wie diese Verbindung hergestellt wird.
Auf diese Weise können wir unterscheiden:
Netzunabhängige Photovoltaikanlage
Wie der Name schon sagt, handelt es sich dabei um völlig netzunabhängige Systeme. Sie sind besonders beliebt in Gebieten, in denen der Zugang zu Elektrizität eingeschränkt ist.
Bei dieser Art von Anlagen ist der Einsatz von Batterien unerlässlich, da ohne sie die Verfügbarkeit von Strom auf die Sonnenstunden beschränkt wäre.
Sehr häufig findet man solche Installationen, die getrennte Stromkreise für Wechsel- und Gleichstrom kombinieren, d. h. sie haben Geräte, die mit Gleichstrom (hauptsächlich 12/24 V) betrieben werden, wie z. B. die Beleuchtung, und andere, die mit Wechselstrom betrieben werden, wie z. B. ein Fernsehgerät.
Netzgebundene Fotovoltaikanlage
In diesem Fall dient das herkömmliche Stromnetz als Backup, wenn die erzeugte Solarenergie nicht ausreicht, so dass keine Batterien installiert werden müssen und die Kosten der Anlage sinken.
Hier können wir in der aktuellen Gesetzgebung zwischen Anlagen mit oder ohne Einspeisung von Überschüssen in das Netz unterscheiden (eine isolierte Anlage leitet natürlich keine Energie in das Verteilungsnetz zurück).
Wir wissen jetzt ein wenig mehr über die Funktionsweise der Photovoltaik Solarenergie und ihre zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten.