Wie gewinnen PV-Anlagen Solarstrom? Photovoltaischer Effekt erklärt.

PV-Anlagen sind jetzt der weltweite Hit, aber wie funktionieren sie eigentlich? Und wie funktioniert die Technik dahinter? Hier erklären wir, wie Photovoltaikanlagen den Photoelektrischen Effekt nutzen um Strom zu erzeugen.

Elektronen werden durch den Photoelektrischen Effekt (Sonnenenergie) mit Licht zum fließen angeregt, sodass Energie entsteht.

Um zu verstehen wie sich das auswirkt, ist es wichtig zu wissen wie ein Halbleiterchip funktioniert.

Halbleiter:

Sie besitzen die besondere Eigenschaft, je nach Gegebenheit und Dotierung Strom entweder zu leiten oder nicht. Das kommt auf die Dotierung an. Ein Halbleitermetall wird mit chemischen Elementen aus der 3. und 5. Hauptgruppe dotiert, das heißt Atome werden gezielt in die Halbtleiterstruktur eingefügt.

Mit diesem Dotierungsprozess werden auch Chips für Computerprozessoren oder elektrische Bauteile hergestellt. So werden Dioden hergestellt, welche den Strom Strom nur in eine Richtung leiten, indem sie eine Grenzschicht bewirken, welche auch Leitungsband genannt wird.

Scheint nun Licht auf die Diode, fließen die Elektronen im Halbleiter nur in eine Richtung. Daraus resultiert, dass der Strom über einen Umweg zurückfließen muss, weil die Diode einen Elektronenmangel hervorruft.

Diese “Ableitung” oder auch “Umweg” der Elektronen bezeichnen wir als Stromkreis der an eine Photovoltaik-Anlage angeschlossen wird. Die Elektronen werden im Stromkreis abgeleitet, da hinter der Grenzschicht eine Spannung entsteht, weil einmal vom Licht angetriebene Elektronen nicht zurückfließen können.

Valenzelektronen:

Die Valenzelektronen beginnen zu fließen und machen eine Übertragung zwischen Teilchen möglich. Ein Beispiel für die Verlagerung von Elektronen ist brennende Kohle, welche die Elektronen vom Sauerstoff zu Kohlenstoff abgibt.

Die Silliziumschicht in der die Elektronen herausgelöst werden, nennt man daher Valenzschicht.

Edelgase sind die einzigen Elemente deren Atome keine Valenzelektronen haben. Bei allen anderen Elemente sind Valenzelektronen vorhanden und zwar entspricht die Anzahl der Valenzelektronen der Nummer der Hauptgruppe.

Nochmal um es zu wiederholen:

  1. Die Spannung zwingt die Elektronen ihre Position zu verlassen.
  2. Sie werden durch Elektronen ersetzt, die weiter hinten im Leiter liegen

—> daher leitet der Leiter erst, wenn Strom nachkommt, der die Elektronen ersetzen kann.

Der Photoelektrische Effekt.

Diese Spannung (Diffusionsspannung) wird durch das Licht ausgelöst, dass auf die Solaranlage fällt— Es löst den Photoelektrischen Effekt aus. Der nutzbare Strom besteht daher aus allen Elektronen die sich in jedem einzelnen Chip der Solarkollektoren ansammeln.

Elektronen bewegen sich von der Valenzschicht in die Grenzschicht, aus der es nur noch in den geschlossenen Stromkreis vorwärtsgeht.

Wie viel Strom eine Photovoltaikanlage produziert, ist daher von der Fläche abhängig und von der Menge an Licht.

Entscheidend ist, wie oft das Licht das plancksche Wirkungsquantum erreicht. Es ist die kleinste Einheit Energie die es in der Physik gibt und steht für Energie, die Licht transportiert.

Es wird vom Licht umso häufiger transportiert, je größer die Lichtfrequenz ist (Farbe) und um so mehr Lichtwellen vorhanden sind (Intensität).

An sonnigen Tagen entsteht folglicherweise mehr Strom, denn das Licht ist ja bei direkter Sonne am intensivsten. Schwarze Wolken absorbieren mehr Licht, an bewölkten Tagen wird etwas Licht von den Wolken des grauen Himmels lediglich gebrochen und kommt dennoch an den Kollektoren an.

Solaranlagen hören also nicht auf Strom zu produzieren sobald der Himmel verhangen ist. Die Spannung mit der die Energie eingespeist wird, transformiert eine nachgeschaltete Anlage auf das richtige Niveau.

Bestandteile:

Der Sonnenkollektor wird aus Solarchips unter Glas und Kunststoff vor der Witterung geschützt leitend verbunden und auf einer Unterlage angebracht.

Das Sillizium kann für die Produktion von Solarzellen mit steigendem Wirkungsgrad amorph, polykristallin oder monokristallin verwandt werden.

Am billigsten sind die amorphen Solarzellen, ihre Verwendung lohnt sich nicht für Photovoltaikanlagen. Polykristalline Solarplatten sind jedoch oft bläulich, während monokristalline Solarplatten schwarz sind. Die oberste Schicht von Solarplatten ist ein ein speziell-verarbeitetes Glas zum Schutz der Chips, möglichst frei von Eisenspuren um die Teilreflexion zu minimieren.

Der Wirkungsgrad:

Der Wirkungsgrad kann bei monokristallinen Anlagen mehr als 20% betragen. Unter einem Wirkungsgrad versteht man den Anteil einer Energieform, den eine Maschine in die Nutzbare Form der Energie umwandelt.

Das Ziel ist am besten alles in elektrische Energie umzuwandeln. Ein Naturgesetz besagt jedoch, dass der Wirkungsgrad niemals 100% betragen kann. Ein Heizkraftwerk wird je nach Bauart ein Wirkungsgrad von 50% erreichen.

Wir haben auf der Erde das Glück einen Stern zu haben, welcher unsere Flächen mit beträchtlicher Energie versorgt. Bei der Leistung einer Solaranlage unter Standardbedingungen wird daher von 1000 Watt (W) Sonneneinstrahlung je m2 gerechnet. Der Wirkungsgrad einer monokristallinen Solaranlage liegt bei 20% unter Standard-Testbedingungen. Die Standard-Testbedingungen liegen bei guten Bedingungen für Solarstromgewinnung vor. In dem Zusammenhang ist auch die Bezeichnung „Wattpeak“ gebräuchlich. Bezeichnet wird damit das Watt unter Standard- Testbedingungen.

Bei Standard-Testbedingungen scheint die Sonne mit einem Winkel von 48,2° auf die Module. Angenommen wird außerdem eine Temperatur der Anlage von 25°C.

Und zwar können wir dafür nun mit 20 Wattpeak je m2 rechnen. Ein Watt ist grundsätzlich eine Leistung von einem Joule (Energie) je Sekunde. Die elektrische Leistung an einem Kabel ist von dem Verhältnis von Stromstärke und Spannung abhängig. Bei einer Spannung von 1 Volt entspricht 1 Watt einem Ampere Stromstärke. Bei 220 Volt braucht man 0,44 Ampere für eine Leistung von 500 Watt.

Um einen Staubsauger mit 500 W Eingangsleistung zu betreiben braucht man eine sonnenbescheinte Fläche von 25m2.

Da dies nicht immer der Fall ist, löst man das Problem mit einem Speicher.

Dabei handelt es sich um einen Akku verbunden mit einem Laderegler. Der Speicher Sammelt die unverbrauchte Energie, wodurch weniger Fläche benötigt wird und Strom auch bei Dunkelheit verbraucht werden kann. Der Laderegler kann die Verbindung zwischen Akku und Solaranlage trennen und so ein Überladen verhindern. Außerdem kann er die Verbindung zwischen Akku und Verbraucherleitung trennen und so eine Tiefenentladung verhindern. Der Laderegler ist daher zwingend erforderlich um einen Akku zu betreiben. Es gibt verschiedene Akkus mit unterschiedlichem Preis und unterschiedlicher Leistung, dazu mehr in unserem Blog über Batteriesysteme.

Manchmal werden Blei-Akkus auch als LKW-Batterie verbaut. Sie sind günstig, allerdings lässt sich der Wirkungsgradzu wünschen übrig.

Ein MPP-Tracker kann im Laderegler verbaut sein. Der MPP-Tracker betreibt eine Justierung im Verhältnis von Strom zu Spannung um die meiste Energie aus dem System herauszuholen. So wird die Anlage am MPP dem Maximum Power Point (Englisch maximale Kraft Punkt) betrieben. Bei Anlagen die mit dem öffentlichen Stromnetz gekoppelt sind, befindet sich auch ein MPP Tracking System im Wechselrichter.

Eine Koppelung des Haushaltes mit dem Stromnetz ist oft trotz Solaranlage nötig und sogar sinnvoll. So kann einerseits unverbrauchter Strom in das Netz gespeist (und vergütet) werden, andererseits kann mangelnder Strom im Haushalt ausgeglichen werden, sodass kein Speicher benötigt wird.

Dabei musst Du selbst das beste Konzept für Deinen Haushalt erwägen. Solarstrom kann in das Stromnetz eingespeist werden, oder selbst verbraucht werden. Du kannst komplett vom Stromnetz unabhängig sein oder den Haushalt so einrichten, dass auch Strom vom Kraftwerk empfangbar ist. Am sichersten vor einem Stromausfall ist man natürlich mit dem Netzstrom oder mit einem Speicher.

Aber:

Den eigenen Strom zu nutzen ist aber in der Regel wesentlich besser als ihn einzuspeisen, denn der Einkaufspreis ist höher als der Verkaufspreis.

Was am Besten ist, hängt von den Gegebenheiten ab.

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