Ein Überblick über die wichtigsten Ideen hinter photovoltaischen Energiequellen
Systematische Sortierung in Gruppen
Es gibt zwei Arten von Photovoltaikanlagen: solche, die ohne Netzanschluss funktionieren, und solche, die mit dem Stromnetz verbunden sind.
1. Eine netzunabhängige Photovoltaikanlage wird auch als Insellösung bezeichnet. Sie besteht im Wesentlichen aus einem Solarmodul, einem Motor und einem Akkumulator. Um Wechselstrom (AC) zu nutzen, ist ein Wechselrichter erforderlich. Inselanlagen umfassen verschiedene autarke Stromversorgungssysteme, wie z. B. Solaranlagen für Privathaushalte, Dorfanlagen und Photovoltaikanlagen mit Batteriespeicher. Diese Systeme funktionieren autark und werden für vielfältige Zwecke eingesetzt, beispielsweise zur Stromversorgung von Kontaktsignalen, zum Kathodenschutz und zur Straßenbeleuchtung mit Solarenergie.
2. Eine netzgekoppelte Energieoption wandelt den von Solarmodulen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um, der mit dem städtischen Stromnetz kompatibel ist. Dadurch kann die Anlage direkt an das öffentliche Stromnetz angeschlossen werden. Solche Anlagen werden als „netzgekoppelte“ Einheiten bezeichnet und können mit oder ohne Batteriespeicher ausgestattet sein. Das mit dem Netz verbundene Stromsystem mit Akkumulatoren lässt sich einfach programmieren, um sich je nach Bedarf mit dem Netz zu verbinden oder davon zu trennen. Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen für Privathaushalte verfügen üblicherweise über Akkumulatoren. Größere Anlagen hingegen sind in der Regel netzgekoppelte Photovoltaikanlagen ohne Akkumulatoren, die nicht programmierbar sind und keine Notstromversorgung bieten. Große Photovoltaik-Kraftwerke, die an das nationale Stromnetz angeschlossen sind, werden zur netzgekoppelten Solarstromerzeugung genutzt. Der Strom dieser Kraftwerke wird direkt über das Netz an Haushalte und Unternehmen geliefert. Die Investition in diese Art von Kraftwerk ist jedoch teuer, der Bau dauert lange, es benötigt viel Platz und die Entwicklung hat in letzter Zeit kaum Fortschritte gemacht. Die meisten netzgekoppelten Photovoltaikanlagen sind dezentrale Kleinanlagen, wie beispielsweise in Gebäude integrierte Solarmodule. Dies liegt daran, dass sie kostengünstig zu realisieren sind, schnell umgesetzt werden können, nur geringe Umweltauswirkungen haben und breite politische Unterstützung genießen.
Hardwarekomponenten
Ein Photovoltaik-Energiesystem umfasst ein Solarmodul, eine Speicherbatterie, einen Lade- und Entladeregler, einen Wechselrichter, einen Wechselstromverteilerkasten, ein Solarnachführungssystem und weitere wichtige Komponenten.
Bestimmte Werkzeuge funktionieren auf diese Weise:
Solarenergiegerät
Licht, wie es von der Sonne oder anderen Lichtquellen stammt, regt die Zelle zur Energieaufnahme an und erzeugt an beiden Enden eine ungerade Ladung. Dies wird als „photogenerierte Spannung“ bezeichnet. Viele nennen diesen Effekt auch photoelektrischen Effekt. Damit Licht in Elektrizität umgewandelt werden kann, muss zwischen den beiden Enden einer Solarzelle eine elektromotorische Kraft vorhanden sein. Dies wird als Solareffekt bezeichnet. Mit Hilfe von Solarzellen lässt sich Energie leichter in eine andere Form umwandeln. Solarzellen bestehen aus drei verschiedenen Arten von Siliziumzellen: amorphen Silizium-Solarzellen, polykristallinen Silizium-Solarzellen und monokristallinen Silizium-Solarzellen.
Eine Batterie, die Energie speichert
Sobald die Solaranlage eingeschaltet ist, kann das Energieversorgungsunternehmen die erzeugte Energie speichern und jederzeit an den Verbraucher abgeben. Damit Solarzellen effizient Energie erzeugen, müssen sie kostengünstig sein, eine lange Lebensdauer haben, hohe Entladungen gut vertragen, sich schnell aufladen lassen und möglichst wartungsfrei sein. Außerdem sollten sie in einem breiten Temperaturbereich funktionieren.
Steuerung für Laden und Entladen
Dieses Gerät verhindert ohne Ihr Zutun, dass Akkus zu schnell geladen oder entladen werden. Wie oft und wie tief ein Akku entladen wird, bestimmt seine Lebensdauer. Deshalb ist ein Lade- und Entlademonitor so wichtig, der verhindert, dass der Akku zu viel oder zu wenig Strom hat.
Wechselstrom (AC) ist das Gegenteil von Gleichstrom (DC), und ein Generator wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um.
Ein Wechselrichter wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um. Die Last benötigt Wechselstrom, Solarzellen und Batterien hingegen Gleichstrom, daher ist ein Umschalter erforderlich. Je nach Funktionsweise lassen sich Wechselrichter in zwei Gruppen unterteilen: netzunabhängige Solarwechselrichter und solche, die an das Stromnetz angeschlossen sind. Werden Solarzellen ausschließlich zur Stromerzeugung genutzt, kann mit einem netzunabhängigen Generator eine andere Last versorgt werden. Der an das Stromnetz angeschlossene Solartransformator ermöglicht den Betrieb der Solaranlage im Netz. Wechselrichter gibt es in zwei Ausführungen: Sinus- und Rechteckwechselrichter. Rechteckwechselrichter sind einfach und kostengünstig herzustellen, weisen jedoch einen hohen Oberwellenanteil auf. Sie werden üblicherweise für Anwendungen mit einem Oberwellenbedarf von wenigen hundert Watt oder weniger eingesetzt. Sinuswechselrichter sind teurer, können aber für eine Vielzahl von Anwendungen genutzt werden.
Ein Gerät zur Steuerung der Sonnennachführung
Der Einfallswinkel des Sonnenlichts ändert sich im Laufe des Jahres mit Sonnenaufgang und -untergang im Frühling, Sommer, Herbst und Winter. Dies liegt daran, dass die Systeme an einem festen Standort installiert sind. Für eine optimale Funktion müssen die Solarzellen stets zur Sonne ausgerichtet sein. Aktuell muss das Sonnennachführungssystem Längen- und Breitengraddaten nutzen, um den Sonnenstand zu verschiedenen Jahreszeiten zu ermitteln. Die SPS, der Mikrocontroller oder die Computersoftware verfolgen die Sonnenposition das ganze Jahr über. Dies geschieht durch die Berechnung des Sonnenstands zur Nachführung. Dabei kommt die Computerdatentheorie zum Einsatz, die Längen- und Breitengraddaten sowie die entsprechenden Einstellungen benötigt. Einmal installiert, ist das System nicht einfach zu versetzen oder zu demontieren; Daten und Parameter müssen jedes Mal neu eingestellt werden. Die Prinzipien, Schaltkreise, Technologien und Geräte sind komplex und können von Laien nicht ohne Weiteres verändert werden. Intelligente Solartracker können in schnellen Autos und Zügen sowie in Schiffen, Marinefahrzeugen, Kommunikations- und Einsatzfahrzeugen und Spezialfahrzeugen eingesetzt werden. Der intelligente Sonnentracker sorgt dafür, dass das System immer auf die Sonne ausgerichtet bleibt, egal wohin sie sich bewegt oder wie sie sich dreht.
Was man mit Solarenergie alles machen kann
Der photovoltaische Effekt der Halbleiterwechselwirkung ist die Grundlage der Photovoltaik (PV). Er wandelt Licht in Elektrizität um. Die Solarzelle ist dabei das wichtigste Bauteil. Großflächige Solarmodule lassen sich herstellen, indem Solarzellen in Reihe geschaltet und geschützt werden. Diese Module können dann mit Ladereglern und weiteren Komponenten zu einem Photovoltaik-Kraftwerk kombiniert werden. PV ist vorteilhaft, da sie aufgrund der weltweiten Sonneneinstrahlung vielseitig einsetzbar ist. Weitere Vorteile von PV-Systemen sind ihre Sicherheit und Zuverlässigkeit, ihre Geräusch- und Schadstofffreiheit, der Verzicht auf Brennstoffe und die Möglichkeit der Kabelverlegung vor Ort, was den Bauprozess beschleunigt. Photovoltaik nutzt Solarzellen, um Sonnenlicht direkt in Elektrizität umzuwandeln – basierend auf dem Prinzip des photovoltaischen Effekts. Ein Photovoltaik-Kraftwerk besteht hauptsächlich aus Solarmodulen, Ladereglern und Wechselrichtern. Es kann autark oder an das Stromnetz angeschlossen betrieben werden. Da die meisten dieser Teile elektrisch und nicht mechanisch sind, sind PV-Anlagen sehr gut verarbeitet, zuverlässig, langlebig und einfach zu installieren und zu warten. Die Photovoltaik-Technologie könnte für alles Mögliche eingesetzt werden, von der Stromversorgung von Raumschiffen bis zu Wohnhäusern, von Spielen bis zu Kraftwerken im Megawattbereich und vielem mehr.
Solarzellen, die in Form von Wafern aus monokristallinem, polykristallinem und amorphem Silizium sowie als Dünnschichtzellen erhältlich sind, bilden die grundlegendsten Komponenten der Photovoltaik. Derzeit sind Einkristall- und Polykristallbatterien die gängigsten amorphen Batterien für kleine Systeme und die Notstromversorgung von Computern.
