Das Funktionsprinzip einer Solarbatterie: Wie ein Solarpanel funktioniert und funktioniert

Kostenlose Sonnenstrahlen effektiv in Energie umzuwandeln, die zur Stromversorgung von Häusern und anderen Einrichtungen genutzt werden kann, ist der gehegte Traum vieler Befürworter grüner Energie.

Das Funktionsprinzip der Solarbatterie und ihre Effizienz sind jedoch so, dass über die hohe Effizienz solcher Systeme noch nicht gesprochen werden muss. Es wäre schön, eine eigene zusätzliche Stromquelle zu haben. Nicht wahr? Darüber hinaus wird in Russland auch heute noch eine beträchtliche Anzahl privater Haushalte mit Hilfe von Solaranlagen erfolgreich mit „kostenlosem“ Strom versorgt. Sie wissen immer noch nicht, wo Sie anfangen sollen?

Im Folgenden informieren wir Sie über den Aufbau und die Funktionsweise eines Solarpanels; Sie erfahren, wovon die Effizienz einer Solaranlage abhängt. Und die im Artikel veröffentlichten Videos helfen Ihnen dabei, mit Ihren eigenen Händen ein Solarpanel aus Fotozellen zusammenzubauen.

Solarmodule: Terminologie

Beim Thema „Solarenergie“ gibt es viele Nuancen und Verwirrungen. Für Anfänger ist es zunächst oft schwierig, alle unbekannten Begriffe zu verstehen. Aber ohne dies ist es unvernünftig, sich mit Solarenergie zu beschäftigen und Geräte zur Erzeugung von „Solarstrom“ zu kaufen.

Unwissentlich kann man nicht nur das falsche Panel auswählen, sondern es auch beim Anschließen einfach verbrennen oder ihm zu wenig Energie entziehen.

Zunächst sollten Sie die vorhandenen Gerätetypen für Solarenergie verstehen. Sonnenkollektoren und Sonnenkollektoren sind zwei grundsätzlich unterschiedliche Geräte. Beide wandeln die Energie der Sonnenstrahlen um.

Im ersten Fall erhält der Verbraucher jedoch am Ausgang elektrische Energie und im zweiten Fall thermische Energie in Form eines erwärmten Kühlmittels, d.h. Sonnenkollektoren werden verwendet für Hausheizung.

Die maximale Rendite eines Solarmoduls lässt sich nur erzielen, wenn man weiß, wie es funktioniert, aus welchen Komponenten und Baugruppen es besteht und wie alles richtig angeschlossen ist

Die zweite Nuance ist das Konzept des Begriffs „Solarbatterie“. Normalerweise bezieht sich das Wort „Batterie“ auf eine Art elektrisches Speichergerät. Oder es fällt einem ein banaler Heizkörper ein. Bei Solarbatterien ist die Situation jedoch völlig anders. Sie sammeln nichts in sich an.

Das Solarpanel erzeugt einen konstanten elektrischen Strom. Um ihn in einen variablen Strom (im Alltag verwendet) umzuwandeln, muss im Stromkreis ein Wechselrichter vorhanden sein

Solarmodule dienen ausschließlich der Erzeugung von elektrischem Strom. Diese wiederum werden bereits in den zusätzlich im Energieversorgungskreis der Anlage vorhandenen Batterien gespeichert, um das Haus nachts mit Strom zu versorgen, wenn die Sonne untergeht.

Die Batterie ist hier im Zusammenhang mit einem bestimmten Satz ähnlicher Komponenten gemeint, die zu einem Ganzen zusammengefügt sind. Tatsächlich handelt es sich lediglich um ein Panel aus mehreren identischen Fotozellen.

Interner Aufbau einer Solarbatterie

Nach und nach werden Solarmodule billiger und effizienter.Mittlerweile werden sie zum Aufladen von Batterien in Straßenlaternen, Smartphones, Elektroautos, Privathäusern und auf Satelliten im Weltraum eingesetzt. Sie begannen sogar mit dem Bau vollwertiger Solarkraftwerke (SPPs) mit großen Erzeugungsmengen.

Eine Solarbatterie besteht aus vielen Fotozellen (fotoelektrischen Wandlern), die die Energie der Photonen der Sonne in Strom umwandeln

Jede Solarbatterie ist als Block aus einer bestimmten Anzahl von Modulen konzipiert, die in Reihe geschaltete Halbleiterfotozellen kombinieren. Um die Funktionsprinzipien einer solchen Batterie zu verstehen, ist es notwendig, die Funktionsweise dieser letzten Verbindung in einem auf Halbleiterbasis erstellten Solarpanelgerät zu verstehen.

Arten von Fotozellenkristallen

Es gibt eine große Anzahl von FEP-Optionen, die aus verschiedenen chemischen Elementen hergestellt werden. Bei den meisten davon handelt es sich jedoch um Entwicklungen im Anfangsstadium. Bisher werden im industriellen Maßstab nur Panels aus siliziumbasierten Photovoltaikzellen hergestellt.

Siliziumhalbleiter werden aufgrund ihrer geringen Kosten bei der Herstellung von Solarzellen eingesetzt, eine besonders hohe Effizienz können sie nicht vorweisen

Eine typische Fotozelle in einem Solarpanel ist ein dünner Wafer aus zwei Siliziumschichten, von denen jede ihre eigenen physikalischen Eigenschaften hat. Dies ist ein klassischer Halbleiter-pn-Übergang mit Elektron-Loch-Paaren.

Wenn Photonen zwischen diesen Halbleiterschichten auf die Photovoltaikzelle treffen, entsteht aufgrund der Inhomogenität des Kristalls eine Gate-Photo-EMK, die zu einer Potentialdifferenz und einem Elektronenstrom führt.

Siliziumwafer von Solarzellen unterscheiden sich in der Herstellungstechnologie in:

1. Monokristallin.
2. Polykristallin.

Erstere haben einen höheren Wirkungsgrad, aber die Produktionskosten sind höher als die letzteren. Äußerlich lassen sich die einzelnen Optionen eines Solarmoduls durch ihre Form voneinander unterscheiden.

Monokristalline Solarzellen haben eine homogene Struktur; sie werden in Form von Quadraten mit abgeschnittenen Ecken hergestellt. Im Gegensatz dazu haben polykristalline Elemente eine streng quadratische Form.

Polykristalle werden durch allmähliches Abkühlen von geschmolzenem Silizium erhalten. Diese Methode ist äußerst einfach, weshalb solche Fotozellen kostengünstig sind.

Ihre Produktivität bei der Stromerzeugung aus Sonnenstrahlen übersteigt jedoch selten 15 %. Dies liegt an der „Verunreinigung“ der resultierenden Siliziumwafer und ihrer inneren Struktur. Dabei gilt: Je reiner die p-Siliziumschicht, desto höher ist der Wirkungsgrad der daraus entstehenden Solarzelle.

Die Reinheit von Einkristallen ist in dieser Hinsicht viel höher als die von polykristallinen Analoga. Sie bestehen nicht aus geschmolzenem, sondern aus künstlich gewachsenem massivem Siliziumkristall. Der photoelektrische Umwandlungskoeffizient solcher Solarzellen erreicht bereits 20-22 %.

Einzelne Fotozellen sind auf einem Aluminiumrahmen zu einem gemeinsamen Modul zusammengebaut und zu ihrem Schutz oben mit widerstandsfähigem Glas abgedeckt, das die Sonnenstrahlen in keiner Weise beeinträchtigt

Die der Sonne zugewandte oberste Schicht der Fotozellenplatte besteht aus dem gleichen Silizium, jedoch mit einem Zusatz von Phosphor. Letzteres ist die Quelle überschüssiger Elektronen im pn-Übergangssystem.

Ein echter Durchbruch auf dem Gebiet der Solarenergie war die Entwicklung flexibler Module mit amorphem Photovoltaik-Silizium:

Funktionsprinzip des Solarpanels

Wenn Sonnenlicht auf eine Fotozelle fällt, werden darin ungleichgewichtige Elektron-Loch-Paare erzeugt. Überschüssige Elektronen und Löcher werden teilweise durch den pn-Übergang von einer Schicht des Halbleiters auf eine andere übertragen.

Dadurch entsteht Spannung im externen Stromkreis. Dabei entsteht am Kontakt der p-Schicht ein positiver Pol der Stromquelle und an der n-Schicht ein negativer Pol.

Die Potentialdifferenz (Spannung) zwischen den Kontakten der Fotozelle entsteht durch eine Änderung der Anzahl der „Löcher“ und Elektronen auf verschiedenen Seiten des pn-Übergangs infolge der Bestrahlung der n-Schicht mit Sonnenstrahlen

Fotozellen, die an eine externe Last in Form einer Batterie angeschlossen sind, bilden damit einen Teufelskreis. Dadurch funktioniert das Solarpanel wie eine Art Rad, entlang dem Elektronen zwischen Proteinen „zusammenlaufen“. Und der Akku wird nach und nach aufgeladen.

Standard-Silizium-Photovoltaik-Wandler sind Single-Junction-Zellen.Der Elektronenfluss in sie erfolgt nur über einen pn-Übergang, wobei die Zone dieses Übergangs in der Photonenenergie begrenzt ist.

Das heißt, jede dieser Fotozellen kann nur aus einem schmalen Spektrum der Sonnenstrahlung Strom erzeugen. Alle andere Energie wird verschwendet. Deshalb ist die Effizienz von FEP so gering.

Um die Effizienz von Solarzellen zu steigern, werden seit kurzem Silizium-Halbleiterelemente für sie als Multijunction (Kaskade) hergestellt. Bei den neuen Solarzellen gibt es bereits mehrere Übergänge. Darüber hinaus ist jeder von ihnen in dieser Kaskade für sein eigenes Sonnenlichtspektrum ausgelegt.

Letztendlich steigt die Gesamteffizienz der Umwandlung von Photonen in elektrischen Strom für solche Fotozellen. Aber ihr Preis ist viel höher. Hier geht es entweder um einfache Herstellung bei geringen Kosten und geringer Effizienz oder um höhere Erträge bei gleichzeitig hohen Kosten.

Das Solarpanel kann sowohl im Sommer als auch im Winter funktionieren (es braucht Licht, keine Wärme) – je weniger bewölkt und je heller die Sonne scheint, desto mehr Strom erzeugt das Solarpanel

Während des Betriebs erwärmen sich die Fotozelle und die gesamte Batterie allmählich. Die gesamte Energie, die nicht zur Stromerzeugung genutzt wurde, wird in Wärme umgewandelt. Oftmals steigt die Temperatur an der Oberfläche des Solarmoduls auf 50–55 °C. Doch je höher dieser ist, desto weniger effizient arbeitet die Photovoltaikzelle.

Dadurch erzeugt das gleiche Solarbatteriemodell bei heißem Wetter weniger Strom als bei kaltem Wetter. An einem klaren Wintertag zeigen Fotozellen ihre maximale Effizienz. Hier spielen zwei Faktoren eine Rolle: viel Sonne und natürliche Kühlung.

Auch wenn Schnee auf das Modul fällt, wird es weiterhin Strom erzeugen.Darüber hinaus haben die Schneeflocken nicht einmal Zeit, lange darauf zu liegen, da sie durch die Hitze der beheizten Fotozellen geschmolzen sind.

Effizienz der Solarbatterie

Eine Fotozelle erzeugt selbst mittags bei klarem Wetter sehr wenig Strom, gerade genug, um eine LED-Taschenlampe zu betreiben.

Um die Ausgangsleistung zu erhöhen, werden mehrere Solarzellen in einer Parallelschaltung zur Erhöhung der Gleichspannung und in einer Reihenschaltung zur Erhöhung des Stroms kombiniert.

Die Effizienz von Solarmodulen hängt ab von:

• Temperatur der Luft und der Batterie selbst;
• richtige Auswahl des Lastwiderstandes;
• Einfallswinkel des Sonnenlichts;
• Vorhandensein/Fehlen einer Antireflexbeschichtung;
• Lichtstromleistung.

Je niedriger die Außentemperatur, desto effizienter arbeiten die Fotozellen und die Solarbatterie insgesamt. Hier ist alles einfach. Bei der Lastberechnung ist die Situation jedoch komplizierter. Die Auswahl sollte auf der Grundlage des vom Panel gelieferten Stroms erfolgen. Sein Wert variiert jedoch je nach Wetterfaktoren.

Solarmodule werden mit einer Ausgangsspannung hergestellt, die ein Vielfaches von 12 V beträgt. Wenn die Batterie mit 24 V versorgt werden muss, müssen zwei Module parallel angeschlossen werden

Die ständige Überwachung der Parameter einer Solarbatterie und die manuelle Anpassung ihres Betriebs ist problematisch. Dafür ist es besser zu verwenden Steuerungscontroller, das die Einstellungen des Solarpanels automatisch anpasst, um daraus maximale Leistung und optimale Betriebsmodi zu erzielen.

Der ideale Einfallswinkel der Sonnenstrahlen auf eine Solarbatterie ist gerade. Beträgt die Abweichung jedoch weniger als 30 Grad von der Senkrechten, sinkt der Wirkungsgrad des Panels nur um etwa 5 %.Bei einer weiteren Vergrößerung dieses Winkels wird jedoch ein zunehmender Anteil der Sonnenstrahlung reflektiert, wodurch sich der Wirkungsgrad der Solarzelle verringert.

Soll die Batterie im Sommer maximale Energie produzieren, sollte sie senkrecht zum durchschnittlichen Sonnenstand ausgerichtet sein, den sie zu den Tagundnachtgleichen im Frühjahr und Herbst einnimmt.

Für die Region Moskau beträgt dieser etwa 40–45 Grad zum Horizont. Wenn im Winter das Maximum benötigt wird, sollte das Paneel in einer vertikaleren Position platziert werden.

Und noch etwas: Staub und Schmutz beeinträchtigen die Leistung von Fotozellen erheblich. Photonen erreichen sie einfach nicht durch eine solche „schmutzige“ Barriere, was bedeutet, dass es nichts gibt, was in Elektrizität umgewandelt werden könnte. Die Platten müssen regelmäßig gewaschen oder so platziert werden, dass der Staub durch den Regen von selbst abgewaschen wird.

Einige Solarmodule verfügen über eingebaute Linsen, um die Strahlung auf die Solarzelle zu konzentrieren. Bei klarem Wetter führt dies zu einer Effizienzsteigerung. Bei starker Bewölkung richten diese Linsen allerdings nur Schaden an.

Wenn ein herkömmliches Panel in einer solchen Situation weiterhin Strom erzeugt, wenn auch in geringeren Mengen, dann wird das Linsenmodell fast vollständig nicht mehr funktionieren.

Die Sonne sollte eine Fotozellenbatterie idealerweise gleichmäßig beleuchten. Wenn sich herausstellt, dass einer seiner Abschnitte abgedunkelt ist, werden die unbeleuchteten Solarzellen zu einer parasitären Last. Sie erzeugen in einer solchen Situation nicht nur keine Energie, sondern entziehen sie auch den Arbeitselementen.

Die Paneele müssen so montiert werden, dass sich keine Bäume, Gebäude oder andere Hindernisse im Weg der Sonnenstrahlen befinden.

Diagramm der Solarstromversorgung des Hauses

Das Solarstromversorgungssystem umfasst:

1. Solarplatten.
2. Regler.
3. Batterien.
4. Wechselrichter (Transformator).

Der Controller in diesem Stromkreis schützt sowohl Solarmodule als auch Batterien. Einerseits verhindert es das Fließen von Rückströmen in der Nacht und bei bewölktem Wetter, andererseits schützt es die Batterien vor übermäßiger Ladung/Entladung.

Akkus für Solarmodule sollten hinsichtlich Alter und Kapazität gleich gewählt werden, da es sonst zu ungleichmäßigem Laden/Entladen kommt, was zu einer starken Verkürzung der Lebensdauer führt

Um Gleichstrom von 12, 24 oder 48 Volt in Wechselstrom von 220 Volt umzuwandeln, benötigen Sie Wandler. Autobatterien werden für den Einsatz in einem solchen Stromkreis nicht empfohlen, da sie häufigem Aufladen nicht standhalten. Geben Sie am besten Geld aus und kaufen Sie spezielle Helium-AGM- oder geflutete OPzS-Batterien.

Schlussfolgerungen und nützliches Video zum Thema

Funktionsprinzipien und Anschlusspläne für Solarmodule nicht allzu schwer zu verstehen. Und mit den unten zusammengestellten Videomaterialien wird es noch einfacher, alle Feinheiten der Funktionsweise und Installation von Solarmodulen zu verstehen.

Es ist verständlich und verständlich, wie eine Photovoltaik-Solarbatterie in allen Einzelheiten funktioniert:

Sehen Sie im folgenden Video, wie Solarmodule funktionieren:

DIY-Solarpanel-Montage aus Fotozellen:

Jedes Element in Solarstromanlage Das Ferienhaus muss richtig ausgewählt werden. Es kommt zwangsläufig zu Leistungsverlusten in den Batterien, Transformatoren und der Steuerung. Und sie müssen auf ein Minimum reduziert werden, sonst sinkt der ohnehin schon eher geringe Wirkungsgrad von Solarmodulen auf Null.

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