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Photovoltaik-Aufbau: Vom Generator bis zum Anschlusspunkt

So funktioniert Photovoltaik

Sie wollen Ihre eigene Photovoltaikanlage bauen, wissen aber nicht, wo Sie anfangen sollen? So funktioniert Photovoltaik. Netzgekoppelte Solarstromanlagen bestehen aus verschiedenen Komponenten, von denen einige obligatorisch und andere optional sind, die aber alle dem gleichen Zweck dienen: Auf dem Dach befinden sich die Solarzellen, die mit den PV-Modulen verbunden sind und das Sonnenlicht in Strom umwandeln, die Unterkonstruktion auf dem Dach, die die Solarmodule mit der Dachkonstruktion verbindet, und der erzeugte Solarstrom, der meist über eine unter dem Dach verlaufende Verkabelung zum Generatoranschlusskasten und zum Wechselrichter geleitet wird.PV

Solarzellen und Solarmodule wandeln die Sonnenenergie in Strom um.

PVS-Solarenergie wird durch die Entnahme von Elektronen aus dem Siliziumkristallgitter erzeugt. Die Solarzelle ist die wichtigste Komponente von Photovoltaikanlagen. Einzelne Ladungsträger – die negativ geladenen Elektronen – werden aus dem Kristallgitter des Solarzellenmaterials gelöst und auf ein höheres Energieniveau gehoben, so dass sie frei fließen können. Um aus diesen Paaren einen Elektronenfluss, d.h. elektrischen Strom, zu erzeugen, wird in das Material der Solarzelle – in der Regel der Halbleiter Silizium – eine Raumladungszone implantiert (Dotierung). Wenn ein Elektron-Loch-Paar auf die Raumladungszone trifft, reißt das elektrische Feld es auseinander, so dass das Elektron zu den vorderen Kontakten der Solarzelle wandert und das Loch zu den hinteren Kontakten. Wenn ein Verbraucher angeschlossen ist, fließen Elektronen, und das Sonnenlicht wird in elektrischen Strom umgewandelt.

Photovoltaik-Aufbau: Vom Generator zum Anschlusspunkt

Sie wollen Ihre eigene Photovoltaik-Anlage bauen, wissen aber nicht, wo Sie anfangen sollen?Klicken Sie hier, um den Photovoltaik-Aufbau zu vergrößern.so funktioniert Photovoltaik. Netzgekoppelte Solarstromanlagen bestehen aus verschiedenen Komponenten, von denen einige obligatorisch und andere optional sind, die aber alle demselben Zweck dienen: Auf dem Dach befinden sich die Solarzellen, die mit den PV-Modulen verbunden sind und das Sonnenlicht in Strom umwandeln, die Unterkonstruktion auf dem Dach, die die Solarmodule mit der Dachkonstruktion verbindet, und der erzeugte Solarstrom, der meist über eine unter dem Dach verlaufende Verkabelung zum Generatoranschlusskasten und zum Wechselrichter geleitet wird.

PVS-Solarstrom wird durch die Entnahme von Elektronen aus dem Siliziumkristallgitter erzeugt. Die Solarzelle ist die wichtigste Komponente von Photovoltaikanlagen. Einzelne Ladungsträger – die negativ geladenen Elektronen – werden aus dem Kristallgitter des Solarzellenmaterials gelöst und auf ein höheres Energieniveau gehoben, so dass sie frei fließen können. Um aus diesen Paaren einen Elektronenfluss, d.h. elektrischen Strom, zu erzeugen, wird in das Material der Solarzelle – in der Regel der Halbleiter Silizium – eine Raumladungszone implantiert (Dotierung). Wenn ein Elektron-Loch-Paar auf die Raumladungszone trifft, reißt das elektrische Feld es auseinander, so dass das Elektron zu den vorderen Kontakten der Solarzelle wandert und das Loch zu den hinteren Kontakten. Wird ein Verbraucher angeschlossen, fließen Elektronen, und das Sonnenlicht wird in elektrischen Strom umgewandelt.PV-Module sind das Herzstück der Anlage. Solarzellen werden zu Photovoltaikmodulen zusammengefasst, um sie für die Stromerzeugung auf dem Dach handlicher zu machen und sie effizient vor den dort herrschenden Umwelteinflüssen zu schützen. 

Umwandlung von Photovoltaikanlagen in eine Wechselstrom Struktur.

Bevor der solare Gleichstrom genutzt werden kann, muss er zunächst möglichst verlustfrei in Haushalts Wechselstrom umgewandelt werden: Das ist die “Lebensaufgabe” des Wechselrichters (auch Wechselrichter oder Netzeinspeisegerät genannt). Mehr als 97 Prozent des erzeugten Gleichstroms werden von modernen Wechselrichtern in Wechselstrom umgewandelt. Zu den weiteren Aufgaben des Netzeinspeisers gehören:die kontinuierliche Anpassung des Betriebspunktes der Solarstromanlage (MPP-Tracking), um sicherzustellen, dass die PV-Anlage immer so viel Strom wie möglich produziert;die Überwachung der aktuellen Spannung und Stromfrequenz, um sicherzustellen, dass der Solarstrom sicher in das öffentliche Netz eingespeist werden kann;die Gewährleistung der Sicherheit elektrischer Anlagen; unddie Aufbereitung und Überwachung kritischer Betriebs- und Zustandsdaten der Solarstromanlage (Ertrag, Modultemperatur, Performance Ratio, etc. ).Einspeisung und/oder Speicherung Solarstrom liegt letztlich in Form von haushaltsüblicher Energie, nämlich Wechselstrom, am Ausgang des Wechselrichters vor. Betreiber von netzgekoppelten Aufdachanlagen können die selbst erzeugte Energie nun auf zwei verschiedene Arten nutzen, die beide miteinander kombiniert werden können: Sie können sie gegen eine feste Einspeisevergütung in das öffentliche Netz einspeisen.

Photovoltaik Aufbau: Speicherung von Energie

Energiespeichersysteme werden für den Aufbau von Photovoltaikanlagen aufgrund der Attraktivität des Eigenverbrauchs immer wünschenswerter. Denn je nach Größe der Anlage können sie den Anteil des selbstverbrauchten Stroms auf 50-90 Prozent steigern.

Wärmepumpen und Photovoltaik

Auch für Wärmepumpen gibt es eine hohe staatliche Förderung. Sie entziehen der Umwelt (Erdreich, Luft, Grundwasser) Wärme und geben sie als Hochtemperatur-Heizwärme an anderer Stelle wieder ab – dazu benötigen Wärmepumpen Energie, meist Strom. Wärmepumpen sind prädestiniert für das Zusammenspiel mit PV-Anlagen, da die Stromkosten den größten Teil der Betriebskosten ausmachen: Die Wärmepumpe erhält Strom aus der Solaranlage, der sauber und günstig ist. Die Wärmepumpe erhält den Strom aus der Solarstromanlage, der sauber und kostengünstig ist, der Stromverbrauch der Wärmepumpe fördert im Gegenzug den rentablen Eigenverbrauch der Photovoltaikanlage und die von der Wärmepumpe erzeugte Wärme stärkt die Unabhängigkeit der Wärmepumpe von externen Energiequellen (Energieversorgern).PV-Module sind das Herzstück der Anlage. Die Solarzellen werden in die Photovoltaik Module integriert, um sie für die Stromerzeugung auf dem Dach handhabbar zu machen und sie effizient vor den dort vorhandenen Umwelteinflüssen zu schützen. Dazu gehören im Wesentlichen:der Rahmen des Moduls Die Glasabdeckung, die die Solarzellen mechanisch abdeckt und dabei möglichst viel Licht durchlässt,die einzelnen Zellen sind in eine Laminierung eingebettet.

Photovoltaik Aufbau: Stromerzeugung an abgelegenen Standorten 

Solarzellen können in großen Gruppen, sogenannten Arrays, zusammengefasst werden. Diese Arrays, die aus Tausenden von Einzelzellen bestehen, können als zentrale Stromerzeugungsanlagen fungieren, die Sonnenenergie in elektrische Energie umwandeln und diese an industrielle, gewerbliche und private Verbraucher verteilen. Solarzellen in sehr viel kompakten Konfigurationen, die gemeinhin als Solarzellenplatte oder einfach als Solarmodule bezeichnet werden, werden von Hausbesitzern auf Dächern installiert, um ihre herkömmliche Stromversorgung zu ergänzen oder zu ersetzen. 

Solarzellen Paneele werden auch zur Stromerzeugung an einer Reihe von abgelegenen Orten auf der Erde eingesetzt, wo herkömmliche Stromquellen entweder nicht zur Verfügung stehen oder deren Installation unerschwinglich ist. Solarzellen treiben die meisten Raumfahrt Anlagen an, von Kommunikations- und Wettersatelliten bis hin zu Raumstationen, da sie keine beweglichen Teile haben, die gewartet werden müssen, und keinen Treibstoff, der nachgefüllt werden muss. (Solarenergie allein reicht jedoch nicht aus, um Raumsonden anzutreiben, die zu den äußeren Planeten des Sonnensystems oder in den interstellaren Raum geschickt werden, da die Strahlungsenergie mit der Entfernung von der Sonne abnimmt). Auch in Verbraucherprodukten wie elektronischem Spielzeug, Taschenrechnern und tragbaren Radios sind Solarzellen eingebaut. Die in diesen Geräten verwendeten Solarzellen können sowohl von natürlichen als auch von künstlichen Lichtquellen (z. B. Glühbirnen und Leuchtstofflampen) gespeist werden.

Photovoltaik Aufbau: Die Struktur und Funktionsweise 

Solarzellen haben die gleiche Grundstruktur, unabhängig davon, ob sie in einem zentralen Kraftwerk, einem Satelliten oder einem Taschenrechner eingesetzt werden. Das Licht gelangt über eine optische Beschichtung oder Antireflexionsschicht in das Gerät; diese Schicht fängt das auf die Solarzelle fallende Licht effektiv ein, indem sie seine Übertragung auf die darunter liegenden Energieumwandlung Schichten fördert. Bei der Antireflexionsschicht handelt es sich in der Regel um Silizium-, Tantal- oder Titanoxid, das durch Schleudern aufgetragen oder mit Hilfe eines Vakuum Verfahrens auf der Zelloberfläche abgeschieden wird.

Die obere Sperrschicht, die Absorberschicht, die den Kern des Geräts bildet, und die hintere Sperrschicht sind die drei Energieumwandlung Schichten unter der Antireflexionsschicht. Zwei zusätzliche elektrische Kontaktschichten sind erforderlich, um den Strom von der Zelle zu einer externen Last und zurück in die Zelle zu leiten und den Stromkreis zu schließen. Die elektrische Kontaktschicht auf der Vorderseite der Zelle, wo das Licht eintritt, ist in der Regel gitterförmig und besteht aus einem guten Leiter, z. B. aus Metall. Da Metall Licht absorbiert, müssen die Gitterlinien so dünn und weit voneinander entfernt wie möglich sein, ohne die Stromaufnahme der Zelle zu beeinträchtigen. Für die rückseitige elektrische Kontaktschicht gibt es keine derart gegensätzlichen Anforderungen. Sie muss lediglich als elektrischer Kontakt fungieren und deckt daher die gesamte Rückseite der Zellstruktur ab. Da die Rückseite Schicht auch ein hervorragender elektrischer Leiter sein muss, besteht sie immer aus Metall.

Welche Materialien in Solarzellen verwendet werden?

Da der größte Teil der Energie des Sonnenlichts und des künstlichen Lichts im sichtbaren Bereich der elektromagnetischen Strahlung liegt, sollte der Absorber einer Solarzelle eine hohe Effizienz bei der Absorption von Strahlung in diesem Bereich aufweisen. Materialien, die einen großen Teil des sichtbaren Lichts absorbieren, werden als Halbleiter bezeichnet. Halbleiter mit einer Dicke von weniger als einem Hundertstel eines Zentimeters können das gesamte einfallende sichtbare Licht absorbieren; da die den Übergang bildenden Schichten und die Kontaktschichten viel dünner sind, ist die Dicke einer Solarzelle im Wesentlichen gleich der des Absorbers. Silizium, Galliumarsenid, Indiumphosphid und Kupfer-Indium-Selenid sind alles Halbleitermaterialien, die in Solarzellen verwendet werden.

Photovoltaik Aufbau: Wechselstrom Aufbau.

Bevor der solare Gleichstrom genutzt werden kann, muss er zunächst möglichst verlustfrei in Haushalts-Wechselstrom umgewandelt werden: Das ist die “Lebensaufgabe” des Wechselrichters (auch Wechselrichter oder Netzeinspeisegerät genannt). Mehr als 97 Prozent des erzeugten Gleichstroms werden von modernen Wechselrichtern in Wechselstrom umgewandelt. Zu den weiteren Aufgaben des Netzeinspeisers gehören:die kontinuierliche Anpassung des Betriebspunktes der Solarstromanlage (MPP-Tracking), um sicherzustellen, dass die PV-Anlage immer so viel Strom wie möglich produziert;die Überwachung der aktuellen Spannung und Stromfrequenz, um sicherzustellen, dass der Solarstrom sicher in das öffentliche Netz eingespeist werden kann;die Gewährleistung der Sicherheit elektrischer Anlagen; unddie Aufbereitung und Überwachung kritischer Betriebs- und Zustandsdaten der Solarstromanlage (Ertrag, Modultemperatur, Performance Ratio, etc. ).Einspeisung und/oder Speicherung Solarstrom liegt letztlich in Form von haushaltsüblicher Energie, nämlich Wechselstrom, am Ausgang des Wechselrichters vor. Betreiber von netzgekoppelten Aufdachanlagen können die selbst erzeugte Energie nun auf zwei verschiedene Arten nutzen, die beide miteinander kombiniert werden können: Sie können sie gegen eine feste Einspeisevergütung in das öffentliche Netz einspeisen.PV

Aufbau einer Photovoltaik Produktionskette in Europa

Aufgrund der deutlich geringeren CO -Emissionen bei der Produktion und der anhaltend starken weltweiten Nachfrage nach klimafreundlichen Photovoltaik-Modulen gilt es nun, die Photovoltaik-Produktionskette in Europa zügig und entschlossen auszubauen.

Forscher der Universität Freiburg haben die CO2-Emissionen von Glas-Glas- und Glas-Folien-Solarmodulen, die in Deutschland, der Europäischen Union und China hergestellt werden, während der Herstellung, des Transports und des Betriebs der Module verglichen. Das Ergebnis liegt auf der Hand und soll dazu beitragen, eine Photovoltaik-Produktionskette in Europa aufzubauen.

Aluminiumrahmen für Glas-Folien-Solarmodule sind in der Herstellung äußerst energieintensiv, weshalb rahmenlose Glas-Glas-Module in der Studie deutlich besser abschnitten.

Indien war mit 0,44 Jahren der Sieger. Jetzt haben die Freiburger Forscher eine neue Analyse veröffentlicht, in der sie den CO2-Fußabdruck von monokristallinen Glas-Folien- und Glas-Glas-Solarmodulen ermittelt haben. Verglichen wurden die CO2-Emissionen, die bei der Herstellung, dem Transport und dem Betrieb von Solarmodulen aus China, Deutschland und der Europäischen Union entstehen.

Photovoltaik Aufbau: Photovoltaikanlage

Die in Europa hergestellten Solarmodule sind zweifellos die Gewinner. “Mit in der EU hergestellten Photovoltaik-Modulen spare ich 40 Prozent CO-Emissionen im Vergleich zu aus China importierten Modulen”, erklärt Holger Neuhaus, Leiter der Abteilung Modultechnik am Fraunhofer ISE. Neben den transport bedingungen Emissionsminderungen ist dies vor allem auf den Energiemix der jeweiligen Länder zurückzuführen. Den größten Einfluss auf den CO-Fußabdruck eines Solarmoduls hat jedoch mit 50-63 Prozent der Anteil der für die Herstellung benötigten Energie. Der Transport von Solarmodulen von China nach Europa verursacht nur etwa 3 % der Gesamtemissionen.

Photovoltaik anlage: aufbau einer photovoltaik anlage

Nach Berechnungen des Fraunhofer ISE emittieren in der EU hergestellte Glas-Glas-Solarmodule 420 Kilogramm CO2-Äquivalente pro erzeugtem Kilowatt Leistung. Bei den in der EU hergestellten Glas-Folien-Solarmodulen sind es 480 Kilogramm CO2-Äquivalente pro Kilowatt Leistung. Für die Produktion in Deutschland ermittelten die Forscher Werte von 520 und 580 Kilogramm CO2-Äquivalenten pro Kilowatt Leistung. Werden die Solarmodule dagegen in China hergestellt, fallen 750 bis 810 Kilogramm CO2-Äquivalente pro Kilowatt Leistung an. Die niedrigeren Preise für Glas-Glas-Solarmodule sind auf das Fehlen eines Aluminiumrahmens zurückzuführen. Die Herstellung eines Aluminium Rahmens ist ein äußerst energieintensiver Prozess. Außerdem haben Glas-Glas-Solarmodule eine längere Lebensdauer und eine geringere Degradation als Glas-Folien-Solarmodule, was den Kohlenstoff-Fußabdruck verringert. Nach Angaben der Forscher stößt das rahmenlose Glas-Glas-Modul, bezogen auf die erzeugten Kilowattstunden, 22 bis 27 Prozent weniger CO aus als das Glas-Folien-Modul. Das Fraunhofer ISE hat seine Studie mit neu erhobenen Produktionsdaten in Zusammenarbeit mit der Industrie durchgeführt. “Das ist ein echtes Novum, denn es konnte gezeigt werden, dass sich der Carbon Footprint von Photovoltaikmodulen im Vergleich zu heute noch verwendeten Lebenszyklusanalysen auf Basis älterer Datensätze in den letzten Jahren um rund 80 Prozent verringert hat”, so Neuhaus weiter. Höhere Silizium Ausbeuten, verbesserte Herstellungsprozesse, ein höherer Wirkungsgrad der Module und eine geringere CO2-Intensität der Stromerzeugung haben zu diesen Verbesserungen beigetragen.

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