Solar-Photovoltaik-Energie

Photovoltaische Solarenergie

Solar-Photovoltaik(PV)-Energie ist ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie durch Umwandlung von Sonnenenergiestrahlung in elektrische Gleichstromenergie unter Verwendung von Halbleitern, die den photovoltaischen Effekt zeigen. Solar-PV-Strom ist eine erneuerbare sowie nachhaltige Energiequelle. Solarstrom ist heute nach Wasser- und Windkraft die drittwichtigste erneuerbare Energiequelle, gemessen an der weltweit installierten Leistung. Solarzellen, von Wissenschaftlern auch Photovoltaikzellen genannt, wandeln Sonnenenergie direkt in Strom um. PV hat seinen Namen von dem Prozess der Umwandlung von Licht (Photonen) in Elektrizität (Spannung), der als „Photovoltaik (PV)-Effekt“ bezeichnet wird. Der PV-Effekt bezieht sich auf Lichtphotonen, die Elektronen in einen höheren Energiezustand anregen, wodurch sie als Ladungsträger für einen elektrischen Strom fungieren können. Der PV-Effekt wurde erstmals 1839 von Alexandre-Edmond Bequerel beobachtet. Der Begriff Photovoltaik bezeichnet den vorspannungsfreien Betriebsmodus einer Fotodiode, bei der der Strom durch das Gerät vollständig auf die umgewandelte Lichtenergie zurückzuführen ist. Nahezu alle Photovoltaikgeräte sind eine Art Fotodiode. Der PV-Effekt von Silizium (einem in Sand vorkommenden Element) wurde 1954 entdeckt, als Wissenschaftler von Bell Telephone entdeckten, dass Silizium eine elektrische Ladung erzeugt, wenn es Sonnenlicht ausgesetzt wird.

Solarenergie ist die am häufigsten vorkommende Energiequelle auf der Erde. Die direkte Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie in PV-Zellen ist eine der drei solaraktiven Technologien. Die anderen beiden Technologien sind „Concentrating Solar Power (CSP)“ und „Solar Thermal Collectors for Heating and Cooling (HSC)“. Heute liefert PV mehr als 0,1 % der gesamten globalen Energieerzeugung. Es hat auch eine vielversprechende Zukunft. Die globale PV-Kapazität wächst seit 2000 mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von mehr als 40 % und hat ein erhebliches Potenzial für langfristiges Wachstum in den kommenden Jahren. Solar-PV-Energie ist eine im Handel erhältliche zuverlässige Technologie zur Stromerzeugung. PV-Solarstrom trägt nicht nur zu einer erheblichen Verringerung der Treibhausgasemissionen bei, sondern bietet auch Vorteile in Bezug auf die Sicherheit der Energieversorgung und die sozioökonomische Entwicklung. Aufgrund der wachsenden Nachfrage nach erneuerbaren Energiequellen hat sich die Herstellung von Solarzellen und Photovoltaik in den letzten Jahren erheblich weiterentwickelt.

Solarzellen erzeugen aus Sonnenlicht Gleichstrom, der zum Antreiben von Geräten oder zum Aufladen einer Batterie verwendet werden kann. Die erste praktische Anwendung der Photovoltaik bestand darin, umlaufende Satelliten und andere Raumfahrzeuge mit Strom zu versorgen, aber heute werden die meisten Photovoltaikmodule für die netzgekoppelte Stromerzeugung verwendet. In diesem Fall wird ein Wechselrichter verwendet, um den Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) umzuwandeln.

Solarmodule, die zur Stromerzeugung verwendet werden, werden typischerweise aus Solarzellen hergestellt, die zu Modulen kombiniert werden, die etwa 40 Zellen enthalten. Viele Sonnenkollektoren werden zu einem System kombiniert, das als Solaranlage bezeichnet wird. Kupfer-Solarkabel verbinden Module (Modulkabel), Arrays (Array-Kabel) und Teilfelder. Ein typisches Gebäude verwendet etwa 10 bis 20 Sonnenkollektoren, um seinen Strombedarf zu decken. Für große Stromversorgungs- oder Industrieanwendungen werden Hunderte von Solaranlagen miteinander verbunden, um ein großes PV-System im Versorgungsmaßstab zu bilden.

Um die beste Leistung zu erzielen, zielen Solar-PV-Module darauf ab, die Zeit, in der sie der Sonne ausgesetzt sind, zu maximieren, um eine höhere Stromerzeugung zu erzielen. Solartracker erreichen dies, indem sie PV-Module bewegen, um der Sonne zu folgen. Dadurch können sie das meiste Sonnenlicht einfangen. Die Erhöhung kann im Winter bis zu 20 % und im Sommer bis zu 50 % betragen. Statisch montierte Systeme können durch Analyse des Sonnenpfads optimiert werden. Panels werden häufig auf Breitengradneigung eingestellt, ein Winkel, der dem Breitengrad entspricht, aber die Leistung kann verbessert werden, indem der Winkel für die Sommersaison und die Wintersaison angepasst wird. Im Allgemeinen, wie bei anderen Halbleiterbauelementen, verringern Temperaturen über Raumtemperatur die Leistung von Photovoltaikzellen.

Solarzellen bestehen aus Schichten eines halbleitenden Materials. Wenn Licht auf die Zelle scheint, erzeugt es ein elektrisches Feld über den Schichten, wodurch Strom fließt. Je größer die Intensität des Lichts ist, desto größer ist der Stromfluss. Aber auch an bewölkten Tagen kann eine PV-Anlage Strom erzeugen. Für den Betrieb ist kein helles Sonnenlicht erforderlich. Die Leistung einer Solarzelle wird in Bezug auf die Effizienz bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Strom gemessen. Ein Solar-PV-Modul mit einem Wirkungsgrad von 12,5 % bedeutet, dass es ein Achtel des auf das Modul treffenden Sonnenlichts in Strom umwandelt.

Die Leistungskapazität der Photovoltaik wird als maximale Ausgangsleistung unter standardisierten Testbedingungen (STC) in „Wp“ (Watt Peak) gemessen. Die tatsächliche Leistungsabgabe zu einem bestimmten Zeitpunkt kann je nach geografischer Lage, Tageszeit, Wetterbedingungen und anderen Faktoren unter oder über diesem standardisierten oder „Nennwert“ liegen. Der Lastfaktor (PLF) von Solar-Photovoltaik-Anlagen liegt in der Regel unter 25 %, was niedriger ist als bei vielen anderen industriellen Stromquellen.

Photovoltaikzellen

Herkömmliche Solarzellen werden aus Silizium hergestellt. Sie sind normalerweise flache Platten und im Allgemeinen am effizientesten. Zellen müssen vor der Umgebung geschützt werden und werden normalerweise dicht hinter einer Glasscheibe verpackt. Die Photovoltaik-Technologie verwendet die folgenden Arten von Solarzellen.

• Solarzelle aus kristallinem Silizium – Dies sind die effizientesten Solarzellen und werden aus Silizium in Solarqualität hergestellt. Diese Technologie wurde zuerst entwickelt und repräsentiert heute die Mehrheit der Anwendungen in den Solarmodulen. Die Zellen werden aus dünnen Scheiben (Wafern) hergestellt, die entweder aus einem Silizium-Einkristall (monokristallines Silizium c-Si) oder aus einem Block von Siliziumkristallen (poly- oder multikristallines Silizium poly-Si oder mc-Si) geschnitten werden. Einkristall-Waferzellen neigen dazu, teuer zu sein, da sie aus zylindrischen Barren geschnitten werden. Sie bedecken ein quadratisches Solarzellenmodul nicht vollständig ohne eine erhebliche Verschwendung von raffiniertem Silizium. Üblicherweise gibt es an den vier Ecken der aus Einkristall hergestellten Zellen unbedeckte Lücken. Poly- oder multikristalline Siliziumzellen werden aus gegossenen quadratischen Barren hergestellt, bei denen es sich um große Blöcke aus geschmolzenem Silizium handelt, die sorgfältig gekühlt und verfestigt werden. Poly-Si-Zellen sind weniger teuer in der Herstellung als Einkristall-Siliziumzellen, aber weniger effizient.
• Dünnschicht-Solarzelle – Dies sind Solarzellen der zweiten Generation und werden hergestellt, indem extrem dünne Schichten lichtempfindlicher Materialien auf eine kostengünstige Unterlage wie Glas, Edelstahl oder Kunststoff aufgebracht werden. Die verwendeten lichtempfindlichen Materialien sind amorphes Silizium und Nicht-Silizium-Materialien wie Cadmium-Tellurid (Cd-Te), Kupfer-Indium-Gallium-Selenid/Sulfid (CIGS). Dünnschichtsolarzellen verwenden nur wenige Mikrometer dicke Schichten aus Halbleitermaterialien. Die niedrigeren Produktionskosten gleichen die geringere Effizienz dieser Technologie aus. Sie sind im Vergleich zu Wafer-Silizium aufgrund der geringeren Kosten und Vorteile beliebt geworden, darunter Flexibilität, geringeres Gewicht und einfache Integration. Ein typischer Dünnschicht-Herstellungsprozess umfasst (i) Beschichten des Substrats mit einer transparenten leitenden Schicht, (ii) Abscheiden der aktiven Schicht durch verschiedene Techniken, wie chemische/physikalische Dampfabscheidung, (iii) Rückseitenmetallisierung (Kontakte) unter Verwendung eines Lasers Ritzen oder herkömmlicher Siebdruck und (iv) Einkapselung in einem Glaspolymergehäuse. Rolle-zu-Rolle-Techniken werden oft mit flexiblen Substraten verwendet, um Produktionszeit und -kosten zu reduzieren.

• Andere Zelltypen – Mehrere andere Arten von PV-Technologien werden heute entwickelt oder beginnen mit der Kommerzialisierung. Dies sind Solarzellen der dritten Generation, die aus einer Vielzahl neuer Materialien hergestellt werden, darunter Solartinten unter Verwendung herkömmlicher Druckmaschinentechnologien, Solarfarbstoffe und leitfähige Kunststoffe. Einige neue Solarzellen verwenden Kunststofflinsen oder -spiegel, um das Sonnenlicht auf ein sehr kleines Stück hocheffizientes PV-Material zu konzentrieren. Das PV-Material ist teurer, aber da so wenig benötigt wird, werden diese Systeme für den Einsatz in Versorgungsunternehmen und Industrie immer kostengünstiger. Da die Linsen jedoch auf die Sonne gerichtet sein müssen, ist der Einsatz konzentrierender Kollektoren auf die sonnenreichsten Stellen beschränkt.

Die Umwandlungseffizienz verschiedener Technologien ist in Tab 1 angegeben. Die Lebensdauer einer Solar-PV-Zelle beträgt 25 Jahre. Allerdings verschlechtert sich sein Wirkungsgrad und damit die Stromerzeugung mit der Zeit. Die Verschlechterung beträgt 10 % in den ersten zehn Jahren und weitere 10 % in den nächsten 15 Jahren.

Anwendungen von Solar-Photovoltaik-Energie

Solar-PV-Anlagen können auf Dächern installiert oder auf dem Boden montiert werden. Dies können netzgekoppelte Kraftwerke oder netzunabhängige Systeme sein. Der Anschluss an das Netz ermöglicht es, überschüssigen Strom in das Netz zu übertragen und Strom zu importieren, wenn kein Strom erzeugt wird, weil keine Sonne scheint. Netzunabhängige Systeme bringen Strom in abgelegene Gebiete. Off-Grid-Systeme können auch für ländliche Elektrifizierungen verwendet werden. Solar-PV kann auch für Konsumgüter verwendet werden. Schematische Darstellung einer Solar-PV-Anlage ist in Abb. 1 dargestellt.

Abb. 1 Schematische Darstellung einer Solar-PV-Anlage

Vorteile von Solar-PV-Energie

• Sonnenlicht, das die Erdoberfläche erreicht, ist reichlich vorhanden und hat das Potenzial, die primäre Energiequelle der Welt zu werden.
• Solarenergie ist während der Nutzung umweltfreundlich.
• PV-Anlagen haben eine lange Lebensdauer bei sehr geringem Wartungsaufwand.
• Die Betriebskosten der PV-Anlagen sind extrem niedrig.
• Netzgekoppelter Solarstrom kann lokal genutzt werden, wodurch Übertragungs-/Verteilungsverluste reduziert werden.

Nachteile von Solar-PV-Energie

• Die Anfangsinvestition ist hoch.
• Benötigt viel Platz
• Es gibt keine Stromerzeugung, wenn kein Sonnenlicht verfügbar ist
• Die maximale Anlagengröße für netzgekoppelte Kraftwerke ist auf 10 MW begrenzt.






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