Photovoltaik Hintergrund, Technologie

Photovoltaik Hintergrund, Technologie

Die Photovoltaik-Technologie ist ein wichtiger Bestandteil der erneuerbaren Energien und spielt eine entscheidende Rolle bei der Umstellung auf saubere Energiequellen. Sie ermöglicht die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie.

Der Prozess der Photovoltaik basiert auf dem sogenannten photovoltaischen Effekt. Dabei werden Solarzellen verwendet, die aus Halbleitermaterialien wie Silizium bestehen. Wenn Sonnenlicht auf diese Solarzellen trifft, werden Elektronen in Bewegung versetzt und erzeugen so einen elektrischen Strom.

Es gibt verschiedene Arten von Photovoltaik-Modulen, darunter monokristalline, polykristalline und Dünnschicht-Solarzellen. Jeder Typ hat seine eigenen Vor- und Nachteile in Bezug auf Effizienz, Kosten und ästhetisches Erscheinungsbild.

Die Effizienz von Photovoltaik-Modulen hat sich im Laufe der Jahre verbessert, was zu einer erhöhten Stromerzeugung pro Fläche führt. Dies hat dazu beigetragen, dass Photovoltaik-Anlagen sowohl für private Haushalte als auch für gewerbliche Anwendungen attraktiver wurden.

Die Installation von Photovoltaik-Anlagen erfordert eine geeignete Fläche wie ein Dach oder ein Freiflächenmodul. Die Module werden in Reihe oder parallel geschaltet, um die gewünschte Leistung zu erzielen. Ein Wechselrichter wird verwendet, um den erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln, der dann im Haushalt oder im öffentlichen Netz verwendet werden kann.

Die Photovoltaik-Technologie hat sich in den letzten Jahren stark weiterentwickelt und wird voraussichtlich auch in Zukunft eine wichtige Rolle bei der Energieerzeugung spielen. Durch die Nutzung der unerschöpflichen Energiequelle Sonne können wir unseren Bedarf an konventionellen Energieträgern reduzieren und gleichzeitig einen Beitrag zum Klimaschutz leisten.

Der photovoltaische Effekt

Dies stellt die Fähigkeit dar, Sonnenenergie in elektrische Energie umzuwandeln und wird durch den Einsatz von Photovoltaikzellen (PV-Zellen) realisiert.

Eine PV-Zelle (siehe Bild P3) hat die Fähigkeit, je nach den verwendeten Materialien eine Spannung von 0,5 V bis 2 V zu erzeugen, wobei der erzeugte Strom direkt von ihrer Oberfläche abhängt (bei Zellen mit 5- oder 6-Zoll-Durchmesser). Die charakteristischen Eigenschaften einer PV-Zelle werden in einem Strom-Spannungs-Diagramm, wie in Abbildung P4 gezeigt, dargestellt.

Der photovoltaische Effekt hängt von zwei physikalischen Größen ab (siehe Abbildung P5) – der Einstrahlungsstärke und der Temperatur:

Mit zunehmender Einstrahlungsstärke E (in W/m²) steigen sowohl der erzeugte Strom als auch die Leistung der Zelle.

Mit steigender Temperatur (T°) der Zelle nimmt die Ausgangsspannung signifikant ab, während der Strom nur leicht ansteigt, was insgesamt zu einer Verringerung der Ausgangsleistung führt.

Um die Leistung verschiedener Zellen vergleichbar zu machen, wurden Normbedingungen mit dem Namen Standardtestbedingungen (STC) festgelegt. Diese Bedingungen umfassen eine Einstrahlungsstärke von 1000 W/m² bei einer Temperatur von 25 °C.

Um die Nutzung der von Photovoltaikzellen erzeugten Energie zu vereinfachen, bieten Hersteller serielle und/oder parallele Kombinationen an, die zu Paneelen oder Modulen zusammengefasst werden.

Photovoltaikmodule

Diese Kombinationen von Zellen (siehe Abb. P6) ermöglichen eine Erhöhung von Spannung und Strom. Um die Eigenschaften der Module zu optimieren, werden sie aus Zellen mit ähnlichen elektrischen Eigenschaften hergestellt. Jedes Modul, das eine Spannung von mehreren zehn Volt liefert, wird nach seiner Leistung in Watt Peak (Wp) klassifiziert. Dies bezieht sich auf die Leistung, die eine Fläche von einem Quadratmeter erzeugt, wenn sie einer Strahlung von 1000 W/m2 bei 25 °C ausgesetzt ist.

Allerdings können identische Module unterschiedliche Leistungsniveaus aufweisen. Derzeit gibt die IEC-Norm eine Leistungsschwankung von ±3 % vor. Module mit einer typischen Leistung von 160 Wp umfassen alle Module mit einer Leistung zwischen 155 Wp (160 -3 %) und 165 Wp (160 +3 %). Daher ist es notwendig, ihre Effizienz zu vergleichen, die durch Division ihrer Leistung (W/m2) durch 1000 W/m2 berechnet wird.

Zum Beispiel beträgt die Spitzenleistung für ein Modul mit 160 Wp und einer Oberfläche von 1,338 m2[1] 160/1,338, was 120 Wp/m2 ergibt. Daher beträgt der Wirkungsgrad dieses Moduls: 120/1000 = 12 %. Beachten Sie: Hersteller können je nach lokalen Standards oder Gewohnheiten unterschiedliche Produktionstoleranzen haben (Beispiel: JISC8918 gibt ±10 % an), daher wird empfohlen, immer die Produktkataloge auf die tatsächlichen Toleranzwerte zu überprüfen.

(siehe Tabelle in Abbildung P7 als Beispiel)

Abb. P7  –  Elektrische Eigenschaften eines PW2300-Moduls (Quelle: Photowatt)

Wenn jedoch Photovoltaikzellen in Reihe geschaltet werden, kann ein zerstörerisches Phänomen auftreten, das als “Hot Spot” bekannt ist, wenn eine der Zellen teilweise abgeschattet wird. Diese Zelle fungiert als Empfänger und der durch sie fließende Strom kann sie zerstören. Um dieses Risiko zu vermeiden, integrieren Hersteller Bypass-Dioden, die beschädigte Zellen umgehen. Bypass-Dioden werden normalerweise in der Anschlussdose hinter dem Modul installiert und können je nach Hersteller 18 bis 22 Zellen überbrücken.

Diese Module werden dann in Reihe geschaltet, um die erforderliche Spannung zu erreichen und bilden Modulketten oder “Strings”. Anschließend werden die Strings parallel geschaltet, um die erforderliche Leistung zu erzielen und so eine PV-Anlage zu bilden. Da es weltweit immer mehr Hersteller von PV-Modulen gibt, ist es wichtig, bei der Auswahl der Geräte sorgfältig verschiedene Optionen abzuwägen. Installateure sollten außerdem sicherstellen: dass die elektrischen Eigenschaften mit dem Rest der Anlage kompatibel sind (Eingangsspannung des Wechselrichters), dass sie den Standards entsprechen und langfristige Lieferanten wählen, um sicherzustellen, dass fehlerhafte Module ausgetauscht werden können, da diese mit den bereits installierten identisch sein müssen.

Dieser letzte Punkt ist wichtig, da Installateure für die Garantie verantwortlich sind, die sie ihren Kunden gewähren. Derzeit werden verschiedene Technologien zur Herstellung von Photovoltaikgeneratoren eingesetzt. Diese werden in zwei Kategorien unterteilt – kristalline Module und Dünnschichtmodule.

Kristalline Silikonmodule

s existieren zwei Hauptkategorien von kristallinen Siliziummodulen – monokristalline Module und multikristalline Module.

Aktuell weisen monokristalline Module mit einer Effizienz von 16 bis 18 % die höchste Leistung auf. Allerdings sind sie auch kostspieliger.

Die Effizienz multikristalliner Module liegt im Bereich von 12 bis 14 %. Sie werden häufiger eingesetzt, insbesondere im Wohn- und Dienstleistungssektor.

Die Lebensdauer dieser Module beträgt mehr als 20 Jahre. Im Laufe der Zeit verlieren sie einen Teil ihrer Leistung (weniger als 1 % pro Jahr), erzeugen jedoch weiterhin Strom. Abhängig von den ästhetischen Anforderungen gibt es Bi-Glas-Module mit zwei Glasplatten, die das Modul halbtransparent machen, oder Tedlar- oder Teflon-Glas-Module, die kostengünstiger sind, aber völlig undurchsichtig bleiben.

Dünnschichtmodule

Aktuell wird intensiv an der Forschung zu Dünnschichtmodulen gearbeitet, und es wird erwartet, dass die gegenwärtigen Wirkungsgrade von 6 bis 8 % in den kommenden Jahren steigen werden. Diese Module sind kostengünstig und eignen sich gut für große Flächen, sofern die Fläche keinen wertvollen Teil der Anlage ausmacht.

Die Kategorie der Dünnschichtmodule umfasst eine Vielzahl von Technologien, von denen drei Haupttypen hervorstechen:

• a-Si – dünner Film oder amorphes Silizium
• CdTe (Cadmiumtellurid)
• CIS (Kupfer-Indium-Selenid)

Es ist jedoch zu beachten, dass wir derzeit noch keine 20-jährige Erfahrung mit dieser Art von Technologie haben und somit nicht sicher wissen, wie sich diese Module im Laufe der Zeit verhalten werden.

In ihren technischen Spezifikationen geben renommierte Hersteller sowohl Anfangswerte als auch Stabilisierungswerte an.

Eine übersichtliche Tabelle in Abbildung P8 bietet einen Vergleich aller genannten Technologien.

Abb. P8  –  Vergleich der in Photovoltaikgeneratoren verwendeten Technologien

Wechselrichter

Diese Vorrichtungen, die Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln, sind spezielle Wechselrichter für die Stromversorgung durch Photovoltaik (siehe Abbildung P9). Es gibt verschiedene Arten von Photovoltaik-Wechselrichtern, auch bekannt als “PV-Wechselrichter”, die drei Hauptfunktionen erfüllen:

1. Wechselrichterfunktion: Sie verwandeln den Gleichstrom in den gewünschten Wechselstrom, sei es Sinus- oder Rechteckwellenform.

• MPPT-Funktion: Diese Funktion berechnet den optimalen Betriebspunkt auf der Photovoltaik-Oberfläche oder -Anlage, der in Bezug auf Spannung und Strom die maximale Leistung erzeugt. Dies wird auch als Maximum Power Point Tracker (MPPT) bezeichnet (siehe Abbildung P10).

• Automatische Netzabschaltung: Der Wechselrichter wird automatisch angewiesen, sich vom Netzwerk zu trennen und abzuschalten, wenn im Stromnetz keine Spannung vorhanden ist. Dies dient dem Schutz des Wechselrichters und gegebenenfalls des Wartungspersonals, das am Netz arbeitet.

Therefore, in the event of a grid failure, the inverter no longer feeds energy into the grid and the energy generated by the photovoltaic modules is wasted. However, “grid-interactive” systems that operate in backup mode are available. These systems require batteries to be installed as well as an additional control panel to ensure the network is disconnected before providing their own power.

• There are different models.

Some “multi-MPPT” inverters have a double (or triple, quadruple, etc.) MPPT function. This function allows optimization of PV supply when the array consists of strings oriented in different directions. However, if an inverter fails, there is a risk of a total power failure. Still, it is possible to install a lower power inverter per string, which is a more expensive solution but increases the overall reliability of the system. “Multi-string inverters” are also available. These inverters are not necessarily multi-MPPT inverters as described above. The name simply indicates that multiple strings can be connected to the inverter and that they are connected in parallel inside the inverter.

Europäische Effizienz

Um die verschiedenen Geräte vergleichen zu können, wurde ein Wirkungsgrad ermittelt, der die durchschnittliche Tagesleistung eines Wechselrichters simuliert. Dieser Wirkungsgrad wird als “europäische Effizienz” bezeichnet und basiert auf unterschiedlichen Betriebspunkten.

Die Berechnung erfolgt nach folgender Formel: 0,03 x (η 5 %) + 0,06 x (η 10 %) + 0,13 x (η 20 %) + 0,1 x (η 30 %) + 0,48 x (η 50 %) + 0,2 x (η 100 %).

Dabei stellen

• (η 5 %), (η 10 %) usw. den statischen MPPT-Wirkungsgrad bei 5 %, 10 % usw.

• partieller MPP-Leistung dar. Die Gewichtungsfaktoren 0,03, 0,06 usw. wurden anhand jährlicher Klimadaten (Nordwestdeutschland-Klimadaten) berechnet.

Beachten Sie jedoch, dass es auch eine ähnliche Effizienzberechnung gibt, die von der California Energy Commission definiert wurde. Diese verwendet andere Gewichtungsfaktoren und Betriebspunkte.