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 Solarmoduls. 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.

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.

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

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.

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 haben die Form von Quadraten mit abgeschnittenen Ecken. 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.

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 am Kontakt 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. Hierfür ist es besser, ein System zu verwenden, 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 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.

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. 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

Die Funktionsprinzipien sind 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. Das Solarstromversorgungssystem für 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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Alternative Energiequellen, die Sonnenlicht in Strom umwandeln, werden im Alltag und in der Industrie immer stärker nachgefragt. Sie werden in der Luftfahrt, Raumfahrtentwicklung, Elektronik und zur Schaffung umweltfreundlicher Transportmittel eingesetzt. Als vielversprechendste Branche gilt jedoch die Energieversorgung von Gebäuden: Stromversorgung von Haushaltsgeräten und Hausheizungen, Warmwasserbereitung. Zu den Vorteilen zählen: Unabhängigkeit von Jahreszeiten und Versorgungsunternehmen, die Möglichkeit, Energiereserven anzusammeln, Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer. Um jedoch den größtmöglichen Nutzen aus der Nutzung zu erzielen, ist es wichtig, das Funktionsprinzip von Batterien zu kennen und die Bedingungen für deren Installation und Betrieb einzuhalten.

Bei Photovoltaik-Wandlern oder Solarspeicherbatterien handelt es sich um Wafer mit Halbleitereigenschaften, die beim Auftreffen von Lichtstrahlen Gleichstrom erzeugen. Die Basis können Silizium (die häufigste Art) und seine Verbindungen mit Kupfer, Gallium, Cadmium, Indium, Amphoren, organische oder chemische Solarzellen und Polymerfilm sein.

Jedes Material hat seinen eigenen Solar-PV-Koeffizienten (von 5 bis 30 %) und erzeugt daher eine bestimmte Leistung bei gleicher Lichtflussintensität. Viel hängt von der Fläche der Batterie ab; ein einzelner Halbleiterchip erzeugt im Durchschnitt eine geringe Energiemenge, 1 m2 Panel wird benötigt, um 0,15 kW zu erzeugen. Eine Ausnahme bilden innovative mehrschichtige Polymerverbindungen (Einkristalle), deren Effizienz 30 % erreicht, diese Technologie steht dem Durchschnittsverbraucher jedoch noch nicht zur Verfügung.

Neben der Platte umfasst der Solarbatteriekreis Hilfsgeräte (zur Übertragung, Verteilung und Speicherung von Energie):

• Wechselrichter oder DC/DC-Wandler.
• Speicher für den unterbrechungsfreien Betrieb der Anlage nachts oder bei bewölktem Wetter.
• Spannungsregler.
• Controller zur Ladungsverfolgung.

Je nach Gebiet kommen Miniaturbatterien mit geringer Leistung (bis zu 10 W) oder große stationäre Panels zum Einsatz. Die ersten sind tragbar (beliebt zum Aufladen von Laptops, Taschenrechnern und Mobilgeräten). Letztere dienen häufig der Energieversorgung und Beheizung des Hauses und befinden sich meist auf dem Dach. Da die Leistung der Batterien vollständig proportional zur Sonnenintensität ist, ist es ratsam, Tracking-Panels zu platzieren (die ihren Platzierungswinkel je nach Bewegung der Sonne ändern). Die Dicke der Halbleiteroptionen ist unbedeutend (von 10 Mikrometer bis 10 cm), aber unter Berücksichtigung der Hilfsgeräte wiegen die Module mehr, was bei der Berechnung der Belastung der Sparren und der Dachfläche berücksichtigt wird.

Prinzip der photoelektrischen Umwandlung

Um zu verstehen, wie eine Solarbatterie funktioniert, sollten Sie sich an Ihren Schulphysikkurs erinnern. Wenn Licht auf eine Platte aus zwei Halbleiterschichten unterschiedlicher Leitfähigkeit trifft, kommt es zu einem pn-Übergangseffekt; Elektronen von der Kathode verlassen ihre Atome und werden auf der Anodenebene eingefangen. Wenn sie an einen Lastkreis (Batteriekreis) angeschlossen werden, geben sie ihre positiv geladene Energie ab und kehren zur n-Schicht zurück. Dieses Phänomen ist besser bekannt als „externer photoelektrischer Effekt“ und die Doppelschichtplatte als „Fotozelle“. Am häufigsten wird das gleiche Material verwendet: Ein Basishalbleiter mit einem bestimmten Leitfähigkeitstyp wird mit einer Schicht mit entgegengesetzter Ladung, jedoch mit einer hohen Konzentration an Dotierstoffverunreinigungen, überzogen.

Dieses Funktionsprinzip von Solarzellen ist seit der Entdeckung des Effekts unverändert geblieben; An der Zonengrenze findet der Elektron-Loch-Übergang statt. Bei Sonneneinstrahlung bewegen sich unterschiedlich geladene Teilchen in beide Richtungen, bei geschlossenem PV-Kreis verrichten sie Arbeit an der Last. Für die vollständige Übertragung (Sammeln und Entfernen von Elektronen) wird ein Kontaktsystem verwendet (die Außenseite der Batterie ähnelt einem Gitter oder Kamm, und die Rückseite ist normalerweise massiv). Je höher die pn-Übergangsfläche und der photoelektrische Umwandlungskoeffizient des Halbleiters sind, desto mehr Leistung erzeugt das Gerät. Das physikalische Phänomen und das Funktionsprinzip hängen nicht von der Lufttemperatur ab, nur die Intensität des Sonnenlichts ist wichtig. Daher wird die Effizienz des Panels von den Wetterbedingungen, dem Klima, der Jahreszeit und der geografischen Breite beeinflusst.

Möglichkeiten zur Verbesserung der Batterieeffizienz

Selbst in Zentralrussland amortisiert sich die Installation von Solarbatterien in 3–5 Jahren, da die Strahlen völlig kostenlos und das ganze Jahr über verfügbar sind. Um jedoch ein Haus mit 100 m2 Nutzfläche vollständig zu heizen, werden etwa 30 m2 Paneele benötigt. Um das Prinzip des photoelektrischen Effekts zu verstärken, wird empfohlen, folgende Arbeiten durchzuführen:

1. Platzieren Sie die Batterien auf der Südseite in einem Winkel von mindestens 30°.
2. Installieren Sie Solarmodule nicht im Schatten hoher Bäume.
3. Reinigen Sie die Oberfläche alle 2 Jahre von Schmutz.
4. Installieren Sie Systeme zur Nachverfolgung des Sonnenlichts.

Es lohnt sich nicht, ganz auf die externe Energieversorgung zu verzichten; selbst moderne Komplexe sind nicht in der Lage, ausreichend Energie zu speichern, um das Gebäude bei längerem schlechtem Wetter vollständig zu versorgen. Sie werden am besten als Teil eines Kombinationssystems verwendet.

Alles Leben auf der Erde ist dank der Energie der Sonne entstanden. Jede Sekunde gelangt eine riesige Energiemenge in Form von Sonnenstrahlung auf die Oberfläche des Planeten. Während wir Tausende Tonnen Kohle und Erdölprodukte verbrennen, um unsere Häuser zu heizen, schwitzen Länder, die näher am Äquator liegen, in der Hitze. Die Nutzung der Sonnenenergie für menschliche Bedürfnisse ist eine Aufgabe, die neugierige Köpfe wert ist. In diesem Artikel betrachten wir den Aufbau eines direkten Konverters von Sonnenlicht in elektrische Energie – einer Solarzelle.

Der einfachste Aufbau einer Solarzelle (SC) auf Basis von monokristallinem Silizium ist in der Abbildung dargestellt.

Ein dünner Wafer besteht aus zwei Siliziumschichten mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften. Die innere Schicht besteht aus reinem monokristallinem Silizium mit „Lochleitfähigkeit“ (p-Typ). Außen ist es mit einer hauchdünnen Schicht „verunreinigten“ Siliziums, beispielsweise mit einer Beimischung von Phosphor (n-Typ), überzogen. (Für p-, n- und p-n-Typen siehe den Artikel über Dioden). Auf der Rückseite der Platte ist ein durchgehender Metallkontakt angebracht. An der Grenze der n- und p-Schicht bilden sich durch den Ladungsfluss verarmte Zonen mit einer unkompensierten volumetrischen positiven Ladung in der n-Schicht und einer volumetrischen negativen Ladung in der p-Schicht. Diese Zonen bilden zusammen einen pn-Übergang.

Die am Übergang auftretende Potentialbarriere (Kontaktpotentialdifferenz) verhindert den Durchgang der Hauptladungsträger, d.h. Elektronen von der Seite der p-Schicht, lassen aber Minoritätsträger ungehindert in entgegengesetzte Richtungen passieren. Diese Eigenschaft von pn-Übergängen bestimmt die Möglichkeit, bei der Bestrahlung einer Solarzelle mit Sonnenlicht eine Photo-EMK zu erhalten. Wenn der SC beleuchtet wird, erzeugen die absorbierten Photonen Nichtgleichgewichts-Elektron-Loch-Paare. Elektronen, die in der p-Schicht in der Nähe des pn-Übergangs erzeugt werden, nähern sich dem pn-Übergang und werden durch das dort vorhandene elektrische Feld in den n-Bereich transportiert.

In ähnlicher Weise werden überschüssige Löcher, die in der n-Schicht entstehen, teilweise auf die p-Schicht übertragen (Abb. a). Dadurch erhält die n-Schicht eine zusätzliche negative Ladung und die p-Schicht eine positive Ladung. Die anfängliche Kontaktpotentialdifferenz zwischen den p- und n-Schichten des Halbleiters nimmt ab und im externen Stromkreis entsteht Spannung (Abb. b). Der Minuspol der Stromquelle entspricht der n-Schicht und die p-Schicht dem Pluspol.

Die meisten modernen Solarzellen verfügen über einen einzelnen pn-Übergang. In einem solchen Element werden freie Ladungsträger nur von solchen Photonen erzeugt, deren Energie größer oder gleich der Bandlücke ist. Mit anderen Worten: Die photovoltaische Reaktion einer Unijunction-Zelle ist auf den Teil des Sonnenspektrums beschränkt, dessen Energie über der Bandlücke liegt, und Photonen mit niedrigerer Energie werden nicht verwendet. Mehrschichtige Strukturen aus zwei oder mehr Solarzellen mit unterschiedlichen Bandlücken können diese Einschränkung überwinden. Solche Elemente werden Mehrfachübergang, Kaskade oder Tandem genannt. Da sie mit einem viel größeren Teil des Sonnenspektrums arbeiten, ist ihre photovoltaische Umwandlungseffizienz höher. In einer typischen Mehrfachsolarzelle sind einzelne Solarzellen so hintereinander angeordnet, dass Sonnenlicht zuerst auf die Zelle mit der größten Bandlücke trifft und die Photonen mit der höchsten Energie absorbiert werden.

Die von der obersten Schicht durchgelassenen Photonen dringen mit einer kleineren Bandlücke in das nächste Element ein usw. Die Hauptrichtung der Forschung auf dem Gebiet der Kaskadenzellen ist die Verwendung von Galliumarsenid als eine oder mehrere Komponenten. Der Umwandlungswirkungsgrad solcher Solarzellen erreicht 35 %! Da eine einzelne Solarzelle aus technologischen Gründen nur in kleinen Abmessungen hergestellt werden kann, werden für eine höhere Effizienz mehrere Zellen zu Batterien zusammengefasst.

Solarbatterien haben sich im Weltraum als recht zuverlässige und stabile Energiequelle bewährt, die über einen sehr langen Zeitraum betrieben werden kann. Die Hauptgefahr für Solarzellen im Weltraum sind kosmische Strahlung und Meteorstaub, die zur Erosion der Oberfläche von Siliziumzellen führen und die Lebensdauer der Batterien verkürzen. Für kleine bewohnte Stationen wird diese derzeitige Quelle offenbar die einzig akzeptable und ausreichend wirksame sein.

Bei ständig steigenden Strompreisen beginnt man unweigerlich darüber nachzudenken, natürliche Quellen zur Stromversorgung zu nutzen. Eine dieser Möglichkeiten sind Sonnenkollektoren für Ihr Haus oder Ihren Garten. Auf Wunsch können sie alle Bedürfnisse auch eines großen Hauses vollständig erfüllen.

Entwurf einer Solarstromversorgungsanlage

Die Energie der Sonne in Strom umwandeln – diese Idee hielt die Wissenschaftler lange Zeit wach. Mit der Entdeckung der Eigenschaften von Halbleitern wurde dies möglich. Solarzellen verwenden Siliziumkristalle. Wenn Sonnenlicht auf sie trifft, entsteht in ihnen eine gerichtete Bewegung von Elektronen, die als elektrischer Strom bezeichnet wird. Wenn wir eine ausreichende Anzahl solcher Kristalle anschließen, erhalten wir recht ordentliche Ströme: Ein Panel mit einer Fläche von etwas mehr als einem Meter (1,3-1,4 m2) kann bei ausreichender Beleuchtungsstärke bis zu 270 W (Spannung) erzeugen 24 V).

Da sich die Beleuchtung je nach Wetter und Tageszeit ändert, ist ein direkter Anschluss von Geräten an Solarpanels nicht möglich. Wir brauchen ein Gesamtsystem. Zusätzlich zu Solarmodulen benötigen Sie:

• Batterie. Tagsüber erzeugen Sonnenkollektoren unter dem Einfluss von Sonnenlicht elektrischen Strom für das Haus oder die Hütte. Es wird nicht immer vollständig genutzt; sein Überschuss sammelt sich in der Batterie. Bei schlechtem Wetter wird die angesammelte Energie verbraucht.
• Regler. Kein obligatorischer Teil, aber wünschenswert (wenn Sie über genügend Mittel verfügen). Überwacht den Ladezustand des Akkus, um eine Tiefentladung oder ein Überschreiten des maximalen Ladezustands zu verhindern. Beide Bedingungen wirken sich schädlich auf die Batterie aus, sodass ein Controller die Lebensdauer der Batterie verlängert. Der Controller sorgt auch für den optimalen Betrieb von Solarmodulen.
• DC-AC-Wandler (Wechselrichter). Nicht alle Geräte sind für Gleichstrom ausgelegt. Viele werden mit einer Wechselspannung von 220 Volt betrieben. Der Konverter ermöglicht den Erhalt einer Spannung von 220-230 V.

Sonnenkollektoren für zu Hause sind nur ein Teil des Systems

Durch die Installation von Solarmodulen für Ihr Haus oder Ferienhaus können Sie völlig unabhängig vom offiziellen Anbieter werden. Dafür braucht man aber eine große Anzahl an Batterien, eine bestimmte Anzahl an Batterien. Ein Kit, das 1,5 kW pro Tag produziert, kostet etwa 1.000 US-Dollar. Dies reicht aus, um den Bedarf eines Gartenhauses oder eines Teils der elektrischen Ausrüstung im Haus zu decken. Ein Satz Solarmodule zur Produktion von 4 kW pro Tag kostet etwa 2.200 US-Dollar, für 9 kW pro Tag 6.200 US-Dollar. Da es sich bei Solarmodulen für Privathaushalte um ein modulares System handelt, können Sie eine Anlage kaufen, die einen Teil des Bedarfs deckt und deren Produktivität schrittweise steigert.

Arten von Solarmodulen

Mit steigenden Energiepreisen erfreut sich die Idee, Solarenergie zur Stromerzeugung zu nutzen, immer größerer Beliebtheit. Darüber hinaus werden Solarkonverter mit der Weiterentwicklung der Technologie immer effizienter und gleichzeitig kostengünstiger. Wenn Sie möchten, können Sie Ihren Bedarf also durch die Installation von Solarmodulen decken. Aber es gibt sie in verschiedenen Ausführungen. Lass es uns herausfinden.

Die Solarbatterie selbst besteht aus einer Reihe von Fotozellen, die in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind und durch eine transparente Frontplatte geschützt sind. Für den Hausgebrauch werden Solarzellen auf Basis von Silizium hergestellt, da es relativ kostengünstig ist und darauf basierende Elemente einen guten Wirkungsgrad (ca. 20-24 %) haben. Monokristalline, polykristalline und Dünnschichtsolarzellen (flexible Solarzellen) werden auf Basis von Siliziumkristallen hergestellt. Eine bestimmte Anzahl dieser Fotozellen ist elektrisch miteinander verbunden (seriell und/oder parallel) und an Anschlüsse am Gehäuse angeschlossen.

Fotozellen sind in einem geschlossenen Gehäuse eingebaut. Das Solarbatteriegehäuse besteht aus eloxiertem Aluminium. Es ist leicht und nicht korrodierend. Die Frontplatte besteht aus strapazierfähigem Glas, das Schnee- und Windlasten standhalten muss. Darüber hinaus muss es bestimmte optische Eigenschaften aufweisen – maximale Transparenz aufweisen, um möglichst viele Strahlen durchzulassen. Im Allgemeinen geht durch Reflexion viel Energie verloren, daher sind die Anforderungen an die Qualität des Glases hoch und es ist außerdem mit einer Antireflexionsmasse beschichtet.

Arten von Fotozellen für Solarmodule

Solarmodule für Privathaushalte werden aus drei Arten von Siliziumzellen hergestellt;

Wenn Sie ein Satteldach haben und die Fassade nach Süden oder Osten ausgerichtet ist, macht es keinen Sinn, sich zu viele Gedanken über den Platzbedarf zu machen. Polykristalline Module könnten hierfür durchaus geeignet sein. Bei gleicher erzeugter Energiemenge kosten sie etwas weniger.

So wählen Sie das richtige Solarpanelsystem für Ihr Zuhause aus

Es gibt weit verbreitete Missverständnisse, die dazu führen, dass Sie zusätzliches Geld für zu teure Geräte ausgeben. Nachfolgend finden Sie Empfehlungen, wie Sie ein Stromversorgungssystem aus Sonnenkollektoren richtig aufbauen und kein zusätzliches Geld ausgeben.

Was kaufen?

Nicht alle Komponenten eines Solarkraftwerks sind für den Betrieb lebenswichtig. Auf einige Teile kann verzichtet werden. Sie dienen der Erhöhung der Zuverlässigkeit, aber ohne sie ist das System betriebsbereit. Das Erste, woran Sie denken sollten, ist der Kauf von Solarmodulen am Ende des Winters und zu Beginn des Frühlings. Erstens ist das Wetter zu dieser Zeit ausgezeichnet, es gibt viele sonnige Tage, der Schnee reflektiert die Sonne und erhöht die Gesamtbeleuchtung. Zweitens werden zu diesem Zeitpunkt traditionell Rabatte angekündigt. Nachfolgend die Tipps:

Wenn Sie nur diese Tipps befolgen und nur Geräte anschließen, die mit konstanter Spannung betrieben werden, kostet eine Solaranlage für Ihr Zuhause viel weniger als das günstigste Kit. Aber das ist noch nicht alles. Sie können einen Teil der Ausrüstung „für später“ belassen oder ganz darauf verzichten.

Auf was kann man verzichten?

Die Kosten für einen Satz Solarmodule für 1 kW pro Tag betragen mehr als tausend Dollar. Erhebliche Investition. Sie werden sich unweigerlich fragen, ob es sich lohnt und wie lange die Amortisationszeit sein wird. Bei den aktuellen Tarifen müssen Sie mehr als ein Jahr warten, bis Sie Ihr Geld zurückerhalten. Aber die Kosten können gesenkt werden. Nicht auf Kosten der Qualität, sondern aufgrund einer leichten Verschlechterung des Bedienkomforts des Systems und aufgrund einer vernünftigen Auswahl seiner Komponenten.

Wenn Ihr Budget also begrenzt ist, können Sie mit mehreren Solarmodulen und Batterien auskommen, deren Kapazität 20-25 % höher ist als die maximale Ladung von Solarmodulen. Um den Zustand zu überwachen, kaufen Sie eine Autouhr, die auch die Spannung misst. Dadurch ersparen Sie sich die mehrmalige Messung der Batterieladung am Tag. Stattdessen müssen Sie von Zeit zu Zeit auf Ihre Uhr schauen. Das ist alles für den Anfang. In Zukunft können Sie zusätzliche Solarmodule für Ihr Zuhause kaufen und die Anzahl der Batterien erhöhen. Auf Wunsch können Sie einen Wechselrichter kaufen.

Bestimmen der Größe und Anzahl der Fotozellen

Gute 12-Volt-Solarmodule sollten über 36 Zellen verfügen, 24-Volt-Solarmodule über 72 Solarzellen. Diese Menge ist optimal. Mit weniger Fotozellen erhalten Sie nie den angegebenen Strom. Und das ist die beste Option.

Sie sollten keine Doppelsolarmodule kaufen – 72 bzw. 144 Elemente. Erstens sind sie sehr groß, was für den Transport unpraktisch ist. Zweitens sind sie bei ungewöhnlich niedrigen Temperaturen, die wir regelmäßig erleben, die ersten, die ausfallen. Tatsache ist, dass die Laminierfolie bei kaltem Wetter stark an Größe verliert. Bei großen Platten löst es sich aufgrund der hohen Spannung ab oder bricht sogar. Die Transparenz geht verloren und die Produktivität sinkt katastrophal. Das Panel wird repariert.

Zweiter Faktor. Bei größeren Paneelen sollte die Dicke des Gehäuses und des Glases größer sein. Denn Wind- und Schneelasten nehmen zu. Dies geschieht jedoch nicht immer, da der Preis erheblich steigt. Wenn Sie ein Doppelpaneel sehen und der Preis dafür niedriger ist als für zwei „normale“ Paneele, ist es besser, nach etwas anderem zu suchen.

Auch hier ist die beste Wahl ein 12-Volt-Heimsolarpanel bestehend aus 36 Solarzellen. Dies ist die beste Option, die sich in der Praxis bewährt hat.

Technische Spezifikationen: worauf Sie achten sollten

Zertifizierte Solarmodule zeigen stets Betriebsstrom und -spannung sowie Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom an. Es ist zu beachten, dass alle Parameter normalerweise für eine Temperatur von +25 °C angegeben sind. An einem sonnigen Tag auf dem Dach erwärmt sich die Batterie auf Temperaturen, die deutlich darüber liegen. Dies erklärt das Vorhandensein einer höheren Betriebsspannung.

Achten Sie auch auf die Leerlaufspannung. Bei normalen Batterien sind es etwa 22 V. Und alles wäre in Ordnung, aber wenn Sie Arbeiten an den Geräten durchführen, ohne die Solarmodule abzuklemmen, beschädigt die Leerlaufspannung den Wechselrichter oder andere angeschlossene Geräte, die nicht dafür ausgelegt sind Stromspannung. Daher ist bei allen Arbeiten – Kabelwechsel, Anschließen/Abklemmen von Batterien usw. usw. - Als Erstes sollten Sie die Solarmodule abklemmen (die Anschlüsse entfernen). Nachdem Sie das Diagramm durchgesehen haben, verbinden Sie sie zuletzt. Dieses Verfahren erspart Ihnen viel Nerven (und Geld).

Gehäuse und Glas

Sonnenkollektoren für zu Hause haben ein Aluminiumgehäuse. Dieses Metall korrodiert nicht und weist eine ausreichende Festigkeit und ein geringes Gewicht auf. Ein normaler Körper muss aus einem Profil zusammengesetzt werden, das mindestens zwei Versteifungen enthält. Außerdem muss das Glas in eine spezielle Nut eingesetzt und nicht oben fixiert werden. All dies sind Anzeichen normaler Qualität.

Achten Sie bei der Auswahl einer Solarbatterie auf Glas. Bei normalen Akkus ist es nicht glatt, sondern strukturiert. Es fühlt sich rau an; wenn man es mit den Nägeln reibt, hört man ein Rascheln. Darüber hinaus muss es über eine hochwertige Beschichtung verfügen, die die Blendung minimiert. Das bedeutet, dass sich darin nichts widerspiegeln sollte. Wenn in irgendeinem Winkel Reflexionen von umliegenden Objekten sichtbar sind, ist es besser, ein anderes Panel zu finden.

Auswahl des Kabelquerschnitts und der Feinheit des elektrischen Anschlusses

Solarmodule für Ihr Zuhause müssen über ein einadriges Kupferkabel angeschlossen werden. Der Kabelquerschnitt hängt vom Abstand zwischen Modul und Batterie ab:

• Entfernung weniger als 10 Meter:
  • 1,5 mm2 pro 100 W Solarbatterie;
  • für zwei Batterien - 2,5 mm2;
  • drei Batterien - 4,0 mm2;
• Entfernung mehr als 10 Meter:
  • um ein Panel zu verbinden, nehmen wir 2,5 mm2;
  • zwei - 4,0 mm2;
  • drei - 6,0 mm2.

Sie können einen größeren Querschnitt nehmen, aber nicht einen kleineren (es wird große Verluste geben, aber wir brauchen sie nicht). Achten Sie beim Kauf von Leitungen auf den tatsächlichen Querschnitt, da die angegebenen Maße heutzutage sehr oft nicht den tatsächlichen entsprechen. Zur Kontrolle müssen Sie den Durchmesser messen und den Querschnitt berechnen (hier erfahren Sie, wie das geht).

Beim Zusammenbau des Systems können Sie die positiven Pole der Solarmodule mit einem mehradrigen Kabel mit geeignetem Querschnitt ziehen und für das negative ein dickes Kabel verwenden. Vor dem Anschluss an die Batterien leiten wir alle „Pluspunkte“ durch Dioden oder Diodenbaugruppen mit einer gemeinsamen Kathode. Dies verhindert einen Kurzschluss der Batterie (was zu einem Brand führen könnte), wenn die Kabel zwischen den Batterien und der Batterie kurzgeschlossen oder gebrochen sind.

Dioden verwenden die Typen SBL2040CT, PBYR040CT. Wenn diese nicht gefunden werden, können Sie sie aus alten Netzteilen von Personalcomputern entfernen. Normalerweise gibt es SBL3040 oder ähnliche. Es empfiehlt sich, Dioden durchzuleiten. Vergessen Sie nicht, dass sie sehr heiß werden, deshalb müssen Sie sie auf einem Heizkörper montieren (Sie können nur einen verwenden).

Das System erfordert außerdem einen Sicherungskasten. Eines für jeden Verbraucher. Über diesen Block verbinden wir die gesamte Last. Erstens ist das System sicherer. Zweitens ist es bei Problemen einfacher, die Ursache zu ermitteln (anhand einer durchgebrannten Sicherung).

Alternative Energiequellen gewinnen von Tag zu Tag an Bedeutung. Der Grund dafür sind Umweltfreundlichkeit, Erneuerbarkeit und niedrige Kosten. Solarenergie ist eine der ertragreichsten Energiequellen. In den nächsten Milliarden Jahren wird es unseren Planeten weiterhin erleuchten und im Gegensatz zu Gas und Öl eine enorme Energiemenge abgeben. Heute haben wir gelernt, diese Quelle mithilfe eines Solarpanelsystems zu nutzen, aber nur wenige Menschen verstehen es Funktionsprinzip einer Solarbatterie. Lass es uns herausfinden.

Zuerst müssen Sie das verstehen Solarstromanlage für zu Hause Dabei handelt es sich nicht nur um die schwarzen oder bläulichen Paneele, die auf den Dächern von Häusern angebracht werden. Diese Lichtempfänger sind nur eine von vier Komponenten des Gesamtsystems, das Folgendes umfasst:

Das Funktionsprinzip einer Solarbatterie

Eine Solarbatterie oder ein Solarmodul ist ein Schlüsselelement in einem alternativen Solarstromversorgungssystem. Es wandelt Sonnenlicht in nutzbaren Strom um. Die Batterie basiert auf einem Einkristall aus künstlichem Silizium, auf dessen beiden Seiten eine Schicht aus Bor und Phosphor aufgebracht ist.

Elektrischer Strom entsteht dort, wo eine Potentialdifferenz bzw. „+“ und „-“ besteht. Diesem Zweck dient die zusätzliche Beschichtung. Sie heißen normalerweise:

• n-Typ oder eine Beschichtung mit überschüssigen Elektronen (Phosphor);
• p-Typ oder eine Beschichtung ohne Elektronen, sogenannte „Löcher“ (Bor);

Wenn Photonen des Sonnenlichts auf die Beschichtung treffen n-Typ, beginnen freie Elektronen, sich in die Zone zu bewegen p-Typ Strom erzeugen oder sog. pn-Übergang. Die Seite, auf die die Sonnenstrahlen fallen, ist von grundlegender Bedeutung.

Aufbau einer Solarbatterie

1. Sonnenlicht;
2. oberer Leiter;
3. n-Typ-Schicht (Phosphor);
4. p-n-Übergangszone;
5. p-Typ-Schicht (Bor);
6. unterer Leiter;

Beide Seiten der Solarbatterie sind mit Schutzschichten bedeckt, um mechanische Beschädigungen zu verhindern. Die Oberseite (Sonnenseite) ist zusätzlich mit einer lichtabsorbierenden Antireflexbeschichtung versehen, die die Lichtabsorption erhöht.

Einzelne Lichtempfangsblöcke oder -module werden in Panels miteinander verbunden, wodurch die Gesamtleistung des Systems erhöht wird.

Heutzutage sind die Kosten für Paneele einer der negativsten Faktoren beim Kauf von Paneelen. In Gebieten mit langen Tageslichtstunden beträgt die Amortisationszeit 5–10 Jahre, oft jedoch auch viel länger. Den Chinesen ist es bei ihrem Wunsch, die Kosten von Solarzellen zu senken, deutlich gelungen, indem sie einkristallines Silizium durch Polykristalle ersetzten, was sich jedoch auf die ohnehin schon geringe Effizienz der Batterien auswirkte. Durchschnittliche Effizienz Betrieb von Solarmodulen schwankt zwischen 13 und 17 %. Der höchste erreichte Wirkungsgrad lag bei 24 %.

Zum Abschluss noch ein Film über das Funktionsprinzip einer Solarbatterie mit Kommentaren von Experten: