Bei Anwendung zu Hause, wo es Netzspannung gibt, raten wir, nur einen Teil der erforderlichen Energie mit Solarzellenplatten zu erzeugen.

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1 1) Solarzellenplatten - Basis Eine Solarzelle oder photovoltaische Zelle wandelt Lichtenergie in elektrische Energie um. Eine einzelne Solarzelle erzeugt eine sehr kleine Energiemenge. Um eine brauchbare Energiemenge zu erzeugen, werden mehrere Zellen in Solarzellenplatten gruppiert. Das Sonnenlicht ist ein bisschen eine diffuse Energieform und nur ein Teilchen vom Licht, das von der Solarzelle gefangen wird, wird in Elektrizität umgesetzt. Die aktuelle Generation Solarzellen wandelt nur 12 bis 15% des gefangenen Sonnenlichts in Elektrizität um. Die letzten Jahre hat man in der Entwickelung aber große Fortschritte gemacht. Einige neue Zellen auf dem Markt erzielen einen Wirkungsgrad von 20%. Für einige Solarzellen im Labor ist schon einen Wirkungsgrad von bis zu 30% erreicht worden. Der Wirkungsgrad wird in Zukunft also noch verbessern. Die Leistung einer Solarzellenplatte wird in Watt angegeben. Die Menge elektrischer Leistung, die eine Solarzellenplatte erzeugt, wird bestimmt, indem Sie die Nennspannung mit dem Nennstrom multiplizieren. Die Formel für die Leistung ist: Volt x Ampere = Watt Zum Beispiel: Eine Solarzellenplatte von etwa 1m x 1,5m, die in einer typisch häuslichen Umgebung verwendet wird. Die Nennspannung ist 26V und der Nennstrom beträgt 7A. Die Leistung wird dann: 26V x 7A = 182W Bekommt ein bestimmter Ort durchschnittlich 6 Stunden Sonne pro Tag, dann erzeugt die Solarzellenplatte im Beispiel durchschnittlich 1092Wh (6 x 182) oder ein bisschen mehr als 1KWh pro Tag. Die meisten Haushalte verbrauchen etwa 10 bis 25 KWh pro Tag. Sie werden also viel mehr Solarzellenplatten brauchen, um genügend Elektrizität zu erzeugen und so einen Haushalt mit Strom zu versehen. Ein Haushalt, der 20KWh braucht, bedürft also etwa 19 Solarzellenplatten um den erforderlichen Strom zu erzeugen. Die meisten Häuser haben unzureichend Platz auf dem Dach (südliche Richtung) für eine solche Anzahl Solarzellenplatten. Bei Anwendung zu Hause, wo es Netzspannung gibt, raten wir, nur einen Teil der erforderlichen Energie mit Solarzellenplatten zu erzeugen. 2) Solarzellenplatten - Funktionsweise Das Funktionsprinzip der Solarzelle ist der photovoltaische Effekt (FV-Effekt), der 1839 von Alexandre-Edmond Becquerel, einem Französischen Physiker, entdeckt wurde. Über Experimenten kam er zu der Feststellung, dass bestimmte Materialen eine bisschen elektrischen Strom erzeugen wenn diese dem Sonnenlicht ausgesetzt wurden. Sonnenlicht besteht aus Energiepaketen, die Photonen genannt werden. Trifft ein Photon auf Halbleitermaterial (meistens Silizium), so wird ein Teil der Photonen vom Material absorbiert. Wenn ein Photon absorbiert wird, wird seine Energie auf ein Elektron eines Atoms der Solarzelle übertragen, wodurch das Elektron seine normale Position verlässt. Es hinterlässt an der Stelle ein sogenanntes Loch. Damit wirkt es dann auf ein anderes Elektron ein, welches sich aus der Bindung löst und das Loch besetzt. Es entsteht nun wieder ein Loch. Dieses Verfahren wiederholt sich etliche Milliarden Male, wodurch einen elektrischen Strom entsteht.

2 3) Solarzellenplatten - Aufbau Eine typische Solarzelle besteht aus mehreren Schichten. Diese sind: Schutzglas dies ist eine helle Glasschicht, die Schutz gegen die Elemente gewährt. Transparentes Klebemittel verbindet das Glas mit den anderen Schichten. Antireflexionsschicht zur Verringerung des Reflexionsgrades, wodurch die Solarzelle eine Höchstzahl von Energie absorbieren kann. Frontkontakt um den elektrischen Strom zu leiten. N-dotierte Halbleiterschicht eine dünne Siliziumschicht, die mit Phosphor dotiert wurde. P-dotierte Halbleiterschicht - eine dünne Siliziumschicht, die mit Bor dotiert wurde. Rückkontakt - um den elektrischen Strom zu leiten. Sonnenlicht Antireflexionsschicht transparentes Klebemittel Schutzglas Frontkontakt Strom N-dotierte Halbleiterschicht P-dotierte Halbleiterschicht Substrat Rückkontakt 4) Solarzellenplatten - Arten Es gibt im Moment 3 unterschiedliche Typen von Solarzellenplatten auf dem Markt: Solarzellen aus monokristallinem Silizium (Wirkungsgrad 12~15%), Solarzellen aus polykristallinem Silizium (Wirkungsgrad 11~13%) und amorphe oder Dünnschichtzellen (Wirkungsgrad 5~6%). Solarzellen aus monokristallinem Silizium Dieser Solarzellentyp enthält eine einzelne Siliziumschicht als Halbleiter. Um diesen Solarzellentyp herzustellen, braucht man ein sehr sauberes Silizium. Deshalb ist dieses Modell der teuerste Solarzellentyp. Das Modell hat aber den höchsten Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad ist ein bisschen besser bei weniger Licht (aber nicht so gut als der Medienrummel uns glauben macht). Der durchschnittliche Wirkungsgrad beträgt etwa 12-15%. Die meisten Solarzellenplatten dieses Typs haben eine Lebensdauer von Jahren. Sie haben meistens einen blauen-grauen Farbton und eine ziemlich uniforme Zusammensetzung. Solarzellen aus polykristallinem Silizium Um Solarzellen aus polykristallinem Silizium herzustellen, wird flüssiges Silizium in einen Block gegossen. Der große Block wird danach in mehrere kleine Blöcke zerteilt. Dieses Gießverfahren verursacht eine kleine Degradation

3 der Siliziumkristalle, wodurch der Wirkungsgrad sich verringert. Dieses Verfahren ist aber einfacher und billiger. Im Moment sind die polykristallinen Solarzellenplatten am meisten verbreitet. Sie haben einen geringeren Wirkungsgrad als Solarzellen aus monokristallinem Silizium Solarzellenplatten. Wenn Sie diese aber zusammen mit etwa 35 anderen Solarzellen verwenden, ist der Unterschied in W/m² nicht so groß. Solarzellen aus polykristallinem Silizium gleichen zerbrochenem Glas und haben eine dunkelblaue, fast schwarze, Farbe. Der durchschnittliche Wirkungsgrad liegt zwischen 11 und 13%. Amorphe Solarzelle Amorphe Solarzellenplatten werden auch als Dünnschichtzellen bezeichnet. Dieses Modell verwendet Halbleiterschichten von nur einigen Mikrometern (etwa ein hundertstel eines menschlichen Haares). Hierdurch werden die Materialkosten gesenkt, aber der Wirkungsgrad verringert sich noch. Die Schicht ist aber so dünn, dass die Solarzellen an unterschiedlichen flexiblen Materialien, z.b. Dachziegeln, befestigt werden können. Durch die flexiblen Eigenschaften eignet dieser Typ sich sehr für bestimmte Anwendungen, bei denen Flexibilität wichtiger als der Wirkungsgrad ist. Dieser Solarzellentyp wird zum Beispiel oft in tragbaren Produkten (z.b. Rucksack, Tasche) verwendet. Der durchschnittliche Wirkungsgrad liegt zwischen 5 und 6%. Eine andere Art und Weise, um Solarzellen zu definieren, ist wenn Sie vom Materialtyp sprechen. Silizium ist im Allgemeinen das am meisten verwendete Kristall. Einige anderen Materialien und Substanzen eignen sich auch. Verschiedene Substanzen haben einen besseren Wirkungsgrad unter bestimmten Lichtverhältnissen. Manche Solarzellen haben einen besseren Wirkungsgrad im Außenbereich (optimiert für Sonnenlicht). Andere funktionieren besser im Innenbereich (optimiert für fluoreszierendes Licht). 5) Solaranlage - Überblick Eine komplette Solaranlage besteht aus einer oder mehreren Solarzellenplatte, einer Batterie und einem Spannungsregler. Manchmal braucht man auch einen Wechselrichter. A. Solarzellenplatte B. Spannungsregler C. Batterie D. Wechselrichter Eine Solarzellenplatte (A) besteht aus mehreren Solarzellen in Serie oder parallel, und erzeugt Gleichstrom (DC). Diese Energie wird in einer Batterie (C) gespeichert. Wenn die Lichtintensität steigt, erzeugen die Solarzellen mehr Elektrizität. Durch diesen steigenden Strom kann die Batterie

4 beschädigt werden. Um dies zu vermeiden, wird einen Spannungsregler (B) verwendet. Wenn die zugeführte Spannung der Solarzellenplatten steigt, sorgt der Spannungsregler dafür, dass die Batterie nicht überladen wird. Setzen Sie den Gleichstrom über den Wechselrichter (D) in Wechselstrom (AC) um, um elektrische Geräte zu bedienen oder das vorhandene Netz mit Strom zu versehen. 5) Solaranlage Nutzen eines Spannungsreglers Je intensiver das Sonnenlicht, je mehr Spannung erzeugt die Solarzelle. Übermäßige Spannungen können die Batterien beschädigen. Ein Spannungsregler wird verwendet, um die Batterien mit dem geeigneten Ladestrom zu versehen. Wenn die Zufuhr von den Solarzelleplatten steigt, dann regelt der Spannungsregler die Spannung zur Batterie, um Überladung zu vermeiden. Die meisten Qualitätsspannungsregler funktionieren gemäß den 3 Niveaus im Ladezyklus: 1) BULK-Phase: Die Spannung steigt stufenweise bis das Höchstniveau erreicht wird (meistens 14,4V - 14,6V) während die Batterien ein Maximum an Strom speichern. Nachdem das max. Spannungsniveau erreicht worden ist, startet der nächste Zyklus. 2) ABSORPTIONsphase: Die Spannung bleibt für eine bestimmte vorausgesetzte Zeit (meistens eine Stunde) auf Höchstniveau stehen. Der Strom sinkt beim Aufladen der Batterie graduell. 3) FLOAT-Phase: Nach Beendigung der Absorptionsphase verringert sich die Spannung bis zum Erhaltungsniveau (meistens 13,4V 13,7V). Die Batterien erzeugt einen Erhaltungsstrom bis die Spannung der Klemmen unter ein bestimmtes Niveau gesunken ist. Danach startet der Zyklus wieder. Verwenden Sie zum Beispiel 4 Solarzellenplatten von je 80W/12V, so verwenden Sie einen Spannungsregler von 40A. Für 8 Solarzellenplatten von 80W brauchen Sie einen Spannungsregler von 2x40A oder Sie müssen die Systemspannung auf 24V erhöhen, wenn Sie nur einen 40A- Spannungsregler verwenden. Bemerken Sie, dass die Leistung des Spannungsreglers im Beispiel (siehe oben) überdimensioniert aussieht. Obwohl die Solarzellenplatten normalerweise nicht soviel Strom erzeugen, berücksichtigen Sie dennoch den Wolkenrand-Effekt. Wolken beeinflussen die Solarzellenplatten. Die Energiemenge, die eine Solarzellenplatte erzeugen kann, hängt direkt von der Lichtintensität ab. Bei vollem, hellem Sonnenlicht empfangen Solarzellenplatten ein Maximum an Licht. Während diesen Spitzenzeiten erzeugen diese ein Maximum an Strom. Wenn Wolken die Sonne bedecken, verringert sich die Lichtintensität. Trotz der Wolkendecke erzeugt die Solarzelleplatte nach wie vor Strom. Es wird noch etwa 50% der Strom erzeugt. Eine dickere Wolkendecke verringert die Produktion noch mehr. Bei sehr schwerer Bewölkung ist die Erzeugung sehr gering.

5 Der Wolkenrand-Effekt sorgt aber dafür, dass die Solarzellenplatten bei bedecktem Himmel eine Höchstleistung liefern können! Bei Bewölkung sehen die Solarzellenplatten nicht nur volles, helles Sonnenlicht, sondern auch das reflektierte Licht der Wolken. Es wird also mehr Energie aufgenommen bei bedecktem Himmel als wenn es keine Wolken gibt! Infolgedessen kann ein System mit 4 Solarzellenplatten von 80W/12V (4x 6,66A = 26,66A) über 32A erzeugen. Dies ist viel mehr als die Höchstzahl (nominell).

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