Photovoltaik ist eine Form erneuerbarer Energie, die aus Sonnenstrahlung gewonnen und durch den Einsatz von Photovoltaikzellen in Strom umgewandelt wird. Diese Zellen, die im Allgemeinen aus Halbleitermaterialien wie Silizium bestehen, fangen Photonen des Sonnenlichts ein und erzeugen elektrischen Strom.
Der Stromerzeugungsprozess einer Photovoltaikanlage beginnt mit Solarmodulen , die aus mehreren in Reihe oder parallel geschalteten Photovoltaikzellen bestehen. Wenn Sonnenlicht auf die Zellen trifft, werden die Elektronen im Halbleitermaterial angeregt und bewegen sich, wodurch ein kontinuierlicher elektrischer Strom entsteht.
Dieser Strom wird gesammelt und über Kabel an einen Wechselrichter gesendet, der Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt , die Stromform, die in Haushalten und in der Industrie verwendet wird.
Teile und Betrieb einer Photovoltaikanlage
Eine Photovoltaikanlage besteht aus mehreren Komponenten, die gemeinsam die Sonnenstrahlung in nutzbaren Strom umwandeln.
Im Folgenden wird beschrieben, wie eine grundlegende Photovoltaik-Solarenergieanlage funktioniert:
Solarplatten
Sonnenkollektoren, auch Photovoltaikmodule genannt, bestehen aus Photovoltaikzellen, die Halbleitermaterialien, im Allgemeinen Silizium, enthalten. Wenn Photonen des Sonnenlichts auf die Zellen treffen, regen sie die Elektronen im Halbleitermaterial an und erzeugen einen elektrischen Gleichstrom.
Verkabelung und Anschlüsse
Solarmodule werden in Reihe oder parallel geschaltet, um Strom oder Spannung je nach Bedarf zu erhöhen. Spezielle elektrische Kabel und Steckverbinder werden verwendet, um die Module miteinander zu verbinden und eine Solaranlage zu bilden.
Investor
Der von Solarmodulen erzeugte elektrische Strom ist Gleichstrom (DC), die meisten Geräte und das Stromnetz verwenden jedoch Wechselstrom (AC). Daher wird ein Wechselrichter verwendet, um Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln. Der Wechselrichter steuert und überwacht auch die Systemleistung.
Bidirektionales Zähler- und Netzanbindungssystem (falls zutreffend)
In einigen Photovoltaikanlagen, insbesondere solchen, die an das Stromnetz angeschlossen sind, wird ein bidirektionaler Zähler verwendet, um die erzeugte Strommenge und die verbrauchte Strommenge zu messen. Wenn die Anlage an das Stromnetz angeschlossen ist, kann überschüssiger erzeugter Strom ins Netz eingespeist werden und der Zähler erfasst diese zusätzliche Produktion.
Batterien (optional)
Einige Solaranlagen verfügen über Batterien, um tagsüber überschüssigen Strom zu speichern und ihn nachts oder in Zeiten geringer Sonneneinstrahlung zu nutzen.
Batterien ermöglichen die Energieautarkie und die Nutzung des erzeugten Stroms auch dann, wenn kein Sonnenlicht verfügbar ist.
Vorteile der Photovoltaik-Energie
Photovoltaikanlagen bieten im Vergleich zu anderen Energiequellen mehrere Vorteile. Hier sind einige der Hauptvorteile dieser Technologie:
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Erneuerbare und nachhaltige Energie: Photovoltaik-Energie basiert auf Sonnenstrahlung, einer unerschöpflichen Energiequelle. Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen, deren Verfügbarkeit begrenzt ist und die zur Erschöpfung natürlicher Ressourcen beitragen, ist Solarenergie eine langfristig nachhaltige Option.
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Emissionsfrei und umweltfreundlich: Bei der Stromerzeugung mittels Solarpanels werden keine Treibhausgasemissionen oder Schadstoffe in die Umwelt freigesetzt. Dies trägt zur Reduzierung des CO2-Fußabdrucks und zur Eindämmung des Klimawandels bei.
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Langfristige Kostenersparnis: Einmal installiert, kann eine Photovoltaikanlage kostenlos Strom aus der Sonne erzeugen. Dadurch ist es möglich, die Abhängigkeit vom herkömmlichen Stromnetz zu verringern oder sogar zu beseitigen und die Energiekosten langfristig zu senken.
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Energieunabhängigkeit: Durch die Installation von Solarpaneelen können Benutzer ihren eigenen Strom erzeugen. Dies sorgt für Energieunabhängigkeit und verringert die Anfälligkeit für mögliche Stromausfälle.
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Breite Anwendbarkeit und Skalierbarkeit: Photovoltaikanlagen können an unterschiedliche Bedürfnisse und Größenordnungen angepasst werden, von Wohnanlagen bis hin zu Großprojekten.
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Geringer Wartungsaufwand: Solarmodule erfordern nur minimale Wartung. Im Allgemeinen ist es nur notwendig, sie regelmäßig zu reinigen, um sicherzustellen, dass die Sonneneinstrahlung effizient fällt.
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Dezentrale Erzeugung: Photovoltaikanlagen können in Gebieten nahe der Verbrauchsstelle installiert werden, was die Stromübertragungs- und -verteilungsverluste reduziert, die Effizienz optimiert und zur Stabilität des Stromnetzes beiträgt.
Länder mit der höchsten Produktion von Photovoltaik-Energie
Der Anteil der weltweit durch Photovoltaik erzeugten elektrischen Energie ist in den letzten Jahren deutlich gestiegen. Nach Angaben der Internationalen Agentur für Erneuerbare Energien (IRENA) erreichte die installierte Kapazität der Photovoltaik-Solarenergie Ende 2020 weltweit 773 Gigawatt (GW).
Laut dem Bericht „Renewables 2021“ der Internationalen Energieagentur (IEA) war die Solarphotovoltaik im Jahr 2020 für rund 3 % der weltweiten Stromerzeugung verantwortlich.
Nachfolgend finden Sie eine Tabelle mit einigen der wichtigsten Länder in Bezug auf die Photovoltaik-Energieerzeugung im Jahr 2022.
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Land |
Installierte Photovoltaik-Energiekapazität (GW) |
Anteil der Solarenergie im Vergleich zu anderen Energiequellen |
|
China |
252 |
12,7 % |
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USA |
110 |
3,4 % |
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Japan |
67 |
9,7 % |
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Deutschland |
52 |
11,8 % |
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Indien |
Vier fünf |
4,2 % |
|
Australien |
zwanzig |
7,3 % |
|
Südkorea |
16 |
2,9 % |
|
Frankreich |
12 |
2,7 % |
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Italien |
zwanzig |
8,6 % |
|
Spanien |
10 |
7,3 % |
Effizienz von Photovoltaikmodulen
Derzeit liegt die beste Umwandlungsrate von Sonnenlicht in Strom bei etwa 21,5 %.
Abhängig von der Konstruktion können Photovoltaikmodule Strom aus einem bestimmten Bereich von Lichtfrequenzen erzeugen. Im Allgemeinen kann es jedoch nicht den gesamten Sonnenbereich abdecken. Insbesondere können Fotozellen ultraviolettes , infrarotes und schwaches oder diffuses Licht nicht in Elektrizität umwandeln.
Eine Möglichkeit, die Effizienz von Solarmodulen zu steigern, wäre die Beleuchtung mit monochromatischem Licht. Dadurch könnten wesentlich höhere Wirkungsgrade erzielt werden.
Ein weiteres Designkonzept besteht daher darin, das Licht in verschiedene Wellenlängen aufzuteilen. Richten Sie sie nach der Trennung auf verschiedene Zellen, die auf diese Bereiche abgestimmt sind. Eine solche Anlage ist in der Lage, den elektrischen Wirkungsgrad um 50 % zu steigern.
Anwendungsbeispiele und Anwendungen
Der Zweck von Photovoltaikanlagen ist die Erzeugung von Strom, der vielseitig genutzt werden kann. Hier sind einige Beispiele:
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Stromerzeugung im großen Maßstab. Es gibt große Kraftwerke, die direkt an das Stromnetz angeschlossen sind und Hunderte von Megawatt erzeugen können. Diese Solarparks werden jedoch mit Solarkonzentratoren gebaut und fungieren als Wärmekraftwerk.
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In Dächer und Gebäude integrierte Systeme: Diese Systeme können für den Eigenverbrauch von Strom dienen, können aber auch an das öffentliche Stromnetz angeschlossen werden.
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Ländliche Elektrifizierung. Diese Art der Solaranwendung wird in ländlichen Dörfern eingesetzt, in denen Stromleitungen sehr weit von der Bevölkerung entfernt sind.
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Straßen- und Autobahnbeleuchtung.
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Unabhängige Systeme zur Stromversorgung kleiner Geräte wie Taschenrechner, mobile Solarladegeräte usw.
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Im Transportwesen: Einige Elektrofahrzeuge verfügen über integrierte Solarsysteme, um einen Elektromotor anzutreiben und Antriebskraft zu gewinnen.
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Kommunikations- und Signaltürme, die elektrische Geräte verwenden, die keine großen Mengen an elektrischer Energie verbrauchen und die schwierig an das Stromverteilungsnetz anzuschließen sind.
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Einsatz in Raumfahrzeugen und Raumstationen , da die verfügbaren Energiequellen im Weltraum knapp sind.
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Systeme zum Pumpen von Wasser.
Arten von Photovoltaikanlagen
Photovoltaikanlagen werden entsprechend ihrer Verbindung zum Stromnetz in zwei Hauptkategorien eingeteilt:
Anlagen, die an das öffentliche Stromnetz angeschlossen sind
Diese Photovoltaikanlagen sind an das öffentliche Stromnetz angeschlossen. Bei diesem Ansatz erzeugen Sonnenkollektoren Strom, wenn Sonnenlicht verfügbar ist. Übersteigt die Stromproduktion zu diesem Zeitpunkt den lokalen Bedarf, wird der Überschuss in das Stromnetz eingespeist. Im Gegenzug kann der Anlageneigentümer Gutschriften oder Vergütungen für den erzeugten Strom erhalten, was oft als „Net Metering“ bezeichnet wird.
Dieser Ansatz ist in städtischen und gewerblichen Gebieten üblich und kann große Photovoltaikanlagen oder Solarparks umfassen, die in großem Maßstab Strom erzeugen.
Off-Grid-Systeme
Inselnetzsysteme sind unabhängig vom öffentlichen Stromnetz und werden zum Eigenverbrauch an Orten ohne Zugang zum Stromnetz oder in bestimmten Anwendungen eingesetzt. Diese Systeme erzeugen Strom aus Sonnenenergie und speichern ihn zur späteren Nutzung in Batterien.
Sie werden in abgelegenen Häusern, abgelegenen Wetterstationen, zur Straßenbeleuchtung in ländlichen Gebieten oder abgelegenen Orten sowie in Situationen eingesetzt, in denen ein Anschluss an das herkömmliche Stromnetz nicht möglich oder kostengünstig ist.