Photovoltaikenergie ist eine Form erneuerbarer Energie, die aus Sonnenstrahlung gewonnen und durch den Einsatz von Photovoltaikzellen in Elektrizität umgewandelt wird. Diese Zellen, die normalerweise aus Halbleitermaterialien wie Silizium bestehen, fangen Sonnenlichtphotonen 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 Elektronen im Halbleitermaterial angeregt und bewegen sich, wodurch ein Gleichstrom entsteht.
Dieser Strom wird gesammelt und über Leitungen an einen Wechselrichter geleitet, der den Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt , die Stromform, die in Haushalten und der Industrie verwendet wird.
Definition der Photovoltaikenergie
Photovoltaikenergie ist eine Form erneuerbarer Energie, die Sonnenlicht unter Verwendung des Photovoltaikeffekts in Elektrizität umwandelt. Dieser Prozess findet in Photovoltaikzellen statt, die im Allgemeinen aus Halbleitermaterialien wie Silizium bestehen und bei Sonneneinstrahlung einen elektrischen Strom erzeugen.
Diese Technologie kommt in dezentralen Energieerzeugungssystemen zum Einsatz, beispielsweise in Solarmodulen auf Privathäusern, sowie in großen Solarkraftwerken zur Versorgung des Stromnetzes. Sein Hauptvorteil besteht darin, dass er eine unerschöpfliche Energiequelle nutzt, ohne Schadstoffemissionen zu erzeugen, was ihn zu einer nachhaltigen Alternative zu fossilen Brennstoffen macht.
Wie funktioniert Photovoltaikenergie?
Photovoltaische Solarenergie funktioniert durch die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität durch den Photovoltaikeffekt. Dieser Prozess findet in Photovoltaikzellen statt, die üblicherweise aus Silizium, einem Halbleitermaterial, bestehen. Trifft Sonnenlicht auf diese Zellen, übertragen die Photonen ihre Energie auf die Elektronen im Material und erzeugen so einen Gleichstrom.
Zur Verwendung im Haushalt und in der Industrie wird der erzeugte Strom an einen Wechselrichter weitergeleitet, der den Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt, der mit dem Stromnetz und den elektrischen Geräten kompatibel ist.
Je nach System kann Energie sofort verbraucht, in Batterien gespeichert oder in das Stromnetz eingespeist werden. Als erneuerbare und saubere Energiequelle ist Photovoltaikenergie eine nachhaltige Alternative zu fossilen Brennstoffen.
Komponenten einer Photovoltaikanlage
Eine Photovoltaikanlage besteht aus mehreren Komponenten, die im Zusammenspiel die Sonnenstrahlung in nutzbaren Strom umwandeln.
So funktioniert ein einfaches Photovoltaiksystem:
Sonnenkollektoren
Solarmodule, auch Photovoltaikmodule genannt, bestehen aus Photovoltaikzellen, die Halbleitermaterialien, üblicherweise Silizium, enthalten. Wenn Sonnenphotonen auf die Zellen treffen, regen sie Elektronen im Halbleitermaterial an und erzeugen einen Gleichstrom.
Verkabelung und Anschlüsse
Solarmodule werden in Reihe oder parallel geschaltet, um Strom oder Spannung je nach Bedarf zu erhöhen. Um die Paneele miteinander zu verbinden und eine Solaranlage zu erstellen, werden elektrische Kabel und spezielle Verbindungselemente verwendet.
Wechselrichter
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 außerdem die Leistung des Systems.
Zweirichtungszähler und Netzanschlusssystem (sofern vorhanden)
Bei manchen Photovoltaikanlagen, insbesondere solchen mit Netzanbindung, wird zur Messung der erzeugten und der verbrauchten Strommenge ein Zweirichtungszähler eingesetzt. Wenn das System an das Stromnetz angeschlossen ist, kann überschüssiger Strom in das Netz eingespeist werden und der Zähler erfasst diese zusätzliche Produktion.
Batterien (optional)
Einige Solaranlagen verfügen über Batterien, um den tagsüber erzeugten Stromüberschuss zu speichern und ihn nachts oder in Zeiten geringer Sonneneinstrahlung zu nutzen.
Batterien ermöglichen Energieautarkie und die Nutzung des erzeugten Stroms, auch wenn kein Sonnenlicht verfügbar ist.
Vorteile der Photovoltaik
Photovoltaikanlagen bieten gegenüber anderen Energiequellen mehrere Vorteile. Hier sind einige der Hauptvorteile dieser Technologie:
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Erneuerbare und nachhaltige Energie: Photovoltaikenergie basiert auf Sonnenstrahlung, einer unerschöpflichen Energiequelle. Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen, die nur begrenzt verfügbar sind und zur Erschöpfung der natürlichen Ressourcen beitragen, ist Solarenergie langfristig eine nachhaltige Option.
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Emissionsfrei und umweltfreundlich: Bei der Stromerzeugung mittels Solarmodulen werden keinerlei Treibhausgasemissionen oder Schadstoffe in die Umwelt freigesetzt. Dies trägt dazu bei, den CO2-Fußabdruck zu verringern und den Klimawandel einzudämmen. -
Langfristige Kosteneinsparungen: Einmal installiert, kann eine Photovoltaikanlage kostenlosen Strom aus Sonnenenergie erzeugen. Dadurch kann die Abhängigkeit vom konventionellen Stromnetz verringert oder sogar vermieden werden und die Energiekosten können langfristig gesenkt werden.
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Energieunabhängigkeit: Durch die Installation von Solarmodulen ist der Nutzer in der Lage, seinen eigenen Strom zu erzeugen. Dies sorgt für Energieunabhängigkeit und verringert die Anfälligkeit gegenüber möglichen Stromausfällen.
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Breite Anwendbarkeit und Skalierbarkeit: Photovoltaiksysteme können an unterschiedliche Bedürfnisse und Größenordnungen angepasst werden, von der Installation auf Privathaushalten bis hin zu Großprojekten.
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Geringer Wartungsaufwand: Solarmodule erfordern nur minimale Wartung. Im Allgemeinen ist lediglich eine regelmäßige Reinigung erforderlich, um sicherzustellen, dass die Sonnenstrahlung sie effizient erreicht.
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Dezentrale Stromerzeugung: Photovoltaikanlagen können in der Nähe des Verbrauchsorts installiert werden, was die Verluste bei der Stromübertragung und -verteilung verringert, die Effizienz optimiert und zur Stabilität des Stromnetzes beiträgt.
Länder mit der höchsten Produktion von Photovoltaikenergie
Der Anteil der weltweit durch Photovoltaik erzeugten elektrischen Energie hat in den letzten Jahren deutlich zugenommen. Nach Angaben der Internationalen Agentur für Erneuerbare Energien (IRENA) betrug die weltweit installierte Leistung der Photovoltaik Ende 2020 773 Gigawatt (GW).
Laut dem Bericht „Renewables 2021“ der Internationalen Energieagentur (IEA) war die Photovoltaik im Jahr 2020 für rund 3 % der weltweiten Stromerzeugung verantwortlich.
Nachfolgend finden Sie eine Tabelle mit einigen der führenden Länder hinsichtlich der Stromerzeugung durch Photovoltaik im Jahr 2022.
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Land |
Installierte Leistung der Photovoltaikenergie (GW) |
Anteil der Solarenergie im Vergleich zu anderen Energiequellen |
|
China |
252 |
12,7 % |
|
USA |
110 |
3,4 % |
|
Japan |
67 |
9,7 % |
|
Deutschland |
52 |
11,8 % |
|
Indien |
45 |
4,2 % |
|
Australien |
20 |
7,3 % |
|
Südkorea |
16 |
2,9 % |
|
Frankreich |
12 |
2,7 % |
|
Italien |
20 |
8,6 % |
|
Spanien |
10 |
7,3 % |
Wirkungsgrad von Photovoltaikmodulen
Derzeit liegt die beste Umwandlungsrate von Sonnenlicht in Elektrizität bei etwa 21,5 %.
Photovoltaik-Module können je nach Bauweise aus einem bestimmten Bereich der Lichtfrequenzen Strom erzeugen. Allerdings kann damit in der Regel nicht der gesamte Solarbereich abgedeckt werden. Insbesondere können Photozellen Ultraviolett- , Infrarot- und schwaches bzw. Streulicht nicht in Elektrizität umwandeln.
Eine Möglichkeit, die Effizienz von Solarmodulen zu steigern, besteht darin, sie mit monochromatischem Licht zu beleuchten. Dadurch ließen sich weitaus höhere Wirkungsgrade erzielen.
Ein weiteres Designkonzept besteht daher darin, das Licht in verschiedene Wellenlängen aufzuspalten. Sobald sie getrennt sind, leiten Sie sie auf unterschiedliche Zellen, die auf diese Bereiche eingestellt sind. Eine Anlage dieser Art ist in der Lage, den elektrischen Wirkungsgrad um 50 % zu steigern.
Anwendungsbeispiele
Der Zweck von Photovoltaikanlagen besteht in der Erzeugung von elektrischem Strom, der vielseitig genutzt werden kann. Hier sind einige Beispiele:
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Erzeugung elektrischer Energie im großen Maßstab. Es gibt große Kraftwerke, die direkt an das Stromnetz angeschlossen sind und Hunderte Megawatt erzeugen können. Allerdings werden diese Solarparks mithilfe von Solarkonzentratoren errichtet und als Wärmekraftwerk betrieben.
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In Dächer und Gebäude integrierte Systeme: Diese Systeme können zum Eigenverbrauch von Strom dienen, aber auch an das öffentliche Netz angeschlossen werden.
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Elektrifizierung des ländlichen Raums. Diese Art der Solaranwendung wird in ländlichen Dörfern eingesetzt, in denen die Stromleitungen weit von der Bevölkerung entfernt sind.
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Straßen- und Wegebeleuchtung.
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Standalone-Systeme zur Stromversorgung kleiner Geräte wie Taschenrechner, Solar-Ladegeräte für Mobilgeräte usw.
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Im Transportbereich: Einige Elektrofahrzeuge verfügen über integrierte Solarsysteme, die einen Elektromotor mit Strom versorgen und Antriebsenergie erzeugen.
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Kommunikations- und Signaltürme, die elektrische Geräte verwenden, die keine großen Mengen elektrischer Energie verbrauchen und sich nur schwer an das Stromverteilungsnetz anschließen lassen.
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Verwendung in Raumfahrzeugen und Raumstationen , da die verfügbaren Energiequellen im Weltraum knapp sind.
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Wasserpumpsysteme.
Arten von Photovoltaikanlagen
Photovoltaikanlagen werden je nach ihrer Beziehung zum Stromnetz in zwei Hauptkategorien unterteilt:
An das öffentliche Stromnetz angeschlossene Anlagen
Diese Photovoltaikanlagen sind an das öffentliche Stromnetz angeschlossen. Bei diesem Ansatz erzeugen Solarmodule Strom, wenn Sonnenlicht vorhanden ist. Übersteigt die Stromproduktion den aktuellen lokalen Bedarf, wird der Überschuss in das Stromnetz eingespeist. Im Gegenzug erhält der Anlagenbesitzer möglicherweise Gutschriften oder eine Vergütung für den erzeugten Strom, was oft als „Nettomessung“ bezeichnet wird.
Dieser Ansatz ist in städtischen und Gewerbegebieten üblich und kann große Photovoltaikanlagen oder Solarparks umfassen, die im großen Maßstab Strom erzeugen.
Inselnetzsysteme
Off-Grid-Systeme sind unabhängig vom öffentlichen Stromnetz und dienen dem Eigenverbrauch an Standorten ohne Zugang zum Stromnetz oder in speziellen Anwendungsgebieten. Diese Systeme erzeugen Strom aus Sonnenenergie und speichern ihn in Batterien zur späteren Verwendung.
Sie werden in isolierten Häusern, abgelegenen Wetterstationen, zur Straßenbeleuchtung in ländlichen Gebieten oder abgelegenen Orten und in Situationen eingesetzt, in denen ein Anschluss an das herkömmliche Stromnetz nicht möglich oder kosteneffizient ist.