Ein Solarpanel (oder Solarpanel) ist ein Gerät, das die Strahlungsenergie der Sonne einfängt und in eine andere Form nutzbarer Energie umwandelt. Es gibt zwei Haupttypen von Solarmodulen: Photovoltaik und thermische.
Ein Photovoltaik-Solarmodul besteht aus Photovoltaik-Solarzellen, die Halbleitermaterialien enthalten, die Sonnenlicht in Elektrizität umwandeln können. Diese Zellen absorbieren Photonen des Sonnenlichts und geben Elektronen ab, wodurch ein elektrischer Gleichstrom (DC) erzeugt wird. Photovoltaikmodule werden zur Stromerzeugung eingesetzt und sind in Wohn-, Gewerbe- und Industrieanlagen zu finden.
Ein thermisches Solarpanel hingegen soll die Wärmeenergie der Sonne nutzen und Wasser oder andere Flüssigkeiten erhitzen. Diese Thermopaneele bestehen aus Sonnenkollektoren , die Sonnenenergie absorbieren und die Wärme an das Wasser oder die zirkulierende Flüssigkeit übertragen. Solarthermische Paneele werden hauptsächlich zur Warmwasserbereitung in Wohn-, Gewerbe- und Industrieanwendungen eingesetzt und können erheblich zur Reduzierung des konventionellen Energieverbrauchs für die Warmwasserbereitung beitragen.
Photovoltaik-Module: Stromerzeugung
Photovoltaikmodule sind für die Stromerzeugung konzipiert. Diese Art von Modulen besteht aus kleinen Solarzellen, die dank des photovoltaischen Effekts die Sonnenstrahlung in elektrische Energie umwandeln.
Diese Art von Solarmodulen besteht aus Halbleitermaterialien, die normalerweise aus Silizium hergestellt werden. Die Paneele bestehen aus zwei Schichten Silizium, die jeweils speziell behandelt sind, um ein elektrisches Feld zu erzeugen.
Wenn ein Lichtphoton auf diese Schichten trifft, löst es einen Elektronensprung aus einem Siliziumatom aus. Die losen Elektronen fließen in die gleiche Richtung und erzeugen aufgrund des erzeugten elektrischen Feldes einen elektrischen Strom.
Photovoltaik-Solarmodule erzeugen Strom in Form von Gleichstrom und werden in der Regel von Stromwandlern zur Gewinnung von Wechselstrom begleitet.
Wie funktioniert es? Der photovoltaische Effekt
Photovoltaikmodule funktionieren dank des photovoltaischen Effekts, einem physikalischen Phänomen, das die Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität ermöglicht. Dieser Effekt tritt bei bestimmten Halbleitermaterialien wie Silizium auf, die bei Lichteinwirkung einen elektrischen Strom erzeugen können.
Jedes Photovoltaikmodul besteht aus vielen Solarzellen, den Grundeinheiten, in denen der Photovoltaikeffekt auftritt. Wenn Sonnenlicht auf eine Solarzelle trifft, übertragen Photonen (Lichtteilchen) ihre Energie auf die Elektronen im Halbleitermaterial. Diese zusätzliche Energie ermöglicht es den Elektronen, sich aus ihren Atomen zu lösen, wodurch Elektron-Loch-Paare entstehen (Loch ist die Abwesenheit eines Elektrons). Aufgrund der Struktur der Zelle bewegen sich freie Elektronen auf eine Seite des Halbleiters, während Löcher auf die gegenüberliegende Seite wandern und so eine elektrische Potentialdifferenz oder Spannung erzeugen.
Diese Elektronenbewegung erzeugt einen Gleichstrom, der direkt zur Stromversorgung elektrischer Geräte verwendet oder über einen Wechselrichter in Wechselstrom für den Einsatz in Haushalten oder Industrien umgewandelt werden kann. So wandeln Photovoltaikmodule Sonnenenergie auf saubere und nachhaltige Weise in elektrische Energie um.
Verwendete Materialien
Im Allgemeinen bestehen Solarzellen aus kristallinem Silizium oder Galliumarsenid. Für diese Zwecke werden Galliumarsenidkristalle hergestellt, während auch Siliziumkristalle für den Verbrauch in der Mikroelektronikindustrie hergestellt werden.
Abhängig von der Konfiguration des Siliziums der Solarzellen werden Photovoltaikmodule in polykristalline, monokristalline und Dünnschicht-Solarmodule unterteilt. Die Hauptunterschiede zwischen ihnen sind Kosten und Effizienz.
Bautechnik
Eine 6 cm große Siliziumzelle, die 1 AE direktem Licht ausgesetzt wird, kann einen Strom von 0,5 Ampere bei 0,5 Volt erzeugen. Galliumarsenid ist sogar noch effizienter als Silizium.
Das Glas wird in kleine Scheiben geschnitten und poliert, um die Gefahr des Schneidens auszuschließen. Anschließend werden Dotierstoffe in die Scheiben eingebracht und auf jeder Oberfläche Metalltreiber angebracht: ein kleiner Anschluss auf der der Sonne zugewandten Oberfläche und ein Anschluss auf der anderen Seite.
Aus diesen in geeignete Formen geschnittenen Zellen werden Solarmodule gebaut. Darüber hinaus werden sie vor Strahlung und anderen Schäden geschützt, indem eine Glasschicht aufgetragen und auf ein Substrat (entweder eine starre oder eine flexible Platte) geklebt wird.
Zur Bestimmung der Gesamtausgangsspannung werden elektrische Verbindungen seriell-parallel hergestellt und müssen über eine Schutzschicht verfügen, die wärmeleitend sein muss.
Photovoltaikzellen, aus denen ein Solarpanel besteht
Obwohl jede Photovoltaikzelle eine kleine Energiemenge liefert, kann eine Reihe von Solarzellen genug Energie erzeugen, um nützlich zu sein.
Die gebräuchlichsten Konfigurationen von Solarzellen sind die folgenden
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36-Zellen-Solarmodule: Dieser Modultyp ist der kompakteste auf dem Markt und die am meisten empfohlene Option für kleine isolierte Anlagen. Die 36 Solarzellen erzeugen eine Ausgangsspannung von 12 Volt.
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60-Zellen-Solarmodule. Es nutzt 60 Solarzellen, um eine Ausgangsspannung von mehr als 24 V zu erreichen.
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72-Zellen-Solarmodule. Dieser Typ von Photovoltaikmodulen verbindet 72 Solarzellen, um eine Spannung von mehr als 24 V zu erzeugen, und wird hauptsächlich in Anlagen verwendet, die an das Stromnetz angeschlossen sind.
Sonnenkollektoren: Wärmeerzeugung
Solarkollektoren sind Teil solarthermischer Energieanlagen.
Seine Funktion besteht darin, die Wärmeenergie der Sonne zu nutzen , um eine Flüssigkeit zu erhitzen.
Diese Art von Solarmodul funktioniert durch die Zirkulation einer Flüssigkeit in seinem Inneren. Das Panel fängt die Wärmeenergie der Sonne ein. Diese Flüssigkeit erwärmt sich, während sie im Kollektor zirkuliert.
Arten von Solarkollektoren
Es gibt verschiedene Arten von Solarkollektoren, die je nach der zu erreichenden Temperatur für bestimmte Anwendungen konzipiert sind:
- Niedertemperaturkollektoren :
Flache Solarkollektoren : Sie sind am häufigsten und bestehen aus einer flachen Oberfläche, die Sonnenstrahlung absorbiert. Sie eignen sich ideal für Anwendungen wie die Warmwasserbereitung oder Raumheizung.
Vakuumröhrenkollektoren : Diese Kollektoren haben einen höheren Wirkungsgrad als Flachkollektoren, insbesondere in kalten Klimazonen. Sie bestehen aus Röhren, in deren Inneren ein Vakuum herrscht, das den Wärmeverlust reduziert. - Hochtemperaturkollektoren :
Parabolspiegel-Solarkonzentratoren : Sie verwenden Parabolspiegel, um die Sonnenstrahlung auf einen kleinen Receiver zu konzentrieren und so die Temperatur zu erhöhen. Sie werden in industriellen Anwendungen oder bei der Stromerzeugung eingesetzt.
Flache Spiegel oder lineare Fresnel-Linsen : Diese Technologien konzentrieren ebenfalls die Sonnenstrahlung, haben jedoch ein anderes Design als die parabolische und werden in Anwendungen eingesetzt, bei denen hohe Temperaturen erforderlich sind. - Höchsttemperaturkollektoren :
Solarthermische Kraftwerke : In diesen Anlagen werden Felder aus verstellbaren Flachspiegeln verwendet, die die Sonnenstrahlung auf einen einzigen Brennpunkt reflektieren. Dieser Kollektortyp ist in der Lage, extrem hohe Temperaturen zu erreichen und wird hauptsächlich bei der großtechnischen Stromerzeugung eingesetzt.
Anwendungsbeispiele und Anwendungen
Die Installation von Solarmodulen bietet die Möglichkeit, Strom oder Wärme zu erzeugen und erweitert so deren Einsatzmöglichkeiten in einer Vielzahl von Anwendungen.
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Tragbare Elektronik: Sonnenkollektoren werden zur Stromversorgung und zum Aufladen von Batterien in Unterhaltungselektronik wie Taschenrechnern und tragbaren Geräten verwendet.
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Laden von Elektrofahrzeugen: Elektroautos können ihre Batterien mit Solarenergie aufladen. Dies kann durch im Fahrzeug eingebaute Solarpaneele oder an Ladestationen erreicht werden.
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Energie für Gebäude: In tropischen und subtropischen Regionen mit viel Sonnenlicht werden große Solarpaneele, beispielsweise Sonnenkollektoren, zur Stromversorgung von Gebäuden und Häusern eingesetzt.
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Raumfahrtanwendungen: Raumfahrzeuge nutzen Solarbatterien als Hauptquelle zur Stromerzeugung. Diese Batterien sind im Gegensatz zu nuklearen und Radioisotopen-Energiequellen hocheffizient und nachhaltig.
Die Hauptanwendungen von Solarkollektoren sind:
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Warmwasser für den Haushalt: Solarkollektoren werden zur Erwärmung des Wassers in Häusern und Gebäuden eingesetzt und reduzieren so den Bedarf an herkömmlichen Heizsystemen.
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Heizsysteme: Bereitstellung von Wärme für Heizsysteme in Häusern und Gebäuden, wodurch die Abhängigkeit von herkömmlichen Wärmequellen verringert wird.
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Großtechnische Stromerzeugung: In thermischen Dampfkraftwerken werden Solarkollektoren zur großtechnischen Stromerzeugung eingesetzt und nutzen dabei die Sonnenstrahlung als Wärmequelle.