Das wachsende Bewusstsein für Umweltprobleme und der Bedarf an nachhaltigen Energiequellen haben zu einem deutlichen Anstieg der Verbreitung von Photovoltaikmodulen auf der ganzen Welt geführt.
Photovoltaikmodule sind eine Art Solarmodule, deren Funktion darin besteht, aus Sonnenlicht Strom zu erzeugen. Diese Art von Modulen ist ein wesentlicher Bestandteil aller Photovoltaikanlagen.
Wie funktionieren Photovoltaikmodule?
Photovoltaikmodule machen sich den photovoltaischen Effekt zunutze, der auf der Fähigkeit bestimmter Materialien beruht, bei Sonneneinstrahlung Strom zu erzeugen.
Auf atomarer Ebene erfolgt dieser Prozess durch die Bewegung von Elektronen im Material, wenn sie von Photonen des Sonnenlichts getroffen werden.
Nachfolgend finden Sie eine detaillierte Beschreibung der Funktionsweise von Photovoltaikmodulen:
Photovoltaik-Materialien
Es gibt im Allgemeinen zwei Arten von Photovoltaikmaterialien, die in Solarmodulen verwendet werden: kristallines Silizium und amorphes Silizium. Kristallines Silizium ist am gebräuchlichsten und effizientesten, während amorphes Silizium flexibler ist und in bestimmten Anwendungen wie dünnen Platten verwendet wird.
Stromerzeugung
Wenn Sonnenlicht auf die Oberfläche eines Photovoltaikmoduls trifft, regt die Energie der Lichtphotonen die Oberflächenelektronen in den Siliziumatomen an, wodurch diese zu einem anderen Atom springen.
Diese Eigenschaft erzeugt einen Fluss von Elektronen oder elektrischem Strom, der eingefangen und durch mit dem Panel verbundene Drähte geleitet wird .
Der von Solarmodulen erzeugte elektrische Strom liegt in Form von Gleichstrom (DC) vor. Um in den meisten elektrischen Anwendungen genutzt zu werden, muss dieser Strom mithilfe eines sogenannten Solarwechselrichters in Wechselstrom (AC) umgewandelt werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den erzeugten Strom in Batterien zu speichern, um ihn nachts oder an bewölkten Tagen zu nutzen. In diesem Fall ist eine Stromumwandlung nicht notwendig, ich empfehle jedoch den Einbau eines Ladereglers.
Verwendung und Anwendungen von Photovoltaikmodulen
Zur Stromerzeugung werden Photovoltaikmodule eingesetzt. Aufgrund ihrer Eigenschaften sind diese Paneele jedoch eine ideale Wahl für ein breites Anwendungsspektrum in verschiedenen Branchen und Umgebungen.
Im Folgenden stelle ich Ihnen einige der häufigsten Anwendungen vor:
Erzeugung elektrischer Energie für das Stromnetz
Viele Elektrizitätsunternehmen kaufen den überschüssigen Strom kleiner und mittlerer Erzeuger auf, um die Versorgung der übrigen Bevölkerung zu unterstützen.
Strom für abgelegene Häuser
In ländlichen oder abgelegenen Gebieten, in denen kein Zugang zum herkömmlichen Stromnetz besteht, sind Solarmodule eine praktikable Lösung zur Stromerzeugung.
Dies ermöglicht den Menschen ein komfortableres und nachhaltigeres Leben, ohne dass lange Stromleitungen gebaut werden müssen.
Fahrzeugelektrifizierung
Solarautos sind Elektrofahrzeuge, die ihre Batterien im geparkten Zustand mithilfe von Sonnenkollektoren aufladen. Diese Lösung ermöglicht eine Steigerung der Effizienz und Autonomie des Fahrzeugs durch Verringerung der Abhängigkeit vom Stromnetz.
Obwohl sich diese Option noch im Anfangsstadium der Entwicklung befindet, investieren zahlreiche Unternehmen, um diese Art von Fahrzeugen zu angemessenen Kosten produzieren zu können.
Wasser pumpen
In landwirtschaftlichen Regionen und Gebieten, in denen Wasser zur Bewässerung oder zum Verbrauch benötigt wird, werden Solarpaneele zum Antrieb von Wasserpumpen eingesetzt, wodurch der Bedarf an Verbrennungsmotoren und die Abhängigkeit von konventionellen Energiequellen verringert werden.
Weltraumanwendungen
Sonnenkollektoren werden auch in Raumfahrzeugen und Satelliten eingesetzt, um im Vakuum des Weltraums Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln. Der Wirkungsgrad von Photovoltaikmodulen ist im Weltraum viel höher, da der von der Erdatmosphäre absorbierte Teil der Strahlung nicht verloren geht.
Vorteile von Photovoltaikmodulen
Die Einführung von Solarmodulen hat sich aufgrund einer Reihe wichtiger Vorteile beschleunigt:
Erneuerbare und nachhaltige Energie
Solarenergie ist unerschöpflich und umweltfreundlich, da sie bei ihrem Betrieb keine Treibhausgase oder andere Schadstoffe ausstößt.
Langfristige Kostensenkung
Trotz der anfänglichen Investition senken Solarmodule die Stromkosten im Laufe der Zeit erheblich, da Sonnenlicht kostenlos und reichlich vorhanden ist.
Energieunabhängigkeit
Die Stromerzeugung aus Solarmodulen ermöglicht den Nutzern eine größere Unabhängigkeit von Preisschwankungen fossiler Brennstoffe und des Stromnetzes.
Geringe Wartungskosten
Photovoltaikmodule erfordern nur minimale Wartung und haben eine Lebensdauer von Jahrzehnten, was sie zu einer langfristigen Investition macht.
Nachteile
Trotz der zahlreichen Vorteile steht die flächendeckende Einführung von Solarmodulen auch vor Herausforderungen:
Anschaffungskosten
Die Installation einer Photovoltaikanlage kann teuer sein, allerdings sind die Kosten in den letzten Jahren aufgrund technologischer Fortschritte und staatlicher Subventionen deutlich gesunken.
Klimavariabilität
Die von Solarmodulen erzeugte Strommenge hängt von den Wetterbedingungen und dem geografischen Standort ab. Bewölkte oder regnerische Tage können die Stromerzeugungseffizienz beeinträchtigen.
Energiespeicher
Das Fehlen einer effektiven Speicherlösung kann die Zuverlässigkeit der Solarenergie nachts oder an bewölkten Tagen beeinträchtigen.
Umweltauswirkungen der Herstellung
Die Herstellung von Solarmodulen erfordert die Gewinnung und Verarbeitung von Materialien, was zunächst Auswirkungen auf die Umwelt hat. Diese Auswirkungen sind jedoch in der Regel geringer als bei der Energiegewinnung aus fossilen Brennstoffen.
Elektrische Produktion von Photovoltaikmodulen
Die Werte in der folgenden Tabelle basieren auf Standardtestbedingungen (STC) und für jeden Solarmodultyp (1,9 m²) in einer Region mit durchschnittlich 6 Sonnenstunden pro Tag:
|
Solarpanel-Typ |
Geschätzte Produktion (Wp) pro Panel |
Durchschnittliche Tagesproduktion (Wh) |
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monokristallines Silizium |
300-400 Wp |
1800–2400 Wh |
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Polykristallines Silizium |
250-350Wp |
1500–2100 Wh |
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Amorphes Silizium (Dünnschicht) |
150-250 Wp |
900–1500 Wh |
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Bifaziale Paneele |
350-450 Wp (kann stärker variieren) |
2100–2700 Wh (kann stärker variieren) |
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Dünnschichtpanels (CIGS) |
200-300Wp |
1200–1800 Wh |
Beispielrechnung: Wie viele Solarmodule benötige ich für ein 150m 2 großes Haus ?
Die Anzahl der Photovoltaikmodule, die Sie benötigen, um ein 150 Quadratmeter großes Haus mit Strom zu versorgen, hängt von mehreren Faktoren ab, darunter dem durchschnittlichen Stromverbrauch, der geografischen Lage, dem gewählten Modultyp sowie der Ausrichtung und Neigung der Module.
Um eine grobe Schätzung zu erhalten, kann jedoch davon ausgegangen werden, dass in Gebieten mit guter Sonneneinstrahlung ein typisches Solarpanel mit 300–400 Wattpeak (Wp) etwa 1,5–2,0 Kilowattstunden (kWh) Strom pro Tag produzieren kann Ideale Bedingungen (ca. 6 Stunden effektive Sonne pro Tag).
Wenn Ihr Haus beispielsweise 20 kWh pro Tag verbraucht, bräuchten Sie etwa 10 bis 13 Solarmodule mit je 300 Wp, um diesen Tagesbedarf unter idealen Bedingungen zu decken.
Standardtestbedingungen (STC) eines Solarmoduls
„Standard Test Conditions“ (STC) werden verwendet, um die Messung der Leistungsmerkmale von Solarmodulen zu standardisieren und genaue Vergleiche zwischen verschiedenen Herstellern und Modellen zu ermöglichen. Die Standardtestbedingungen sind wie folgt:
- Sonneneinstrahlung: Die Sonneneinstrahlung beträgt 1000 Watt pro Quadratmeter (W/m²).
- Zelltemperatur: Die Solarzellentemperatur wird während des Tests auf 25 Grad Celsius (77 Grad Fahrenheit) gehalten.
- Sonnenlichtspektrum: Das für die Tests verwendete Sonnenlicht entspricht dem AM1.5-Spektrum, das die Energieverteilung des Sonnenlichts in der Erdatmosphäre zur Mittagszeit darstellt.
- Einfallswinkel: Der Einfallswinkel des Sonnenlichts wird senkrecht zum Solarpanel eingestellt.
- Windgeschwindigkeit: Die Windgeschwindigkeit wird auf Null gehalten.