Was versteht man unter Solarenergie?
TDer Begriff Solarenergie, Sonnenenergie oder Sonnenkraft beschreibt die Methoden, die für die Energiegewinnung aus dem Sonnenlicht verwendet werden. Die Sonne befindet sich in einer Entfernung von 146 Millionen km von der Erde und ist eine kraftvolle Energiequelle. Um eine Vorstellung von der Größenordnung der Solarenergie zu geben: Die Erde erhält jährlich 1,6 Mrd. Kilowatt von der Sonne. Nur 40% treffen aber direkt auf die Erde, der Rest wird von den oberen Schichten der Atmosphäre reflektiert. Und doch ist der Anteil, den die Menschen einfangen und in nutzbare Energie verwandeln können, einige hundert Mal größer als der jährliche Energieverbrauch der Erde.
Die Solarenergie kann auf zwei Arten verwendet werden: als Hitzequelle und als Quelle für elektrischen Strom. Der Vorgang der Umwandlung der Sonnenstrahlen in Elektrizität wird Photovoltaik (PV) genannt.
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In vielen Teilen der Welt ist PV von den Kosten her mit fossilen Energieträgern und anderen Energielösungen konkurrenzfähig. Während sich die fossilen Energieträger der Welt immer mehr verknappen und zunehmend deutlich wird, welch negative Auswirkungen sie auf die Umwelt haben, entscheiden sich immer mehr Menschen für solare Photovoltaik als Energiequelle. Die breite Anerkennung der Solarenergie in Japan, Deutschland, Spanien, Italien und Griechenland wird dazu führen, dass die solare Photovoltaik im Energiemix der Welt eine immer wichtigere Rolle spielen wird.
Was versteht man unter Photovoltaik?
Photovoltaik (PV) ist ein Begriff der die Umwandlung des Sonnenlichts in Elektrizität ohne bewegliche Teile, Lärm, Verschmutzung oder Brennstoff beschreibt. Sie haben vielleicht schon mit Sonnenzellen gespeiste Taschenrechner oder Verkehrsanzeigen gesehen, vielleicht auch schon Münzen in eine mit Sonnenzellen betriebene Parkuhr gesteckt - dabei sind Sie der solaren Photovoltaik begegnet. Der photovoltaische Effekt wurde vom französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel im Jahr 1839 entdeckt. Er ist die einzige Möglichkeit, Licht direkt in Elektrizität zu verwandeln.
Photo kommt vom griechischen phos, also Licht. ‘Volt ist nach Alessandro Volta (1745 - 1827) benannt, einem Pionier der Erforschung der Elektrizität. Photovoltaik bedeutet daher eigentlich Lichtelektrizität. Die auch als Solarzellen bekannten PV-Zellen sind der Grundbaustein für die Umwandlung und fungieren als Halbleiter, die Lichtenergie in elektrische Energie verwandeln und dafür einen unerschöpflichen Energieträger nutzen können, die Sonne. Dabei werden die Eigenschaften der Halbleiter genutzt, die in der Elektronik eingesetzt werden: Dioden, Transistoren, integrierte Schaltkreise.
Funktionsweise der photovoltaischen Zellen
Die Solarzelle
PV-Zellen bestehen aus dünnen, flachen Wafern, die aus Materialien hergestellt werden, die wir als Halbleiter bezeichnen und die Elektrizität leiten oder befördern können. Mehr als 90% der heute produzierten Solarzellen werden aus Silizium hergestellt, einem Halbleiter, oder einem Halbmetall. Silizium besitzt sowohl die Eigenschaften eines Metalls als auch eines Isolierstoffs. Eine Seite der Zelle wird mit einer Substanz beschichtet, die eine negative Ladung trägt (z. B. Phosphor). Die andere Seite wird mit einer Substanz beschichtet, die eine positive Ladung trägt (z. B. Bor) Eine weitere Schicht, die keine Energie transportiert, trennt die beiden geladenen Schichten. Ein Draht läuft von der negativ geladenen Seite der Zelle zur positiv geladenen Seite.
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 Eine Solarzelle. |
Sonnenlicht - eine Energiequelle
Das Sonnenlicht treibt den PV-Prozess an und bringt die Energie, die in Elektrizität umgewandelt wird. Das Sonnenlicht besteht aus kleinen Energiebündeln (Photonen), die wie kleine Geschoße wirken.
Wenn Photonen auf eine PV-Zelle treffen, können sie reflektiert werden, durchgehen oder absorbiert werden. Nur die absorbierten Photonen liefern Energie zur Generierung von Elektrizität. Wenn genügend Sonnenlicht (Energie) vom Material (einem Halbleiter) absorbiert wird, werden Elektronen aus den Atomen des Materials in Form eines elektrischen Stroms herausgerissen. Photonen von der Sonne, in Energieform, schlagen Elektronen aus dem Atom und ermöglichen ihnen den freien Fluss.
TDieser Elektronenfluss ergibt einen Strom und wenn Metallkontakte an der Ober- und Unterseite einer PV-Zelle angelegt werden, kann Strom abgeleitet und extern genutzt werden. Dieser Strom definiert gemeinsam mit der Spannung der Zelle (die wiederum ein Ergebnis der integrierten elektrischen Felder ist) die Stromstärke (oder die Wattzahl), die von der Solarzelle erzeugt werden kann.
Leistung (Wattspitze) = Stromstärke (Ampère) x Spannung (Volt)
TDie Zelle ist der wesentliche Baustein eines PV-Systems, kann aber allein nicht genügend Energie liefern. Die elektrischen Eigenschaften einer einzelnen Zelle (Einheitsspannung von rund 0,5 Volt und Stromstärke von 1,5 Watt) reichen in der Regel nicht aus, um elektrische Geräte zu versorgen, die mit Standardspannung (12, 24 oder 48 Volt) funktionieren. Aus diesem Grund werden Solarzellen miteinander verbunden, um ein Modul oder ein Paneel zu bilden, das Strom mit einer bestimmten Leistung abgibt.
Ein typisches Solarmodul besteht aus vielen Zellen, einer Schutzglasabdeckung, einer Antireflexschicht zur besseren Sonnenlichtabsorption, einem vorderen oder rückwärtigen Kontakt bzw. einer Elektrode und den Halbleiterschichten, in denen die Elektronen ihre Reise beginnen. Der durch das Sonnenlicht angeregte Strom wird an der vorderen Elektrode abgenommen und geht durch einen Stromkreis über die rückwärtige Elektrode wieder in die Solarzelle zurück.
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Eine bestimmte Anzahl von Modulen wird wiederum zu Feldern oder Systemen verbunden, die eine bestimmte Stromleistung abgeben, um die jeweilige Anwendung oder die Nachfrage zu versorgen.
Wenn die Sonne auf das PV-Solarzellenfeld oder System scheint, wird Gleichstrom erzeugt und kann benutzt werden, um diverse Anwendungen zu versorgen. PV kann für viele Anwendungen eingesetzt werden von der Einspeisung ins Verbundnetz bis zur netzunabhängigen Einzelversorgung abgelegener Standorte.